Физики Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) рассчитали, как будет меняться климат под воздействием случайных факторов или шума (изменение различных параметров, таких как концентрация углекислого газа в атмосфере, температура мирового океана и др.). В результате они получили сценарии развития, которые не имеют аналогов. Модели ситуаций ученые УрФУ и Лёвенского католического университета (Лёвен, Бельгия) опубликовали в журнале Physics Reports.

«Изменение климата связано со множеством параметров — скорость таяния льдов, опреснение мирового океана и изменение его температуры, уровень углекислого и других газов в атмосфере и прочие параметры. Взаимосвязь между ними и определяет траекторию динамики климата. Но просчитать эту траекторию невозможно, так как система слишком сложная. Кроме того, существуют возмущения, которые эту систему выводят из нормального состояния, — говорит профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Дмитрий Александров. — Мы ставили цель выявить, насколько сильно непредсказуемые факторы влияют на динамику климата. И как показали расчеты, стохастическое воздействие может изменить климат совершенно неожиданно. Как “эффект бабочки”, когда небольшое возмущение приводит к непредсказуемым последствиям».

Изучив детерминированные матмодели с исходными данными, ученые добавили в них стохастический фактор (критерии, которые не учитывают существующие модели) и показали, что необходимо, чтобы климат перешел от теплого состояния к холодному (например, два устойчивых равновесия, между которыми система может переключаться). Так, две двумерные модели поясняют связь между средней глобальной температурой мирового океана и массой морского льда и взаимосвязь температуры и растительности. В первом варианте случайные факторы могут создавать колебания климата и стать причиной климатического хаоса. Во втором — шум с нарастающей интенсивностью может привести к постепенному снижению средней температуры и вызвать катастрофический сдвиг климатической системы к состоянию, когда Земля из покрытой растительностью превратится в снежный ком.

«Мы выявили условия, при которых климатическая система может быть выведена из состояния равновесия в режим осцилляций с большими перепадами температуры атмосферы и площади ледников. Причем для этого необязательно дожидаться глобальной катастрофы типа падения большого метеорита. В статье описаны ситуации, когда даже малые возмущения, вызываемые, на первый взгляд, несущественными факторами, например, плотность облаков, могут сделать поведение климатической системы непредсказуемым, то есть хаотическим», — поясняет профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Лев Ряшко.

Три трехмерные модели учитывают состояние континентального и морского льдов, среднюю температуру мирового океана, концентрацию углекислого газа в атмосфере, массу льдов, площадь антарктического континентального ледяного щита. Кроме того, физики учитывали астрономический форсинг (параметры орбиты и наклон Земли). Расчеты по этим моделям показали, что даже небольшой случайный шум может вызвать серьезные колебания системы, после которых она перейдет от порядка к хаосу.

«Так как влияние всех переменных просчитать нельзя, мы взяли простые модели и сделали “срез” сложной динамической картины меняющегося климата. И если новое динамическое явление есть в простой модели, то оно содержится и в более сложной системе», — поясняет Дмитрий Александров.

Отметим, результаты исследования — итог пятилетней работы по многомасштабному математическому моделированию. Проект поддержал РНФ (№ 16-11-10095). Расчеты физиков помогут составить климатические модели, учитывающие современное положение вещей, и более адекватно описать состояние климата.