многомерный индекс ЭНСО

Зимой в одном районе города выпадает втрое больше снега, чем в соседнем. Один год — жара, другой — холод. Это капризы погоды — краткосрочные, хаотичные колебания атмосферы. А за десятилетия виден другой, медленный сдвиг: зимы в среднем становятся мягче. Отличить одно от другого — главная задача климатологов.

В 2017 году детекторы LIGO и Virgo записали дрожь пространства-времени от столкновения двух нейтронных звёзд — событие GW170817. За первым всплеском последовало послезвучие: килогерцевые колебания только что родившегося сверхплотного остатка. Этот сигнал — не просто шум, а голос самой материи, сжатой до немыслимых пределов.

Гравитационные сигналы от умирающих массивных звёзд — это шёпот, долетающий до нас из самых жестоких лабораторий Вселенной. Эйнштейн предсказал эти гравитационные волны более века назад, но лишь сегодня, с детекторами вроде LIGO, мы начинаем их слышать.

Поиск новых материалов — словно плавание по неизведанному архипелагу: острова стабильных кристаллов возвышаются посреди бушующего океана возможных комбинаций, и лишь немногие из них выдерживают шторм термодинамики. Настоящий прорыв принесли энтропийно-стабилизированные оксиды, где именно хаос, а не порядок, скрепляет атомы.

Каждый год, ближе к декабрю, вода у берегов Перу становится аномально тёплой или аномально холодной. Это Эль-Ниньо и Ла-Нинья, две фазы одного климатического маятника, который качается в экваториальной части Тихого океана. Маятник не простой: он помнит, что было с ним несколько месяцев назад, и эта память определяет, куда он качнётся дальше.

Переводчик в зале старается передать речь оратора, но в зале шумно: кто-то кашляет, скрипят стулья, за окном шумит улица. Если оратор говорит тише, переводчик всё равно продолжает переводить, но его голос тонет в шуме. Так и атмосфера: она «переводит» наши выбросы углекислого газа в рост его концентрации, но этот сигнал заглушают дыхание лесов, океана и глобальные климатические качели.

Ученик, который годами решал задачи из чужих учебников, вдруг получает три тетради с настоящими наблюдениями за океаном. Задач мало, но он уже видел сотни похожих, и теперь ему хватает пары примеров, чтобы уловить почерк нового учителя.

Каждую зиму тропический Тихий океан словно вспоминает один и тот же сценарий: температура поверхности у берегов Перу поднимается, пассаты ослабевают, и по планете расходится волна засух и наводнений. Это Эль-Ниньо, и его пик почти всегда приходится на декабрь. Почему именно зима?

Камертон извлекает чистый тон, но если ударить по нему слишком сильно, он начинает дребезжать, и музыкант может принять этот дребезг за сложность звука. С температурой поверхности тропической Атлантики вышла похожая история: три десятилетия её описывали как мультифрактальную систему, будто океан на разных масштабах ведёт себя по-разному, как оркестр, где каждая секция играет свою партию.

В Тихом океане есть тёплое течение, которое течёт на восток против всех остальных. Оно называется Северное экваториальное противотечение, или NECC. В обычные годы эта полоса тёплой воды шириной в несколько сотен километров спокойно несёт тепло от Индонезии к берегам Америки.

Оркестр играет в тёмном зале, и слушатель слышит только гул: сотни инструментов сливаются в плотный шум, в котором невозможно различить мелодию. Примерно так выглядят спектры, которые извлекают из климатических данных методы вроде оператора Купмана: сотни компонент, каждая со своей частотой, и непонятно, какие из них — настоящие музыканты, а какие — дребезжание стульев.

Нейтрино часто сравнивают с радиопередачей, которую ловят разные приёмники. Одна станция шлёт сигнал, но антенны в Японии, Антарктиде и на дне Средиземного моря слышат его по-разному — из-за расстояния, помех и поворота антенны. До сих пор считалось, что объединить записи с таких разных «приёмников» в одну осмысленную картину нельзя: слишком много технических тонкостей.

Два камня падают в пруд. От каждого расходятся круги, но стоит им столкнуться — возникает всплеск и короткий звонкий удар. Примерно так же звучит слияние двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил.

Солнце не тлеет ровно — оно вспыхивает сериями. Как костёр, который то затихает, то вдруг выбрасывает снопы искр. Такие «огненные сезоны» длятся от полугода до полутора лет, и в это время на звезде появляется особенно много пятен.

