североатлантическая осцилляция

Представьте гитарную струну, зажатую между двумя порожками. Если ударить по ней, возникнет стоячая волна: одни точки струны колеблются сильно, а другие, узлы, остаются почти неподвижными. Примерно так же ведёт себя хромосфера — слой солнечной атмосферы, зажатый между фотосферой и короной.

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.

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.

Глубоко под землёй, в толще гранита, детекторы ловят редких гостей из космоса — мюоны. Эти частицы рождаются высоко в атмосфере, когда космические лучи врезаются в ядра воздуха. Долететь до подземной лаборатории им помогает огромная скорость, близкая к скорости света.

В Атлантике работает гигантский невидимый конвейер — тёплые поверхностные воды текут на север, остывают, ныряют в глубину и возвращаются на юг. Этот круговорот, AMOC, тащит за собой тепло, делая Европу заметно мягче, чем Канада на тех же широтах. Но конвейер не вечен: если его разбавить пресной водой от тающих льдов Гренландии, мотор заглохнет.

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.

Лёд ускользает из-под конька, как кусок мыла в мокрых руках. Сто лет учёные спорили, откуда берётся эта скользкость. Одни говорили: сверху уже есть тонкий слой воды — он и служит смазкой. Другие возражали: вода появляется только когда начинаешь двигаться, от трения. В новом исследовании физики соединили оба подхода — и выяснили, кто прав.

Кипящий котёл: пар поднимается, вода бурлит, и температура в разных точках разная. Так и в космосе: облака газа вокруг молодых звёзд не гладкие шары, а бурлящая смесь с вихрями и перепадами плотности. Астрономы долго считали такие облака однородными, но это упрощение может искажать выводы.

В 1992 году ураган Эндрю пронёсся по Флориде, оставив страховщиков с убытками в 15,5 миллиарда долларов. Многие компании тогда обанкротились, и рынок придумал способ перекладывать риск катастроф на плечи инвесторов: катастрофные облигации.

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.

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.

Климат США — это не прямая линия, ползущая вверх. Это оркестр без дирижёра, где каждая скрипка и каждый барабан играют свою партию, а вместе они создают сложный узор из тёплых и холодных, влажных и сухих лет. Томас Сяо взял 130-летнюю запись этого оркестра — месячные данные NOAA по температуре, осадкам и засухам — и разложил её на отдельные ноты.

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.

Представьте оркестр, который играет без дирижёра. Каждая группа инструментов вступает в свой момент: сначала духовые задают тему, потом подключаются струнные, а иногда солирует неожиданный ударник.

Переводчик в огромном зале слышит не только соседа, но и шёпот в дальнем углу, и по этим обрывкам восстанавливает всю беседу. Так работает нейросеть CAS-Canglong: она улавливает связи между давлением, ветром и теплом по всей планете и по ним предсказывает, каким станет океан через три месяца. Раньше прогноз на срок от двух недель до сезона был слабым местом метеорологии.

Два танцора стоят друг напротив друга, но не видят лиц. Один — атмосфера, быстрая и шумная, забывающая свои движения уже через пару недель. Второй — океан, медленный, тяжёлый, помнящий каждое касание месяцами. Чтобы танец состоялся, им нужно научиться вести друг друга, глядя только на руки партнёра.

Климат похож на оркестр без дирижёра: каждый музыкант слышит остальных с задержкой, а партитура меняется прямо во время концерта. Океан, атмосфера, лёд и суша непрерывно обмениваются энергией, и малейший сбой в одном инструменте может перерасти в смену всей мелодии.

На побережье Земли Королевы Мод стоят два ледяных керна, как два сейсмографа на одном берегу. Один, FK17, пробурён на гребне ледяного поднятия Локерюгген, другой, TIR18, на гребне Хаммарюгген. Их разделяет сотня километров, но они ловят разные подземные толчки климата. Один слышит Тихий океан, другой — Атлантику и Индийский океан.

Летом 2022 года небо над западной Индией словно забыло о засухе: дожди шли чаще обычного, тогда как восточные штаты изнывали от сухости. Такой перекос удивил синоптиков, ведь океанские течения в Тихом океане обещали ровный, обильный муссон по всей стране. Разгадка пряталась не на поверхности воды, а в глубине, где невидимые волны переносят тепло, как подземные реки переносят воду.

Каждые несколько лет Тихий океан меняет свой характер. То он разогревается у берегов Южной Америки, и тогда это называют Эль-Ниньо, то остывает, и наступает Ла-Нинья. Для человека на другом конце планеты это не просто новость из сводки погоды. Океан работает как дирижёр, который задаёт темп жаре и засухе над Евразией.

Пустыня Атакама на севере Чили — самое сухое неполярное место на Земле. Здесь небо почти всегда ясное, а воздух настолько лишён влаги, что даже далёкие галактики видны без помех. Именно поэтому на плато Чахнантор, на высоте пяти километров, стоят радиотелескопы, которым водяной пар мешает сильнее всего. Но даже в таком идеальном месте есть свой «дирижёр погоды» — тихоокеанский цикл Эль-Ниньо.

Представьте себе оркестр, где каждый инструмент играет в своём темпе: скрипки ускоряются, духовые замедляются, а ударные то и дело сбиваются с ритма. Примерно так выглядит климат Земли, где океан, Солнце, вулканы и человеческая деятельность тянут температуру в разные стороны.

Рыбак натягивает сеть и слушает, как она звенит. Каждая нить дрожит по-своему, но перед сильным рывком все нити начинают вибрировать в лад. Так и в сложных системах: перед резким скачком состояния отдельные части вдруг начинают колебаться согласованно, и эта согласованность выдаёт приближение скачка. Учёные построили модель из 500 связанных осцилляторов ФитцХью–Нагумо на кольце.

