Изменение климата — это физика

Два отца-основателя науки о климате и моделирования климата были удостоены Нобелевской премии по физике в этом году. Они привели ранние исследования климата к фундаментальным и социально значимым исследованиям, которые сейчас так же важны, как и тогда.

В этом году Нобелевский комитет присудил премию по физике «за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надежное предсказание глобального потепления».Двое из трех лауреатов — Клаус Хассельманн и Сюкуро Манабэ — были пионерами в моделировании климата, от элегантных концептуальных объяснений наблюдаемых свойств климата до комплексного моделирования, основанного на численной гидродинамике, используемой сегодня. Моделирование климата в настоящее время (почти) плавно переходит от прогнозирования погоды к десятилетнему прогнозированию климата и прогнозированию будущего климата и в конечном итоге охватит цифровую Землю (https://www.wcrp-climate.org/digital-earths). Моделирование — наше лучшее окно в будущее. Таким образом, это ключевой элемент понимания и смягчения последствий изменения климата.

Важно отметить, что присуждение Нобелевской премии подчеркивает, что моделирование климата — это физика. Это делает вопрос «верите ли вы в глобальное потепление» бессмысленным: нагревается ли земной шар в ответ на увеличение выбросов парниковых газов, определяется физикой энергетического баланса. Он не подчиняется системам верований. Благодаря своей научной работе и Хассельманн, и Манабе заложили научную основу для беспокойства по поводу увеличения концентрации парниковых газов, в частности, увеличения содержания CO.₂ в атмосферу в результате сжигания ископаемого топлива. Путь научного исследования, который они открыли, ведет прямо к серии конференций Организации Объединенных Наций по изменению климата Сторон, которые стремятся ограничить глобальное изменение климата. 26-я встреча из серии COP26 собрала мировых лидеров в Глазго в ноябре 2021 года.

Два чемпиона, два центра

Сюкуро («Суки») Манабэ работал старшим научным сотрудником в Лаборатории геофизической гидродинамики (GFDL) в Принстоне. С 1960-х годов он играл ведущую роль в разработке первой климатической модели.Его первоначальная работа по моделированию атмосферы объясняла вертикальную температурную структуру атмосферы как реакцию на радиационно активные газовые примеси, а также исследовала конвекцию и гидродинамику атмосферы 1 . Многие статьи Манабе теперь стали классикой, которую ученые-климатологи (включая меня) до сих пор используют в обучении. Его работа по моделированию обеспечила фундаментальное понимание физики связанной климатической системы во всех временных масштабах, от ледниковых периодов до реакции на вызванное деятельностью человека увеличение выбросов парниковых газов после промышленной революции 2,3 .

Клаус Хассельманн (изображенный на рис. 1) является директором-основателем Института метеорологии Макса-Планка (MPI-M) в Гамбурге. Первоначально он сосредоточился на теоретической работе: одна из моих любимых статей, написанных Клаусом, и его наиболее цитируемая статья 4 посвящена «стохастическим моделям климата». Теория сложна, основана на статистике броуновского движения, но основная идея проста: краткосрочная изменчивость погоды приводит к долгосрочной изменчивости климата. Это происходит из-за того, что медленные компоненты климатической системы, в частности, океан, интегрируют изменчивость погоды от дневного до месячного масштаба в изменчивость климата в годовых и многодесятилетних временных масштабах. Его статья о стохастических моделях климата прекрасна и объясняет происхождение невынужденной долговременной изменчивости климата, в том числе его спектральную форму, которая хорошо видна в наблюдаемых температурах поверхности моря 5 , а также в изменчивости современных климатических моделей. Эта концепция распространяется и на более длительные временные масштабы: аналогично большие ледяные щиты объединяют изменчивость во временных масштабах океана с изменчивостью во временных масштабах тысяч лет. Это признание стохастической природы изменчивости климата изменило наше понимание наблюдаемого климата.

Через несколько лет после его основополагающей статьи 1976 года группа Клауса приступила к серьезному подходу к моделированию климата, основанному на уравнениях гидродинамики для атмосферы и океана.Исследовательские группы GFDL и MPI-M применили климатические модели для имитации эффекта увеличения концентрации парниковых газов. Исследователи из обеих групп предупредили 3,6,7, что в ответ ожидается существенное долгосрочное потепление. Эти ранние модели были довольно простыми из-за ограниченности доступной вычислительной мощности, однако они уже учитывали многие аспекты будущего изменения климата, которые предсказываются и сегодня. Они имитировали чувствительность к устойчивому CO.₂ удвоение, что согласуется с сегодняшними моделями и последним оценочным отчетом Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) 8 . Ключевые характеристики ожидаемой модели изменения температуры поверхности также остались неизменными: Арктика нагревается больше, чем тропики, суша больше, чем океан. В нижних слоях атмосферы (тропосфере) мы ожидаем потепления, тогда как стратосфера охлаждается в ответ на более сильное поглощение парниковыми газами в тропосфере и в ответ на истощение озона в нижних слоях стратосферы, вызванное деятельностью человека.

