Океанские качели, связанные пружиной ✎

Оригинал: "Coexistence of attractors in a coupled nonlinear delayed system modelling El Niño Southern Oscillations"
arXiv:1707.09853 · 2017-07-28 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Два участка Тихого океана могут вместе создавать Эль-Ниньо, даже если один из них сам по себе не колебался бы.

Два маятника висят рядом, и между ними натянута пружина. Один сам по себе может замереть, но если второй качается, пружина передаёт толчок, и первый тоже начинает качаться.

Точно так же устроены два региона Тихого океана. Они обмениваются теплом через волны, которые идут от одного берега к другому. Одна волна быстрая, другая медленная, и эта разница во времени работает как пружина. Учёные записали это в виде уравнения и посчитали на компьютере, что будет при разной силе связи.

Главный вывод: если один регион сам по себе стремится к покою, а второй колеблется, то связь заставляет оба колебаться. Но если связь слишком сильная, оба маятника замирают, и Эль-Ниньо пропадает.

Раньше учёные думали, что влияние соседнего региона — это случайный шум, как порывы ветра. Теперь оказалось, что это регулярный механизм: один регион подталкивает другой, и это меняет всю картину. Вместо одного порога в 0,5 °C теперь предлагают смотреть на интервал: от 0,5 до 1,6 °C в первом регионе и от -0,06 до 2 °C во втором.

Так два маятника на стене учат друг друга качаться, и Тихий океан работает по тем же правилам.

Волны Кельвина и Россби, которые переносят тепло через Тихий океан, движутся с разной скоростью: быстрая волна Кельвина проходит 13 350 км за 110 дней, а медленная волна Россби — за 329 дней. Именно эта разница создаёт запаздывание, необходимое для колебаний.

В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» климатические модели предсказывают резкие изменения океанских течений. Здесь похожая идея: малые изменения начальных условий могут переключить систему между состояниями, как в сценариях климатических сюрпризов.

\frac{dT}{dt} = T - T^3 - \alpha T(t-\delta)
Скорость изменения температуры зависит от текущего значения, нелинейного затухания и прошлого значения с задержкой δ.
\begin{aligned}\frac{dT_1}{dt} &= T_1 - T_1^3 - \alpha_1 T_1(t-\delta_1) + \gamma T_2 \\ \frac{dT_2}{dt} &= T_2 - T_2^3 - \alpha_2 T_2(t-\delta_2) + \gamma T_1\end{aligned}
Каждый регион описывается тем же уравнением, но с линейной связью γ с соседним регионом.
Понятия
энсо южная осцилляция эль-ниньо модель Джина–Тиммермана модель осциллятора с подзарядкой индекс Эль-Ниньо южная осцилляция ла-нинья многомерный индекс ЭНСО ERSST весенний барьер предсказуемости буйковые станции TAO/TRITON относительный они температура поверхности моря объём тёплой воды естественная изменчивость связь океана и атмосферы распространение экваториальных волн вспышка западных ветров смешанные моды колебаний аномалия температуры поверхности моря