[論文レビュー] From the Stochastic Weather to a Putative Chaotic Earth System

Orfeu Bertolami|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2022

Complex Systems and Time Series Analysis被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、地球システム（ES）が、惑星境界の変化の進行速度に起因してカオス的ダイナミクスを示す可能性があると提唱している。これはロジスティック写像に類似したモデル化によって示される。位相転移の枠組みと確率的気候モデルを用いて、急速な人為的強制が複雑で、予測不能な行動を引き起こす可能性があることを示し、アンソロポセンに伴う長期的気候予測の可能性に疑問を呈する。

ABSTRACT

In this brief report we discuss how continuous changes on the physical parameters that determine the weather conditions may lead to long term climate variability. This variability of the weather patterns are a response to continuous random short period weather excitations that are imprinted in the ocean-atmosphere-cryosphere-land system, the Earth System. Given that Earth System is, in the Anthropocene, dominated by the human action, it responds to the intensity and the rate of change of the humankind activities. Thus, we argue, in the context of a specific model of the Earth System, that this rate of change may admit a chaotic-type behaviour.

研究の動機と目的

• 人為的強制に対する地球システムの応答が、カオス的ダイナミクスを示す可能性があるかどうかを調査し、長期的気候予測の可能性に疑問を呈すること。
• 人為的活動の変化率をシステム不安定性の駆動要因として組み込むことで、確率的気候モデルを拡張すること。
• 1950年代以降の急速な人為的影響下における、非線形フィードバックおよびトゥーリングポイントが地球システムの安定性と予測可能性に与える影響を評価すること。
• ロジスティック写像のような離散的力学系を用いて、惑星境界の進化をモデル化する可能性を検討し、複雑な挙動を捉えること。
• アンソロポセンの条件下で、気候変動、確率的天候強制、および地球システムにおけるカオス的挙動の出現を結びつける理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 短い時間スケールの天候変動が、地球システムの遅い成分（海洋、氷雪圏、陸域）に確率的外力として作用するハッセルマンの確率的気候モデルを応用する。
• 人為的活動の変化率を、惑星境界フレームワークを用いて、地球システムの非線形力学系の駆動要因としてモデル化する。
• 離散的時間ステップにおける主要な惑星境界の進化を模擬するため、ロジスティック写像式 $ h_{1(n+1)} = r h_{1(n)} (1 - \alpha^{-1} h_{1(n)}) $ を適用する。
• ロジスティック写像における分岐およびカオス的挙動の分析を通じて、急速な人為的変化下における地球システムの不安定性の可能性を推論する。
• Fokker-Planck方程式を用いて、気候状態の確率分布を記述し、確率的天候強制と長期的気候変動の関係を結びつける。
• 統計物理学における位相転移の枠組みを統合し、ホロセンからより温暖で不安定な状態への地球システム状態の転移をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人為的活動の変化率が、ロジスティック写像に類似したアナロジーによって示唆されるように、地球システムにカオス的ダイナミクスを引き起こす可能性があるか？
• RQ2 地球システムの応答が、確率的天候強制に対して、赤色ノイズスペクトルに一致する長期的変動を示す程度はどの程度か？
• RQ3 惑星境界間の非線形フィードバックが、地球システムの安定性と予測可能性に与える影響は何か？
• RQ4 地球システムが臨界閾値を超えて、不可逆的またはカオス的挙動の領域に入るために満たすべき条件は何か？
• RQ5 惑星境界の進化は離散的力学系としてモデル化可能か？その気候システムの予測可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 地球システムは短期的な天候変動を統合する役割を果たし、ブラウン運動に類似した確率的外力機構を通じて、長期的気候変動を引き起こす。
• モデルは気候変動における「赤色」分散スペクトルを予測しており、観測データと整合的であるため、確率的外力が気候ダイナミクスに果たす役割を支持する。
• 特に温室効果ガス濃度の増加率が急速に上昇する人為的変化は、地球システムに分岐を引き起こし、カオス的挙動を誘発する可能性がある。
• 惑星境界の進化にロジスティック写像モデルを適用した結果、成長率 $ r > 3.6 $ の場合、システムはカオス的ダイナミクスを示し、長期的予測可能性の喪失を示唆する。
• 地球システムの平衡状態は成長率 $ r $ によって著しく変化し、$ r $ が臨界閾値を超えると、急激なシフトが生じる可能性がある。
• 1950年代以降の「グレート・アceleration」の証拠は、人為的変化が地球システムを非線形的かつおそらくカオス的挙動へと押し進めているという仮説を支持する。