Изменение климата, вызванное человеком, стало непреложной научной истиной. Многие климатологи обеспокоены воздействием, которое мы оказываем на атмосферу, и тем, как это негативно скажется на нас в будущем. Однако скептики продолжают придумывать аргументы, чтобы преуменьшить истинную роль человека в недавнем потеплении нашего климата. Одним из распространенных доводов является что-то вроде: «Климат изменялся в прошлом, так почему мы должны беспокоиться сейчас?»
Эта тактика может быть эффективной и действительно затрагивает более глубокий вопрос в климатологии. Правда, что климат Земли изменялся в прошлом. Эти изменения имеют различные причины. Некоторые из них возникают из-за естественного хаоса в климатической системе, а другие навязаны внешними силами. В климатической системе много движущихся частей, которые трудно разобрать. Это различие называется внутренней и внешней изменчивостью. Большая часть работы климатологов направлена на разделение этих двух факторов в текущих наблюдаемых тенденциях.
Изменчивость — это сложная тема. Существуют целые учебники, посвященные изучению и описанию изменений в хаотической системе. Статистика предоставляет нам множество способов описания изменчивости и ее величины. Это становится особенно трудной задачей с такой большой и трудно наблюдаемой системой, как климат Земли. В этой статье я собираюсь поговорить о разнице между внутренней и внешней изменчивостью. Я также расскажу, как климатологи различают их и как это применяется к изменению климата, вызванному человеком. Давайте начнем!
Изменения изнутри
Возможно, вы слышали термин «внутренняя изменчивость». Это сложная фраза, по сути, означающая, что климатическая система хаотична. Она будет колебаться сама по себе без внешних сил. Именно поэтому погоду так трудно предсказать: у нас есть общее представление о том, как она будет развиваться, но внутренняя изменчивость никогда не позволит нам достичь 100% точности. Каждая маленькая молекула влияет на систему, и эти изменения накапливаются со временем, иначе известное как эффект бабочки.
Один из способов увидеть внутреннюю изменчивость — это случайные колебания, присутствующие в температурном графике, который я показал ранее. Хотя все еще наблюдается общий тренд к увеличению, врожденный хаос климатической системы добавляет к нему некоторые дополнительные колебания. Эти маленькие вариации, вызванные случайностью, могут привести к более крупным сдвигам.
Мне нравится приведенная выше симуляция как аналогия для климата нашей планеты. Представьте, что существуют два разных «режима», между которыми может колебаться климатический процесс. Это изменение происходит несколько случайно, но ведет себя подобно маятнику. Чтобы смоделировать это, я использую маятник, колеблющийся между двумя магнитами. Магниты действуют как аттракторы для маятника, и маятник обычно качается вокруг одного из них. Однако эта система хаотична и очень трудно предсказуема. Многие аспекты климатической системы можно рассматривать таким образом, как, например, Южное колебание Эль-Ниньо (ENSO).
Если вы не слышали об этом раньше, ENSO — это крупный паттерн изменений, происходящих в Тихом океане. Он имеет широкие глобальные последствия и может вызывать как засухи, так и наводнения по всему миру в зависимости от своего состояния. Два разных состояния подобны магнитам, притягивающим маятник. Как видите, колебание отчасти следует регулярному паттерну, но в нем есть некоторая случайность. Это ключевой пример внутренней изменчивости в климатической системе; он возникает из самой системы. Если вам интересно узнать больше о ENSO, я написал целую статью на эту тему, ссылку на которую я приведу в конце.
Хотя ENSO является классическим примером внутренней изменчивости, существуют и многие другие. Еще одно место, где мы видим естественные вариации, — это атмосфера в виде волн Росби. Они происходят на гораздо более быстрой шкале, чем ENSO, и в основном отвечают за погодные паттерны над Соединенными Штатами.
Волнения Росби очень трудно предсказать и возникают из-за множества взаимодействий в климатической системе. Если вы когда-либо слышали об атмосферной струе, волны Росби — это движение этого ветрового паттерна. Они возникают из-за дисбаланса в нагревании, которое Земля получает от Солнца. Энергия стремится переместиться от экватора к полюсам, чтобы устранить этот дисбаланс в виде ветра и тепла. Однако, поскольку Земля вращается, ветер отклоняется в сторону, что приводит к возникновению струи. Из-за размера и количества вовлеченных молекул этот паттерн колеблется сам по себе. Опять же, атмосфера движется из-за внутренней изменчивости, которая возникает из системы. С чем-то таким сложным, как это, как мы можем даже начать его изучение?
Я говорил об этом в других статьях, но у климатологов есть очень мощный инструмент для представления внутренней изменчивости, называемый ансамблевыми прогнозами. Мы не можем легко увидеть возможность внутренней изменчивости в реальном мире, но мы можем ее смоделировать! Это климатические модели, которые запускаются несколько раз с очень незначительными различиями в начальных условиях. Поскольку климатическая система хаотична, эти модели очень быстро расходятся друг с другом. Мы говорим, что разброс этих моделей представляет внутреннюю изменчивость системы.
