Почему океан взрывается раз в десять лет ✎

Оригинал: "Mixed mode oscillations of the El Niño-Southern Oscillation"
arXiv:1511.07472 · 2015-11-23 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Сильные Эль-Ниньо случаются нерегулярно, потому что океан накапливает тепло, как маятник накапливает размах, и иногда переходит точку невозврата.

Тихоокеанский маятник качается неритмично. Иногда он едва заметно дрожит, а иногда вдруг делает гигантский взмах, который сбивает погоду по всей планете. Эль-Ниньо — это тёплое течение в экваториальной части Тихого океана. Оно повторяется каждые несколько лет, но по-настоящему сильные события случаются раз в 10–20 лет. Учёные долго не могли понять, почему так. Новая работа показывает: океан ведёт себя как система, которая сначала накапливает тепло маленькими порциями, а потом разом его отдаёт.

Точка невозврата — это состояние, после которого система уже не может вернуться назад. Так камень, скатившийся с горки, уже не остановится на середине склона.

Авторы взяли простую модель, которая описывает температуру в двух частях Тихого океана и глубину тёплого слоя. Они увидели, что у системы есть два режима: спокойный, когда температура почти не меняется, и взрывной, когда она резко растёт. Переход между режимами происходит через особую точку, как будто маятник проходит через верхнюю точку и дальше уже не может качаться слабо. Перед большим взмахом океан делает несколько мелких колебаний, и по их характеру можно догадаться, что скоро случится сильное Эль-Ниньо.

Название «Эль-Ниньо» (с испанского «мальчик») дали перуанские рыбаки, заметившие, что тёплое течение иногда появляется около Рождества. В модели порог невозврата для развития сильного Эль-Ниньо соответствует температуре западной части Тихого океана, падающей всего на несколько градусов ниже климатической нормы.

Идея критического порога, после которого система необратимо переходит в экстремальное состояние, перекликается с концепцией «точек невозврата» в климатической фантастике, например, в романе Кима Стэнли Робинсона «Столица науки» (или «Министерство будущего»), где климатические переломы запускают каскад событий.

\begin{cases} x' = \rho\delta(x^2 - ax) + x(x + y + c - c\tanh(x+z)) \\ y' = -\rho\delta(ay + x^2) \\ z' = \delta(k - z - \frac{x}{2}) \end{cases}
x — разность температур восток-запад, y — отклонение температуры запада, z — аномалия глубины термоклина; штрих — производная по безразмерному времени.
M = \{ x[x + y + c - c\tanh(x+z)] = 0 \}
Состоит из листа M0 (x=0, экстремальное Эль-Ниньо) и листа Ms (обычные состояния).
F_x|_{M_0} = y + c - c\tanh(z)
M0 притягивает при y < c tanh(z) - c и отталкивает при y > c tanh(z) - c.
Понятия
южная осцилляция эль-ниньо энсо смешанные моды колебаний многомерный индекс ЭНСО модель осциллятора с подзарядкой модель Джина–Тиммермана весенний барьер предсказуемости буйковые станции TAO/TRITON эль-ниньо южная осцилляция вспышка западных ветров ла-нинья естественная изменчивость ERSST межгодовая изменчивость сезонный цикл сезонный форсинг объём тёплой воды распространение экваториальных волн муссон