Почему погода меняется не каждый год, а раз в три года ✎

Оригинал: "Subharmonic resonance of global climate to solar forcing"

arXiv:1002.1024 · 2010-02-04 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин

Физика атмосферы и океана Хаотическая динамика Геофизика

Глобальная температура колеблется не в такт годовому циклу, а втрое медленнее — и это не случайность.

Качели раскачиваются, когда толкаешь их в такт. Но бывает, что человек на качелях отзывается не на каждый толчок, а на каждый третий — и амплитуда растёт медленно, но неотвратимо. Похожее поведение обнаружено в глобальной температуре Земли: после того как из данных за 1880–2009 годы убрали медленное потепление, остались колебания, которые почти полностью подчинены ритму в три года, а вовсе не годовому.

Годовой пик в спектре оказался небольшим, зато трёхлетний — огромным. Это выглядит странно: солнечный нагрев меняется с периодом ровно в один год, но система отвечает втрое медленнее.

Автор объясняет такой сдвиг субгармоническим резонансом. Нелинейный осциллятор, вроде маятника с жёсткой пружиной, способен откликаться на частоте, кратно меньшей частоты воздействия. Годовой толчок превращается в трёхлетний цикл, если собственная частота системы близка к одной трети года. В климате роль такого маятника могут играть волны Россби — гигантские планетарные волны, которые пересекают океан за годы.

Раньше трёхлетние колебания списывали на случайный шум или внешние факторы вроде солнечной активности. Теперь видно, что климатическая система сама преобразует один период в другой, без дополнительных сигналов извне. Это меняет взгляд на происхождение межгодовой изменчивости и может объяснить, почему Эль-Ниньо имеет характерный квазитрёхлетний ритм.

Весь граф →

Субгармонический резонанс третьего порядка означает, что система отвечает на частоте, втрое меньшей частоты воздействия: годовой толчок порождает трёхлетний цикл. Такое поведение знакомо по нелинейным электрическим цепям и механическим осцилляторам, но в климате оно выглядит неожиданно.

\ddot{x} + \omega_0^2 x + \gamma \dot{x} + \beta x^3 = F \sin \omega t

Модель нелинейного осциллятора, способного к субгармоническому резонансу

x(t) \approx a \cos\left(\frac{\omega}{3} t + \phi\right) + \frac{F}{\omega^2 - \omega_0^2} \cos \omega t

Сумма отклика на частоте ω/3 и вынужденного колебания на частоте ω

1 - C(\tau) \sim \tau^{\alpha} \Leftrightarrow E(f) \sim f^{-(1+\alpha)}

Степенное поведение автокорреляции соответствует степенному спектру

Понятия

сезонный форсинг южная осцилляция эль-ниньо эль-ниньо естественная изменчивость сезонный цикл энсо ла-нинья межгодовая изменчивость ERSST относительный они ветер многомерный индекс ЭНСО муссон обратная связь Бьеркнеса напряжение ветра связь океана и атмосферы космическая погода южная осцилляция океаническое течение радиационный форсинг

Я автор

Почему погода меняется не каждый год, а раз в три года ✎