Climate Science Glossary

Term Lookup

Enter a term in the search box to find its definition.

Settings

Use the controls in the far right panel to increase or decrease the number of terms automatically displayed (or to completely turn that feature off).

Term Lookup

Settings


All IPCC definitions taken from Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Annex I, Glossary, pp. 941-954. Cambridge University Press.

Home Arguments Software Resources Comments The Consensus Project Translations About Donate

Twitter Facebook YouTube Pinterest

RSS Posts RSS Comments Email Subscribe


Climate's changed before
It's the sun
It's not bad
There is no consensus
It's cooling
Models are unreliable
Temp record is unreliable
Animals and plants can adapt
It hasn't warmed since 1998
Antarctica is gaining ice
View All Arguments...



Username
Password
Keep me logged in
New? Register here
Forgot your password?

Latest Posts

Archives

Climate Hustle

Теория хаоса и глобальное потепление: можно ли спрогнозировать климат?

Что говорит наука...

Базовый уровень

Погода хаотичная, но климат обусловлен энергетическим дисбалансом Земли, который более предсказуем.

Продвинутый уровень

Погода хаотична, потому что воздух легкий, у него низкое трение и вязкость, он сильно расширяется при контакте с горячими поверхностями и плохо проводит тепло. Поэтому погода никогда не находится в равновесии и всегда дует ветер. Климат,  в основном, объясняется равновесием радиационной физики, которое тормозит колебания глобальных температур. Воздействие погоды, Солнца, вулканов и т. д. в настоящее время вызывает лишь небольшое хаотическое поведение по сравнению с детерминированным и предсказуемым воздействием парниковых газов в течение следующих 100 лет».

Аргумент скептиков...

Климат хаотичен и его невозможно предсказать

'Лоренц (1963), в историческом документе, основавшем теорию хаоса, указал, что так как климат - математическая система с хаотическим поведением (точка зрения, которую признает климатическая группа ООН), то точный долгосрочный прогноз будущей эволюции климата невозможен "ни одним методом". В настоящее время, климатические прогнозы даже на шесть недель вперед могут диаметрально отличаться от фактического состояния, несмотря на то, что прогноз будет ограничен небольшим регионом планеты' (Кристофер Монктон)

Базовый уровень

Одной из определяющих черт хаотической системы является «чувствительная зависимость от начальных условий». Это означает, что даже весьма небольшие изменения в состоянии системы могут быстро и радикально изменить её способ развития с течением времени. Историческая статья Эдварда Лоренца 1963 года продемонстрировала такое поведение при моделировании турбулентности потоков и положила конец надеждам на долгосрочное прогнозирование погоды.

 

Однако климат - это не погода, а моделирование - не прогнозирование.

 

Хотя, как правило, невозможно предсказать конкретное будущее состояние хаотической системы (неизвестно, какая температура будет в Орегоне 21 декабря 2012 г.), все же, можно делать статистические утверждения о поведении системы в целом (весьма вероятно, что температура в Орегоне в декабре 2012 года будет ниже, чем в июле 2012 года). В климатической системе есть хаотические компоненты, такие как Эль-Ниньо и турбулентность потоков, но все они оказывают гораздо меньшее долговременное влияние, чем парниковый эффект. Это немного похоже на самолет, летящий в штормовую погоду: он может сотрясаться время от времени, но все равно перемещается из одного аэропорта в другой.

Модели климата также, обычно, не дают прогнозов погоды. Модели часто запускают по несколько раз с различными начальными условиями, и это множество результатов проверяется на общие свойства (пример: Истерлинг 2009). Кстати, это метод, используемый математиками для изучения функций Лоренца.

Хаотический характер турбулентности не является реальным препятствием для моделирования климата и не отрицает существование или понимание изменения климата.

Продвинутый уровень

Одно из скептических утверждений состоит в том, что если погода хаотична, то, конечно, климат также должен быть хаотичным, потому что «климат, конечно же, погода очень длительного действия». Как известно, погода хаотичная и сильно сезонная. Температура воздуха претерпевает значительные суточные колебания, иногда непредсказуемо изменяющиеся более чем на 20 ° C в данной местности в течение нескольких дней. Климат действительно изменяется нелинейно, но это не помешало ученым делать хорошие прогнозы. Сейчас мы заглянем в хаос и узнаем почему климат довольно предсказуем как на протяжении десятилетий, так и веков.

В 1963 году Эдвард Лоренц изучал закономерности поднятия теплого воздуха в атмосфере. В то время было известно, что воздух может начать двигаться, если он вступит в контакт с теплым объектом. У воздуха имеются такие свойства: расширение при нагревании, он хороший изолятор и относительно просто течет - технически говоря, он имеет большое число Рэлея. Думайте о большой массе горячего воздуха в атмосфере, как о поднимающемся воздушном шаре в форме грибного облака (!). На основании известной гидродинамики Лоренц вывел набор упрощенных уравнений для этого движения и нашел нечто удивительное. При определенных значениях параметров общее движение атмосферного воздуха колебалось непредсказуемо (Lorenz 1963):

 

Рис. 1. Упрощенные уравнения фазового пространства Лоренца для конвекции воздуха (вверху) и некоторые численные решения (ниже, для ясности разделены).


