Физика атмосферы и океана physics.ao-ph

Гамак, сплетённый из тысяч верёвочек, натянут между континентами. Каждая верёвочка — это связь между двумя точками планеты: когда в одном месте теплеет, в другом холодает, и так изо дня в день. Пока гамак цел, он держит климат в привычном ритме. Но раз в несколько лет приходит Эль-Ниньо, тёплое течение у берегов Перу, и верёвочки начинают лопаться.

Барометр на острове Таити и барометр в австралийском городе Дарвин показывают разное давление. Вычти одно из другого, и получится число, которое климатологи называют индексом Южного колебания. Оно меняется каждый день, но в этих ежедневных скачках прячутся ровные ритмы, как в шуме оркестра прячутся удары метронома.

Река Парана ведёт себя как сейсмограф, который записывает не толчки земли, а пульс Солнца. Столетие ежедневных замеров уровня воды на гидропосту в городе Корриентес, в 900 километрах от устья, показывает: когда на Солнце много пятен, река разливается сильнее. Эта связь не случайна и не слаба. Число солнечных пятен — это мера магнитной активности нашего светила.

Качели, на которых сидят двое детей, редко замирают в равновесии. Они либо качаются влево, либо вправо, а в крайних точках на мгновение зависают, прежде чем устремиться обратно. Тропический Тихий океан ведет себя похоже: он то разогревается у берегов Перу (Эль-Ниньо), то остывает (Ла-Нинья), и эти состояния могут длиться месяцами, а иногда и больше года.

Ванна наполняется тёплой водой, но слив открыт. Каждая волна Эль-Ниньо добавляет порцию тепла, и лишь часть его уходит обратно в космос. За десятилетия эта ванна может нагреться заметно сильнее, чем от одного только медленного подкручивания крана парниковых газов.

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.

Качели раскачиваются, когда толкаешь их в такт. Но бывает, что человек на качелях отзывается не на каждый толчок, а на каждый третий — и амплитуда растёт медленно, но неотвратимо.

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.

Качели, которые толкают раз в секунду, обычно качаются раз в секунду. Но если толкать их сильнее и в нужном ритме, они могут пойти втрое медленнее: один взмах на три толчка. Физики называют это субгармоническим резонансом, и, похоже, именно он управляет самыми заметными колебаниями климата и Солнца. Глобальная температура Земли не растёт плавно.

Океан как барабан, по которому бьёт случайный молоток атмосферы. Эль-Ниньо — это тёплое пятно в тропической части Тихого океана, которое приходит раз в несколько лет и меняет погоду по всей планете. Учёные долго спорили: работает ли Эль-Ниньо как точный часовой механизм, который можно предсказать, или как игральная кость, где каждый бросок независим от предыдущего.

Огромный тёплый язык воды поднимается к поверхности Тихого океана, и вся климатическая система планеты начинает звучать в унисон. Это Эль-Ниньо — самое мощное естественное колебание климата, влияющее на погоду от Австралии до Аляски.

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.

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.

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.

В комнате, где собрались сто человек, можно измерить рост каждого и вычислить средний. Но если в комнату войдёт человек бесконечно высокий, средний рост перестанет существовать: сколько бы людей ни добавилось, сумма будет расти без предела. Примерно такая ситуация сложилась с измерениями скорости ветра в Сухих долинах Мак-Мердо, где метеостанции фиксируют порывы, которые не укладываются в обычную статистику.

Представьте гигантскую паутину, натянутую между тысячами точек на поверхности Земли. Каждая нить соединяет два места, где температура воздуха меняется согласованно: если теплеет в одном узле, теплеет и в другом. Эту паутину можно построить по данным за любой год, а потом сравнить, как она выглядела в разные годы.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Атмосфера похожа на такого переводчика: она слышит не только слова биосферы, но и интонацию. Когда растения меняют темп поглощения углекислого газа, воздух отвечает не на сам газ, а на то, как быстро и как резко его количество меняется.

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.

Дважды в день, в одиннадцать утра и в одиннадцать вечера, с крошечной станции в Сан-Пьетро-Капофьюме, что в одиннадцати метрах над уровнем моря, в небо уходит белый шар с прибором. За двадцать два года таких запусков набралось больше шестнадцати тысяч, и каждый из них записал, как меняется температура воздуха с высотой: от тёплой земли до разреженного холода на двадцати километрах.

В 1981 году океан у берегов Перу повёл себя странно. Тёплое течение, которое обычно приходит раз в несколько лет, изменило свой ритм, и учёные до сих пор спорят, что именно сдвинулось. Новая работа предлагает простой ответ: океан плещется, как вода в чаше, которую раскачивают приливы и вращение Земли.

