тихоокеанская декадная осцилляция

При температуре 359,8 К (около 87 °C) вещество, состоящее из изогнутых молекул, напоминающих по форме банан, переходит в жидкокристаллическую фазу, где молекулы самоорганизуются в слои. Однако, в отличие от обычных слоистых жидких кристаллов, где все «бананы» ориентированы одинаково, здесь они наклонены сразу в двух направлениях — подобно косточкам в банке с вишнёвым вареньем, которые могут смотреть и вверх, и вбок.

Магнитное поле Земли похоже на невидимый щит, который защищает нас от космической радиации. Но если присмотреться к его усреднённому за долгое время рисунку, можно заметить, что щит этот не идеально гладкий — на нём есть свои «швы» и «заплатки».

Гигантское облако ледяных глыб на окраине Солнечной системы — облако Оорта — похоже на прозрачный пузырь, растянутый до светового года в поперечнике. Обычно эти глыбы спокойно висят в своих далёких уголках, но иногда что-то их тревожит. Чаще всего это приливное воздействие нашей Галактики.

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.

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.

Представьте радиатор в комнате: он нагревается, но если его поверхность забита пылью, тепло уходит хуже. Примерно то же самое происходит с нашей планетой. Земля получает энергию от Солнца и должна отдавать излишки обратно в космос, иначе температура растёт. Способность планеты сбрасывать лишнее тепло учёные называют радиационной обратной связью.

Когда планета приближается к звезде на критическое расстояние, приливные силы — результат резкого перепада гравитации между ближней и дальней сторонами небесного тела — разрывают её на части. Этот процесс зажигает космический погребальный костёр: обломки планеты формируют вокруг звезды сияющий аккреционный диск.

Образцы лунных пород, доставленные на Землю, поставили перед учёными парадокс: их возраст составляет 4,35 миллиарда лет, тогда как сама Луна, согласно моделям формирования, должна была возникнуть примерно на 150 миллионов лет раньше. Где же скрывается это пропавшее время? Разгадка таится в явлении приливного разогрева.

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.

Океан гудит, как переполненный зал: в одном углу спорят о десятилетиях, в другом — о годах, в третьем — о смене сезонов. Раньше, чтобы разобрать эти голоса, климатологи пользовались фильтрами, которые сами же и настраивали: пропускали только медленные волны или только быстрые. Но у Тихого океана свои правила: тёплое пятно у берегов Перу может быть и коротким всплеском, и частью долгого перестроения.

Переводчик, который выучил грамматику ветра, а не только словарь. Ветер дует над Тихим океаном, и вода отвечает ему волнами, течениями, подъёмами холодных глубин. Нейросеть KIST-Ocean учили не просто запоминать, как выглядел океан вчера, а понимать, почему он станет таким завтра.

Каждый сезон ураганов в Атлантике похож на игру в кости, где число выпавших очков зависит от трёх крупных климатических сил: Эль-Ниньо, температуры океана в «колыбели ураганов» и североатлантического колебания.

Художник, пишущий океан, не ограничивается двумя красками: тёплой и холодной. Так и климатологи, изучающие Эль-Ниньо, всё чаще говорят о целой палитре оттенков. Эль-Ниньо — это тёплое течение у берегов Перу, которое раз в несколько лет меняет погоду по всей планете. Его противоположность, Ла-Нинья, приносит холод.

Вода помнит. Каждое течение, каждый вихрь, каждый градус температуры в глубине океана не исчезает бесследно — он оставляет след, который можно прочитать. Но до недавнего времени этот след читали только громоздкие физические модели, которые неделями считали на суперкомпьютерах и всё равно ошибались в деталях. Теперь появился другой читатель: нейросеть, которая учится у самого океана, а не у уравнений.

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.

Тихий океан помнит. Вода, нагретая у берегов Перу, медленно плывёт на запад, и через полгода её тепло возвращается к Южной Америке. Это путешествие длиной в шесть месяцев учёные называют запаздыванием. Оно превращает простую модель климата в лабиринт, где маршрут зависит не только от текущего положения, но и от того, где ты был полгода назад.

Представьте себе чувствительные весы, расставленные по всей Европе. Каждая станция GPS — это такая весы, которая ежедневно отмечает, насколько поднялась или опустилась земля под ней. Когда под землёй накапливается вода, поверхность слегка проседает; когда вода уходит, поверхность приподнимается. Эти движения крошечные, в миллиметры, но станции их фиксируют.

Семьдесят пять лет метеонаблюдений в Индии, если разложить их на график, напоминают кардиограмму огромного организма. Вместо одного ровного пульса — пятнадцать разных линий, каждая со своим ритмом. Где-то сердцебиение ровное, как у спящего человека, а где-то сбивается, словно после быстрого бега.

Переводчик на переговорах слышит не только громкость голоса, но и смену темы. Климатологи долго слушали лишь громкость: среднюю температуру. Если она растёт, значит, планета теплеет. Но за средним прячутся события, которые важнее тренда: жара, морозы, резкие перемены. В первое десятилетие XXI века потепление замедлилось, и средние тренды почти не показывали изменений, хотя в системе происходили сдвиги.

Врач, который годами ведёт одного пациента, учится предсказывать обострения по едва заметным признакам: лёгкой бледности, сбитому дыханию, беспокойному сну. Океан — такой же сложный пациент, только вместо градусника у него тысячи буйков и спутников, а вместо истории болезни — семьдесят лет ежедневных измерений.

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.

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.

Пекарь ставит в печь слоёный пирог: тесто одно, жар один, но каждый слой пропекается по-своему. Тонкая корочка сверху уже румянится, а середина ещё сыровата. С климатом Земли происходит похожее: планета нагревается, но разные её части делают это в разном темпе и в разное время. Чтобы увидеть эту неравномерность, учёные разложили 130 лет наблюдений на слои: шесть континентов, семь широтных полос и восемь сезонов.

