Климат -это дисперсия

Климат – это дисперсия.

Чаликов Д.В.

Негативные проблемы глобальной экологии, конечно, существуют, но они созданы исключительно легкомысленной и преступной по отношению к Земле деятельностью цивилизации.

Инициирование идеи о глобальном потеплении, вызванном усиленной эмиссией углекислого газа, принято приписывать бывшему вице-президенту США Гору. Это несправедливо. Ещё в 70-х годах прошлого века советский метеоролог директор Главной Геофизической обсерватории М.И Будыко интенсивно эту идею пропагандировал. Он даже однажды делал на эту тему доклад на Президиуме Академии Наук. После доклада президент АН. академик Александров, отнесшийся, между прочим, к идее скептически, спросил, как это повлияет на климат Подмосковья (где у него, по-видимому, была дача). 'О, все в порядке', - ответил Михаил Иванович. В Подмосковье потеплеет, и, может быть,  будут даже выращивать бананы. 'А в Америке? – спросил президент.
 
Сочувствовать тогда Америке не полагалось, как и сейчас, но Михаил Иванович сочувственно заметил, что в Америке станет похуже: количество осадков уменьшится, и урожаи упадут. 'Помилуйте, Михаил Иванович, где же мы тогда зерно будем покупать?  - спросил президент. Ответа на этот бестактный и политически некорректный вопрос учёный не нашёл.   
   
На одном из докладов я спросил Будыко, как повлияет потепление на дисперсии аномалий климата, т. е. на изменчивость и пространственную неоднородность погод. Он посмотрел на молодого специалиста и не счёл нужным ответить. Именно об этом бестактном вопросе я пищу сейчас.

Когда-то я занимался математическим моделированием климата, правда, с довольно несовершенной моделью, но зато много читал и думал на эту тему. Думаю и сейчас, хотя занимаюсь другими вещами. Полагаю, что теперь могу выразить мои взгляды в более или менее связной форме, не претендующей на формальное научное изложение.
 
Главное затруднение, возникающее при изучении климата, состоит в том, что климатическая система - бесконечно сложная вещь, в том смысле, что она нелинейна и многокомпонентна. Разные компоненты ответственны за разные периоды и интенсивность колебаний климата и погоды.

Между понятиями климата и погоды есть существенная разница. Когда мы смотрим на струю воды из крана, климат этого процесса, грубо говоря – объём вытекающей воды. Погода этого процесса - многочисленные быстро меняющиеся флуктуации, струи, неровности на её поверхности. Как это ни странно, прогноз погоды - гораздо лучше сформулированная проблема, чем прогноз климата, и в определённом смысле - проще. Упрощая проблему, можно сказать, что прогноз погоды - детерминированная задача. Не учитываемые прогностической моделью случайности частично устраняются ансамблевым моделированием - многократным повторением прогноза с возмущёнными начальными данными и осреднением по ансамблю. Начальные условия и текущее состояние системы непрерывно корректируется огромным объёмом спутниковой, аэрологической и наземной информации. Как бы ни шутили на ту тему обыватели, мы определённо являемся свидетелями резкого улучшения краткосрочного прогноза погоды. Немалую роль в этом играет стремительное повышение мощности компьютеров, а также средств наблюдений и связи.
Главными препятствиями в увеличении срока успешного прогнозирования - неустойчивость, проявляющаяся в неопределённости развития процесса в некоторые моменты времени (бифуркации). Неустойчивость - классическая проблема математики, проявляющаяся даже в отдалённых от математики разделах науки - скажем, в истории. Если бы в 1917 году Временное правительство было более решительно в пресечении большевистской активности всего лишь путём устранения её руководителей, ход развития России и всего мира был бы намного более человечным.

Инерционный процесс моделируется сравнительно точно, но резкие смены режима трудно, если не вообще невозможно, предсказать. Поэтому существует естественный предел детерминированного прогноза погоды, который вряд ли когда-нибудь будет превзойдён. Этот предел находится в районе около 10-15 суток.

Согласно мнению одного из самых глубоких учёных в области геофизики - академика А.С. Монина - первичным определением климата за период в N лет является его определение как совокупности упорядоченной последовательности погод за весь период. На первый взгляд это определение неконструктивно и тавтологично, типа - население, это совокупность индивидуумов (впрочем, уже последнее не так глупо, но это - из другой области).