Берег работает как дирижёр: он не создаёт музыку, но задаёт ей ритм и направление. Каждое утро солнце нагревает сушу быстрее, чем море, и тёплый воздух поднимается над песком, затягивая с океана влажный бриз. К вечеру суша остывает, и ветер разворачивается обратно. Этот суточный маятник заставляет облака выстраиваться вдоль кромки воды, как музыкантов по взмаху палочки.

В 1988 году температура поверхности Тихого океана начала меняться задолго до того, как метеорологи объявили о наступлении Эль-Ниньо. Точки на карте, разбросанные по экватору, стали вести себя согласованно: если в одном месте вода теплела, то и в соседнем тоже.

В 1998 году Тихий океан у берегов Перу резко остыл, и тропические дожди словно сделали глубокий вдох. Влажные зоны, где за год выпадает больше трёх метров воды, поползли на запад, а сухие пятна, где не набирается и двухсот миллиметров, расширились у берегов Австралии и обеих Америк.

Переводчик сидит в зале, где говорят на незнакомом языке. Слов он не понимает, зато слышит, как меняется тон: то спокойный и ровный, то взволнованный и резкий. По одной интонации он догадывается, о чём идёт речь. Примерно так поступил алгоритм, которому дали тридцать шесть лет наблюдений за экваториальной частью Тихого океана: неделю за неделей, ветер и температуру воды.

Ветры планеты — не свободные потоки, а скорее послушные струи, которые можно подтолкнуть с неожиданной стороны. Океанская поверхность, покрытая волнами, действует как ручка настройки: стоит изменить её шероховатость, и гигантские воздушные реки сдвигаются на сотни километров.

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.

В 2014 году синоптики по всему миру ждали мощного Эль-Ниньо. Океан нагрелся, пассаты ослабли, все признаки были налицо. А событие произошло только через год. Тихий океан словно передумал.

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.

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.

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.

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.

Представьте карту Китая, на которой редкие зелёные пятна разбросаны по жёлтой пустыне. Эти пятна — места, где климатическая модель GloSea5 действительно умеет заглядывать на три месяца вперёд, а пустыня — всё остальное, где её прогнозы не лучше подбрасывания монетки.

Над тропической частью Тихого океана давление воздуха дышит с периодами от двух до четырнадцати лет. Барометр на Таити поднимается, а в австралийском Дарвине падает, и весь климат планеты вздрагивает: наступает Эль-Ниньо.

Два маятника висят рядом, соединённые пружиной. Толкните один — и через пружину второй начнёт раскачиваться. Так устроены две области экваториального Тихого океана, где температура поверхности то поднимается, то опускается в ритме Эль-Ниньо.

Переводчик, который слышит только смысл, а не шум в зале, способен точно передать разговор. Климатологи давно ищут такого переводчика для пары океан и атмосфера: их взаимодействие похоже на беседу, где голоса тонут в грохоте посторонних звуков.

Каждые несколько лет Тихий океан делает глубокий вдох. Тёплая вода, обычно копившаяся у берегов Индонезии, разливается на восток, к Южной Америке, и пассаты, которые гнали её на запад, на время стихают. Этот вдох и выдох называют Эль-Ниньо — Южным колебанием, или ЭНСО.

След на песке тянется через весь пляж. Зверь прошёл здесь ночью, и по отпечаткам можно восстановить не только его размер, но и походку: где он ускорялся, где замедлялся, как переносил вес. Примерно так поступили исследователи с Эль-Ниньо.

Представьте себе паутину, натянутую между всеми уголками Земли: каждая нить — это совпадение температурных колебаний в двух точках. В обычные годы паутина аккуратно поделена на региональные клубки, но когда приходит Эль-Ниньо, нити рвутся и переплетаются заново, соединяя далёкие континенты.

В 1960-х метеоролог Эдвард Лоренц обнаружил, что воздух над планетой ведёт себя как толпа на распродаже: малейший толчок может изменить всё. Его знаменитый вопрос про бабочку в Бразилии, вызывающую торнадо в Техасе, стал символом хаоса в атмосфере. Но Лоренц смотрел только на воздух. Океан, который покрывает семь десятых земного шара, он оставил за кадром.

Танец двух партнёров, океана и неба, продолжается уже тысячи лет. Эль-Ниньо разогревает воды Тихого океана, и обычно в этот момент сезонные дожди над Индией слабеют. Но в последние десятилетия этот ритм будто сбился: дожди не всегда откликаются на тёплое течение.