Танец среднего и вихря: океанологи нашли предел предсказуемости климата океана

Танец среднего и вихря: океанологи нашли предел предсказуемости климата океана Международная группа ученых из Городского университета Нью-Йорка (CUNY), МФТИ, Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и других ведущих институтов провела уникальное численное исследование, которое проливает свет на одну из самых сложных проблем современной климатологии: как отделить предсказуемый отклик океана на внешние воздействия от его собственного внутреннего хаоса. Ученые показали, что способность прогнозировать поведение океанических течений кардинально зависит от пространственного и временного масштаба климатических изменений, например, ветров. Мировой океан — это не просто гигантский резервуар воды, а ключевой дирижер климата Земли. Его глобальные течения, такие как Гольфстрим, образуют огромные циркуляции, называемые круговоротами, которые переносят тепло от экватора к полюсам. Однако эта величественная картина крупномасштабных течений — лишь одна сторона медали. Океан пронизан бесчисленными вихрями, или мезомасштабными Эдди, подобным погодным системам в атмосфере. Эти вихри живут своей собственной, хаотической жизнью, постоянно взаимодействуя с крупномасштабными течениями, обмениваясь с ними энергией и создавая то, что ученые называют «внутренней изменчивостью». Для климатологов это создает фундаментальную проблему: когда мы наблюдаем изменение в океане, как понять, что из этого — предсказуемый ответ на глобальное потепление или изменение ветров, а что — всего лишь случайный каприз его внутренней «погоды»? Современные климатические модели не могут детально просчитать каждый вихрь на планете, поэтому их коллективное влияние приходится описывать с помощью упрощенных схем — параметризаций — одним из главных источников неопределенности в климатических прогнозах. Коллектив океанографов и математиков решил подойти к этой проблеме с другой, более фундаментальной стороны. Вместо того чтобы пытаться улучшить очередную схему параметризации, они задались вопросом: можно ли в принципе создать устойчивую математическую модель, которая бы описывала только предсказуемую, «детерминированную» часть реакции океана на внешнее воздействие? Результаты представлены в виде препринта для журнала Frontiers in Marine Science. Чтобы отделить предсказуемое от хаотичного, ученые использовали ансамблевый метод. Они создали идеализированную численную модель океанского бассейна и провели не одну, а 120 симуляций, каждая из которых начиналась с немного отличающихся начальных условий. Среднее арифметическое по всему этому «ансамблю» симуляций и представляет собой тот самый чистый, детерминированный отклик системы на внешнюю силу. Различия же между отдельными симуляциями — это и есть проявление внутреннего хаоса. Затем исследователи проверили, как эта усредненная, предсказуемая система реагирует на два принципиально разных типа воздействия. В первом случае они имитировали крупномасштабное, медленное изменение ветра, охватывающее весь океанский бассейн. Во втором — воздействовали на модель силой, которая по своему размеру и частоте была похожа на собственные хаотические вихри океана. Результаты оказались поразительными и контринтуитивными. Когда на «виртуальный океан» действовала крупномасштабная сила (первый случай), его усредненная циркуляция отреагировала слаженно и предсказуемо. Энергия, полученная от ветра, сначала накапливалась в крупномасштабных течениях, а затем медленно перераспределялась в хаотическое движение вихрей. В этом режиме упрощенная модель, которая учитывала среднее состояние вихрей, но не их изменения во времени, показала на удивление хороший результат. Однако во втором эксперименте, когда сила воздействовала на масштабах самих вихрей, картина кардинально изменилась. Усредненная циркуляция почти не отреагировала на внешнее воздействие. Вместо этого вся энергия от «вихреподобного» ветра почти мгновенно уходила напрямую в хаотическую составляющую, подпитывая внутреннюю изменчивость океана и обходя стороной предсказуемый отклик. В этом случае все упрощенные модели потерпели сокрушительную неудачу, многократно завысив реакцию усредненной циркуляции, поскольку они не могли учесть этот быстрый «сброс» энергии в хаос. Такайя Учида, старший научный сотрудник лаборатории динамики климата МФТИ, прокомментировал: «Мы обнаружили, что океан по-разному реагирует на разные типы воздействия. Если вы толкаете его большой и медленной силой, он отвечает как единое целое, и этот отклик можно предсказать. Но если вы пытаетесь воздействовать на него на частотах его собственной внутренней «погоды» — вихрей, — он, по сути, игнорирует ваше воздействие, немедленно рассеивая энергию в своем хаотическом движении. Это означает, что для точного прогноза недостаточно просто знать среднее состояние океана; ключевым оказывается непрерывный диалог, танец между крупномасштабной циркуляцией и вихрями, и этот танец происходит в реальном времени». Исследование меняет взгляд на проблему предсказуемости океана. Оно показывает, что