Энцелад — крошечная луна Сатурна, покрытая толстой коркой льда. Под ней плещется солёный океан, а в глубине, возможно, работает горячее пористое ядро — как губка, пропитанная водой и теплом. Но как заглянуть сквозь десятки километров льда? Бурить не придётся: можно использовать электромагнитное «эхо». Человек с металлоискателем идёт по пляжу.

Два наблюдателя следят за Тихим океаном. Один разглядывает тепловые карты поверхности, другой вслушивается в ритм температуры и запаса тепла в толще воды. По отдельности каждый замечает лишь часть картины, но вместе они способны уловить приближение Эль-Ниньо за несколько месяцев до того, как тёплое течение изменит погоду на всей планете.

Барометр на острове Таити и барометр в австралийском Дарвине дышат в противофазе. Когда давление растёт на одном, оно падает на другом, и эта разница, известная как индекс Южного колебания, служит маятником глобального климата. Маятник этот не простой: он раскачивается не только под действием сиюминутных толчков, но и помнит свои прежние движения.

Солнце пульсирует медленным ритмом, и этот ритм слышен в дождях над Бразилией. Пятна на солнечном диске то густеют, то редеют примерно каждые одиннадцать лет, и вместе с ними меняется давление в Тихом океане, температура его поверхности, а затем и количество осадков на северо-востоке страны.

Когда массивная звезда исчерпывает ядерное топливо и схлопывается в сверхновую, рождается нейтронная звезда — объект диаметром с небольшой город, но с массой, сравнимой с солнечной. Её вещество сжато до такой степени, что одна чайная ложка этого материала весила бы больше, чем гора Эверест.

Над тёплыми водами Индийского океана раз в полтора-два месяца собирается огромная волна влажного воздуха. Она движется на восток со скоростью пешехода — около пяти метров в секунду — и за сорок-девяносто дней огибает половину планеты.

В 2023 году океан у берегов Перу разогрелся так, что рыбаки остались без улова, а метеорологи спорили о силе будущего Эль-Ниньо. Карта температуры поверхности моря, которую они разглядывали, была единственной — но насколько ей можно верить? Спутник видит весь океан, однако в зонах сильных течений его показания плывут. Буи точны, но их мало.

Океан не кричит о своих намерениях. Он шепчет: тёплое пятно у берегов Перу, холодный язык у Гудзонова залива, едва заметный сдвиг течения. Атмосфера отвечает не сразу, и к зиме Европа может получить либо мягкую слякоть, либо сибирские морозы. Учёные давно знают, что между температурой океана и зимней погодой есть связь, но она нелинейная и слабая, поэтому климатические модели часто ошибаются.

Два маятника висят на одной стене и качаются вразнобой, но вдруг начинают двигаться как один, только с задержкой в восемнадцать месяцев. Один маятник — это индийский муссон, сезонный ветер, который приносит дожди на поля Южной Азии. Второй — глубинные воды тропических океанов, которые медленно накапливают тепло и помнят его годами.

Тихий океан у берегов Перу каждые несколько лет теплеет так резко, что рыба уходит, а дожди заливают пустыню. Это явление называют Эль-Ниньо, и оно работает как маятник, который раскачивает климат всей планеты. Но когда сама планета нагревается, маятник ведёт себя странно: сначала размах становится шире, а потом вдруг затухает.

Бронзовые пластины гамелана звучат не по единому камертону: каждый оркестр на Яве держит собственный строй, и два соседних ансамбля могут играть одну мелодию в чуть разных интервалах. Этот факт стал отправной точкой для необычного эксперимента: учёные перевели 155 лет температурных аномалий Тихого океана в ноты двух яванских ладов и посмотрели, как звук сохраняет динамику климатического хаоса.

На стене висят два барометра. Один показывает ясно, другой — переменную облачность. Какой погоде верить? Примерно такой вопрос встал перед группой климатологов, когда два независимых метода предсказали разное будущее Тихого океана на 2026 год.

Тысячи моделей варятся в одном котле, и пар от них поднимается густой, непроглядный. Каждая что-то шепчет о будущем Эль-Ниньо, но в общем шуме не разобрать, кто прав, а кто просто горячится. Учёные придумали перегонный куб: отбирают только те модели, которые уже угадали фазу события, и выпаривают из них двенадцать чистых капель-прототипов.

