Почему климат и Солнце качаются втрое медленнее, чем их толкают ✎

Оригинал: "Nonlinear problems of complex natural systems: Sun and climate dynamics"
· A. Bershadskii
arXiv:1201.4679 · 2012-01-23 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Сильные колебания температуры и солнечной активности возникают из-за одного и того же механизма — резонанса на одной трети частоты.

Качели, которые толкают раз в секунду, обычно качаются раз в секунду. Но если толкать их сильнее и в нужном ритме, они могут пойти втрое медленнее: один взмах на три толчка. Этот эффект называется субгармоническим резонансом. Оказалось, что именно он управляет самыми заметными колебаниями климата и Солнца.

Глобальная температура Земли не растёт плавно. Поверх тренда потепления лежат сильные колебания: год от года теплеет и холодеет на величины, сравнимые с самим трендом. Когда из данных о температуре с 1880 года убрали плавный тренд, в остатке проступил ритм: пик на периоде около трёх лет. Три года — это треть от годового цикла, который задаёт Земле её орбита вокруг Солнца. Получается, климат отвечает на ежегодный «толчок» в три раза медленнее, чем его толкают.

Субгармонический резонанс — это отклик системы на частоте, в целое число раз меньшей частоты воздействия. Простой пример: если качели толкать каждый раз, когда они в крайней точке, но с силой, зависящей от положения, они могут качаться с периодом втрое больше периода толчков. Для этого нужна нелинейность — зависимость отклика от амплитуды.

Солнечная активность подчиняется тому же правилу. После удаления 11-летнего цикла в данных о солнечных пятнах остаётся пик на 3.7 года. А в ледяных кернах Антарктиды найден цикл в 15 тысяч лет — треть от периода прецессии земной оси. Один и тот же механизм работает на всех масштабах: от годов до тысячелетий.

Теперь, когда найден общий ритм, климатические модели могут включить нелинейные взаимодействия вместо линейных трендов. Это не сделает прогноз погоды точнее на годы вперёд — хаос ограничивает предсказуемость, — но поможет понять, почему климат так сильно колеблется и как эти колебания связаны с Солнцем. Качели, которые качаются втрое медленнее, чем их толкают, оказались общими для всей Солнечной системы.

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
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