Карлос Мадрид - Мир математики. т.32. Бабочка и ураган. Теория хаоса и глобальное потепление

Математик Кристофер Эссекс и экономист Росс Маккитрик приводят такой пример. Допустим, что преподаватель физики объясняет ученикам, как определить среднюю температуру в классе. Зимой ученики измерили температуру в четырех местах (у двери, у окна, на учительском столе и на задней парте). Результаты оказались следующими: 17 °С, 19,9 °С, 20,3 °С и 22,6 °С соответственно. Когда наступила весна, учитель открыл окно, чтобы проветрить класс. Все четыре результата измерений оказались равны 20 °С. Тогда преподаватель спросил учеников: в классе холоднее или теплее, чем зимой? Половина учеников вычислила среднюю зимнюю температуру как среднее арифметическое, то есть сложив четыре значения и разделив полученную сумму на четыре. Другая половина решила определить среднюю температуру как среднее квадратическое, то есть сложив квадраты температур, разделив сумму на четыре и вычислив квадратный корень из полученного значения.

К какому выводу пришла каждая группа учеников?

Те, кто использовал первый, линейный метод, определили, что зимой средняя температура в классе равнялась 19,95 °С. Иными словами, весной в классе потеплело на 0,05 °С, до 20 °С. Те, кто использовал второй, квадратичный метод, определили, что зимой средняя температура в классе составила 20,05 °С. Следовательно, весной в классе похолодало на 0,05 °С. Кто же прав? Правы и те и другие, так как оба метода были верными и отличались только тем, с какой точки зрения в них рассматривалось термодинамическое равновесие.

Если мы будем рассматривать не класс, а всю планету, возникает еще одна проблема, связанная с объемом и качеством исходных данных: мы располагаем обширной сетью метеостанций, распределенных в пространстве и времени (метеозонды стали повсеместно использоваться с начала 1950-х, спутники — только с начала 1980-х). Во всем мире насчитывается лишь 1000 станций, на которых велись наблюдения на протяжении всего XX века. Все они расположены на суше и в Северном полушарии (в городах Европы и Америки), поэтому изменения температуры в Южном полушарии и в океанах оказались обделены вниманием. Учитывая, что изменение средней мировой температуры в прошлом веке определялось по результатам наблюдений на недостаточном числе неравномерно распределенных метеостанций, любые экстраполяции неизбежно повлекут ошибки.

Сеть метеостанций, на которых велись наблюдения с 1880 по 2009 год. Обратите внимание, что на большей части поверхности планеты метеостанции отсутствуют.

* * *

МЕТЕОСТАНЦИЯ НА ВЫСОТЕ 1888 МЕТРОВ

Если мы обратим внимание на Пиренейский полуостров, то увидим, что для определения средней температуры на нем Межправительственная группа экспертов по изменению климата ООН и Институт космических исследований имени Годдарда при NASA используют едва ли два десятка метеостанций, всего четыре из которых располагаются достаточно далеко от больших городов. Единственная из этих четырех метеостанций, которая находится в горах и содержит достаточно обширный реестр исторических данных, — это метеостанция в муниципалитете Навасеррада, провинция Мадрид. Если мы изучим температурную кривую так, как это делают климатологи, то есть применим линейную регрессию, то сразу же увидим: общая тенденция (линейная) температуры в Навасерраде на протяжении XX века оставалась неизменной. Но если мы применим полиномиальную регрессию, то есть попытаемся найти не прямую, а плавную кривую, описывающую исходные значения, то увидим, что в разные годы температура повышалась и понижалась.

Если мы используем метод, разработанный специалистами по теории хаоса Давидом Рюэлем и Флорисом Такенсом, который заключается в построении траектории вида (a, b), (b, с), (с, d)… для исходного числового ряда a, b, с, d… и поиске динамики (возможно, хаотической) и аттрактора (возможно, странного) для климата в Навасерраде, то получим следующую траекторию, форму которой можно считать признаком хаоса.

* * *

Более того, многие из этих метеостанций установлены в городах и подвержены так называемому эффекту теплового острова (асфальт, автомобили, уличные фонари существенно меняют температуру в городах по сравнению с окрестностями). На каждой метеостанции эти аномалии корректируются по-разному.