Детективная работа

Тем не менее, большой проверкой точности моделей в прогнозировании влияния человека на климат является выявление прогнозируемого изменения в данных наблюдений. Клаус обратился к вопросу о том, что потребуется для обнаружения потепления в ответ на увеличение выбросов парниковых газов на фоне ярко выраженной изменчивости климата во всех временных масштабах, которые предсказывала его статистическая модель. Вместо того, чтобы искать иголку в стоге сена многомерной изменчивости климата, предложенный им подход заключался в поиске в данных наблюдений закономерностей смоделированных климатическими моделями изменений в ответ на парниковые газы, которые были надежно предсказаны климатическими моделями. .Ключом к успеху является выявление и последующее сосредоточение внимания на тех аспектах модели, которые наиболее отличаются от естественной изменчивости климата, что называется «оптимальным отпечатком» изменения климата 9 . Это включает показатель уменьшения шума, основанный на обратной ковариационной матрице изменчивости климата.

Под руководством Клауса Хассельмана и Ханса фон Шторха я применил этот метод для наблюдения за тенденциями в глобальных данных о приземной температуре, следуя аргументу Клауса о том, что одной из отличительных особенностей, ожидаемых в ответ на увеличение выбросов парниковых газов, является тенденция к быстрому потеплению 10 . Параллельно Бен Сантер применил близкородственный подход к радиозондовым и спутниковым данным вертикального профиля изменения температуры атмосферы. Основываясь на ранней работе Суки по моделированию и на исследованиях отношения сигнал-шум, проведенных Беном в сотрудничестве с Клаусом-11, ожидалось, что вертикальный профиль покажет сильный сигнал комбинированного тропосферного потепления и стратосферного охлаждения.

К 1990-м годам как данные профиля температуры поверхности, так и температуры атмосферы указывали на то, что климат действительно изменялся статистически значимым образом: они показывали изменение, которое превышало оценки непроизвольной или «внутренней» изменчивости климата, которые были доступны в то время. С тех пор эти результаты были подтверждены и усилены: наблюдаемые антропогенные изменения стали сильнее, а как модели, так и сами наблюдения улучшились.Дивергенция наблюдаемых изменений климата и внутренней изменчивости климата в настоящее время превышает статистический порог, который используется для обнаружения элементарных частиц в физике 12 . Выявление антропогенного потепления в настоящее время «однозначно» 8 . Клаус также предложил метод для четкого разграничения различных возможных причин изменения климата 13 , который мы применили, чтобы показать, что наблюдаемое потепление согласуется с комбинированным эффектом парниковых газов и аэрозолей, но не может быть объяснено солнечной изменчивостью или парниковым газом. эффекты без аэрозолей 14 .

Вдохновляющие лидеры

В дополнение к ведущим исследовательским группам, разработавшим климатические модели, и Клаус, и Суки использовали эти модели для решения фундаментальных вопросов о том, как работает климатическая система, как она меняется, как она развивается с течением времени и как на нее может повлиять увеличение выбросов парниковых газов. Эта эпоха раннего моделирования климата была отмечена множеством захватывающих новых открытий о механизмах изменчивости климата и причинах наблюдаемых изменений. Палеоклиматические исследования использовали модели для объяснения прошлого, а прошлые данные все чаще использовались для оценки моделей. В MPI-M интеллектуальная атмосфера была одной из захватывающих, новаторских наук, где новые идеи появлялись в результате применения новых инструментов моделирования для понимания изменчивости и изменения климата (см., например, рис. 2). Мы рассматривали все временные масштабы — от возможных последствий больших изменений в конфигурации океана, которые происходили в течение тысяч и миллионов лет назад в истории Земли, до будущих последствий увеличения выбросов парниковых газов в ближайшие десятилетия или столетия.

В МПИ-М директор-основатель задавал науке направление и задавал волнующие вопросы. Затем группа попыталась ответить на эти вопросы, заданные и направленные Клаусом, в золотое время открытий, на которые вовлеченные люди с любовью оглядываются назад (см. этот рассказ 15 ).Из разговоров с людьми, работавшими в GFDL, у меня сложилось впечатление, что научная атмосфера там была похожей. И Клаус, и Суки были признаны своими коллегами и коллегами поистине выдающимися учеными, а также впечатляющими людьми и интересными людьми: полными энтузиазма, радостными и оптимистичными.

Клаус сохранял оптимизм не только в отношении научных исследований, но и в отношении способности человечества справиться с изменением климата. Я очень надеюсь, что его оптимизм оправдан и отказ от ископаемого топлива откроет новые возможности. Клаус всегда выступал за то, чтобы пробовать что-то новое и в науке.

