Это база: Зачем нужна математика в повседневной жизни - Йэн Стюарт
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Так и с климатом. Климат – не то же самое, что погода, которая меняется час от часа и день ото дня. Климат – это 30-летнее скользящее среднее. А также глобальные климатические средние для целой планеты. Изменение климата невозможно без серьезных долгосрочных изменений планетарного масштаба. У нас есть надежные записи температуры в мире примерно за 170 лет, и 17 из 18 самых теплых лет приходятся на период после 2000 года. Это уже не случайность.
Статистический характер климата позволяет отрицателям глобального потепления без труда мутить воду. Не имея возможности перемотать время и заглянуть в будущее планеты, климатологи вынуждены полагаться на математические модели. Им приходится оценивать скорость климатических изменений, разбираться, к каким результатам изменения могут привести, и выяснять, что может предпринять человечество, если договорится действовать сообща. Первые модели были довольно рудиментарными, что открывало двери для возражений со стороны любого, кому не нравились предсказания, хотя теперь, задним числом, выясняется, что даже те модели давали довольно точный результат и по скорости повышения температуры, и по многим другим параметрам. С годами модели дорабатывались и улучшались, и предсказанные температуры достаточно хорошо совпадают с реальностью уже на протяжении полувека. Сколько льда растает вследствие этого – менее понятно, и, судя по всему, этот параметр был недооценен. Этот процесс изучен не слишком хорошо, а ученые слишком опасаются прослыть паникерами.
До сих пор я говорил в основном о том, как математика, действуя за сценой, влияет на нашу повседневную жизнь. Я намеренно опустил целую кучу важных областей применения математики в науке, в первую очередь в теоретической науке. Но климатические изменения уже видны – спросите об этом австралийцев, которым в начале 2020 года пришлось бороться с беспрецедентными природными пожарами. Взгляните на периоды рекордной жары по всему земному шару, сильнейшие за столетие наводнения, которые теперь случаются каждые 5–10 лет. Взгляните, как ни странно, на редкие всплески аномального холода. Тот факт, что глобальное потепление может привести к значительному похолоданию в некоторых местах, противоречит интуитивным представлениям, но объяснить это несложно. Глобальное потепление – это повышение среднего количества тепла, поступающего в атмосферу, океаны и сушу. Никто не утверждает, что потепление будет идти везде одинаково.
По мере повышения полной тепловой энергии планеты отклонения от среднего – флуктуации – становятся больше и могут быть как холодными, так и теплыми. Смысл в том, что в целом тепло выигрывает. Внезапное похолодание в одном месте не говорит о том, что глобальное потепление – вымысел. Если в вашем городе на 10 градусов холоднее обычного, но в 11 городах где-то еще на один градус теплее, то средняя глобальная температура выросла. Если в вашем городе на 10 градусов холоднее обычного сегодня, но на один градус теплее в течение 11 случайных дней позже, то средняя глобальная температура выросла, при прочих равных условиях. Мало того, выросла и средняя температура в вашем городе.
Проблема в том, что мы замечаем внезапный всплеск холода, но компенсационные эффекты могут оказаться слишком слабыми, чтобы они отложились у нас в голове, слишком распыленными или происходящими где-то еще. Необычные всплески холода в Европе и Северной Америке в последние годы происходили потому, что воздушные потоки забросили холодный воздух из Арктики дальше на юг, чем обычно. Поэтому холодный воздух, который в нормальных условиях циркулировал бы около полярной ледяной шапки, оказался над океанами, над Гренландией, Северной Канадой и Россией. Почему этот холодный воздух пришел на юг? Потому что воздух в полярных областях был много теплее обычного и вытеснил холодный воздух. В целом весь регион стал теплее – в среднем.
В моделировании климата достаточно математики на целую книгу, но я собираюсь говорить не об этом. Как Арло, я просто готовлю сцену для того, о чем я действительно хочу рассказать.
* * *
Лед по всему земному шару тает. В ряде необычных мест количество льда потихоньку увеличивается, но во всех остальных местах снижается, причем быстро. Ледники отступают, а ледяные шапки на обоих полюсах уменьшаются. Эти явления угрожают лишить питьевой воды пару миллиардов человек, а подъем уровня моря приведет к затоплению домов еще полумиллиарда, если мы не сумеем остановить эти процессы. В результате физика и математика таяния льда приобретают жизненно важное значение, причем буквально для каждого из нас.
Физики много чего знают о таянии льда. Наряду с кипением и парообразованием, это классический пример фазового перехода – изменения состояния вещества. Вода может существовать в разных состояниях. Она может быть твердой, жидкой или газообразной. То, в каком состоянии она находится, зависит в основном от температуры и давления. При атмосферном давлении достаточно холодная вода является твердым телом – льдом. При нагревании она проходит точку плавления и превращается в жидкость – собственно воду. Нагрейте ее еще, до точки кипения, и она превратится в газ – водяной пар. В настоящее время наука знает о существовании 18 фаз льда, последняя из которых, «квадратный лед», открыта в 2014 году. Три из 18 фаз существуют при нормальных давлениях, остальные требуют куда более высоких его значений.
Темные прудики с талой водой выделяются на фоне белого арктического льда. Почему они образуют такие затейливые узоры?
Бо́льшая часть того, что нам известно про лед, исходит из лабораторных экспериментов с относительно небольшими его количествами. Нам же в настоящее время настоятельно необходимо как можно больше знать о таянии чрезвычайно больших количеств льда в естественной среде. Существует два взаимосвязанных способа получения такой информации: наблюдение за происходящим и измерение параметров и построение теоретических моделей физических процессов. Ключ к реальному пониманию – соединение обоих методов.
Одним из признаков того, что полярные льды, особенно морские, тают, можно считать образование прудиков с талой водой. Поверхностный лед начинает таять, и небольшие темные лужи постепенно пятнают девственную белизну льда, хотя зачастую поверхность льда сейчас имеет не слишком девственный серый цвет от покрывающей его пыли. Лужи заполнены водой, в отличие от льда, имеют темный цвет и поглощают солнечные лучи, вместо того чтобы отражать их. Инфракрасное излучение, в частности, прогревает лужи быстрее, чем лед, так что они постепенно растут. Они увеличиваются, со временем сливаются друг с другом и образуют талые пруды
