Задача отделить причину от следствия в климатической системе стара, как сама климатология. Классические корреляции симметричны: они не говорят, CO₂ ли греет атмосферу или тёплая атмосфера заставляет океан выделять больше CO₂. Модельные подходы зависят от того, насколько точно модель описывает реальные процессы. Вокруг этой работы лежат исследования, которые ищут направленные связи между климатическими переменными: одни используют причинность по Грейнджеру, другие строят графические модели, третьи ограничиваются парными сравнениями. Данная статья стоит в стороне от большинства соседей, потому что впервые собирает в одном анализе и парниковые газы, и аэрозоли, и солнечную активность, и внутреннюю изменчивость океана. Ближайшие соседи по архиву касаются погоды, квантовых эффектов или энтропии в других контекстах, так что прямого пересечения почти нет.
Авторы взяли девять ежемесячных рядов за 1984–2005 годы: глобальную аномалию температуры (GMTA), концентрации CO₂, CH₄, N₂O, оптическую толщину стратосферных аэрозолей, индекс Эль-Ниньо, общую солнечную радиацию (TSI), поток ультрафиолета в диапазоне 120–400 нм и поток космических лучей по нейтронному монитору в Оулу. Ряды интерполировали до 10 отсчётов в месяц, отбросили по 20 точек с краёв, вычли скользящее среднее с окном 20 месяцев, чтобы убрать тренды и оставить высокочастотные колебания. Затем для каждой пары «прокси — температура» оценили передачу энтропии при лагах от 0 до 10 месяцев. Статистическую значимость проверяли суррогатным тестом: 100 случайных перемешиваний, уровень 5%. Для сравнения вкладов разных водителей использовали нормализованную передачу энтропии и индекс направленности как разность потоков в обе стороны.
Передача энтропии от CO₂, CH₄, аэрозолей и ультрафиолета к температуре оказалась значимо выше, чем обратный поток. Это значит, что данные ведут себя как водители, а температура — как отклик. Для Эль-Ниньо картина смешанная: до лага 3 месяца океан ведёт температуру, после — температура ведёт океан. Интегрированный индекс направленности за 0–3 месяца дал такие доли в общей информации, переносимой к температуре: CO₂ — около 24%, аэрозоли — около 23%, CH₄ — около 19%, Эль-Ниньо — около 12%, ультрафиолет — около 9%, а космические лучи, N₂O и TSI вместе — меньше 10%. Сумма не равна 100% полной дисперсии температуры: это относительные вклады только среди рассмотренных водителей. При лаге 10 месяцев результаты качественно те же.
Работа отличается от соседей по архиву тем, что применяет передачу энтропии сразу к широкому набору климатических прокси, включая вулканические аэрозоли, которые редко попадают в подобные анализы. Соседние исследования либо ограничиваются парниковыми газами и солнечной радиацией, либо рассматривают другие физические системы. Здесь впервые количественно показано, что вулканические аэрозоли конкурируют с CO₂ и метаном на равных в изученный период. Это не отменяет антропогенное потепление, но уточняет, что естественная изменчивость вносила сопоставимый вклад в короткие колебания температуры. Метод не требует модельных предположений и может служить независимой проверкой для климатических моделей.
Передачу энтропии можно применить к более длинным рядам, включая палеоклиматические реконструкции, чтобы проверить, менялись ли роли водителей в разные эпохи. Интересно изучить, как GMTA влияет на Эль-Ниньо на больших лагах, поскольку механизм обратной связи остаётся неясным. Можно добавить другие прокси: облачный покров, геомагнитное поле, антропогенные аэрозоли. Развитие методов причинного анализа на основе информации, например с учётом запаздываний и нелинейностей, позволит уточнить оценки вкладов.
Результаты полезны для климатического моделирования: они дают независимые количественные ограничения на относительную силу водителей. Метод может применяться в других науках о Земле, где нужно отличать причину от следствия по временным рядам.
Проверить устойчивость оценок на более длинных рядах и с другими методами оценки вероятностей. Детально исследовать двустороннюю связь GMTA и Эль-Ниньо с учётом нелинейных взаимодействий.
В климатологии остаётся нерешённым вопрос о точной доле естественной и антропогенной изменчивости в наблюдаемом потеплении. Данная работа напрямую касается этой проблемы, предлагая информационный критерий для разделения вкладов водителей. Открытым остаётся механизм обратного влияния глобальной температуры на Эль-Ниньо, а также роль вулканических аэрозолей в долгосрочной перспективе.
Закись азота N₂O имеет сильное радиационное воздействие на молекулу и живёт в атмосфере около 120 лет, но её вклад оказался маргинальным из-за низкой концентрации. Вулканические аэрозоли, выброшенные извержениями Эль-Чичон в 1982 году и Пинатубо в 1991 году, дали всплеск оптической толщины, который метод уверенно распознал как водитель температуры.
В романе Кима Стэнли Робинсона «Министерство будущего» климатологи пытаются отделить естественные колебания от антропогенного сигнала, чтобы оправдать геоинженерные меры. Метод передачи энтропии из этой статьи напоминает их инструмент для выявления причинных связей в климатических данных.