Океан помнит своё прошлое. Тепло, отданное воде у берегов Норвегии, не исчезает бесследно: оно отправляется в долгое путешествие через Атлантику, чтобы вернуться через десятилетия и снова изменить температуру у тех же берегов. Это не метафора, а физика тепловых волн Россби, которые бегут на запад со скоростью пешехода и несут с собой память о том, что было.

Климат Земли напоминает хор, в котором каждый участник поёт свою партию на своей высоте. Одни голоса тянут низкие ноты, как многолетние колебания температуры океана, другие выводят быстрые трели, как короткие атмосферные волны. Дирижёру нужно расслышать каждого, но голоса перекрываются, и ноты сливаются в кашу.

Оркестр играет в Тихом океане уже больше века. Одни инструменты ведут быструю мелодию, другие тянут медленную басовую линию, и все вместе они создают узор тёплых и холодных пятен на поверхности воды.

Волна уходит на запад, отражается от берега и возвращается через полгода, чтобы изменить температуру у восточных берегов Тихого океана. Это путешествие волн Россби и Кельвина формализм Мори-Цванцига превращает в уравнение с памятью. Раньше климатологи добавляли запаздывание в модели Эль-Ниньо по наитию, опираясь на физическую интуицию.

Термометр на метеостанции в Дели не знает, что он часть большого уха. Каждый день он записывает температуру, и за сорок лет таких записей накопилось столько, что можно услышать, как дышит целый субконтинент. Индийский метеорологический департамент разбил всю сушу страны на квадраты по одному градусу и снимал показания с 1970 по 2009 год. Получилась плотная сетка, какой раньше не было ни у кого.

Один и тот же оркестр звучит по-разному, если за пультом стоят два разных дирижёра. Один размахивает палочкой широко, и весь зал слышит его акценты; другой едва заметно кивает, и лишь отдельные инструменты откликаются. Так и в Тихом океане: тёплая фаза Эль-Ниньо и холодная Ла-Нинья — это два дирижёра глобальных осадков, но у каждого из них есть два разных характера.

Река Паглия ведёт себя как маятник, который сопротивляется разгону. Если в неё внезапно выливается много воды, она не продолжает набирать силу, а быстро откатывается назад, к обычному уровню. Такое поведение называется антиперсистентностью, и его обнаружили в двадцатидвухлетнем ряду получасовых измерений стока возле итальянского города Орвието.

Река, обогнувшая Антарктиду, не течёт одним руслом: она то разделяется на рукава, то сливается в единый поток. Так выглядят фронты Южного океана на картах, построенных по спутниковым данным о высоте морской поверхности. Раньше эти фронты искали по линиям одинакового уровня воды, и казалось, что они медленно ползут к югу. Новый анализ показывает: движения нет, есть перестройка.

В 1972 году у берегов Перу исчезли анчоусы. Рыбаки остались без улова, а весь мир узнал слово Эль-Ниньо. С тех пор учёные ищут способы предсказать, когда тёплое течение снова перевернёт погоду на планете. Оказалось, что у этого явления есть скрытый дирижёр, который живёт в западной части Тихого океана и дышит с периодом в несколько десятилетий.

Оркестр без дирижёра: инструменты сами выстраивают ритм. Так можно описать климатическую систему Индо-Тихоокеанского региона, где температура поверхности океана колеблется на множестве временных масштабов — от сезонных до многодесятилетних. Раньше, чтобы услышать отдельный инструмент, приходилось заранее настраивать фильтры, отсекая всё остальное.

Термометр на кухне не ползёт вверх постепенно, когда включают плиту: сначала он долго стоит на месте, потом вдруг прыгает на несколько градусов. Примерно так же, по расчётам исследователей, вела себя глобальная температура с 1950 по 2013 год. Сначала из данных HadCRUT4 вычли линейное влияние Эль-Ниньо, чтобы убрать естественную «рябь» океана.

Каждую ясную ночь телескоп на острове Ла-Пальма смотрел в небо и записывал, насколько воздух гасит свет звёзд. Это была рутинная работа астрономов, которые измеряли положения светил. Но в этих записях, как в старом дневнике, остались следы совсем другой истории: приходов пыли из Сахары.

Температура океана поднималась не как вода в ванне, а как человек по лестнице: два широких шага вверх, а между ними и вокруг них — волны естественных колебаний, которые накатывают и отступают. Первый шаг случился в 1925/26 годах, второй — в 1987/88. Каждый добавлял к средней температуре около 0.28°C в тропиках и 0.36°C в северных средних широтах.

Каменная летопись, где каждый слой — страница, а спектральный анализ читает ритм строк. В соляной шахте Реальмонте на Сицилии геологи измерили толщину 120 трёхчастных циклов: миллиметровый прослой глины, тонкий слой ангидрита или полигалита, затем дециметровый пласт каменной соли.

Океан похож на маятник с памятью. Толчок от сезонных ветров возвращается к нему не сразу, а спустя месяцы, когда волна пересекает Тихий океан. Именно эта задержка, по мысли авторов, заставляет Эль-Ниньо и Ла-Нинью раз за разом достигать пика в одно и то же время года. Модель сводит океан к одному числу — температуре поверхности, а физику прячет в запаздывании.

Лесной пожар не имеет «типичного» размера: маленький пал травы и огненный шторм на тысячи гектаров — части одного и того же явления. Так же и тропические циклоны: энергия, которую они высвобождают за свою жизнь, не группируется вокруг какого-то среднего значения. Она распределена по степенному закону, и это правило работает во всех океанах Земли.