Основная проблема заключалась в том, что при небольших изменениях в начальных условиях система всегда будет иметь непредсказуемый результат. Это было открытием детерминированного хаоса, и мы знали, что никогда не предскажем погоду более чем на 10 дней вперед без использования непропорциональной вычислительной мощности с очень небольшой отдачей. Естественно, ученые знали о хаосе из изучения турбулентности, которая не является одновременно гладкой (детерминированной) и непредсказуемой.

Когда Лоренц посмотрел поближе на свои графики, произошло нечто захватывающее. Своеобразная закономерность появилась, когда он изобразил кривые друг напротив друга: их притягивало к аттрактору, который не покидал объем фигуры. Это было странно, потому что это была не простая фигура, а целое подпространство точек, дивным образом размазанное в трех измерениях.

 

 

Рисунок 2: Численные решения уравнений Лоренца, построенные в одной системе координат. Кривые являются функциями времени, поэтому представьте их как американские горки, отслеживающие невидимый объект, называемый странным аттрактором.

Еще более странно, что структура занимает не просто двумерную плоскость, а нечто более двухмерное и менее трехмерное: оно двумерное плюс дробь. Оно существует в так называемом фрактальном измерении. Оно никогда по-настоящему не пересекает себя, таким образом, передавая каждой траектории бесконечное одиночество. Поэтому объект был удачно назван странным аттрактором.

Более пристальный взгляд показывает, где возникает непредсказуемость. Синие и пурпурные кривые некоторое время близко следуют друг за другом. Внезапно пурпурный изгиб резко поднимается и быстро оказывается далеко от своего спутника. Это является чувствительностью к начальным условиям, которая наблюдается в повседневной погоде.

 

Рисунок 3: Иллюстрация детерминированного хаоса. Представьте, что две системы запускаются при немного разных начальных условиях. Они будут тесно следовать друг за другом некоторый промежуток, но в течение короткого времени наша способность предсказать их становится невозможной (вид спереди и сбоку аттрактора Лоренца).

Это то, что, как утверждают скептики, должно происходить и в климате. Помимо вариаций солнечных циклов, количества частиц в воздухе и извержений вулканов, наибольшая изменчивость климата обусловлена изменениями в теплообмене между атмосферой и океанами. Вода имеет меньшее число Рэлея, чем воздух, что затрудняет достижение полностью развитого хаоса в океанских течениях. Однако индексы океанического климата (теплопередача) могут демонстрировать мелкомасштабный хаос, как мы увидим ниже.

 

Рисунок 4: Океанические циклы. Североатлантическое колебание (синяя линия), восточно-атлантический механизм (зеленая), западно-тихоокеанское колебание (красная) (NOAA)

Глядя на три основных климатических индекса, мы видим ту же проблему, с которой столкнулся Лоренц. Фактически доказать, что эти показатели хаотичны, чрезвычайно сложно, но Tziperman et al. (1994) в простой модели показали, что Эль-Ниньо, вероятно, является сезонно-индуцированным хаотическим изменением между океаном и атмосферой. Следовательно, климатическая система в целом демонстрирует некоторую внутреннюю непредсказуемость (Hansen et al. 2007). Однако, несмотря на то, что явление Эль-Ниньо 1998 года было колоссальными 10% от общей аномалии теплосодержания с 1950 года, оно прошло быстро. Парниковый эффект, в свою очередь, работает на протяжении всего периода.

Возвращаясь к температурному рекорду (относительно периода 1950–1980-х годов), мы можем теперь назвать явления. Хаотическое влияние океанов, вулканов и т. д. делают погоду более непредсказуемой и создают непредсказуемую часть «колебаний» относительно среднего тренда климата. Климат определенно нелинейный, но и не хаотичный на этом графике.

 

Рисунок 5: Глобальный рекорд температуры GHCN & HADISST1. Скользящее среднее выполняется с помощью фильтра низкого уровня.

В масштабе десятилетий каждый планетарный объект имеет среднюю температуру, в основном определяемую мощностью его звезды в соответствии с законом Стефана-Больцмана в сочетании с парниковым эффектом. Если бы источники и поглотители CO2 были хаотичными и могли быстро выделять и улавливать большие фракции газа, возможно, климат был бы хаотичным. Если бы на орбиту Земли повлияла луна, сопоставимая по массе с самой планетой, то орбита и, следовательно, солнечное воздействие вызвали некоторый хаос в климате. Но Луна относительно мала и фактически стабилизирует ось вращения, создавая благоприятное условие для жизни на Земле.

Подводя итог, можно сказать, что погода хаотичная, потому что она может быть свободной, а климат на поводке. Потяните за поводок достаточно сильно, и климат отреагирует.

 

Рисунок 6: Художественное изображение растущих глобальных температур, несущее с собой небольшой, слегка растущий аттрактор Лоренца.


Гостевой пост Джейкоба Бока Аксельсена

Джейкоб Бок Аксельсен - магистр биофизики и доктор философии в complexity studies, Институт Нильса Бора, Копенгаген. Он дважды работал приглашенным ученым в США, а затем - докторантом в Научном институте Вейцмана. Он является контрактным физиком в Центре Астробиологии в Мадриде. Его интерес к науке о климате чисто непрофессиональный

Спасибо за перевод @ann.velvet

Translation by daria_check, . View original English version.



The Consensus Project Website

THE ESCALATOR

(free to republish)


© Copyright 2019 John Cook
Home | Links | Translations | About Us | Privacy | Contact Us