Коливання сонячного випромінювання пов'язали зі стабільністю земного клімату
Американські кліматологи показали, що перехід між стабільними станами теплого клімату і «Землі-сніжка» може бути індукований невеликими випадковими коливаннями інтенсивності сонячного випромінювання. При цьому траєкторія фазового переходу обов'язково проходить через метастабільний стан, який називають меланхолійним. За оцінками вчених, такі переходи можуть тривати близько десяти мільйонів років. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на arXiv.org.
Клімат Землі залежить від великої кількості параметрів: інтенсивності сонячного випромінювання, що відображає здатності планети (альбедо), концентрації парникових газів, стану атмосфери і навіть розташування Сонячної системи в галактиці. Тим не менш, залежно від співвідношення між цими факторами можливо тільки два стабільних стану клімату. Перший стан - це теплий клімат, в якому ми живемо зараз. Другий стан - так звана «Земля-сніжок», практично повністю покрита льодом (при цьому середньорічна температура планети не перевищує нуля градусів Цельсія). Зокрема, геологічні дослідження вказують на стан «сніжка», який сформувався в епоху Неопротерозою (близько 650 мільйонів років тому) і Гуронського оледеніння (2,4-2,1 мільярда років тому).
Тип глобального клімату в основному визначається співвідношенням між двома процесами зворотного зв'язку. Перший процес - позитивний зворотний зв'язок між площею крижаного панцира і альбедо планети. Грубо кажучи, чим більший панцир, тим більше сонячного випромінювання Земля відображає в космос і тим більше охолоджується; у свою чергу, чим сильніше охолоджується планета, тим швидше зростає крижана шапка. Якби температурою планети керував тільки цей процес, їй було б вигідно або повністю покритися льодом, або повністю від нього позбутися. На щастя, його стримує негативний лікарцманівський зворотний зв'язок - чим менше температура планети, тим менше тепла вона випромінює в навколишній простір і тому менше охолоджується. Коли обидва цих процеси сильні і приблизно врівноважують один одного, клімат планети стає нестійким, немов склянка з перегрітою водою. Кліматологи називають такий стан меланхолійним. У цьому стані кордон льодовиків знаходиться в районі середніх широт. Невеликі обурення меланхолічного стану призводять до того, що Земля швидко розігрівається або перетворюється на «сніжок». На жаль, вчені погано розуміють, як відбуваються такі фазові переходи, і які процеси їх викликають.
Фізики Валеріо Лукаріні (Valerio Lucarini) і Тамас Бодай (Tamás Bódai) досліджували, як випадкові збудження пов'язані зі стійкістю клімату, і підтвердили, що меланхолійний стан нагадує сідлову точку в енергетичному спектрі системи. Для цього вчені об'єднали примітивні рівняння атмосферної моделі PUMA з моделлю енергетичного балансу Гіл - Селлерса (Ghil-Sellers), яка якісно описує перенесення тепла океанськими течіями. Щоб зв'язати ці моделі, фізики враховували вертикальні потоки тепла і вважали, що температура приповерхнісного шару атмосфери дорівнює температурі океану. Отримане диференційне рівняння враховувало перенесення тепла між різними широтами, позитивний і негативний зворотний зв'язок, а його траєкторії прагнули до одного з двох атракторів, що відповідали теплому клімату або «сніжку». У першому випадку середня температура планети була близька до нуля градусів Цельсія, у другому випадку не перевищувала - 40 градусів.
Щоб врахувати перепади сонячного випромінювання, від яких залежить величина позитивного зворотного зв'язку, вчені ввели в систему параметр контролю , який показував середню інтенсивність випромінювання, і параметр ^, що визначає величину випадкових коливань інтенсивності. В основному дослідники розглядали сонячну активність близько 98 відсотків від поточного значення і працювали з невеликими відносними коливаннями, що не перевищують відсотка від повного сонячного потоку. Щоб побудувати фазову діаграму клімату, дослідники розраховували середню температуру планети і різницю температур між приполярними областями (60-90 градусів північної широти) і екваторіальним поясом (0-30 градусів північної широти). Це дозволяло оцінити, де проходить межа крижаної шапки, і вхопити не тільки стабільні, а й метастабільні стани.
Вчені виявили, що коливання інтенсивності сонячного випромінювання руйнують стійкі стани і індукують переходи між «сніжком» і теплим кліматом. Чим менший рівень шуму, тим більший час життя стійкого стану. За найм'якшими оцінками, воно не перевищує десяти мільйонів років (втім, згідно з геологічними даними, за останні два мільярди років Земля повністю замерзала всього кілька разів, що, очевидно, суперечить оцінці вчених). Більше того, траєкторії таких фазових переходів завжди проходять через меланхолійні стани. За словами авторів статті, ці траєкторії відповідають інстантонам, які мінімізують дію Фрейдліна-Вентцеля (Freidlin-Wentzell). Таким чином, вчені підсумовують, що меланхолійний стан служить своєрідним аналогом сідлової точки в енергетичному спектрі, через яку проходять траєкторії, що з'єднують сусідні мінімуми.
Варто зазначити, що у своїй роботі вчені не враховували антропогенні фактори, які також можуть суттєво позначитися на кліматі планети. В даний час зв'язок між діяльністю людини і збільшенням середньої температури Землі підтверджена на рівні п'ять сигма (99,9999 відсотка ймовірності невипадкового результату).
Незважаючи на те, що змоделювати клімат Землі дуже складно через хаотичну природу атмосфери, вчені намагаються встановити якісь загальні закономірності, пов'язані з його зміною. Наприклад, у квітні минулого року фізики з Чиказького університету запропонували просту геометричну модель, яка описує структуру водойм, що утворюються на покритій льодом поверхні Серверного Льодовитого океану під час літнього танення. За словами дослідників, ця модель підвищить точність існуючих кліматичних моделей. А в 2017 році вчені за допомогою комп'ютерного моделювання пояснили незвичайний клімат світу «Гри престолів» і передбачили його подальшу зміну.