Почва дышит. Верхний слой земли вбирает влагу после дождя, а потом отдаёт её в воздух, как лёгкие вбирают и выпускают воздух. Этот вдох и выдох происходит повсюду на планете, но ритм его не одинаков: где-то он быстрый и ровный, где-то сбивчивый и глубокий. Спутник SMOS восемь лет слушал это дыхание, измеряя влажность почвы каждые три дня с высоты 750 километров. Записанный сигнал оказался не просто шумом: в нём прятались чёткие ритмы, которые старые методы не могли разделить.

Новый метод, который назвали ROCK PCA, работает как опытный врач, прослушивающий грудную клетку. Стандартный анализ главных компонент (PCA) слышал только один громкий тон: годовой цикл, который объясняет 70.6% всей изменчивости. Но в этом громком дыхании скрывались другие, более тихие ритмы. Чтобы их услышать, метод сначала сдвигает фазу сигнала (преобразование Гильберта), как будто переворачивает запись на другую сторону, а затем сжимает данные с помощью матрицы Грама, чтобы вычисления шли быстрее. Вместо того чтобы сравнивать миллионы точек друг с другом, он сравнивает только временные ряды, и это занимает в тысячи раз меньше времени.

После этого метод добавляет нелинейность с помощью ядра — функции, которая измеряет сходство между точками не по прямой, а по кривой. И наконец, он поворачивает оси координат (вращение promax), чтобы каждый ритм стал отдельным и понятным. В результате из общего дыхания почвы выделились четыре главных ритма. Первый — годовой цикл, как ровный вдох и выдох каждые 12 месяцев. Второй и четвёртый — гармоники, то есть обертоны этого цикла с периодами 6 и 4 месяца: они связаны с тем, как тропические дожди смещаются то к северу, то к югу. А третий ритм оказался самым неожиданным: медленное колебание с периодом около 4.5 лет, которое не совпадает с сезонами.

Этот медленный ритм заинтересовал учёных больше всего. Его сравнили с индексом Эль-Ниньо (ENSO4) — мерой того, насколько тёплой становится вода в центральной части Тихого океана. Корреляция между ними достигла 0.8, что для природных данных очень много. Это значит, что когда Эль-Ниньо разогревает океан, влажность почвы в одних регионах растёт, а в других падает. На карте видно: в Восточной Европе, на юго-востоке Южной Америки и на юге США земля становится влажнее, а на восточном побережье Австралии, на севере Южной Америки и у Гвинейского залива — суше.

До этого метода такие связи было трудно увидеть, потому что стандартный анализ смешивал все ритмы в одну кашу, а вычисления занимали слишком много времени. Теперь же можно следить за дыханием почвы в реальном времени и понимать, какой ритм сейчас преобладает. Это как разница между тем, чтобы слышать шум толпы, и тем, чтобы различать отдельные голоса. Новый метод можно применить не только к влажности почвы, но и к температуре океана, состоянию растительности и другим глобальным данным. Почва дышит, и теперь мы слышим каждый её вздох.