Эффект бабочки

65 лет назад вышел рассказ классика американской фантастики Рая Брэдбери «И грянул гром». В нем описывалось путешествие в далекое прошлое, где один из героев случайно раздавил бабочку. Это привело к непредсказуемым последствиям, в корне изменив будущее. В начале 60-х годов прошлого века молодой ассистент факультета метеорологии Массачусетского технологического института Эдвард Лоренц получил ряд необычных диаграмм. Их форма напоминала крылья бабочки, и большой любитель фантастики Лоренц тут же назвал открытую им закономерность «эффект бабочки». Вскоре это стало универсальным понятием, объясняющим многие загадочные явления, когда незначительные события приводят к грандиозным последствиям вроде тайфунов, масштабных эпидемий или схода колоссальных ледников с купола Антарктиды.

Ошибки круглых величин

На самом деле эффект бабочки является далеко не простой идеей, следующей из очень сложной математической теории хаоса. Все началось с того, что Лоренц попытался создать набор компьютерных программ, которые могли бы предсказывать долговременные погодные изменения. Как-то раз он не стал округлять тысячные доли метеорологических величин, таких как сила ветра, влажность и атмосферное давление. Неожиданно это привело к феноменальному результату. Оказалось, что эти крошечные изменения данных полностью поменяли долгосрочный прогноз.

Целое десятилетие Лоренц дорабатывал свою теорию, но известной она стала благодаря решительности другого метеоролога. В 1972 году состоялась престижная международная конференция, но Лоренц не успел представить название доклада. Времени совсем не оставалось, и это смело сделал его коллега, дав работе совсем неакадемическое название «Прогнозирование: взмах крыльев бабочки в Бразилии вызовет торнадо в Техасе?». Именно с этого момента и начались бурные обсуждения про эффект бабочки Лоренца.

В той давней работе Лоренц попытался доказать, что далеко идущие последствия незначительных атмосферных аномалий составляют сразу две интереснейшие проблемы. Во-первых, не стоит критиковать метеопрогнозы и издеваться над синоптиками, ведь получается, что создать точную долгосрочную карту погоды практически нереально. Во-вторых, во многих процессах просто невозможно «поймать бабочку» и выявить тот переломный момент, который приводит к реальному конечному результату.

Вообще говоря, многие философы с большим опасением относятся к «бабочкам Лоренца». ведь если небольшие неточности в каких-то природных явлениях имеют такое огромное значение, то можно утверждать, что наш мир в чем-то совершенно непредсказуем…

Рождение и гибель торнадо

По диаграммам Лоренца неисчислимое количество природных взаимосвязей может не только вызвать торнадо взмахом крыльев бабочки, но и погасить ураган в самом зародыше. Таким образом, если человек вмешивается в окружающую природу, например, нарушая экологическое равновесие, то мы вряд пи когда-нибудь достоверно узнаем, что произошло бы в альтернативном сценарии «Земля без людей». И все это потому, что все последующие перемены очень трудно отследить и восстановить последовательность событий.

Еще при жизни Лоренц горестно заметил, что большинство окружающих его климатологов воспринимают его оригинальные построения с точностью до наоборот. Важнейшей мыслью в теории Лоренца является то, что мы как раз и не можем с легкостью отследить значимое событие и его связь с настоящим. Утверждая, что взмах крыльев бабочки может вызвать шторм, мы должны тут же перейти к следующему вопросу: как можно с уверенностью утверждать, что именно данная атмосферная аномалия вызвала рождение, а не гибель сокрушительного торнадо?

Получается, что исследования Лоренца дают возможность по-новому посмотреть на проблему причинно-следственных связей, но совсем не содержат простых ответов по предвидению будущего.

Загадки кухни погоды

Как метеоролог Лоренц пытался объяснить с помощью открытого им феномена многие загадки «кухни погоды». По его смелому предположению. причиной мощнейших штормов, рождающихся в Мексиканском заливе, может быть небольшая погодная аномалия в южной Атлантике.

Уже после смерти ученого в 2008 году ряд латиноамериканских синоптиков попытались связать эффект бабочки с удивительным тихоокеанским явлением Эль-Ниньо. Непонятным образом эта периодическая атмосферная аномалия как-то влияет на рождение сокрушительных торнадо, приносящих многомиллиардные убытки южным штатам США.

При этом многие американские конспирологи просто уверены, что на секретных полигонах Пентагона давно уже пытаются вывести «метеобабочек», способных вызвать бури в различных частях света. Во всяком случае это может быть реальным запалом для гипотетического «климатического оружия», о котором много говорят в последнее время.

