Прикладная теория катастроф Том 2 - Гилмор Р.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
В теории Миланковича подразумевается, что временные масштабы изменения климата те же, что и изменения орбиты, т. е. велики по сравнению с продолжительностью человеческой жизни. Очевидно, что переходы от ледниковых к межледниковым периодам происходят в течение времени порядка сотен лет. Наличие множественных временных масштабов, а также смена состояний (ледниковых и межледниковых) является ярким свидетельством в пользу возможности катастрофы в изменении климата.
2.2. Связь с теорией катастроф
Теория Миланковича не дает возможности вскрыть механизм влияния изменений орбиты на климатические сдвиги. Поэтому целесообразно эту проблему решать в два этапа, а изучаемую систему (рис. 16.7, а) представить в виде двух линейных систем, функционирующих последовательно (рис. 16.7,6). На первом этапе орбитальные данные переводятся в поток энергии, поступающей в верхние слои атмосферы, в зависимости от времени и географической широты (данные по инсоляции). Этот этап может быть осуществлен с большой точностью путем введения некоторых разумных астрофизических допущений (постоянной интенсивности солнечного излучения в течение последнего миллиона лет, отсутствия крупных перемещающихся облаков пыли, отсутствия межгалактических скоплений и др.).
Трудности появляются на втором этапе — при определении климата на выходе системы при заданной инсоляции на входе. Преимущество разделения проблемы на два этапа (рис. 16.7,6) состоит в том, что в этом случае оно сводится только к анализу земной динамики и термодинамики, который, правда, оказывается сложным. Для проведения такого анализа необходимы модели, описывающие перенос массы и энергии в Мировом океане
Климатология
81
и атмосфере. Это приведет к системе связанных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, коэффициенты которых могут даже не быть дифференцируемыми функциями переменных состояния. (Так, альбедо резко изменяется вблизи точки конденсации водяного пара.)
В связи с отсутствием общей теории бифуркаций для подобных сложных уравнений более плодотворным может оказаться упрощенный подход. Вначале выделяют наиболее важные компоненты механизма изменения климата Земли. Они могут включать основные океанические течения, пассаты, струйные потоки, а также температурные поля, распределение водяного пара и плотности углекислого газа в каждом из этих потоков. Затем для каждого потока может быть построена система динамических уравнений, описывающих перенос массы и энергии. Определяющие члены в этих уравнениях будут отражать периодическое (с периодом в 1 год) изменение инсоляции верхних слоев атмосферы. Множественность локально устойчивых решений может быть определена в зависимости от суммарной годовой инсоляции.
ООО Некоторые геологи и климатологи не теряют надежды, что анализ более поздних геологических данных (начиная с 10 000 г. до н. э.) позволит выявить по крайней мере некоторые из локально устойчивых океанических течений и атмосферных потоков на протяжении текущего (и предшествовавших) межледникового периода, а анализ геологических данных, относящихся к ледниковым периодам, даст возможность установить локально устойчивые частотные характеристики на протяжении этих периодов океанических течений и атмосферных потоков.
Для того чтобы представить эти рассуждения в более конкретной форме, можно ввести единственную переменную, характеризующую состояние климата на Земле. Такой переменной могли бы служить, например, среднегодовая температура в Нью-Йорке, число туманных дней в Лондоне или плотность тумана в Ирландии. Все три показателя, по-видимому, имеют низкие значения в ледниковые периоды и высокие значения в межледниковые периоды. В таком случае можно предположить, что вероятность определенного общего состояния климата на Земле будет пропорциональна ехр[—У(л;)] (рис. 16.8). Из вида этой функции следует возможность скачкообразного перехода от одной разновидности устойчивого теплого климата к другой (например, W2—*W3), приводящего лишь к «слабому» изменению климатических условий на земном шаре. Можно с уверенностью полагать, что такого типа переходы имели место в течение т§' кущего межледникового периода,
82
Глава 16
Температура ИНью-Йорке Лондонский туман Ирландский туман
Рис. 16.8.
Если окажется, что состояние климата Земли можно описать некоторой потенциальной функцией, то такая функция может иметь два пологих локальных минимума. Один из них (при высокой температуре) соответствует межледниковым периодам, другой (при низкой температуре) — ледниковым периодам. Каждый из пологих минимумов может обладать дополнительной тонкой структурой в виде многочисленных локальных минимумов (С1*-^С5 и Wi—Wb).
Температура
$ Нью-Йорке Лондонский туман Ирландский туман
Рис. 16.9.
При медленном изменении параметров орбиты Земли относительная высота обоих по* логих минимумов также может медленно- меняться. Если высокотемпературный минимум, который соответствует текущему межледниковому периоду, окажется метастабильным по отношению к низкотемпературному минимуму, соответствующему ледниковому периоду, быстрые по сравнению с геологическим временным масштабом переходы могут служить предвестником начала оледенения. Переходы имеют менее пагубные послед*
