Качели, на которых сидят двое детей, редко замирают в равновесии. Они либо качаются влево, либо вправо, а в крайних точках на мгновение зависают, прежде чем устремиться обратно. Тропический Тихий океан ведет себя похоже: он то разогревается у берегов Перу (Эль-Ниньо), то остывает (Ла-Нинья), и эти состояния могут длиться месяцами, а иногда и больше года. Но что заставляет качели перескакивать из одного положения в другое?
Долгое время климатологи спорили: Эль-Ниньо — это случайный процесс, который подталкивается внешними возмущениями, или же в самой системе океана и атмосферы заложен внутренний ритм? Новая работа предлагает третий путь. Атмосфера над экватором, как выясняется, может существовать в двух устойчивых состояниях, похожих на две ямки на неровной поверхности. В одной ямке воздух циркулирует так, что океан у берегов Южной Америки прогревается — это Эль-Ниньо. В другой — наоборот, холодная вода поднимается из глубин, и наступает Ла-Нинья. Между ямками есть бугор, неустойчивое равновесие, через который системе приходится переваливать, чтобы сменить фазу.
Математики Тянь Ма и Шоухонг Ванг построили модель атмосферной циркуляции Уокера — гигантской петли воздуха, которая идет вдоль экватора от Южной Америки к Индонезии и обратно. Они показали, что при реалистичных параметрах (высота тропосферы 8 километров, температура поверхности океана около 27 градусов) в системе действительно возникают два устойчивых состояния. Критическое число Рэлея, которое характеризует, насколько сильно воздух стремится подниматься вверх, оказалось около 2.7×10²¹ — это соответствует разности температур примерно в 60 градусов между нижними и верхними слоями атмосферы. Именно при таких условиях рождается циркуляция, которая затем раскачивается между двумя крайностями.
Случайность в этой картине не исчезает. Она прячется в начальных условиях. Если система находится вблизи границы между бассейнами притяжения двух состояний, даже крошечное возмущение — порыв ветра, небольшое изменение течения — может решить, в какую ямку она скатится. Поэтому Эль-Ниньо и Ла-Нинья появляются нерегулярно, хотя сам механизм перехода детерминирован. Это похоже на монету, поставленную на ребро: физика ее падения предсказуема, но в какую сторону она упадет, зависит от неуловимых деталей.
Такой взгляд на климатические качели открывает путь к новым методам прогноза. Если удастся определить, в какой ямке сейчас находится система и насколько близко она к бугру, можно оценить вероятность перехода. Пока это теоретическая возможность, но она объединяет детерминизм и случайность в одной рамке, которая раньше казалась недостижимой. Качели не просто качаются — они застревают в крайних точках, и теперь мы начинаем понимать, почему.
Название «Эль-Ниньо» (по-испански «младенец») возникло у перуанских рыбаков, которые заметили, что теплое течение иногда появляется у берегов в рождественский сезон. Явление известно с XIX века, но его глобальная значимость была осознана лишь в конце XX века.
Идея метастабильных состояний и внезапных переходов между ними напоминает концепцию «климатических порогов» из научной фантастики, например, в романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя», где резкие изменения климата происходят при пересечении критических точек.