Хабрахабр

[Перевод] Как наша интуиция обманывает нас в вопросах глобального потепления

Геолог объясняет, что изменение климата не ограничивается простым ростом среднего уровня моря по всей планете

Как специалист по геофизике из Гарварда, он изучает внутреннюю структуру Земли и идущие в ней процессы, влияющие на такие области, как климатология, миграция человечества и даже поиск жизни на других планетах. Джерри Митровица [Jerry Mitrovica] уже несколько десятилетий занимается опровержением общепринятых мнений. Перенаправив внимание с горизонтали современной геофизики на вертикаль, он помог обнаружить то, что сам называет постмодернистской геофизикой. На заре карьеры он с коллегами продемонстрировал, что тектонические плиты Земли двигаются не только из стороны в сторону, что приводит к дрейфу континентов, но и вверх и вниз. Недавно Митровица возродил и вдохнул новую жизнь в старые идеи о факторах, серьёзно меняющих уровень моря, последствия которых очень важны для изучения изменения климата по состоянию ледников и ледяных щитов.

Хотя у него есть большой опыт публичных выступлений и множество наград, в обычной обстановке он говорит мягко и отвергает комплименты. Мы встретились с Митровицей в его просторном офисе недалеко от знаменитой гарвардской коллекции минералов. Он часто говорит о том, как его коллеги, аспиранты и учителя вдохновили его на работу и внесли в неё свои вклады.

Это может показаться контринтуитивным, но таяние ледников может привести к падению уровня моря в одном месте и к росту в другом, более отдалённом.

Это неожиданно. В некоторых ваших недавних работах исследуется притяжение океанской воды и ледниковых щитов.

Ледяной щит, как Солнце и Луна, оказывает гравитационное притяжение на окружающую его воду. Это просто закон притяжения Ньютона в применении к Земле. В этом нет никаких сомнений.

Что происходит, когда тает большой ледник вроде ледяного щита Гренландии?

Первое – вся эта растаявшая вода оказывается в океане. Происходят три вещи. Второе – гравитационное притяжение, оказываемое ледяным щитом на окружающие воды, уменьшается. Поэтому общая масса океана определённо будет расти, если ледяные щиты будут таять – как это происходит сегодня. Третье – с таянием льда земля под ним повышается; происходит отдача. В результате вода отходит от ледяного щита.

Каково же совместное влияние таяния ледяного щита, потока воды и уменьшения гравитации?

Когда ледяной щит тает, вблизи его уровень моря падает. Влияние гравитации велико. Вопрос в том, как далеко надо отойти от ледяного щита, чтобы эффекты уменьшения гравитации и повышения коры стали настолько малыми, чтобы уровень моря начал расти? Это не интуитивно. Это порядка 2000 км от ледяного щита. Это тоже не интуитивно. На берегу Гренландии падение могло составить бы 30-50 м. Поэтому, если бы лёд Гренландии завтра исчез, то уровень моря в Исландии, Ньюфаундленде, Швеции, Норвегии – а все они находятся внутри радиуса 2000 км от Гренландии – упал бы. Если ледяной щит Гренландии растает, уровень моря в южном полушарии увеличится на 30% больше, чем в среднем. Но чем дальше от Гренландии, тем сильнее расплата. Это немало.

Что произойдёт после таяния льда в Антарктике?

Но он вырастет больше, чем можно было ожидать, в северном полушарии. Если растает ледяной щит Антарктики, то близко к ней уровень моря понизится. Гренландия даёт одну геометрию изменения уровня моря, а Антарктика – другую. Эта схема известна под названием следов уровня моря, поскольку у каждого ледяного щита своя геометрия. Это объясняет переменчивость уровня моря. У горных ледников свои следы. Если кто-то отрицает изменение климата из-за географических вариаций изменения уровня моря – то есть, он не растёт везде одинаково – вы можете сказать: «Это не так, поскольку тающие ледяные щиты дают географически переменное изменение уровня моря». А ещё это важная возможность. Можно определить источник таяния. Эту изменчивость можно использовать, чтобы подсчитать, сколько процентов идёт от Гренландии, сколько от Антарктики, сколько от горных ледников. И это важный аргумент с точки зрения общественного риска.

Почему источник таяния так важен?