В будущее

Климатология продолжается. Мы еще не полностью понимаем или предсказываем все процессы, связанные с взаимодействием атмосферы, океана, поверхности земли и биосферы. Эти взаимодействия особенно важны с точки зрения углеродного цикла. Рассмотрение социальных взаимодействий с системой Земли еще сложнее, но критически важно. Многие климатические проблемы, такие как доступность воды, коренным образом меняются в результате действий человека. Наш выбор в отношении управления водными ресурсами, ирригации, посадки или удаления растительности влияет на климат. По мере изменения климата более сильное испарение может способствовать засухе и усиливать экстремальную жару и усиливать пожарную активность, а затем, в свою очередь, изменение растительности может повлиять на нашу способность замедлять выбросы. Таяние ледников и большие ледяные щиты влияют на климат вокруг них, но также имеют последствия для повышения уровня моря и наличия воды в течение лета. Существуют нелинейности и переломные моменты, которые нам лучше хорошо понимать и избегать (см. https://www.wcrp-climate.org/safe-landing-climates). Нам также нужна надежная информация для принятия решений о том, как адаптироваться к изменению климата.

Два новых лауреата Нобелевской премии с большим успехом провели нас через первые дни климатических исследований и открыли широкое поле для научных исследований.Наука о климате будет и впредь предоставлять захватывающие открытия о том, как устроена планета, и полезную информацию о человеческом следе на планете.

использованная литература

1. Манабе С. и Стриклер Р. Ф. Тепловое равновесие атмосферы с конвективной регулировкой. Дж. Атмос. науч.21, 361–385 (1964). СтатьяGoogle Scholar
2. Манабе С. и Хан Д.Г. Моделирование тропического климата ледникового периода. Дж. Геофиз. Рез.82, 3889–3911 (1977). СтатьяGoogle Scholar
3. Манабе, С. и Стоуффер, Р. Чувствительность модели глобального климата к увеличению содержания CO.₂ концентрации в атмосфере. Дж. Геофиз. Рез.85, 5529–5554 (1980). СтатьяGoogle Scholar
4. Хассельманн, К. Стохастические модели климата — 1. Теория Теллус28, 473–485 (1976). Google ученый
5. Франкиньуль К. и Хассельманн К. Стохастические модели климата — 2. Применение к аномалиям температуры поверхности моря и изменчивости термоклина. Расскажи нам29, 289–305 (1977). СтатьяGoogle Scholar
6. Манабе, С. и Ветеральд, Р. Т. Эффекты удвоения CO.₂ концентрация на климате модели общей циркуляции. Дж. Атмос. науч.32, 3–15 (1975). СтатьяCASАкадемия Google
7. Кубаш, У. и др. Зависящие от времени расчеты потепления парниковых газов с помощью совместной модели океан-атмосфера. Клим. Дин.8, 55–69 (1992). СтатьяGoogle Scholar
8. МГЭИК. Изменение климата 2021: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (ред. Массон-Дельмотт, В., Чжай, П., Пирани, А., Коннорс, С.Л., Пеан, К., Бергер, С., Код, Н., Чен, Ю., Гольдфарб, Л., Гомис, М. И., Хуан М., Лейцелл К., Лонной Э., Мэтьюз Дж. Б. С., Мэйкок Т. К., Уотерфилд Т., Йелекчи О., Ю Р. и Чжоу Б.) (Кембриджский университет Пресс, 2021) (в печати).
9. Хассельманн, К. Метеорология над тропическими океанами (изд. Shaw, DB) 251–259 (Королевское метеорологическое общество, 1979 г.).
10. Hegerl, G.C. et al. Обнаружение изменения климата, вызванного парниковыми газами, с помощью оптимального метода отпечатков пальцев. Дж. Климат9, 2281–2306 (1996). СтатьяGoogle Scholar
11. Сантер, Б.Д. и соавт. Анализ отношения сигнал/шум в экспериментах по потеплению парниковых газов, зависящих от времени. Часть 1: Анализ шаблонов. Климат Дин.9, 267–285 (1994). СтатьяGoogle Scholar
12. Сантер, Б.Д. и соавт. Празднование годовщины трех ключевых событий в науке об изменении климата. Нац. Клим. Изменять9, 180–182 (2019). СтатьяGoogle Scholar
13. Хассельманн, К. Многокомпонентный метод отпечатков пальцев для обнаружения и атрибуции изменения климата. Клим. Дин.13, 601–611 (1997). СтатьяGoogle Scholar
14. Хегерл Г. и соавт. Обнаружение нескольких отпечатков пальцев и атрибуционный анализ парниковых газов, парникового газа плюс аэрозоля и изменения климата, вызванного солнечной активностью. Клим. Дин.13, 613–634 (1997). СтатьяGoogle Scholar
15. фон Шторх, Х. От расшифровки турбулентности к обнаружению отпечатков пальцев изменения климата: наука Клауса Хассельмана (Springer, 2022) (в печати).

Благодарности

Автор благодарен Бенджамину Д. Сантеру и Гансу фон Шторху за полезные и содержательные предложения.

Информация об авторе

Авторы и принадлежность

1. Науки о земле, Эдинбургский университет, Эдинбург, Великобритания Габриэле С. Хегерл

1. Габриэле С. Хегерл