Постепенный или внезапный коллапс: чему магниты учат нас о климатических переломных моментах

Крупнейшие климатические системы Земли могут разрушаться не внезапно, а постепенно. Удивительно, но эксперименты с магнитами помогают нам понять, как это происходит.

Хорошо известно, что парниковые газы и антропогенное воздействие оказывают огромную нагрузку на климат и экосистемы. Даже небольшое увеличение стресса может подтолкнуть системы, такие как тропические леса, ледяные щиты или океанические течения, за переломные точки, что приведет к серьезным и часто необратимым изменениям. Однако многое об этих точках неизвестно: когда они могут произойти и как будут выглядеть?

В новом исследовании ученые использовали магнитные материалы, чтобы смоделировать поведение экосистемы под стрессом от глобального потепления. Как и климатические системы, магниты могут переходить из одного стабильного состояния в другое при достаточном давлении. Оказалось, что магниты «переворачиваются» по-разному: одни делают это резко (как «жесткие» материалы), другие — плавно и постепенно (как «мягкие» магниты).

Это различие определяется внутренней структурой. «Жесткие» материалы имеют простую структуру и поглощают стресс до определенного предела, а затем резко «переключаются» — подобно озеру, которое внезапно покрывается водорослями при превышении концентрации удобрений. «Мягкие» магниты устроены сложнее: их разные части реагируют на стресс с разной скоростью. Это аналогично крупному лесу, где одни виды выдерживают рост температур, а другие — нет, что приводит к постепенной реорганизации всей экосистемы.

Принципы, наблюдаемые в магнитах, могут применяться и за пределами биологии. Океанические течения и ледяные щиты с их многочисленными разнородными компонентами также могут вести себя как «мягкие» системы, реорганизуясь постепенно, а не рушась внезапно.

Эксперименты также показали, что чем «мягче» система, тем легче обратить изменения вспять — но только если действовать до накопления критического стресса. Если давление становится слишком велико, даже мягкие системы начинают вести себя как жесткие, переключаясь внезапно. Кроме того, крупная сложная система (например, целый тропический лес) может состоять из множества мелких «жестких» элементов, каждый со своей чувствительностью. В климатических системах, как и в магнитах, чем быстрее прикладывается стресс (например, растет температура), тем выше риск внезапного коллапса.

Это подчеркивает важность мониторинга на локальном уровне: высыхание участка болота или отмирание небольшого участка леса могут быть ранними предупреждающими сигналами о начале гораздо более масштабного упадка.