Весь ансамбль погод как-то великоват, однако в статистической механике ансамбль состояний объекта может с любой точностью характеризоваться набором интегральных характеристик, таких как средняя величина, дисперсия, моменты высокого порядка, включая многоточечные моменты и т.д. Среди них самым простым является нулевой момент, т.е. средняя по объёму величина. Наибольшую популярность среди последователей глобального потепления заслужил простейший нулевой момент, именно, средняя по глобусу температура в нижнем слое атмосферы. Не будем говорить, насколько эта величина хорошо вычисляется (тут тоже много нюансов), предположим пока, что хорошо. Гораздо важнее вопрос - насколько хорошо эта характеристика характеризует климат. Эта величина комично напоминает классический показатель - среднюю температуры пациентов больницы, включая температуру обитателей морга (в нашем случае - температуру в Антарктиде). Диапазон изменчивости температуры всех обитателей больных (что-то около 40C так велик, что нет смысла говорить о средней их температуре с точностью до 0.1C

В своё время меня поразила чувствительность атмосферы в соединении с океаном (в смысле распределения его поверхностной температуры) к небольшим вариациям начальных условий и параметров модели (учёт взаимодействия с поверхностью, особенно с океаном, атмосферная радиация, облачность и пр.). 'Успехи' в математическом воспроизведении климата достигнуты в результате интенсивной 'подгонки' под то, что известно. На самом деле, достоверное моделирование климата в настоящее время практически не существует. Многочисленные подсчёты аж на 100 лет вперёд неимоверно комичны. Если бы Земля была покрыта не океанами, а в основном болотом или неглубокими озёрами, прогноз погоды, и тем более климата, стали бы намного более детерминированными, поскольку климатическая система в этом случае не содержала бы инерционных компонент, и статистический режим был бы намного однороднее. Наличие инерционной компоненты вносит в спектр новые временные моды и колебания. Для того, чтобы их учитывать, необходимо включение в математическую модель блоков, описывающих физику инерционной компоненты. На Земле такой главной компонентой является океан – резервуар, характеризуемый громадной теплоёмкостью и инерцией. К сожалению, воспроизведение структуры и эволюции океана в настоящее время сильно затруднено. Причиной этого является плохо известная физика связей между поверхностными и глубинными слоями океана, осложняемая его сильно устойчивой стратификацией.  Океан в основном очень холодный: его глубины заполняют вода с температурой около 4-5 градусов. Не правда ли – удивительно? При этом, нижние слои океана даже греются геотермальным теплом. Верхние слои океана в среднем на 10-20C теплее, чем глубинные.  Теплоёмкость океана примерно в 4 тысячи раз больше теплоёмкости атмосферы. Нетрудно понять, что незначительные вариации температуры океана могут выразиться в сильных колебаниях температуры атмосферы. Поскольку аномалии температуры океана неоднородны в пространстве, они порождают сильные неоднородности в температуре и динамике атмосферы.

            Вряд ли человек может почувствовать, что среднегодовая температура воздуха у земли повысилась на 1-2 градуса. Потепление на 1 градус равносильно переезду к югу на 100 километров – незначительное событие. Однако, многие замечают, что погода стала гораздо более разнообразной, в частности, увеличилось число случаев опасных явлений.
Вылавливание изменений средней температуры напоминает мне недавний результат по климатологии ветровых волн. Вычислили, что высокие волны повысили свою высоту за счёт глобального потепления на один сантиметр! Любопытный результат, если учесть, что высокие волны имеют высоту порядка 10 метров. Таким образом, предполагается, что относительная точность такого результата составляет 0.1%, что, разумеется, является чушью, не заслуживающей обсуждения, ввиду чрезвычайно низкой точности сведений о волнении. Этот пример очень сильно напоминает данные о глобальном потеплении.

Углекислый газ всё время перемешивается, и его распределение очень однородно. Температура меняется по пространству и времени на десятки градусов, эти колебания сопровождаются огромными вариациями всех метеорологических характеристик, так что приходится предполагать, что в климатической системе скрыты механизмы, преобразующие равномерное воздействие в хаос. Можно надеяться, что адепты потепления уже придумали, каким образом равномерное по пространству и постоянное во времени слабое возбуждение может провоцировать генерацию локальных явлений и высокую неоднородность реакции атмосферы. Видимо, объяснение очень нетривиально, если оно вообще существует.

