Эксперименты на нейронной сети подтверждают теорию глобального потепления

Прогресс в теории нелинейного статистического анализа позволил определить воздействие на климат на основании одних лишь наблюдательных данных. Усиливающийся в последние годы антропогенный фактор четко наблюдается и при таком подходе.

Динамика глобальной температуры за последние 150 лет (изображение из отчета рабочей группы 1 Межправительственной группы экспертов по изменению климата)

Масштаб изменений глобального климата за последние десятилетия и роль человека в них являются сейчас одним из самых горячо обсуждаемых научных вопросов. Земной климат - чрезвычайно сложная нелинейная система с многочисленными петлями обратной связи, динамика которой далеко не очевидна. До сих пор нет окончательного понимания, какие изменения климата являются причиной, а какие - следствием, и обо всех ли связях в природе знают ученые. Тем не менее имеющиеся на сегодня климатические данные уже достаточны для того, чтобы утверждать: человек действительно влияет на климат в глобальном масштабе, и это влияние только усиливается в последние годы.

Наиболее сильным аргументом в пользу такого вывода сейчас считаются результаты компьютерных расчетов климата в рамках модели общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). Результаты моделирования довольно успешно описывают самые разные палеоклиматические ситуации, про которые у ученых есть данные, однако они не могут описать климат XX века, ограничиваясь только естественными процессами. Если же в них добавить антропогенную составляющую, то данные наблюдений воспроизводятся хорошо.

На это можно возразить: поскольку до сих пор нет полного детального понимания, как различные природные процессы влияют друг на друга, результат такого моделирования нельзя считать абсолютно достоверным. Конечно маловероятно, но вдруг существует какая-то хитрая и неучтенная в моделях связь между атмосферой, океаном, биосферой, космосом и еще чем-нибудь, которая полностью изменит результаты моделирования? Можно ли в этом случае доверять выводам о том, что антропогенная составляющая действительно существует?

Да, можно, и на днях ученые получили новое подтверждение этому. В журнале Physical Review Letters появилась статья Пабло Вердеса (Pablo Verdes) из Института физики окружающей среды (Institute of Environmental Physics) в Гейдельберге, в которой утверждается, что этот вывод можно сделать на основе одних лишь наблюдательных данных, без каких-либо априорных предположений о динамике климата.

Для доказательства этого автор воспользовался недавно разработанным им вместе с коллегами вариантом нелинейного анализа временных рядов. Для начала он взял график глобальной температуры за последние 150 лет и два переменных природных фактора, оказывающих основное влияние на температуру: солнечную активность и вулканические выбросы в атмосферу. Эти данные он подал на вход искусственной нейронной сети, которая на их основе построила "минимальную природную модель" - то есть сама нашла закон изменчивости климата, который как можно ближе описывает наблюдаемый график температур.

Следующим шагом автор "разрешил" нейронной сети добавлять в природную модель медленно меняющиеся во времени внешние воздействия. Зависимость воздействия от времени изначально была неизвестна, нейронная сеть сама подыскивала такую его форму, которая как можно лучше описывала график температур. После того, как был найден оптимум, нейронная сеть выдавала ответ: график дополнительной внешней силы.

Какой получится ответ, заранее сказать было сложно. Он мог получиться, например, почти нулевым - то есть нейронная сеть посчитала бы, что никаких внешних сил добавлять не надо. Это означало бы, что солнечная активность и вулканические выбросы через какую-то сложную нелинейную зависимость могли бы породить наблюдающиеся изменения температур. Или внешнее воздействие могло бы получиться большим в течение всего 150-летнего интервала. Это означало бы, что в природе действительно существует какая-то неучтенная ранее сила, которая, однако, никак не связана с индустриальной деятельностью человека.

Однако результат, полученный Вердесом, оказался иным. Внешняя сила, которая была почти нулевой сто лет назад, росла всё быстрее и быстрее в течение всего XX века, и особенно стремительно - последние сорок лет. В пределах погрешностей это совпадает с ожидаемым влиянием человека на климат, прежде всего через выброс парниковых газов и аэрозолей.

Таким образом, эта работа "убивает сразу двух зайцев". Во-первых, она подтверждает, что с помощью одних только быстро протекающих природных явлений, какими бы сложными они ни были, график температур описать невозможно - нужно обязательно ввести дополнительную "возмущающую" силу. А во-вторых, эта сила точь-в-точь совпадает с темпами индустриального развития, что позволяет идентифицировать ее с антропогенным воздействием.

Автор утверждает, что этот вывод не является артефактом модели, а с неизбежностью следует из данных наблюдения. Для проверки этого он использовал различные методики обработки данных, а также в широких пределах изменял свободные параметры своего алгоритма (точнее, архитектуру искусственных нейронных сетей). Во всех этих случаях неуклонно растущее антропогенное воздействие на климат неизменно присутствовало.

Новый подход к задаче не только независимым образом подтверждает ощутимое влияние человека на климат, но и, как надеется автор, может позволить ученым продвинуться в понимании динамики климата. Кроме того, это еще один любопытный пример, когда строгая математика находит непосредственное применение в нашей жизни.

Источник: Элементы

версія українською

| 06.08.2007 09:36