Тихий океан дышит медленно и глубоко. Раз в несколько лет его тёплые поверхностные воды сдвигаются к востоку, к берегам Южной Америки, — и тогда в Перу идут ливни, а в Австралии вспыхивают пожары. Через год-другой вода откатывается назад, и картина меняется на противоположную. Это дыхание называют Эль-Ниньо, и его ритм до сих пор угадывали лишь на пару шагов вперёд.

Настройка старого радиоприёмника требует терпения: медленно крутишь ручку, ловишь шорох, снова крутишь, пока сквозь помехи не проступит голос. Примерно так же агент с обучением с подкреплением искал в океане два участка, разность температур которых лучше всего предсказывает дожди в Таиланде.

Космическая пыль — это не грязь, а мельчайшие крупинки, похожие на сажу от костра, только разбросанные между звёзд. Некоторые из них крутятся с бешеной скоростью, миллионы раз в секунду, и при этом испускают слабые радиоволны. Астрономы называют это аномальным микроволновым излучением — оно мешает изучать раннюю Вселенную, но и само по себе загадочно.

Тропическая часть Тихого океана нагревается и остывает, как гигантская батарея, и от её ритма зависит погода от Индии до Канады. Этот ритм называют Эль-Ниньо — Южным колебанием, или коротко ЭНСО. Прогнозировать его на месяцы вперёд — всё равно что предсказывать, когда закипит кастрюля, не зная силы огня.

В 1997 году Тихий океан разогрелся так, что кораллы побелели от Индонезии до Галапагосов, а наводнения и засухи прокатились по пяти континентам. Такие события, которые климатологи называют экстремальными Эль-Ниньо, случаются раз в несколько десятилетий, и чтобы понять, насколько часто они будут приходить в будущем, нужны тысячи лет наблюдений.

Тёплый океан у берегов Перу способен сделать зиму в Москве аномально мягкой. Такие невидимые нити, связывающие погоду в удалённых уголках планеты, климатологи называют телесвязями. Долгое время их считали чем-то вроде постоянной проводки: источники сигнала могут пульсировать, но сами провода лежат неподвижно. Новая работа показывает, что парниковые газы уже перепаяли эту проводку.

Тихий океан похож на гигантские качели: тёплая вода накапливается на западе, потом съезжает к востоку, и температура у берегов Южной Америки подскакивает. Такие тёплые годы называют Эль-Ниньо, а холодные — Ла-Нинья. Но качели не качаются сами: их подталкивает ветер.

Оркестр из ста музыкантов играет без дирижёра. Пока партитура знакома, каждый уверенно ведёт свою линию, и вместе они звучат слаженно. Но стоит композитору изменить ритм, как в зале появляется нестройность: одни инструменты продолжают играть по-старому, другие пытаются подстроиться, а третьи замолкают.

Каждый день на планете вспыхивает около 40 тысяч гроз. В этот момент атмосфера напоминает оркестр без нот: тёплый воздух поднимается, как смычок, ветер на высоте ведёт мелодию, а молния ставит точку. Но кто дирижирует этим оркестром? Учёные решили выяснить, почему в одни годы грозовые очаги смещаются, а в другие замирают, и построили карту «грозового климата» за 45 лет.

Оркестр из тысячи музыкантов играет слаженно, пока дирижёр держит темп. Но стоит ему сменить партитуру, как скрипки в одном углу начинают звучать громче, а духовые в другом — вступать с опозданием.

Два дирижёра стоят перед одним оркестром. Один взмахивает палочкой быстро, задавая темп каждые несколько тактов. Второй почти неподвижен, но его медленное дыхание меняет общее звучание на протяжении всей симфонии. Так и в тропическом Тихом океане: одна часть ветра управляет быстрыми колебаниями Эль-Ниньо, а другая — десятилетними сдвигами климата. До сих пор эти две роли смешивались.

Переводчик в зале переговоров слышит шёпот тропиков и повторяет его слишком громко. Так можно описать поведение нейросетевой модели климата DLESyM, когда ей навязали реальную температуру поверхности Тихого океана. Океан шепчет: «Эль-Ниньо», а атмосфера в ответ кричит так, будто её трясут за плечи.

Камера на штативе снимает один и тот же пейзаж десятилетиями. Если объектив не трогать, на снимках появляется дымка: пейзаж меняется, а фокус остался прежним. Примерно так работают климатические нормы. По правилам Всемирной метеорологической организации их считают как среднее за последние 30 лет. Климат при этом не стоит на месте, и норма начинает отставать от реальности, как старый объектив от движущегося объекта.