Над тёплой водой Атлантики воздух начинает кружиться, как вода в воронке, уходящей в слив. Это будущий ураган, и его судьба зависит от того, что происходит за тысячи километров в Тихом океане. Когда там разогревается течение Эль-Ниньо, в Атлантике штормов становится меньше. Модели, которые предсказывают ураганный сезон, знают об этой связи.

Дирижёр в концертном зале машет одной палочкой, но скрипки и литавры отвечают по-разному. Так и тёплое пятно в Тихом океане, которое называют Эль-Ниньо, одной и той же фазой заставляет разные уголки России переживать совершенно разные зимы. Где-то снег тает в январе, а где-то морозы крепчают до предела.

Тёплый воздух поднимается от радиатора, и кажется, что комната нагревается равномерно. Но если приложить ладонь к стене у окна, она холоднее, чем у двери. Климат Земли устроен похоже: глобальное потепление не размазано ровным слоем, а ложится на планету как слоёный пирог, где верхний слой — естественные колебания океана — может на время скрыть начинку из парниковых газов.

В 1960 году метеоролог на станции в Перу записывает температуру воды, а фермер в Индии смотрит на небо в ожидании муссона. Между этими двумя событиями нет прямой связи, но через несколько месяцев одно отзовётся в другом.

Океан у берегов Перу то теплеет, то остывает, и вместе с ним лихорадит всю планету: дожди заливают пустыни, а тропические леса сохнут. Это Эль-Ниньо — самое заметное климатическое колебание после смены времён года. Полвека его описывали одним числом — температурой воды в небольшом квадрате океана.

В 2021 году два инструмента, призванные предсказывать погоду на год вперёд, показали разное. Один, построенный на связях между температурами в разных точках Тихого океана, молчал: никакого Эль-Ниньо в 2022 году не будет.

Переводчик, выучивший язык по тысячам книг, переводит разговор, не отвлекаясь на шум в зале. Так и нейросеть, обученная на 127 137 годах модельного климата, за доли секунды выдаёт прогноз на зиму — быстрее и точнее, чем громоздкие динамические системы.

Фермер в Айове смотрит на календарь: сеять сейчас или подождать? Через месяц может ударить жара, а может зарядить дождь. Синоптики разводят руками: прогноз на две недели ещё держится, на сезон — уже нет, а между ними провал. Атмосфера слишком быстро меняется, чтобы помнить вчерашний день, а океан слишком медлителен, чтобы успеть на помощь.

В 2019 году на севере и юго-западе Ирана выпало на 50% больше осадков, чем обычно, и реки вышли из берегов. Годом раньше, в 2018-м, дождей было на 53% меньше нормы, и поля трескались от засухи. Такие качели — не случайность, а отклик на три далёких океанических пульса, которые задают ритм иранским дождям.

Выигрыш в лотерею меняет жизнь победителя, но для статистики всех игроков почти ничего не значит: вероятность выигрыша ничтожна, и средний выигрыш на билет остаётся крошечным. В климате есть похожие события: фаза Эль-Ниньо случается не каждый год, зато когда случается, температура Тихоокеанского Северо-Запада меняется заметно.

Представьте карту, на которой каждый участок океана окрашен своим оттенком: где-то цвет насыщенный — там будущее системы предопределено, где-то бледный — там исход зависит от случайного дуновения ветра. Такую карту вероятностей строят климатологи, чтобы понять, когда ждать сильного Эль-Ниньо — тёплого течения у берегов Южной Америки, которое меняет погоду по всей планете.

На детской площадке двое качелей стоят рядом. Один ребёнок раскачивается сам, а второй почти не двигается, пока первый не подтолкнёт его ногой. В тропической части Тихого и Индийского океанов происходит нечто похожее, только вместо детей там тёплые и холодные массы воды. Эль-Ниньо — это тёплая фаза колебания температуры океана, которая возникает раз в несколько лет и меняет погоду по всей планете.

Каждую весну над Великими равнинами США небо начинает работать как гигантский паровой котёл. Тёплый влажный воздух с Мексиканского залива сталкивается с сухим воздухом с запада, и в этой смеси рождаются грозы, способные за минуты сорвать крышу с амбара. Метеорологи давно следят за «топливом» для таких гроз, но до сих пор смотрели в основном на средние значения.

Тёплый язык воды вытягивается вдоль экватора Тихого океана, и уже через несколько недель в Перу идут ливни, а в Австралии пересыхают пастбища. Так начинается Эль-Ниньо — природный дирижёр, который в критические моменты заставляет играть лишь несколько оркестрантов, но гораздо громче.

Судья на процессе о климате не слушает, кто громче кричит. Он следит за тем, кто кому подсказывает. Девять «свидетелей» — от углекислого газа до космических лучей — давали показания с 1984 по 2005 год. Их слова записывали каждый месяц. Судья не верит простым совпадениям, потому что два свидетеля могут повторять друг друга, не зная, кто начал первым. Он ищет односторонний поток информации.

16 апреля 2012 года в Вашингтоне случилась жара, какой не ждали. Столбик термометра поднялся на 18 градусов выше нормы. За 60 дней до этого в Бухаресте и Киеве стояла необычная для них погода. Связь между этими событиями нашёл алгоритм, который перебирает пары городов по всему миру и ищет повторяющиеся совпадения. Метод напоминает эхо: крик в горах возвращается через несколько секунд.