Энтропия климатических качелей ✛
На качелях можно сидеть и раскачиваться, а можно просто переваливаться с одной стороны на другую. Тихий океан делает и то и другое. Раз в несколько лет тёплая вода у берегов Перу сменяется холодной, и осадки, ветры, целые экосистемы на половине планеты перестраиваются. Эти смены называют Эль-Ниньо и Ла-Нинья, а вместе — ЭНСО, климатические качели Земли.
Долгое время климатологи следили за качелями по одному числу: разнице атмосферного давления между островом Таити и австралийским городом Дарвином. Если давление в Дарвине растёт, а на Таити падает, индекс уходит в минус, и наступает Эль-Ниньо. Если наоборот — Ла-Нинья. Этот индекс, SOI, записывают каждый день с 1991 по 2023 год, накопилось 11744 числа. Автор новой работы решил спросить не «когда качели качнутся», а «насколько необычен сам перелёт с одной стороны на другую».
Чтобы посчитать энтропию перехода, автор выделил из дневных значений SOI медленный фон: годовой цикл, колебания Маддена–Джулиана и ещё пять ритмов. Остаток он описал как случайное блуждание, в котором сила случайных толчков зависит от текущего состояния, как порывы ветра сильнее раскачивают качели, когда те уже набрали ход. Затем для каждого из 11 переходов между фазами он сравнил вероятность прямого пути и вероятность обратного. Если прямой путь гораздо вероятнее обратного, энтропия растёт сильно, и переход можно назвать экстремальным.
Оказалось, что почти все переходы обычны. Только один, от сильной Ла-Ниньи 1999–2000 годов к умеренному Эль-Ниньо 2002–2003 годов, отклонился от среднего на четыре стандартных отклонения. Это как если бы качели вдруг описали петлю, но даже такая петля укладывается в правила игры: все переходы удовлетворили вероятностной версии второго начала термодинамики. Иными словами, климатические качели не скрипят.
Раньше было неясно, можно ли вообще применять флуктуационные теоремы к климатическим индексам, и являются ли переходы ЭНСО экстремальными событиями. Теперь понятно, что почти все они статистически обычны, и только один приближается к порогу. Метод можно расширить на многомерные индикаторы: температуру поверхности океана, уходящую радиацию, осадки. Тогда энтропийный анализ перестанет зависеть от одного числа и покажет, какие компоненты системы действительно несут информацию о фазовом переходе. А пока качели качаются без скрипа, и это само по себе новость.
Эль-Ниньо буквально переводится с испанского как «мальчик», а Ла-Нинья как «девочка». Названия возникли из-за того, что тёплое течение у берегов Перу часто появлялось около Рождества, ассоциируясь с младенцем Христом.