Почему Эль-Ниньо приходит не по расписанию? ✎

Оригинал: "Hidden and unstable periodic orbits as a result of homoclinic bifurcations in the Suarez-Schopf delayed oscillator and the irregularity of ENSO"
arXiv:2102.11711 · 2021-02-23 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Даже в спокойной модели океана прячутся несколько скрытых ритмов, и переключение между ними выглядит как хаос.

Каждые несколько лет у берегов Перу вода становится аномально тёплой, и это событие называют Эль-Ниньо. Оно приходит не по расписанию: иногда два раза подряд, иногда пропадает на годы. Раньше думали, что виноваты случайные порывы ветра. Новая работа показывает: нерегулярность может быть заложена в самой системе, как несколько мелодий, которые играют по очереди.

Представьте качели. Если толкать их слабо, они остановятся. Если сильно — будут качаться долго. Так и модель Эль-Ниньо: в ней есть «спокойная» зона, где небольшие возмущения затухают, но есть и скрытые циклы, которые запускаются только от сильного толчка. Учёные нашли такие скрытые циклы и показали, что их несколько. Переключение между ними выглядит как хаос, хотя на самом деле это детерминированный процесс.

Скрытый цикл в модели Эль-Ниньо похож на качели, которые раскачиваются сами, но только если их толкнуть достаточно сильно. Маленький толчок затухает, а вот сильный выводит систему на устойчивый цикл, который не исчезает.

Это открытие меняет подход к прогнозам. Даже если мы точно знаем состояние океана сегодня, мы не можем предсказать, какой из скрытых ритмов включится через год. Поэтому долгосрочные прогнозы Эль-Ниньо всегда будут содержать элемент неопределённости, и это не недостаток данных, а свойство самой системы.

Период скрытых колебаний в модели может меняться от 3.85 до 5.37 лет в зависимости от параметров, что перекрывает наблюдаемый диапазон реальных событий Эль-Ниньо.

\dot{x}(t) = x(t) - \alpha x(t-\tau) - x^3(t)
Скорость изменения аномалии температуры зависит от текущего значения, значения с задержкой и нелинейного демпфирования.
Понятия
периодическая орбита бифуркация Хопфа седлоузловая бифуркация южная осцилляция эль-ниньо последняя устойчивая круговая орбита теория запаздывающего осциллятора