Если мы наблюдаем изменения, которые находятся в пределах диапазона, предсказанного ансамблевым разбросом, то, вероятно, изменение вызвано внутренней изменчивостью. Это называется ансамблевым разбросом. Если наши результаты попадают в диапазон, предсказанный ансамблем, то, вероятно, это просто вызвано естественными вариациями. Однако иногда сила, находящаяся вне климатической системы, может толкнуть ее за пределы нормального диапазона. Хотя модели не идеальны, они хорошо предсказывают, как наша климатическая система может естественно варьироваться.
Изменения извне
Некоторые изменения в климате можно прямо связать с внешними источниками. Некоторые из этих механизмов включают извержения вулканов, изменения солнечной радиации и выбросы парниковых газов, вызванные человеком. Ключевым моментом здесь является то, что это физические процессы, которые влияют на климат, но не изменяются самим климатом. Извержение вулкана сильно влияет на погоду по всей планете, но климат ничего не делает, чтобы вызвать извержение вулкана. Эти силы могут немного сдвинуть климатическую систему и сделать определенные паттерны более вероятными.
Представьте, что определенный климатический процесс можно представить суммой двух бросков костей. Каждый бросок случайный и говорит нам о текущем состоянии системы. Скажем, это представляет температуру, тогда результирующее распределение является хорошей моделью внутренней изменчивости. Есть случайность, но у нее есть определенная ожидаемая структура.
Но теперь представьте, что что-то происходит с системой. В атмосферу добавляются дополнительные парниковые газы, или, возможно, происходит извержение вулкана поблизости. Это принуждает систему и изменяет распределение. По-прежнему будет случайность из-за внутренней изменчивости, но она будет выглядеть немного иначе. Я собираюсь представить это, изменив одну из костей так, чтобы более высокие броски были более вероятны.
Теперь явно видно смещение к более высоким температурам. Обратите внимание, что холодные события все еще могут происходить. Обычный аргумент против потепления климата — указать на недавнюю снежную бурю или холодный фронт, но это доказательство не работает по этой причине. Нужно смотреть на общую тенденцию системы, а не на изолированные события.
Например, было бы очень трудно определить, были ли кости подстроены, только по нескольким броскам. Вам действительно нужно много бросков, чтобы определить, есть ли какой-то перекос, или наблюдаемые тенденции просто вызваны внутренней изменчивостью. Вместо того чтобы искать изменения в отдельных событиях, мы ищем изменения в структуре распределения событий. Я не буду вдаваться в это здесь, но это делается с помощью различных статистических методов.
Теперь давайте применим это к выбросам парниковых газов, вызванным человеком. Климатологи разработали ряд различных наборов симуляций, называемых сценариями выбросов. Эти сценарии называются Представительными Концентрационными Путями (RCP), и они описывают возможные будущие воздействия на климат. Основные различия между этими симуляциями возникают из-за выбросов углекислого газа, но они также учитывают выбросы метана.
Поскольку мы не можем точно предсказать, каким будет будущее в терминах выбросов, мы используем эти сценарии как оценки. Каждый сценарий представляет собой различный набор внешних воздействий, которые применяются к климатическим симуляциям. Как вы могли догадаться, в каждой симуляции также существует диапазон внутренней изменчивости. Эти сценарии использовались для изучения всех видов будущих изменений, но мы рассмотрим только глобальную температуру.
Эти прогнозы получены путем многократного запуска глобальной климатической модели при этих уровнях углекислого газа в атмосфере. В итоге мы получаем ансамбль результатов для каждого сценария. Обратите внимание, что у каждой линии есть более светлая область вокруг нее. Это представляет неопределенность в прогнозе из-за внутренней изменчивости. Как описано ранее, эта неопределенность получается путем многократного запуска климатической модели с немного разными начальными точками. Обратите внимание, как некоторые внешние воздействия имеют перекрытие внутренней изменчивости, это может затруднить их различие.
Климатические модели — это только один из многих инструментов для изучения климатической системы. Как видно, они четко предсказывают, что увеличение углекислого газа в атмосфере повысит глобальные температуры. По мере того как модели становятся все более и более точными, их можно использовать как мощный инструмент для различения внутренней и внешней изменчивости с помощью ансамбля симуляций.
Заключение
Надеюсь, вы узнали что-то новое! Различение причин изменения климата — одна из самых важных проблем 21 века. По мере того как ученые продолжают совершенствоваться в этом, мы можем становиться еще более уверенными в нашем понимании климатической системы. Если вы хотите глубже погрузиться в эту увлекательную тему, я предоставил несколько ссылок для дальнейшего изучения.
Для действительно интересной аналогии внутренней и внешней изменчивости мне нравится эта страница, которая сравнивает это с прогулкой в лесу. Эта статья хорошо обсуждает современные изменения климата и как это сравнивается с прошлыми изменениями. Мне также нравится эта страница, созданная НАСА, с отличным объяснением. Если вы хотите исчерпывающе погрузиться в текущее состояние климатической науки и изменение климата, вызванное человеком, отчет МГЭИК удивительно легко читается и интересен. Сайт CarbonBrief — действительно фантастический ресурс, мне нравится эта статья, которая рассказывает о прошлых изменениях из-за изменений в орбите Земли.