Бабочка и ураган. Теория хаоса и глобальное потепление - Мадрид Карлос

График изменения средней мировой температуры — «хоккейная клюшка» Манна.

Различные группы исследователей опубликовали важные работы, в которых выступили с критикой этой модели. Двое из них, математик Стивен Макинтайр и экономист Росс Маккитрик, обнаружили в работе Манна многочисленные ошибки. На основе тех же данных, что использовал Манн, Макинтайр и Маккитрик получили совершенно иные результаты. Они обнаружили, что Манн и его коллеги применили удивительную формулу, в которой вне зависимости от входных данных выходное значение всегда описывалось графиком в форме хоккейной клюшки. Иными словами, при статистическом анализе данных Манн недооценил множество колебаний температуры. В исправленной версии расчетов различие между современными значениями средней мировой температуры и температуры во время Средневекового климатического оптимума оказалось уже не столь заметным.

Различные модели, описывающие изменение мировой температуры за последние две тысячи лет (обратите внимание на пики, соответствующие Средневековому теплому периоду, Малому ледниковому периоду и нашим дням).

Что мы знаем о корреляции между температурой и концентрацией СО2?

В 1896 году шведский ученый Сванте Август Аррениус опубликовал статью под названием «О влиянии углекислого газа в воздухе на температуру поверхности Земли», в которой отметил наличие прямой зависимости между изменением температуры и уровнем СО2. Позднее это явление стало называться парниковым эффектом, хотя первым аналогию с парником провел еще Жан-Батист Жозеф Фурье в 1824 году.

Углекислый газ, или двуокись углерода (СО2), служит причиной парникового эффекта, так как удерживает часть энергии, которую излучает нагретая поверхность Земли, и, как следствие, воссоздает эффект, наблюдаемый в обычном парнике. В результате температура заметно повышается. Основным парниковым газом является не СО2, а (внимание!) водяной пар, действием которого объясняется 60 % парникового эффекта. Нужно различать естественный парниковый эффект, благодаря которому Земля стала обитаемой (температура на ней возросла с —18 °С, при которых жизнь невозможна, до 33 °С), и искусственный парниковый эффект, вызываемый человеком в результате выбросов в атмосферу СО2, метана, оксида азота и других газов. Доказано, что с начала промышленной революции человек загрязняет атмосферу и изменяет ее химический состав.

Тепловая электростанция в Баттерси (Лондон), ставшая всемирно известной после того, как была изображена на обложке альбома «Animals» группы Pink Floyd.

Однако климат подчиняется куда более сложным законам. Нельзя сказать, что повышение концентрации С02 однозначно ведет к увеличению температуры. Изменение концентрации СО2, вызванное деятельностью человека и различными природными факторами, едва ли объясняет повышение температуры с 1920 по 1940 год, когда концентрация углекислого газа в атмосфере была невысока, и тем более не объясняет похолодание, наблюдавшееся с 1940 по 1975 год, когда произошел значительный рост выбросов парниковых газов, вызванный человеком. И действительно, палеоклиматические исследования показывают, что температура не зависит напрямую от уровня СО2 в атмосфере: в некоторых моделях температурные пики наблюдаются примерно за 800 лет до пиковых уровней концентрации СО2.

Таким образом, помимо парниковых газов, рост средней температуры объясняется и другими факторами, как природными (например, солнечной активностью), так и антропогенными: урбанизация и изменения в сельском хозяйстве, приводящие к выделению тепла, — лишь два из множества примеров влияния человека на климат, которые традиционно недооцениваются, но могут отчасти объяснить наблюдаемое потепление. Охлаждение планеты вызвано как природными факторами, в частности вулканической активностью, так и влиянием человека. Один из этих факторов — наблюдаемое с 1950-х годов так называемое глобальное затемнение, которое заключается в постепенном снижении объема излучения Солнца, достигающего земной поверхности. Считается, что глобальное затемнение вызвано ростом содержания частиц угля и сульфатов в атмосфере в результате деятельности человека, главным образом ввиду использования двигателей внутреннего сгорания и воздушного транспорта.

Цель математических моделей и графиков, которые строят климатологи, — это совокупная оценка вышеперечисленных факторов и влияния (как положительного, так и отрицательного), которое они оказывают на изменение средней мировой температуры. Климатические модели, в которых учитываются только природные факторы, не воспроизводят наблюдаемый рост средней мировой температуры. Напротив, потепление, наблюдаемое в последние 35 лет, можно с успехом объяснить, если принять во внимание факторы, связанные с деятельностью человека. Таким образом, научное сообщество склоняется к тому, что извержения вулканов и рост концентрации сульфатов в атмосфере вызывают снижение температуры на планете, а парниковые газы и рост солнечной активности — ее увеличение. Совокупность всех этих факторов объясняет рост средней мировой температуры на 0,74 °С.

Изменение средней мировой температуры под воздействием различных положительных и отрицательных факторов.

* * *

ГЛОБАЛЬНОЕ ЗАТЕМНЕНИЕ И 11 СЕНТЯБРЯ

В течение трех дней, последовавших за террористическими атаками 11 сентября, воздушное сообщение было практически полностью прекращено. Двое американских ученых, Дэвид Трэеис и Джерри Стэнхилл, воспользовались этой возможностью и измерили колебания температуры в различных частях США. Результаты оказались невероятными: и Трэвис, и Стэнхилл отметили измерение дневных температур на 1 °С. Иными словами, после трех дней без воздушного сообщения температура снизилась почти на один градус.

* * *

В представленных выше графиках и математических моделях присутствует некоторая неопределенность, которую сами ученые пытаются измерить. При оценке неопределенности в моделях, воспроизводящих земной климат в прошлом, важную роль играет статистика. При оценке неопределенности в моделях, служащих для прогнозирования климата, в игру вступает теория хаоса.

Мы рассказали о средней мировой температуре и о том, как она меняется. Но что такое «мировая температура»? Если погоду и температуру в конкретной местности можно определить довольно точно, то мировой климат и мировая температура являются результатами расчетов и оценок. Не существует никакого аналога гигантского термометра, который можно приложить к Земле, чтобы определить ее точную температуру. Мировая температура определяется, если можно так выразиться, на «статистической кухне» и представляет собой среднюю величину, которую можно рассчитать различными способами на основе данных, собираемых на метеорологических станциях, а также с помощью метеозондов и спутников.

Математик Кристофер Эссекс и экономист Росс Маккитрик приводят такой пример. Допустим, что преподаватель физики объясняет ученикам, как определить среднюю температуру в классе. Зимой ученики измерили температуру в четырех местах (у двери, у окна, на учительском столе и на задней парте). Результаты оказались следующими: 17 °С, 19,9 °С, 20,3 °С и 22,6 °С соответственно. Когда наступила весна, учитель открыл окно, чтобы проветрить класс. Все четыре результата измерений оказались равны 20 °С. Тогда преподаватель спросил учеников: в классе холоднее или теплее, чем зимой? Половина учеников вычислила среднюю зимнюю температуру как среднее арифметическое, то есть сложив четыре значения и разделив полученную сумму на четыре. Другая половина решила определить среднюю температуру как среднее квадратическое, то есть сложив квадраты температур, разделив сумму на четыре и вычислив квадратный корень из полученного значения.