Jak badania nad bronią jądrową ujawniły nowe zagrożenia klimatyczne

Po tym, jak naukowiec zajmujący się atmosferą Ivana Cvijanovic zaczęła wykorzystywać komputerową symulację klimatu do granic możliwości, zauważyła niepokojący wynik: gdy arktyczny lód morski prawie zniknął, ogromne systemy wysokociśnieniowe zbudowały się tysiące mil dalej, u zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych.

Grzbiet atmosferyczny zablokował główne burze zmierzające do Kalifornii, odcinając opady deszczu. Model Cvijanovic pokazuje, że gdy letni lód morski na Biegunie Północnym zniknie, zgodnie z oczekiwaniami w ciągu najbliższych kilku dekad, może odkręcić kurek dla rolników z Doliny Środkowej, ośrodków narciarskich Sierra Nevada i miast w najludniejszym stanie kraju (patrz Klimat roku Zmiana zaczęła wymykać się spod kontroli ).

Klimatolog Ivana Cvijanovic przeprowadziła prace terenowe na północnym zboczu Alaski w ramach swoich badań doktoranckich.

Wyniki, opublikowany w Komunikacja przyrodnicza w grudniu sugerują również, że kurczący się lód morski mógł odegrać rolę w ekstremalnej, kosztownej suszy, która nękała Kalifornię przez większą część tej dekady. Było to spowodowane absurdalnie sprężystym grzbietem, bardzo podobnym do tego, który przewiduje symulacja Cvijanovic.

Modele klimatyczne są często wyśmiewane jako niewiarygodne przybliżenia złożonych systemów Ziemi, szczególnie wśród osób zaprzeczających zmianom klimatu. Jednak dzięki postępom w zakresie mocy obliczeniowej, włączeniu większej liczby komponentów planetarnych i innym postępom technicznym te symulacje stają się niewiarygodnie potężne.

Potrafią przewidzieć z rosnącą pewnością, jak globalne ocieplenie już zmienia planetę i jak prawdopodobnie będzie to miało miejsce w przyszłości. W szczególności ulepszenia pomagają naukowcom w rozwikłaniu złożonych mechanizmów prowadzących do ekstremalnych zjawisk pogodowych.

Cvijanovic od lat próbował badać zagadkowe powiązania między topniejącym lodem a odległymi zmianami opadów. Jednak standardowe modele klimatyczne nie oferowały sposobu na symulację procesów w realistyczny sposób, aż do niedawnego przełomu z mało prawdopodobnego źródła: badań nad bronią jądrową.

Znowu rzucasz monetą

Ciekawość Cvijanovic nabrała nowego znaczenia, zanim wylądowała jako badaczka podoktorancka w kalifornijskim Lawrence Livermore National Laboratory w 2014 roku. Dwa lata wcześniej arktyczny lód morski stopił się znacznie szybciej niż oczekiwali naukowcy. Prawie pięć milionów mil kwadratowych lodu zniknęło z okresu szczytowego pod koniec marca, co jest zdecydowanie największą stratą w historii.

Powiązana historia

towarzysząca historia Lepsza technologia, techniki i udostępnianie danych pozwoliły naukowcom na wypróbowanie nowatorskich eksperymentów — lub po prostu przeprowadzenie ich o wiele więcej.

To był rażący znak, że coś jest nie tak w modelach klimatycznych – i na bardziej przerażającym końcu spektrum.

Modele klimatyczne to symulacje programowe, które szacują, jak Ziemia reaguje na różne wpływy, takie jak ogromny wzrost emisji dwutlenku węgla, za pomocą równań matematycznych, które odzwierciedlają nasze najlepsze zrozumienie praw fizycznych. Obliczają, jak zmieniające się warunki falują w czasie i przestrzeni, renderując oceany, powierzchnię i atmosferę w trójwymiarowej siatce pudeł. W ciągu ostatnich kilku dekad rozdzielczość modeli znacznie wzrosła: powierzchnia każdego pudełka zmniejszyła się z 500 kilometrów kwadratowych do mniej niż 25 w niektórych przypadkach, mimo że modele zawierały aerozole, lód morski, roślinność i inne wzajemnie powiązane czynniki .

Jednak pomimo tych wszystkich ogromnych ulepszeń, czasami nadal istnieją duże rozbieżności między tym, co przewidują modele, a tym, jak zachowuje się świat rzeczywisty, co podkreśla dramatyczna utrata lodu morskiego (patrz Dlaczego modele klimatu nie są lepsze ).

To wydarzenie szczególnie zwróciło uwagę Donalda Lucasa, naukowca z Lawrence Livermore. Był członkiem zespołu badaczy klimatu i modelarzy broni jądrowej w laboratorium, którzy wcześniej współpracowali w trzyletnim projekcie mającym na celu poprawę poziomów zaufania do wyników symulacji klimatycznych.

Donald Lucas, naukowiec z Lawrence Livermore, prowadził badania mające na celu zrozumienie, dlaczego arktyczny lód morski topnieje szybciej niż przewidywały modele klimatyczne.

Stany Zjednoczone nie przeprowadzały próbnych eksplozji broni jądrowej od 1992 r., więc muszą polegać na inspekcjach i modelowaniu, aby ocenić wiarygodność starzejących się zapasów. Naukowcy z Lawrence Livermore od dawna wykorzystują superkomputery laboratoryjne do symulacji degradacji materiałów, takich jak pluton, i pomogli opracować nowe sposoby obliczania poziomów pewności.

