модель Зебиака–Кейна

Вода у крана закипает быстро, но в последний миг перед точкой кипения всё будто замирает — пузырьки медлят, температура стоит на месте. Так и в квантовых системах: когда материал подходит к критической точке, его внутренние часы растягиваются до бесконечности. Моделировать такое напрямую — всё равно что пытаться пересчитать каждую каплю в водопаде: вычислительные затраты взрываются.

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.

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.

Кастрюля с кипящей лавой, накрытая плотной крышкой из газа. Примерно так устроены субнептуны — планеты, которых много в других звёздных системах, но нет в нашей. Под толстой водородной атмосферой там плещется раскалённый магматический океан.

В бразильском городе Ресифи три вируса — денге, Зика и чикунгунья — распространяются комарами. Учёные собрали данные о тысячах случаев и построили модель, которая оценивает, как влияют друг на друга заражения в разных точках города. Модель смотрит на две вещи: насколько близко расположены случаи и сколько времени прошло между ними.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

В комнате с 80 советниками каждый кричит своё, и если просто выслушать всех и взять среднее, получится каша. Так и с прогнозами Эль-Ниньо: модель выдаёт 80 вариантов будущего, но не все они одинаково полезны. Одни ошибаются реже, другие чаще, а третьи вообще говорят о своём.

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.

Тропический Тихий океан живёт в двух ритмах. Первый — быстрый: волна гроз, которая рождается над Индийским океаном, бежит на восток и затухает у берегов Америки за месяц-другой. Второй — медленный: раз в несколько лет поверхность океана теплеет настолько, что меняет погоду по всей планете. Это Эль-Ниньо. Между этими ритмами есть мост, и его строительство заняло у климатологов десятилетия.

Переводчик сидит на переговорах двух собеседников: океана и атмосферы. Обычно он передаёт смысл с задержкой в полгода, а весной вовсе теряет нить разговора. Новая модель, названная CTEFNet, ведёт перевод на два года вперёд и при этом объясняет, какая реплика стала поворотной.

Тихий океан шириной в десять тысяч километров дышит: тёплая вода сдвигается к востоку, холодная отступает, и этот вдох-выдох повторяется каждые несколько лет. Модель, которая описывает такое дыхание, занимает недели вычислений даже на суперкомпьютере. Но в свежей работе учёные показали, что всю эту симфонию можно передать всего четырьмя нотами.

Тропический Тихий океан дышит в двух ритмах. Один длится несколько лет: вода у берегов Перу то прогревается, то остывает, и рыбаки называют это Эль-Ниньо. Второй ритм быстрый: каждые месяц-полтора над тёплой водой Индийского и Тихого океанов рождается гигантская волна облаков, которая ползёт на восток со скоростью бегуна и гаснет у Южной Америки.

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.

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.

Переводчик на переговорах улавливает не только слова, но и тон, с которым они сказаны. Если он сосредоточится только на лексике, то пропустит сарказм или усталость в голосе. Если только на интонации — переврёт детали договора. В прогнозе погоды происходит похожая история: спутниковые снимки несут и локальные детали вроде грозовых ячеек, и глобальные волны, которые тянутся через весь океан.

Переводчик на важных переговорах сначала просто повторяет слова, но постепенно начинает угадывать, что скажет собеседник. Новая модель погоды устроена похоже: физика даёт ей каркас, а машинное обучение учится на ошибках и заполняет пробелы. В результате она предсказывает Эль-Ниньо — тёплое течение в Тихом океане, которое меняет погоду по всему миру, — на месяцы вперёд.

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.

Сапёр с завязанными глазами ищет мину, бросая камешки наугад. Он не видит карту и не может вычислить, где зарыт заряд. Но если бросить достаточно камешков и послушать, какой упадёт глуше, можно нащупать опасное место. Примерно так работает новый способ предсказывать Эль-Ниньо — тёплое течение, которое раз в несколько лет меняет погоду на всей планете.

Тихий океан размером с половину планеты, а его настроение решает, будут ли дожди в Индии или засуха в Австралии. В центре этого гиганта, в области с координатами, которые климатологи называют NINO3.4, температура воды то поднимается, то опускается, и от этого зависят миллионы жизней.

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.

На длинной верёвке, привязанной к потолку, висят три маятника. Один качается быстро, другой медленно, третий то замирает, то срывается. Но верёвка общая, поэтому каждый рывок одного отдаётся в движении остальных. Примерно так устроен климат тропической части Тихого океана: быстрые порывы ветра, межгодовой цикл Эль-Ниньо и медленные изменения фоновой циркуляции связаны в единую систему.

Луч фонарика в тумане достаёт до одних предметов и гаснет, не коснувшись других. Так и прогноз Эль-Ниньо: для событий в центральной части Тихого океана свет достаёт почти на два года вперёд, а для восточных — уже через полгода теряется в случайных порывах ветра.

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.

Каждый год в Коста-Рике лихорадка денге приходит как сезон дождей: её ждут, к ней готовятся, но точный ритм вспышек оставался загадкой. В одних кантонах болезнь вспыхивает каждый год, в других — раз в два или три года. Исследователи решили послушать этот ритм, как врач слушает сердце, но вместо стетоскопа взяли спутниковые снимки и математический инструмент, который раскладывает сигнал на волны разной длины.

Наводчик настраивает окуляр телескопа: ещё один щелчок, и размытое пятно превращается в отчётливую картину. Климатологи из Института физики атмосферы Китайской академии наук сделали похожий щелчок со своей моделью ICM.

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.

Каждые несколько лет Тихий океан устраивает перестановку: тёплая вода с востока перетекает к берегам Южной Америки, и погода на полгода сходит с ума. Это Эль-Ниньо, и его приходы невозможно предсказать точно, хотя ритм в них есть. Модель с 930 переменными показывает, что виноват шум — случайные порывы ветра, которые действуют как невидимый дирижёр.

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.