Физики предсказывают, что Земля превратится в хаотичный мир

«Если система Земля перейдёт в область хаотического поведения, мы потеряем всякую надежду на то, что сможем как-то решить эту проблему».

Изменение климата приводит к тому, что ураганы становятся более разрушительными. В 2018 году ураган «Майкл» (показан на этом изображении с цифровой обработкой) стал первым ураганом 5-й категории, обрушившимся на Флориду. (Изображение предоставлено: Роберто Мачадо Ноа/Getty Images)

Новое исследование показывает, что люди не просто делают Землю теплее, они вносят хаос в климат.

Новое исследование, опубликованное 21 апреля в базе данных препринтов arXiv, даёт широкое и общее представление о потенциальном влиянии человеческой деятельности на климат. И картина не из приятных.

Хотя в исследовании не представлена полная симуляция климатической модели, оно даёт общее представление о том, куда мы движемся, если не остановим изменение климата и не прекратим бесконтрольное использование ископаемого топлива, по мнению авторов исследования, учёных с факультета физики и астрономии Университета Порту в Португалии.

«Последствия изменения климата хорошо известны (засухи, аномальная жара, экстремальные явления и т. д.)», — сообщил Live Science по электронной почте исследователь Орфеу Бертолами. «Если система Земли перейдёт в состояние хаоса, мы потеряем всякую надежду на то, что сможем как-то решить эту проблему».

Климатические сдвиги

Земля периодически переживает масштабные изменения климата, переходя от одного стабильного состояния к другому. Эти изменения обычно вызваны внешними факторами, такими как изменение орбиты Земли или резкий всплеск вулканической активности. Однако исследования показывают, что сейчас мы вступаем в новую фазу, вызванную деятельностью человека. По мере того как люди выбрасывают в атмосферу всё больше углерода, мы создаём новую эру антропоцена — период, когда климатические системы находятся под влиянием человека, чего наша планета никогда раньше не испытывала.

В новом исследовании исследователи смоделировали начало антропоцена как фазовый переход. Большинство людей знакомы с фазовыми переходами в материалах, например, когда кубик льда меняет твердую фазу на жидкую, превращаясь в воду, или когда вода испаряется, превращаясь в газ. Но фазовые переходы происходят и в других системах. В данном случае система - это климат Земли. Данный климат обеспечивает регулярные и предсказуемые сезоны и погоду, а фазовый переход в климате приводит к новой схеме смены времен года и погоды. Когда климат проходит фазовый переход, это означает, что Земля переживает внезапное и быстрое изменение структуры.

Проблемы с логистикой

Если деятельность человека приводит к фазовому переходу в климате Земли, это означает, что мы способствуем формированию на планете нового набора погодных условий. Как будут выглядеть эти условия — одна из самых насущных проблем климатологии.

Куда движется климат Земли? Это во многом зависит от того, какой будет наша деятельность в ближайшие несколько десятилетий. Например, резкое сокращение выбросов углекислого газа приведёт к другим результатам, чем полное отсутствие изменений, пишут исследователи в своей работе.

Чтобы учесть различные траектории развития и варианты выбора, которые может сделать человечество, исследователи использовали математический инструмент под названием логистическая карта. Логистическая карта отлично подходит для описания ситуаций, в которых какая-либо переменная — например, количество углерода в атмосфере — может расти, но естественным образом достигает предела. Например, учёные часто используют логистическую карту для описания популяций животных: животные могут продолжать размножаться, увеличивая свою численность, но они достигают предела, когда съедают всю пищу в своей среде обитания (или когда их хищники становятся слишком голодными и поедают их).

Наше влияние на окружающую среду определённо растёт, и это происходит уже более ста лет. Но, по мнению исследователей, оно естественным образом достигнет предела. Например, численность населения может увеличиться лишь до определённого уровня, а количество видов деятельности, связанных с выбросами углерода, — до определённого предела. Загрязнение окружающей среды в конечном счёте приведёт к её деградации. В какой-то момент в будущем выбросы углерода достигнут максимального предела, и исследователи обнаружили, что логистическая карта может очень точно отобразить будущую траекторию выбросов углерода.

Все вокруг - хаос

Исследователи изучили различные варианты развития логистической карты человечества в зависимости от множества факторов, таких как численность населения, внедрение стратегий по сокращению выбросов углерода и разработка более совершенных и эффективных технологий. Определив, как со временем будет меняться выбросы углерода человеком, они использовали эти данные для изучения того, как будет меняться климат Земли в результате антропогенного фазового перехода.

В лучшем случае, когда человечество достигнет предела выбросов углерода, климат Земли стабилизируется на новом, более высоком уровне средней температуры. Эта более высокая температура в целом неблагоприятна для людей, поскольку она по-прежнему приводит к повышению уровня моря и более экстремальным погодным явлениям. Но, по крайней мере, она стабильна: антропоцен похож на предыдущие климатические эпохи, только он теплее, и погодные условия в нём будут регулярными и повторяющимися.

Но в худшем случае, как выяснили исследователи, климат Земли приводит к хаосу. Настоящему математическому хаосу. В хаотической системе нет равновесия и повторяющихся закономерностей. В хаотическом климате времена года будут сильно меняться от десятилетия к десятилетию (или даже от года к году). В некоторые годы будут случаться внезапные экстремальные погодные явления, а в другие будет совершенно спокойно. Даже средняя температура на Земле может сильно колебаться, переходя от более низких значений к более высоким за относительно короткие промежутки времени. Стало бы совершенно невозможно определить, в каком направлении движется климат Земли.

«Хаотическое поведение означает, что невозможно будет предсказать поведение земной системы в будущем, даже если мы с большой точностью знаем её текущее состояние, — сказал Бертолами. — Это будет означать, что мы утратим любую возможность контролировать земную систему и направлять её к равновесному состоянию, благоприятному для обитаемости биосферы».

Самое тревожное, что, как выяснили исследователи, при превышении определённой критической температуры в атмосфере Земли может запуститься цикл обратной связи, в результате которого хаос станет неизбежным. Есть некоторые признаки того, что мы, возможно, уже прошли эту переломную точку, но ещё не поздно предотвратить климатическую катастрофу.

Первоначально опубликовано на сайте Live Science.