Zamiast przeprowadzać symulację raz, powtarzają ją wiele razy, nieznacznie dostosowując pewne zmienne, aby uzyskać szereg możliwości. Na tej podstawie naukowcy mogą obliczyć statystyczne prawdopodobieństwo pewnych wyników, częściowo w oparciu o to, jak często pojawiają się one w wynikach i jak dobrze pasują do danych z fizycznych inspekcji.

Wracasz i jeszcze raz rzucasz monetą, wyjaśnia Lucas. Robisz to wiele razy i budujesz rozkład prawdopodobieństwa wyniku.

Powiązana historia

Powiązana historia Pożary spustoszyły Zachód, huragany nawiedziły Wschód – a emisje nadal rosły.

On i jego koledzy zdecydowali się zastosować to samo podejście do modeli klimatycznych, pisząc programy poprawiające dziesiątki parametrów w kodzie źródłowym publicznego modelu klimatycznego. Opanowali około połowy superkomputera w Lawrence Livermore przez prawie trzy lata, tworząc 100 000 lat symulacji w szerokim zakresie scenariuszy klimatycznych.

Ale latem 2012 roku Lucas zdał sobie sprawę, że nawet te wyniki nie są wystarczające do przewidzenia utraty lodu morskiego w Arktyce, która rzeczywiście miała miejsce. Dlatego wraz z kolegami podjęli kolejny eksperyment modelowania, skupiony na lodzie morskim. Konsultując się z ekspertami w sprawie zmiennych, które mogą mieć znaczenie i zmieniając te parametry, jego zespół był w stanie zasymulować znikanie znacznie bardziej arktycznego lodu morskiego, znacznie bardziej zbliżając się do rzeczywistości.

Trzy zmienne odpowiadały za 95 procent zmiany. Dwa z nich określiły wielkość cząstek śniegu na lodzie morskim, co wpływa na ilość odbijanego światła słonecznego. Ostatnia, znana jako przewodność cieplna śniegu, zasadniczo określa, jak szybko ciepło może przemieszczać się przez lód. Podobnie jak pozostałe dwie zmienne, jest ona zwykle traktowana jako stała w dedykowanym modelu lodu, z którego korzystał zespół. Ale w tym przypadku naukowcy przestawili go w zakresie, który odzwierciedlał jego zmienność w świecie rzeczywistym.

Lucas nie mówi, że znalazł brakujące elementy układanki w modelach lodu morskiego. Ale dopuszczając szereg prawdopodobnych wariacji, okazuje się, że możemy wyjaśnić większość, ale nie wszystkie, różnice między obserwacjami a symulacjami [modelu lodu morskiego], powiedział w e-mailu.

Lucas sprawdza nowe superkomputery w Lawrence Livermore Lab.

Idealna konfiguracja

Eksperyment stworzył również znacznie lepsze narzędzie dla Cvijanovic do zbadania pytania, nad którym od dawna się zastanawiała: dlaczego starożytne okresy gwałtownego ocieplenia na półkuli północnej, znane jako Dansgaard – Oeschger wydarzenia, wydają się zbiegać z dramatycznymi zmianami opadów w tropikach?

Pod koniec swojej pracy doktorskiej na Uniwersytecie w Kopenhadze, w 2011 i 2012 roku, Cvijanovic była częścią grupy zajmującej się modelowaniem, która próbowała zrozumieć te nagłe zmiany klimatyczne widoczne w próbkach rdzeni lodowych Grenlandii.

Podjęła kilka prymitywnych prób zbadania tych połączeń, dodając strumienie energii w symulacjach, które zasadniczo podkręcały utratę lodu morskiego w sztuczny sposób. Ale praca jej kolegi z Lawrence Livermore umożliwiła jej modelowanie ekstremalnej utraty lodu w bardziej realistyczny sposób, poprzez modyfikowanie parametrów w ramach tego, co uważa się za możliwy poziom zmienności w przyrodzie.

To była idealna konfiguracja, mówi. Nie robisz nic niefizycznego; nie oszukujesz, aby obserwować utratę lodu morskiego.

Cvijanovic skupił się na trzech zmiennych, które według pracy Lucasa miały najsilniejsze skutki. Przeprowadziła model kilkadziesiąt razy, ostatecznie podkręcając te zmienne do końca ich zakresów. Czasami przeprowadzenie pojedynczej analizy na superkomputerach w Lawrence Livermore zajmowało cały tydzień, więc proces ten trwał miesiące. Ale w końcu zaczął się tworzyć wyraźny obraz.

Z niewielką ilością lodu, który odbija ciepło z powrotem w kosmos, region stale się nagrzewa. Niewielka ilość tego dodatkowego ciepła dociera do tropików, ale wystarczy, aby wywołać zmiany w wietrze i opadach, które zmieniają wzorce konwekcji i cyrkulacji. Te z kolei wytwarzają masywne fale obszarów wysokiego i niskiego ciśnienia w atmosferze, tworząc trwały grzbiet, który ląduje na Północnym Pacyfiku. Ta cecha kieruje burze na północ, z dala od Kalifornii, w kierunku Alaski i Kanady.

Był to trudny eksperyment, który zależał od lat zbiorowych ulepszeń w technologii i technikach modelowania klimatu. Inni naukowcy twierdzą, że potrzeba więcej pracy, aby przetestować odkrycia i określić, w jaki sposób inne procesy mogą nasilać lub zmniejszać skutki topnienia lodu morskiego Arktyki. Ale symulacja dostarczyła jednych z pierwszych prawdziwych dowodów na teoretyczny związek między utratą lodu a odległymi suszami i brzmiała surowo ostrzegając o nadciągających niebezpieczeństwach Kalifornii.

ukryć