26.05.2022 г.
Физики предсказывают, что климат на Земле станет хаотичным

Люди не просто делают Землю теплее, они делают климат хаотичным, предполагает новое исследование, опубликованное в базе данных препринтов arXiv. Оно рисует широкую и общую картину полного потенциального воздействия деятельности человека на климат.

Хотя исследование не представляет собой полную симуляцию климатической модели, оно дает общий набросок того, куда мы движемся, если не прекратим изменение климата и бесконтрольное использование ископаемого топлива, по словам авторов исследования из Университета Порту.

«Последствия изменения климата хорошо известны (засухи, аномальная жара, экстремальные явления и т. д.)», — говорят ученые. «Если Земная система попадет в область хаотического поведения, мы потеряем всякую надежду как-то решить проблему».

Климатические сдвиги

Земля периодически испытывает массовые изменения климатических моделей, переходя от одного устойчивого равновесия к другому. Эти сдвиги обычно вызваны внешними факторами, такими как изменения орбиты Земли или массовый всплеск вулканической активности.

Но прошлые исследования показывают, что сейчас мы вступаем в новую фазу, движимую человеческой деятельностью. По мере того, как люди выбрасывают в атмосферу все больше углерода, мы создаем новую эру антропоцена, период климатических систем, находящихся под влиянием человека, чего наша планета никогда раньше не переживала.

В новом исследовании ученые смоделировали введение антропоцена как фазовый переход. Большинство людей знакомы с фазовыми переходами в материалах, например, когда кубик льда переходит из твердого состояния в жидкое, растворяясь в воде, или когда вода испаряется, превращаясь в газ.

Но фазовые переходы происходят и в других системах. В данном случае системой является климат Земли. Данный климат обеспечивает регулярные и предсказуемые сезоны и погоду, а фазовый переход в климате приводит к новому характеру сезонов и погоды.

Когда климат проходит через фазовый переход, это означает, что на Земле происходят внезапные и быстрые изменения моделей.

Логистические проблемы

Если человеческая деятельность вызывает фазовый переход в климате Земли, это означает, что мы заставляем планету развивать новый набор погодных условий. Как будут выглядеть эти закономерности, является одной из самых насущных проблем науки о климате.

Куда движется климат Земли? Ответ на вопрос в значительной степени зависит от того, какой именно будет наша деятельность в течение следующих нескольких десятилетий.

Резкое сокращение выбросов углерода, например, с большой вероятностью приведет к другим результатам, чем вообще ничего не изменит, пишут исследователи.

Чтобы учесть различные траектории и варианты выбора, которые может сделать человечество, исследователи использовали математический инструмент, называемый логистической картой.

Логистическая карта отлично подходит для описания ситуаций, когда некоторые переменные, например количество углерода в атмосфере, могут расти, но естественным образом достигают предела.

Например, ученые часто используют логистическую карту для описания популяций животных: животные могут продолжать рожать, увеличивая свою численность, но они достигают предела, когда потребляют всю пищу в окружающей их среде, или хищники становятся слишком голодными и съедают их.

Наше влияние на окружающую среду определенно растет, и это происходит уже более века. Но, по мнению исследователей, такая ситуация, естественно, достигнет предела.

Например, человеческая популяция может расти только до определенного размера и может иметь только определенное количество видов деятельности, связанных с выбросом углерода; и загрязнение в конечном итоге приведет к деградации окружающей среды.

В какой-то момент в будущем выброс углерода достигнет максимального предела, и исследователи обнаружили, что логистическая карта может очень хорошо отображать будущую траекторию этого выброса углерода.

Климатический хаос

Исследователи изучили различные способы развития логистической карты людей в зависимости от множества факторов, таких как население, внедрение стратегий сокращения выбросов углерода и более эффективных технологий.

Как только они обнаружили, как со временем будет меняться выброс углерода человеком, они использовали это, чтобы изучить, как климат Земли будет меняться в результате фазового перехода, управляемого человеком.

В лучшем случае, когда человечество достигает предела производства углерода, климат Земли стабилизируется при новой, более высокой средней температуре.

Эта более высокая температура в целом вредна для людей, потому что она по-прежнему приводит к повышению уровня моря и более экстремальным погодным явлениям. Но, по крайней мере, климат будет стабилен: антропоцен похож на предыдущие климатические эпохи, только теплее, и он по-прежнему будет иметь регулярные и повторяющиеся погодные условия.

Но в худших случаях исследователи обнаружили, что климат Земли приходит к хаосу. Правда, к математическому хаосу. В хаотической системе нет равновесия и повторяющихся закономерностей. В хаотичном климате времена года резко меняются от десятилетия к десятилетию (или даже из года в год).

В некоторые годы будут внезапные вспышки экстремальной погоды, в то время как в другие годы будет совершенно спокойно. Даже средняя температура Земли может сильно колебаться, переходя от более прохладных периодов к более жарким за относительно короткие промежутки времени. Было бы совершенно невозможно определить, в каком направлении движется климат Земли.

«Хаотическое поведение означает, что будет невозможно предсказать поведение Земной системы в будущем, даже если мы с большой уверенностью будем знать ее нынешнее состояние», — говорят ученые. «Это будет означать, что любая способность контролировать и приводить земную систему к равновесному состоянию, которое способствует обитаемости биосферы, будет утрачена».

Больше всего беспокоит то, что исследователи обнаружили, что выше определенного критического порога температуры для атмосферы Земли может начаться цикл обратной связи, при котором хаотический результат станет неизбежным. Есть некоторые признаки того, что мы, возможно, уже прошли этот переломный момент.

Исследование было опубликовано на сайте препринтов Arxiv.org

Автор: Алла Конака