Несколько лет назад я был в Голландии, и пытался убедить местных, что им нужно меньше беспокоиться о таянии ледяного щита в Гренландии, чем в Антарктиде. Если вы живёте на восточном побережье США или в Голландии, вам не нужно беспокоиться о том, куда идёт общемировой уровень моря. Когда я выступаю с лекциями, люди просто качают головой. Но это не воспринимается. Наша интуиция основана на прогулках по берегу или использовании водопроводных кранов. Они не верят, когда я показываю эти круги вокруг тающего ледяного щита Гренландии, обозначающие ту область, в которой уровень моря понизится. Она не построена на размышлениях о том, что произойдёт при таянии одного из главных ледяных щитов.

Уменьшение гравитационного притяжения понижает уровень моря рядом со щитом.
Тающий ледяной щит влияет на уровень моря двояко. Так что, если бы ледяной щит Гренландии упал бы в море, растаявшая вода сильно подняла бы уровень моря. В то же время, вода, стекающая в океан, поднимает его. Но близлежащие страны зафиксировали бы падение уровня.

Почему вы уверены в том, что ледники планеты, включая полярные шапки, будут продолжать таять?

Другой – заглянуть в прошлое и спросить, что делали ледяные щиты в прошлый раз, когда температура была такой же или чуть повыше. Один из способов понять, куда движется наш разогревающийся мир – прогнать климатическую модель. Если бы люди не разогревали климат, Земля должна была бы готовиться ко входу в очередной ледниковый период в будущем. Сейчас мы находимся в тёплом промежуточном периоде между ледниковыми циклами. Конечно, 120 000 лет назад люди не оказывали никакого влияния на климат. Последний межледниковый период перед этим был около 120 000 лет назад. Это была естественная переменчивость климата.

Как повели себя ледяные щиты в последний раз, когда климат был таким тёплым?

Так почему же мы будем ожидать чего-то другого в следующие несколько сотен или тысяч лет? В последний раз, когда было так же тепло, как сейчас, ледяные щиты, которые мы считаем стабильными, исчезли, хотя и не быстро. Нет причин для этого, если только мы не сделаем что-либо, чтобы обратить процесс вспять.

Но где доказательства, что мы наблюдаем этот процесс сегодня? Ладно, допустим, мы ожидаем, что потепление растопит ледяные щиты и поднимет уровень моря.

За последние 20 лет мы видим среднее изменение в 3 мм в год – это увеличение в 2,5 раза относительно XX века. Среднее изменение уровня моря в XX веке составляло 1,2 мм в год. Уже стало хуже. Весьма неплохой аргумент для скептиков, утверждающих, что ничего не меняется или ничего не становится хуже. Записи затмений, или римские аквариумы. А если заглянуть на тысячи лет в прошлое, вы найдёте множество удобных инструментов.

Что римские аквариумы могут рассказать нам об уровне моря?

Рыбаки приходили с уловом, и размещали его там, чтобы рыба была свежей, когда её собирались съесть – римляне хотели сохранить рыбу живой несколько дней или недель. Во времена Октавиана Августа богатые римляне строили резервуары для рыбы. Нужно, чтобы стенки были не очень низкими, потому что во время прилива рыба сможет уплыть, и не очень высокими, чтобы волны обновляли воду в аквариумах. Римляне были инженерами, поэтому они строили эти резервуары в очень точном соответствии с уровнем моря.

Если бы уровень моря в последние 2500 лет повышался бы со скоростью, с которой он повышался в XX веке, эти аквариумы оказались бы в 4 метрах под водой – и могу вас уверить, что это не так. Курт Ламбек, профессор из Австралийского национального университета, понял, что изучая сегодняшний уровень моря по сравнению с высотой стен этих аквариумов, можно сказать, как уровень моря изменился за последние 2500 лет. Можно погулять по берегу, и их оттуда видно. Их можно видеть. Уровень моря за последние 2500 лет не поднялся так сильно, как за XX век. Это говорит о том, что уровень моря не мог подниматься с такой скоростью, которую мы видели в XX веке, долгое время.

А что Вавилонские записи о затмениях 2500 летней давности могут сказать нам об изменениях климата?

