Резонанс одной трети: как Солнце и климат усиливают свои колебания ✎

Оригинал: "Nonlinear problems of complex natural systems: Sun and climate dynamics"
· A. Bershadskii
arXiv:1201.4679 · 2012-01-23 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Сильные флуктуации глобальной температуры и солнечной активности возникают из-за универсального нелинейного механизма — субгармонического резонанса на одной трети частоты.

Контекст

Изучение глобального климата и солнечной активности долго фокусировалось на трендах, но флуктуации вокруг них часто имеют тот же порядок величины. Эти сильные колебания оставались загадкой. В соседних работах рассматриваются солнечные циклы, приливные ритмы и резонансы в разных системах, но данная статья объединяет их через общий нелинейный механизм. Она стоит на отшибе: ближайший сосед на расстоянии 0.531, что указывает на новизну подхода.

Методы

Автор анализирует инструментальные данные о глобальной температуре (1880–2009), температуре поверхности океана (1850–2008), индексе Эль-Ниньо и числе солнечных пятен (1749–2009). Для отделения тренда используется нелинейная непараметрическая вейвлет-регрессия с мягким порогом VisuShrink. Спектры вычисляются методом максимальной энтропии, который даёт оптимальное разрешение даже для коротких рядов. Для проверки хаотичности рассчитывается наибольший показатель Ляпунова, а для выявления скейлинга — структурные функции и дефект автокорреляции.

Результаты

В спектрах детрендированных данных о глобальной температуре обнаружен огромный пик на периоде около трёх лет при слабом годовом пике. Это интерпретируется как субгармонический резонанс на одной трети частоты годового солнечного воздействия. Для палеотемпературы из ледяных кернов Антарктиды (0–340 тыс. лет) доминирует пик на 15 тыс. лет при слабом пике на 5 тыс. лет, что также соответствует резонансу одной трети, но теперь с прецессионным циклом Земли. В данных о солнечных пятнах после удаления 11-летнего тренда остаётся пик на 3.7 года, что указывает на резонанс как фон для 11-летнего цикла. Спектр солнечных флуктуаций демонстрирует экспоненциальный спад с характерным временем 25.38 дня, совпадающим с периодом вращения Солнца на широте 26 градусов. Наибольший показатель Ляпунова положителен (0.286 мес⁻¹), подтверждая хаотичность. Когерентность между детрендированными солнечной активностью и глобальной температурой высока для периодов более 20 лет, хотя тренды не коррелируют.

Значение

Работа показывает, что сильные флуктуации в климате и солнечной активности имеют общую нелинейную природу. В отличие от соседних исследований, которые рассматривают отдельные циклы или резонансы, здесь предложен универсальный механизм субгармонического резонанса на одной трети. Это связывает разнородные системы: от океанических волн Россби до солнечного динамо и галактической турбулентности. Такой подход может изменить моделирование климата, включив в него нелинейные взаимодействия вместо линейных трендов.

Развитие

Тема может развиваться в сторону более детального моделирования нелинейных осцилляторов с запаздыванием для солнечного динамо и климатических подсистем. Возможно объединение с данными о космических лучах и облачности для проверки галактического влияния. Также перспективно изучение субгармонического резонанса в других геофизических системах, таких как ледниковые циклы или вариации магнитного поля Земли.

Влияние

Результаты повлияют на климатологию, солнечную физику и теорию турбулентности, предложив единый механизм для объяснения флуктуаций в этих областях.

Следующие шаги

Следующим шагом станет проверка предсказаний модели на независимых данных, например, на реконструкциях температуры из других ледяных кернов или на длительных рядах солнечной активности. Также важно уточнить физическую природу запаздывания в солнечном динамо и его связь с резонансом.

Ключевые проблемы

Работа напрямую связана с нерешённой проблемой происхождения сильных климатических флуктуаций на разных временных масштабах. Она показывает, что нелинейный резонанс может быть ключом к пониманию изменчивости климата, которая не объясняется линейными моделями. Это также касается проблемы предсказуемости климата: если флуктуации хаотичны, долгосрочные прогнозы ограничены, но их статистические свойства можно моделировать.

Период 3.7 года, найденный в солнечной активности, совпадает с периодом так называемого флип-флоп феномена: активные долготы Солнца меняются доминированием примерно каждые 3.7 года. Это указывает на общий источник обоих явлений.

Идея о том, что галактическая турбулентность влияет на климат Земли, перекликается с романом Айзека Азимова «Конец Вечности», где изменения в далёком космосе вызывают катаклизмы на Земле.

\ddot{x} + \omega_0^2 x + \gamma \dot{x} + \beta x^3 = F \sin(\omega t)
Нелинейный осциллятор с кубической нелинейностью, который при определённых условиях даёт субгармонический резонанс
E(f) \sim \exp(-2\pi \Delta f)
Ширина аналитической полосы Δ определяет скорость экспоненциального спада спектра
S_p(\tau) \propto \tau^{\zeta_p}, \quad \zeta_p \simeq p/3
Показатель ζ_p линейно растёт с порядком p, что характерно для развитой турбулентности

Ключевые числа

  • период резонанса в современном климате: около 3 лет
  • период резонанса в палеоклимате: около 15 тыс. лет
  • период резонанса в солнечной активности: 3.7 года
  • характерное время экспоненциального спада солнечного спектра: 25.38 дня
  • наибольший показатель Ляпунова для солнечных флуктуаций: 0.286 мес⁻¹
Понятия
естественная изменчивость южная осцилляция эль-ниньо энсо сезонный цикл эль-ниньо межгодовая изменчивость сезонный форсинг ла-нинья модель осциллятора с подзарядкой многомерный индекс ЭНСО модель Джина–Тиммермана обратная связь Бьеркнеса североатлантическая осцилляция ERSST относительный они буйковые станции TAO/TRITON северное экваториальное противотечение климат солнечный цикл эффект конденсатора Индийского океана