Главный параметр здесь — ураганный ветер как одно из направлений исследований физики атмосферы. Эта наука уже много пет пытается предсказывать траектории движения воздушных вихрей, однако до сих пор не может спрогнозировать их силу, а значит, и масштаб возможных разрушений.

Уравнение урагана

Вот уже четверть века метеорологи упорно трудятся над созданием достоверных компьютерных моделей непогоды. Камнем преткновения тут служит так называемое уравнение урагана, которое никак не удается решить исходя из классических представлений о механизме его образования. Можно представить, что мощный ураган формируется где-то в юго-восточной части Карибского моря. Там потоки теплого и влажного воздуха встречаются с холодными ветрами, дующими с Анд. Происходит интенсивная конденсация водяных паров с формированием мощного облачного покрова. Однако если мы попытаемся задать все нужные параметры, у нас никак не получится определить курс и рост силы ветра. В частности, расчетная скорость ветра всегда будет намного ниже, чем в действительности.

Хорошо известно, что чем сильнее ветер, тем больше волны на поверхности воды. Волны здесь выступают как естественная «шероховатости» водной поверхности, о которую и «трутся» воздушные потоки. Между тем если рассматривать баланс между поступлением энергии и ее поглощением за счет трения, то получается, что чем сильнее ветер, тем масштабнее будет это поглощение. То есть волны должны гасить ветер, совсем как в названии культового произведения братьев Стругацких, однако в действительности этого не происходит.

Гипотеза российских геофизиков

В конце прошлого века группа сотрудников отдела нелинейных геофизических процессов Института прикладной физики РАН из Нижнего Новгорода высказала очень необычную гипотезу. Основываясь на принципах теории Лоренца, они предположили, что сопротивление поверхности океана парадоксально падает при усилении ветра.

Потом, в 2003 году, в журнале Гаге вышла статья американского исследователя Керри Эммануэля, описывающего подобное явление. В своих выводах он опирался на многолетние данные скорости ветра внутри тропических циклонов с помощью падающих GPS-зондов Центра наблюдений за ураганами Национального управления океанических и атмосферных исследований США. На основе обобщения результатов этих измерений выяснилось, что коэффициент сопротивления морской поверхности значительно ниже величины, получаемой в расчетах обычных ветров.

Российские ученые исследуют «эффект бабочки, порождающий ураганы» на уникальной установке «Комплекс крупномасштабных геофизических стендов», состоящей из бассейна с высокоскоростным ветроволновым каналом. Сегодня этот комплекс входит в перечень установок национальной значимости России.

Сачок для ловли «ураганных бабочек»

Эксперименты нижегородских геофизиков дали удивительные результаты. С помощью высокоскоростной видеокамеры, снимающей до полумиллиона кадров в секунду, удалось зафиксировать удивительные процессы рождения «ураганных бабочек». Так возникло понимание механизма возникновения ураганных ветров в зародыше бури. Стало ясно, что на определенном этапе воздушные потоки растущего тайфуна несутся над волнами, как глиссер на подводных крыльях или колоссальный экраноплан. При этом масса воздуха образует над волнами «пенную подушку» из сплошных барашков, которая сглаживает волнение. При этом сопротивление воздушным потокам над морской поверхностью резко падает.

Ученые пересчитали капли и поняли, что найден самый эффективный механизм генерации брызг, который сильно меняет картину возникновения ураганов. Раньше считалось, что брызги образуются при разрыве всплывающих пузырьков и их количество несоизмеримо меньше. Оказалось, что если пересчитать на натурные условия результаты нижегородского лабораторного эксперимента, то становится понятным образование ураганных ветров. Ученые поняли, что является эффективным механизмом поступления энергии в чудовищной силы ветер, и вплотную приблизились к прогнозированию разрушительной способности того или иного урагана.

Впрочем, «эффект бабочки Лоренца» был найден и в очень далеких от метеорологии науках.

Насекомые финансовых кризисов

Десятилетие назад несколько энтузиастов из виртуального клуба фанатов финансовых прогнозов Smartmoney занялись исследованием рынка «по Лоренцу» и тут же поймали «бабочку финансового кризиса». Оказалось, что растущий ком логистических проблем компании Sony может оказать критическое воздействие на целую сеть акционеров, продавцов и инвесторов. Так на сайте Smartmoney появился зловещий прогноз: «Одна бабочка, в данном случае японская бабочка, запускает целый критический процесс в мировой цепочке партнеров». К сожалению, к необычному мнению «экономических дилетантов» никто не прислушался. И грянул кризис 2008 года…