Потом можно сделать подсчёты и сказать, когда это затмение должно было бы произойти, если бы сегодняшняя скорость вращения Земли не менялась бы с того момента. Можно изучить эти записи и сказать точно, в какой момент затмение было зарегистрировано в Вавилоне. Ричард Стивенсон. И это можно сделать для греческих, арабских, вавилонских, китайских записях о затмениях – как сделал британский профессор Ф. Допустим, 2500 лет назад вы синхронизировали двое часов. Он построил таблицу, как и другие учёные до него, с большим набором подобных затмений, и показал чётко видимое замедление скорости вращения Земли за последние несколько тысяч лет. За 2500 лет они рассинхронизировались бы на 4 часа. Одни отсчитывали время точно, а другие были соединены с Землёй, замедляющей вращение. Поэтому мы знаем, что скорость вращения Земли замедлялась за последние 2500 лет. Вот такое это замедление. Но мы бы предсказывали не замедление Земли.

А почему вообще вращение Земли должно замедляться?

Мы показали, что это происходит из-за трёх различных причин. Я недавно опубликовал в журнале Science Advances работу по поводу "загадки Мунка". Приливы бьются о побережье, рассеивая энергию, и по множеству причин замедляют вращение Земли. Одна – «приливное рассеяние». Ещё одна причина – довольно тонкое взаимодействие между железным ядром и скалистой мантией Земли, работающее на замедление скорости вращения, которое мы наблюдаем, находясь на поверхности планеты.

Связано ли это с вязким взаимодействием внутренней и внешней частей планеты? Это что-то вроде трения жидкости в коробке передач автомобиля?

Дело в том, что у нас одна жидкость движется вокруг другой жидкости, только с другой скоростью. Это не трение, но очень близко к тому. Но, да, вы верно говорите, что связь между ними есть. Если они рассинхронизированы, их скорости влияют друг на друга.

Есть бьющие о берег приливы, и то, что геофизики называют спариванием ядра и мантии. Вот это второй эффект. То есть, у нас получается приливное рассеяние, спаривание ядра и коры, и добавляем эффект ледникового периода, по которому я выступаю экспертом. Оба эффекта можно предсказать довольно точно, но остаётся ещё один фактор – он связан с ледниковым периодом, и мы его тоже моделируем. И, поглядите-ка: складываем все три этих эффекта вместе, и вычисляем ровно то четырёхчасовое замедление, которое мы получили в реальности.

Что такое эффект ледникового периода?

20 000 лет назад на полюсах было гораздо больше льда. Земля становится более близкой к сфере. Когда шапки растаяли, сплюснутая планета стала восстанавливать форму, становиться более близкой к сфере, поэтому наша скорость вращения должна увеличиваться – как у балерины, или у фигуриста. Когда на полюсах есть ледяные шапки, они сдавливают Землю с обоих полюсов, и она расплющивается. Коррекция со стороны ледникового периода обеспечивает увеличение скорости вращения.

Что происходит сегодня? Получается, три этих фактора – спаривание ядра и мантии, восстановление полюсов после льда и приливное рассеивание – объясняют изменения в скорости Земли до XX века.

Проделав это, мы получаем разницу, которую пока не можем объяснить. Нужно взять ту же самую модель ледникового периода и скорректировать с учётом вращения Земли в XX веке. Поэтому мы говорим – ну, возможно, это происходит из-за таяния полярных шапок или ледников.

Они говорят о том, что в XX веке ледяные щиты особенно не изменялись. Нужно взять последний отчёт межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), и посмотреть на расчёты по таянию горных ледников. Мы берём расчёты по таянию у МГЭИК, подсчитываем их влияние на вращение – они должны замедлять вращение Земли, как в примере с фигуристом – и сравниваем их с наблюдениями, подправленными с учётом ледникового периода. Они начали активно таять только в последние 20 лет, однако ледники в принципе исчезали в течение всего XX века.

Получается так, что вода стекает с ледников, и замедляет вращение Земли, как если бы фигурист расставлял руки в стороны?

Ледники в основном находятся рядом с осью. Да. Иначе говоря, берём ледники на высоких широтах, вроде Аляски и Патагонии, растапливаем, распределяем по планете. Они расположены близ Северного и Южного полюсов, а большая часть океанской воды – нет. В целом получается стекание воды к экватору, поскольку материал с полюсов перемещается в океаны.