Более логично предположить, что существуют механизмы непосредственно вызывающие крупномасштабные колебания, а изменения глобально осреднённой температуры являются должны быть отнесены к остаточным (residual) эффектам суммирования, возникающим за счёт нелинейности процессов большой амплитуды. Здравый смысл говорит, что на самом деле климат - это не средняя температура, а в гораздо большей степени - набор состояний атмосферы и океана. Междугодичная и пространственная изменчивости в шкале Цельсия на 2 порядка превосходят микроскопические осреднённые тренды, которые сами по себе вообще не являются погодообразующими. Огромные колебания, вызванные аномалиями распределения притоков тепла (например, от океана) делают эффекты климатических колебаний средней температуры просто слабым фоном. Потепленщики говорят: ‘лето жаркое, зима тёплая' - это изменение климата за счёт углекислого газа, а если и лето и зима - холодные, то это тоже за счёт глобального потепления, но оно похитрей будет (их не смутить). Уже и тропические циклоны по мысли потепленщиков зависят от повышения глобальной температуры на 2 градуса и даже саранча это чувствует. И фригидность, и число сексуальных преступлений католических священников.

            У нас тут исследовали будущее Финского залива, разумеется, в свете глобального потепления. Сказали сначала, что именно потепление вызвало появление каких-то вредоносных водорослей. Потом с разочарованием нашли, что водоросли занесли на днищах суда из неведомых стран. Климат может потеплеть на 2 градуса или похолодать на 3, но человечество погубит не углекислый газ, а его глупость, Вздохи о климате мне напоминают когда-то случившуюся панику по поводу смертоносной озонной дыры, которая через некоторое время благополучно затянулась, а потом снова появилась. Потом поняли, что она просто флуктуирует. Климат иногда бурлит, иногда затихает, и это было всегда. Причины этого есть, но они неизвестны, и никто их по-настоящему не изучает. Если понимать климат как меру пространственной и временной изменчивости атмосферы, вполне можно предположить. что в этом смысле большие изменения климата, могут происходит и при полном постоянстве средней по глобусу приземной температуре. Поскольку измерения распределены крайне неравномерно, можно быть уверенным, что обработка данных, содержащих большие дисперсии вполне может показать какой-то тренд приземной температуры, не говоря уже про то, что сама нелинейность может порождать нулевую моду.

            Гораздо более естественно предположить, что климат, это в гораздо большей степени пространственная и временная дисперсия, статистический набор режимов, а не среднее состояние, которое плохо сформулировано и рассчитано и, скорей всего, не слишком важно. До сих пор метеорологи не могут объяснить гигантскую межгодовую изменчивость атмосферы. Иначе, они давно научились бы давать надёжный фоновый прогноз на срок более, чем неделя, а именно на месяц, сезон и год. Эти успехи, однако, незаметны, и именно их отсутствие заставляет относиться с большим подозрением к результатам гораздо более простым.

По мысли потепленщиков, глобальное потепление порождает множество локальных явлений. Например, возникают положительные аномалии температуры в Арктическом бассейне, что выражается в сокращении площади и мощности ледяного покрова. Связать это явление прямо с глобальным потеплением затруднительно. Намного более естественный вариант объяснения состоит в том, что увеличился транспорт тепла Гольфстримом. Почему? Это уже другой вопрос, на который ответить непросто, поскольку он требует понимания механики циркуляционных систем океана вплоть до способности их детального математического моделирования, что в настоящее время невозможно. Так что дальше построения умозрительных качественных схем эта наука не продвинулась.

Тем не менее, наиболее эффектными (и одновременно наиболее уязвимыми) доказательствами глобально потепления за счёт углекислого газа считаются численные эксперименты с глобальными моделями климата. Эти модели обычно включают модели атмосферы, океана и иногда материковых льдов. Модели атмосферы хорошо разработаны для прогноза погоды. Этого нельзя сказать о моделях океана. Верхняя часть океана (толщиной порядка 200-300 метров) тесно связана с атмосферой, но уже она в сотни раз более теплоёмка, чем атмосфера. Эти слои океана сильно стратифицированы, поэтому их динамика и вертикальная проводимость тепла очень сложны, что порождает бесчисленное множество подходов, ни один из которых можно нельзя? считать хорошо обоснованным. Тепловое и прочие взаимодействия с атмосферой подсчитываются по простеньким эмпирическим формулам, которые заведомо не могут давать точность выше, чем 20%.  Обмен теплом с глубинами океана ещё более сложен. Существуют мнения, что заполнение океана холодной водой происходит в узких зонах и определенных фазах сезона. Физика и интенсивность этого процесса решительно неизвестна.

Давайте возьмём хорошую модель атмосферы и вместо океана присоединим к ней, скажем… слегка заросший пруд океанских очертаний глубиной в несколько метров.  Пруд может нагреваться, охлаждаться, даже замерзать, но создавать аномалии теплосодержания и способность переносить тепло из одного места в другое у него, понятно, ограничены. С такой упрощенной климатической системой посчитаем эволюцию климата Земли, например, на протяжении ста или даже тысячи лет. Анализ результатов покажет, что никаких особенных сюрпризов в такой системе не возникнет: погода будет более или менее ровненькая, разумеется, с циклонами и антициклонами, но без особых эксцессов. Главное, что один год будет статистически похож на другой. Это происходит потому, что в самой атмосфере нет долгопериодных собственных колебаний.

Глубокий океан кардинально меняет ситуацию. Поскольку он инерционен, он содержит множество механизмов флуктуаций, которые выражаются в модификации поверхностной температуры, порождающие большие вариации теплообмена с атмосферой. Атмосфера энергично реагирует на эти вариации самыми разнообразными способами. Поэтому в реальной климатической системе возникает огромная пространственная и временная изменчивость с периодами до десятков лет.  В большинстве мест на Земле от однообразия погоды не заскучаешь. Так что, кроме сжигания угля и бензина на Земле происходят гораздо более грандиозные природные процессы. Представление современного человека о причинах изменения климата напоминают поведение Гулливера, который после жизни с лилипутами, гуляя по Лондону, кричал прохожим, чтобы они посторонились, а то он их может задавить.

Истинное моделирование климата должно строиться по сценарию сотворения мира. В качестве начального состояния принимается, что атмосфера и океан находятся в состоянии покоя и имеют равномерно распределённую температуру. Необходимо оговорить и другие детали, но мы их опустим для краткости. Включаем Солнце… и далее смотрим, что происходит. Возникает разность температуры между экватором и полюсом, развиваются погодные процессы, в разных местах нагревается и охлаждается верхний слой океана. Тем не менее, я готов поклясться, что структура глубокого океана будет воспроизведена неверно: скорей всего он окажется теплее, чем реальный. Причиной этого является то, что механизм формирования структуры глубинных слоёв океана очень тонок и сложен, и вдобавок требует для своего воспроизведения гораздо более мощные компьютеры, чем существующие в настоящее время. Если же правильная глобальная структура океана воспроизведена неверно, климат Земли будет также искажён. Из этого следует, что полагаться на математические модели для прогноза отдалённых последствий
было бы легкомысленно.

Злые языки утверждают, что потепление климата на протяжении многих тысяч лет происходило много раз одновременно с повышением концентрации углекислого газа (напоминает вопрос – что первично: курица или яйцо?). Без привлечения внеземных пришельцев объяснить эти явления с антропогенных позиций трудновато.

Последний рубеж, защищаемый энтузиастами антропогенного потепления, основан на скорости потепления. 'Никогда раньше так быстро климат не теплел', – утверждают они. Речь идёт о производной по времени от глобальной температуры.  Можно задать встречный вопрос: 'Вы располагаете достаточными данными для таких вычислений? Ведь период рекордно быстрого потепления, освещенный данными у вас только один – последний'. Климатическая история Земли известна с чрезвычайно низким разрешением и большими ошибками, так что сравнение производных по времени от глобальной температуры упирается в очевидный недостаток данных. Один директор в СССР утверждал: 'План холодильников в этом году перевыполнен на 2 тысячи процентов'. Формально он был точен, но не сказал, что в прошлом году заводом был выпущен один опытный экземпляр (да и тот сломался). В таких трудных условиях вычисления производных по времени не корректно.

            Угля, действительно, жечь много не надо. Воняет. И вообще ничего не надо жечь и тем более выбрасывать. А то сидят мои сограждане у телевизора, страдают 'за потепление', а ближайший лес завалили пластиковыми бутылками и пакетами.

Я бы сформулировал следующие выводы:
1. Данные о глобально-осреднённой приземной температуре показывают её рост на протяжении последних нескольких десятков лет.
2. Медленный рост приземной температуры сопровождается значительным увеличением пространственной и временной дисперсии температуры и других характеристик.
3. Дисперсия погодных характеристик является более показательной и практически более важной характеристикой климата, чем среднегодовая температура.
4. Механизм трансформации медленных и равномерных изменений глобальной температуры в усиленный рост дисперсии погодных характеристик неясен.
5. Режим погод тесно связан с распределением поверхностной температуры в океанах
6. Механизм формирования трёхмерной структуры океана, ответственной за распределение поверхностной температуры известен лишь качественно.
7. Полноценное математическое моделирование климата не достигнуто из-за сложности моделирования океана.
8. Режим погод больше зависит от аномалий распределения температуры в океане, чем от средней температуры.
9. Указания на уникальную быстроту роста приземной температуры неубедительны, потому что равномерно распределённые данные за длительные периоды, позволяющие проводить сравнения скорости изменений, отсутствуют.

Если судно утонуло в шторме или урожай погиб в засухе, причины этого - шторм и засуха, а не содержание в атмосфере углекислого газа.