способность прогнозировать климатический отклик — это не вопрос «да» или «нет», а вопрос масштаба. Упрощенные модели, основанные на усредненных по времени характеристиках турбулентности, могут быть неадекватны в условиях, когда внешние воздействия (например, от тающих ледников или экстремальных погодных явлений) происходят быстро и на небольших пространственных масштабах. Работа подчеркивает, что будущие климатические модели должны включать более сложные, динамические представления о взаимодействии между течениями и вихрями, чтобы корректно описывать реакцию океана на быстро меняющийся климат. Дальнейшие шаги исследователей будут направлены на проверку этих фундаментальных принципов в более реалистичных глобальных моделях океана. Их работа предоставляет не только пищу для размышлений теоретикам, но и строгий полигон для тестирования новых идей по усовершенствованию климатических моделей, от точности которых зависит наше понимание будущего планеты. Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter. Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве. Закладка Скопировать ссылку Email Печать Twitter VK Telegram Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK Согласно учебникам истории, в бронзовом веке в казахской степи кочевали лишь немногочисленные племена со своими стадами. Но в начале 2000-х там обнаружили древнее поселение с остатками крупных домов, которое могло быть административным либо культурным центром. Это навело ученых на мысль, что жизнь в степи складывалась куда сложнее и была более организованной, чем предполагалось. Международная команда ученых представила новые результаты исследования этого поселения и выяснила, что на самом деле оно представляло собой крупнейший в этом регионе протогородской центр с масштабным производством оловянистой бронзы. В темных лабиринтах подземного муравейника разыгрывается коварный сценарий, достойный политического триллера. Вместо того чтобы силой захватить трон, королева одного вида муравьев применяет хитрую тактику. Она проникает в чужую крепость и с помощью поддельного химического сигнала подстрекает верную стражу к свержению собственной повелительницы. Результат — жестокая казнь законной королевы и добровольное подчинение всего муравейника новой владычице. Крошечная глиняная фигурка возрастом 12 тысяч лет, найденная в Израиле еще в 2019 году, долгое время озадачивала ученых. Дело в том, что на ней изображен сюжет, который никак не могли расшифровать. После тщательного анализа это удалось сделать международной команде исследователей. Они пришли к выводу, что на статуэтке, вероятно, изображен анимистический ритуал. Ю-Цон Тан (YuCong Tang) — концептуальный художник из Китая. Научно-фантастические мотивы — одно из основных направлений его творчества. Он исследует, как научные открытия и технологии будущего трансформируют среду обитания. Согласно учебникам истории, в бронзовом веке в казахской степи кочевали лишь немногочисленные племена со своими стадами. Но в начале 2000-х там обнаружили древнее поселение с остатками крупных домов, которое могло быть административным либо культурным центром. Это навело ученых на мысль, что жизнь в степи складывалась куда сложнее и была более организованной, чем предполагалось. Международная команда ученых представила новые результаты исследования этого поселения и выяснила, что на самом деле оно представляло собой крупнейший в этом регионе протогородской центр с масштабным производством оловянистой бронзы. Наблюдая за сверхновой 2024 ggi спустя всего 26 часов после вспышки, астрономы напрямую определили форму ударной волны в момент ее прорыва из звезды. Открытие позволит уточнить механизмы гибели массивных светил и может привести к пересмотру существующих моделей возникновения сверхновых. Проанализировав данные наблюдений, полученных с помощью наземных обсерваторий за последние два десятилетия, астрономы обнаружили потенциально обитаемый мир — суперземлю Gliese 251 c (GJ 251 с). Планета обращается вокруг красного карлика на расстоянии около 18 световых лет от Земли и считается одним из самых перспективных кандидатов для поисков жизни. По расчетам, большинство «гостей» из других звездных систем летят к Земле примерно со стороны созвездия Геркулес. Скорее всего, они время от времени падают на нашу планету, просто мы еще не научились это замечать. Как удалось вычислить, чаще всего они должны падать зимой и где-то в окрестностях экватора. В современном доме, насыщенном разнообразной техникой, удлинители стали незаменимым атрибутом, позволяющим обеспечить электропитанием все необходимые устройства. Однако мало кто задумывается, что привычное использование этого аксессуара может нести серьезную угрозу безопасности. По статистике, значительная часть бытовых пожаров происходит из-за неправильной эксплуатации электропроводки и вспомогательных устройств. Какие приборы категорически нельзя подключать через удлинители и почему это может привести к трагическим последствиям, рассказывает профессор кафедры наноэлектроники РТУ МИРЭА, доктор физико-математических наук Алексей Юрасов.