То есть, таяние ледников и полярных шапок перемещает массу воды к экватору?

Конечно, океан везде есть, но если перемещать лёд с высоких широт в океан, вы добавляете массы на экваторе и забираете её с полярных областей, и это должно замедлять вращение. Да. Мы также подсчитали, как эти ледники будут влиять на ориентацию полюсов. Мы провели такие расчёты. В обоих случаях, наши расчёты в точности совпадают с астрономическими и спутниковыми наблюдениями с поправками на ледниковый период.

В недавней работе мы продемонстрировали, что у современных данных по вращению после коррекции на ледниковый период остаётся одно несоответствие, и оно именно такое, каким должно быть, если верить мнению учёных по поводу того, как таял лёд в XX веке.

С учётом такого количества этапов, вообще удивительно, что расчёты сошлись.

И очень хороший, поскольку если посмотреть на Гренландию, и сказать: «О, в южном секторе лёд тает, видно уменьшение его количества», то неизвестно, что происходит в северном. Это полностью иной способ демонстрации таяния ледяных щитов. Но вращению всё равно, юг там или север, оно зависит только от того, сколько массы перемещается из Гренландии в океаны. Не получается построить хорошую целостную картину всего ледяного щита Гренландии. Поэтому вращение даёт, как говорят учёные, элегантную интегральную меру баланса масс полярных ледяных шапок.

Что вдохновило вас на путь учёного?

Я – единственный учёный в семье. У меня в семье по поводу истории эпохи Возрождения всегда было больше разговоров, чем по поводу науки. На третьем курсе я прослушал курс по тектонике плит, и подумал: «Вот это да!» И моей первой работой – это была идея моего куратора – была статья о причинах затопления западной части Северной Америки в период от 50 до 80 млн лет назад. Я занялся инженерными науками, программой инженерной физики. Учишься в институте, и уже публикуешь работу, объясняющую, почему Северная Америка была под водой, точнее, её западная часть. Это было очень интересно.

И почему же?

Чаще люди считают, что это связано с изменениями скорости возникновения тектонических плит. Некоторые говорят, что всё из-за льда, из-за изменения его объёмов. Это результат вертикального движения континента, реакция на те силы, что управляют тектоникой плит, и перемещают континенты вверх и вниз. Но в моей работе, которую я писал с коллегами, мы показали, что такое затопление континентов обычно происходит не из-за изменения уровня моря.

Это случайно получилось? Многие результаты ваших работ кажутся абстрактными и контринтуитивными.

Но глаза могут обманывать. В нашей науке есть множество интересных проблем, которые можно увидеть своими глазами. Они могли делать какие-то вещи чисто интуитивно, и получать примерно верный ответ. Ричард Фейнман, великий физик, иногда начинал свои лекции по физике, демонстрируя, как много всего можно сделать на одной интуиции. И говорил: «Вот, зачем нужна физика. А затем он давал им несколько контринтуитивных примеров. Я – последователь Фейнмана. Нужно понимать, когда ваша интуиция может не сработать». Исходя из повседневного опыта пользования ванны, вы не поймёте, что уровень воды рядом с ледниками понижается. Некоторые вещи можно объяснить, но учёный всегда будет сталкиваться с вещами, не соответствующими интуиции. Нужно привлекать физику, а иначе это никогда не объяснить. Нужно привлекать нечто большее; в этом случае – второй затон тяготения Ньютона.

Как к вам приходят неожиданные догадки?

Учёному нужно иметь какую-то возможность обдумать имеющиеся факты. Думаю, некоторые учёные со мной не согласятся, но я считаю, что нужно просто давать себе время подумать. У меня бывало такое, что в моих моделях я видел нечто, чего не встречал ранее, и думал: «Ну, хороший учёный этого никогда просто так не оставит». Я очень рекомендую своим студентам обзаводиться какими-то другими интересами, поскольку лучший способ освободить время на раздумья – это сделать перерыв в науке. Хороший учёный в такие моменты вгрызается в это и задаёт вопросы вроде: «Почему я это вижу?» Видеть что-то неожиданное – это одна из наград занятий наукой.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть