Земля в сопоставлении с Марсом и Венерой

Для уяснения погодных условий на Земле сравним ее с Венерой и Марсом.

Поскольку все три планеты поначалу имели одинаковую атмосферу, образовавшуюся в результате вулканического выделения большей части углекислого газа и паров воды, необходимо ответить на ряд вопросов.

Почему Земле удалось сохранить свою воду, тогда как Венера и Марс ее лишились? Мы уже знаем, из-за чего Венера с Марсом теряли воду: Венера была слишком горячей; Марс же оказался чересчур холодным. На Земле вода участвует в ряде круговоротов, из которых более всего бросается в глаза известный всем влагооборот, когда вода испаряется из океана, ветрами выносится на сушу, выпадает в виде снега или дождя (отчасти в океан), вновь стекает в океан, и все начинается сначала. Данный круговорот воды вызывается не только умеренной температурой, но и перемещениями (циркуляцией) в атмосфере, которым в свою очередь способствуют наклон земной оси и вращение самой планеты вокруг нее.

Что произошло с углекислым газом на Земле? Углекислый газ Земля не растеряла; он лишь оказался сокрытым под действием находящейся в жидком состоянии воды. Углекислый газ из воздуха растворяется в океанической толще. Там при взаимодействии с силикатами он образует известняки, которые оседают на морское дно. Вот куда девается углекислый газ. Но здесь он не задерживается, ведь перед нами лишь этап одного из круговоротов. Плиты земной коры перемещаются под влиянием течений в мантии, на которой они покоятся. Карбонаты увлекаются внутрь мантии, где нагреваются. Углекислый газ выходит в атмосферу в ходе вулканических извержений. Оказавшись там, он снова растворяется в океанической толще и... Кстати, как силикаты попадают в океан? Они выветриваются с поверхности под действием дождей. Этот процесс именуют карбонатно-силикатным круговоротом. Поскольку данный круговорот вещества требует воды в жидком состоянии, он может происходить лишь на Земле.

Откуда Земля получила свой кислород? Изобилие кислорода в земной атмосфере вызвано одним источником: жизнью. Однако подоплека значительно сложнее. С возникновением живых организмов не замедлила появиться форма жизни, черпавшая энергию от Солнца для сборки сложных углеводородов из присутствующих молекул воды и углекислого газа. Такого рода фотосинтез, похоже, начался на заре жизни, а его побочным продуктом стал кислород.

Кислород химически очень активен, так что примерно 2 млрд. лет после начала фотосинтеза получавшийся кислород просто взаимодействовал с поверхностными породами. Лишь после полного их окисления кислород стал накапливаться в атмосфере, что повлекло за собой два последствия. Во-первых, поднявшийся к верхним слоям атмосферы кислород разлагался под действием солнечных фотонов. Получавшиеся в итоге атомы кислорода привели к образованию новой и неустойчивой молекулы, именуемой озоном (О₃). Озон так и представлял бы собой химический курьез, если бы не его способность поглощать ультрафиолетовое излучение. После накопления в верхних слоях атмосферы достаточного количества озон начал служить укрытием Земли от смертельного для жизни ультрафиолета. Стало возможным утверждение на суше жизни и кислородного дыхания, а это сочетание привело к появлению новых форм жизни, например нас с вами.

Воздействие жизни на атмосферу началось давно и продолжается по сию пору. Сегодня приходится решать вопрос с выбросом нашей цивилизацией в атмосферу углекислого газа, что может привести к парниковому эффекту (см.: Список идей, 10. Парниковые газы).

Земная атмосфера — то сырье, из которого синоптики готовят свои отчаянные прогнозы. Она совершенно непохожа на атмосферу наших соседних планет, и присущие ей особенности делают прогнозирование трудным и кропотливым занятием. Предсказание погоды оказывается значительно запутанней, чем кажется на первый взгляд.

Погода и климат: гипотезы (весьма добротные), прогнозы (не столь добротные)

Получив для наблюдения столь замечательное собрание атмосферных газов на Земле, наука готовилась создать предполагаемую модель долгосрочного (климат) и краткосрочного (погода) поведения атмосферы. Благодаря усилиям Исаака Ньютона в 1660-е годы удалось описать движение тел в виде ряда общих и действенных уравнений. И в последующие два века, XVIII и XIX, наука распространила представления Ньютона на случаи больших, малых тел, жидкостей и газов.

Одним из достоинств ньютоновых законов стало то, что, зная заданные для определенного времени условия, можно вычислить последующее движение. С философской точки зрения это детерминизм. Мощь данного метода огромна. Возможен точный расчет положения планет, предсказание приливов и отливов на много лет вперед и построение траектории полета снарядов. К тому же подобные предсказания можно обратить вспять, что позволяет изучать не только будущее, но и прошлое.

Одно из следствий детерминизма состоит в том, что будущее поведение системы легко предугадать, определяя состояние системы в какой-то предшествующий момент. Это предыдущее состояние именуют начальными условиями. На рис. 5.3 подобный процесс представлен в упрощенном виде; с помощью графика можно описывать дальность полета снаряда в зависимости от угла возвышения. При изменении угла в пределах нескольких градусов дальность колеблется в весьма существенных границах. Для получения большей точности попадания разброс угла возвышения необходимо уменьшить.

По существу, результаты с требуемой точностью получаются заданием начальных условий с соответствующей точностью. Неявно в измерениях по проверке прогноза присутствует допущение, что увеличение точности измерений улучшит точность предсказанных результатов.

Рис. 5,3. Точность предсказания будущего состояния зависит от точности знания начальных условий

И хотя на протяжении долгого времени такое допущение считалось незыблемым, на исходе XIX века вера в него была поколеблена при весьма странном стечении обстоятельств.

В 1887 году шведский король Оскар II [(1829-1907), король Швеции в 1872—1907 годах и Норвегии в 1872—1905 годах] в ознаменование своего 60-летия пообещал денежную премию тому, кто математически докажет устойчивость орбит планет Солнечной системы. Победитель, Жюль-Анри Пуанкаре, не решил полностью поставленной задачи, но проделанной работы хватило для получения премии. В 1889 году он опубликовал статью «О задаче трех тел и об уравнениях динамики» (Acta Mathematica. 1890. № 13)[§§§§]. Пуанкаре столкнулся с необычным положением, когда «небольшие расхождения в начальных условиях ведут к огромным различиям у наблюдаемых в итоге явлений».

Будучи выдающимся математиком, он сумел показать, что при достижении системой определенной степени сложности получение точных результатов потребует предельно точных начальных условий. Некоторое время соображения Пуанкаре казались математическим курьезом. Но, как мы вскоре увидим, спустя 70 лет они дадут знать о себе.

Пока же вернемся к прогнозу погоды. Любопытное событие произошло во время Первой мировой войны. Льюис Фрай Ричардсон работал в различных научных учреждениях, включая Метеорологическую службу Британии. С началом войны он смог найти себе применение, не поступаясь своими пацифистскими убеждениями: водил санитарную машину во Франции. В часы досуга он строил математическую модель предсказания погоды, основанную на разделении земной поверхности на ячейки, получении данных о погоде в каждой из них и последующем прогнозе погоды посредством математического приема, известного как исчисление конечных разностей. Его модель так и не заработала, но он представил в 1922 году используемый им математический прием в ставшей знаменитой книге «Предсказание погоды с помощью численного процесса». Ричардсон отнес неудачу модели на счет недостаточного количества данных и трудностей ведения громоздких вычислений вручную[*****].

Вскоре обычные вычисления препоручили ЭВМ. К 1953 году обосновавшийся в Принстоне венгерский математик Джон фон Нейман успел испробовать первую цифровую вычислительную машину ЭНИАК (ENIAC — Electronic Numerical Integrator and Computer) Принстонского университета на многих задачах, включая уравнения Ричардсона. Хотя машинные расчеты и позволяли делать сравнительно неплохой прогноз погоды, работы оставалось еще непочатый край.

ЭВМ оказалась весьма полезным орудием. В 1960 году Эдуард Лоренц сумел «выбить» для себя новую ЭВМ [Royal МсВее]. Он изучал математику в Гарварде, а теперь преподавал метеорологию в Массачусетском технологическом институте. Для проверки машины Лоренц составил программу для 12 нелинейных уравнений, описывающих поток жидкости применительно к погоде. Эти уравнения включали воздействие давления, скорости ветра, температуры воздуха и влажности. По современным меркам ЭВМ Лоренца была весьма примитивной, но результаты выдавала вполне разумные.

Один прогон оказался столь любопытным, что Лоренц решил расширить его. Из-за медлительности тогдашних ЭВМ он начал прогон программы с середины, введя случайно взятое число 0,506 из распечатки. Затем Лоренц отправился пить кофе, а машина продолжала «перемалывать» содержимое. Вернувшись, он был поражен увиденным: часть нового прогона, перекрывающаяся со старым, содержала отличные от прежних результаты. Причем отличие было разительным. После кропотливой проверки Лоренц выяснил, что ЭВМ использовала числа с шестью знаками после запятой, но выдавала их округленными до трех знаков. Поэтому числу 0,506 на распечатке соответствовало машинное число 0,506127.

Но каким образом столь малая разница на входе могла привести к такому разительному расхождению на выходе? Эдуард Лоренц заново открыл явление, о котором говорил Пуанкаре. В своей статье 1963 года «Детерминированное непериодическое течение» [в кн.: Странные аттракторы. М., 1981] Лоренц указывает, насколько конечный результат чувствителен к начальным условиям.

На рис. 5.4 представлена кривая трехмерной функции, порождаемой нелинейными уравнениями данного рода. Хотя ее значения так и не сходятся к одной точке, они колеблются вокруг двух точек, словно притягивают к себе функцию, отсюда и название «странный притягиватель (аттрактор)».

Чтобы заострить внимание на том, как малые различия ведут к большим последствиям, а возможно, руководствуясь наглядным образом странного аттрактора, свое выступление [в декабре 1972 года перед Американским обществом содействия науке] Лоренц озаглавил так: «Вызовет ли взмах крыла бабочки в Бразилии смерч в Техасе?» Выражение «эффект бабочки» вскоре стало общепринятым. Системы уравнений с подобным поведением уже создавались и изучались независимо от возможности применять их к физическим системам.

Рис. 5.4. Странный аттрактор

ХАОС: КУХНЯ

В итоге возникла совершенно новая отрасль математики с, пожалуй, вводящим в заблуждение названием «теория хаоса», придуманным математиком Джеймсом Йорком из Мэрилендского университета (см.: Список идей, 12. Теория хаоса). К сожалению, слово хаос подразумевает совершенный беспорядок, что в корне неверно. Погода не носит случайного характера. Общая картина погоды хорошо всем известна: лето теплое, а зима холодная. Чего нам недостает, так это подробностей: насколько теплой или холодной будет погода, и ждать непогоду спустя неделю или же ровно через час.