Конструктальна модель клімату: нова теорія про зміну температури

Дослідник Вілліс Ешенбах опублікував рецензовану наукову статтю, в якій представив власну реалізацію конструктальної кліматичної моделі. Ця модель базується на конструктальному законі термодинаміки, який є найновішим фундаментальним законом у цій галузі фізики. Закон застосовується до потокових систем, що перебувають далеко від стану рівноваги, а саме такими є більшість природних процесів навколо нас.

Конструктальний закон відкрив Адріан Бежан у 1996 році. Його формулювання звучить так: щоб потокова система могла існувати в часі, вона повинна еволюціонувати таким чином, щоб забезпечувати легший доступ до своїх потоків. Стосовно кліматичної системи Землі це означає, що клімат постійно працює над максимізацією потоку енергії від тропіків до полюсів і далі в космос.

Автор зазначає, що саме цей аспект є відсутньою ланкою в сучасному поколінні кліматичних моделей. Вони розглядають клімат як пасивну лінійну систему, де зміна одного параметра на величину X автоматично призводить до зміни іншого параметра на величину Y. Але насправді це не так. Клімат є динамічною системою, яка реагує на зміни умов не випадково, а завжди слідуючи конструктальному закону, еволюціонуючи в напрямку збільшення пропускної здатності енергії від тропіків до полюсів.

Бежан і Рейс застосували конструктальний закон до клімату Землі та вивели відповідні рівняння. Їхня концептуальна модель ділить поверхню планети на гарячу екваторіальну зону та холодні полярні зони. Тепловий потік транспортується від гарячих до холодних зон через атмосферну та океанічну циркуляцію. Модель розраховує чотири різні змінні: середні температури гарячої та холодної зон, площу гарячої зони та потік енергії.

Температура в моделі розраховується за допомогою двох спостережуваних кліматичних змінних: альбедо, яке показує, скільки сонячної енергії відбивається назад у космос, та парникового фактора, який визначає, скільки висхідного поверхневого випромінювання поглинається атмосферою. Альбедо регулює швидкість надходження енергії від Сонця в систему, а парниковий фактор регулює швидкість виходу цієї енергії. Температура системи залежить від співвідношення цих двох параметрів.

Проте Бежан і Рейс не реалізували цю модель на комп'ютері та не перевірили її на реальному кліматі Землі. Саме це і зробив Ешенбах, і результати перевершили його очікування. На реальній Землі, як і в моделі, чітко виділяється гаряча зона та дві холодні зони, а межа між ними приблизно лінійна та симетрична відносно північної та південної півкуль.

Незважаючи на те, що модель не враховує пустелі, гори, океани та інші географічні особливості, вона дуже точно відтворює фактичні середні температури гарячої та холодної зон. Дані супутникових спостережень CERES та результати моделі майже повністю збігаються, за винятком незначних відхилень близько 2010 року. Обчислені та фактичні температури настільки близькі, що на графіках майже повністю перекривають одна одну.

Модель також точно відтворює річні зміни в аномаліях потоку енергії від екватора до полюсів. Це є чітким доказом того, що модель справді відображає принципи роботи клімату. Система дійсно слідує конструктальному закону, максимізуючи потік енергії від тропіків до полюсів, як і передбачає теорія. Крім того, модель з високою точністю розраховує площу гарячої зони та межі між гарячою та холодною зонами.

Дослідник використав модель для визначення кліматичної чутливості у разі збільшення парникового фактора, наприклад, від подвоєння концентрації вуглекислого газу. Результат показав підвищення температури на 1,1 градуса Цельсія при подвоєнні вмісту вуглекислого газу. Це значення знаходиться в нижній частині діапазону попередніх оцінок такої чутливості, хоча і не є найнижчим. Однак автор зауважує, що ця оцінка не включає жодних змін альбедо або впливу потепління на поширеність чи час появи грозових хмар та купчастих полів, тому, ймовірно, є верхньою межею кліматичної чутливості.

Ешенбах звертає увагу на те, що незважаючи на сотні тисяч годин комп'ютерного часу та людських досліджень, невизначеність та розкид оцінок константи, що називається кліматичною чутливістю, з часом лише збільшувалися. Він розглядає це як доказ того, що базова теорія є некоректною. Ця теорія стверджує, що зміни температури є простою лінійною функцією низхідного випромінювання, помноженого на константу кліматичної чутливості. Конструктальний закон говорить, що це не так, і модель це демонструє.

Дослідження показує, що кліматична система Землі справді керується конструктальним законом, максимізуючи тропічно-полярний потік енергії. Будь-яка модель, що не включає цю активну еволюцію системи, є некоректним представленням реальності. Дві змінні, альбедо та парниковий фактор, достатні для пояснення змін температури поверхні, а також варіацій екваторіально-полярного потоку енергії та площі гарячої зони. Модель чітко показує, що парниковий ефект є реальним та важливим, але це лише половина історії.

Автор робить висновок, що кліматична чутливість, ймовірно, є досить малою. Щодо довгострокових прогнозів майбутніх кліматичних станів, дослідник зазначає, що варіації альбедо переважно визначаються хмарами, які, за загальним визнанням, є найменш зрозумілою та найважчою для моделювання, вимірювання чи прогнозування частиною клімату. Тому стан наших поточних знань про хмари робить будь-які довгострокові прогнози майбутніх кліматичних станів надзвичайно сумнівними.