Колебания солнечного излучения связали со стабильностью земного климата

Американские климатологи показали, что переход между стабильными состояниями теплого климата и «Земли-снежка» может быть индуцирован небольшими случайными колебаниями интенсивности солнечного излучения. При этом траектория фазового перехода обязательно проходит через метастабильное состояние, которое называют меланхоличным. По оценкам ученых, такие переходы могут длиться около десяти миллионов лет. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на arXiv.org.

Климат Земли зависит от большого числа параметров: интенсивности солнечного излучения, отражающей способности планеты (альбедо), концентрации парниковых газов, состояния атмосферы и даже расположения Солнечной системы в галактике. Тем не менее, в зависимости от соотношения между этими факторами возможно только два стабильных состояния климата. Первое состояние — это теплый климат, в котором мы живем сейчас. Второе состояние — так называемая «Земля-снежок», практически полностью покрытая льдом (при этом среднегодовая температура планеты не превышает нуля градусов Цельсия). В частности, геологические исследования указывают на состояния «снежка», которое сформировалось в эпоху Неопротерозоя (около 650 миллионов лет назад) и Гуронского оледенения (2,4–2,1 миллиарда лет назад).

Тип сформировавшегося глобального климата в основном определяется соотношением между двумя процессами обратной связи. Первый процесс — положительная обратная связь между площадью ледяного панциря и альбедо планеты. Грубо говоря, чем обширнее панцирь, тем больше солнечного излучения Земля отражает в космос и тем больше охлаждается; в свою очередь, чем сильнее охлаждается планета, тем быстрее растет ледяная шапка. Если бы температурой планеты управлял только этот процесс, ей было бы выгодно либо полностью покрыться льдом, либо полностью от него избавиться. К счастью, его сдерживает отрицательная больцмановская обратная связь — чем меньше температура планеты, тем меньше тепла она излучает в окружающее пространство и потому меньше охлаждается. Когда оба этих процесса сильны и примерно уравновешивают друг друга, климат планеты становится неустойчивым, словно стакан с перегретой водой. Климатологи называют такое состояние меланхоличным. В этом состоянии граница ледников находится в районе средних широт. Небольшие возмущения меланхоличного состояния приводят к тому, что Земля быстро разогревается или превращается в «снежок». К сожалению, ученые плохо понимают, как происходят такие фазовые переходы, и какие процессы их вызывают.

Физики Валерио Лукарини (Valerio Lucarini) и Тамас Бодай (Tamás Bódai) исследовали, как случайные возбуждения связаны с устойчивостью климата, и подтвердили, что меланхоличное состояние напоминает седловую точку в энергетическом спектре системы. Для этого ученые объединили примитивные уравнения атмосферной модели PUMA с моделью энергетического баланса Гил—Селлерса (Ghil-Sellers), которая качественно описывает перенос тепла океанскими течениями. Чтобы связать эти модели, физики учитывали вертикальные потоки тепла и считали, что температура приповерхностного слоя атмосферы равна температуре океана. Получившееся дифференциальное уравнение учитывало перенос тепла между различными широтами, положительную и отрицательную обратную связь, а его траектории стремились к одному из двух аттракторов, отвечавших теплому климату или «снежку». В первом случае средняя температура планеты была близка к нулю градусов Цельсия, во втором случае не превышала -40 градусов.

Чтобы учесть перепады солнечного излучения, от которых зависит величина положительной обратной связи, ученые ввели в систему параметр контроля μ, который показывал среднюю интенсивность излучения, и параметр σ, определяющий величину случайных колебаний интенсивности. В основном исследователи рассматривали солнечную активность порядка 98 процентов от текущего значения и работали с небольшими относительными колебаниями, не превышающими процента от полного солнечного потока. Чтобы построить фазовую диаграмму климата, исследователи рассчитывали среднюю температуру планеты и разницу температур между приполярными областями (60–90 градусов северной широты) и экваториальным поясом (0–30 градусов северной широты). Это позволяло оценить, где проходит граница ледяной шапки, и ухватить не только стабильные, но и метастабильные состояния.
Ученые обнаружили, что колебания интенсивности солнечного излучения разрушают устойчивые состояния и индуцируют переходы между «снежком» и теплым климатом. Чем меньше уровень шума, тем больше время жизни устойчивого состояния. По самым мягким оценкам, оно не превышает десяти миллионов лет (впрочем, согласно геологическим данным, за последние два миллиарда лет Земля полностью замерзала всего несколько раз, что, очевидно, противоречит оценке ученых). Более того, траектории таких фазовых переходов всегда проходят через меланхоличные состояния. По словам авторов статьи, эти траектории отвечают инстантонам, которые минимизируют действие Фрейдлина-Вентцеля (Freidlin-Wentzell). Таким образом, ученые заключают, что меланхоличное состояние служит своеобразным аналогом седловой точки в энергетическом спектре, через которую проходят траектории, соединяющие соседние минимумы.

Стоит отметить, что в своей работе ученые не учитывали антропогенные факторы, которые также могут существенно сказаться на климате планеты. В настоящее время связь между деятельностью человека и увеличением средней температуры Земли подтверждена на уровне пять сигма (99,9999 процента вероятности неслучайного результата).

Несмотря на то, что смоделировать климат Земли очень сложно из-за хаотической природы атмосферы, ученые пытаются установить какие-нибудь общие закономерности, связанные с его изменением. Например, в апреле прошлого года физики из Чикагского университета предложили простую геометрическую модель, которая описывает структуру водоемов, образующихся на покрытой льдом поверхности Серверного Ледовитого океана во время летнего таяния. По словам исследователей, эта модель повысит точность существующих климатических моделей. А в 2017 году ученые с помощью компьютерного моделирования объяснили необычный климат мира «Игры престолов» и предсказали его дальнейшее изменение.