Hvordan atomvåbenforskning afslørede nye klimatrusler

Efter atmosfærisk videnskabsmand Ivana Cvijanovic begyndte at presse en computerstyret klimasimulering til dets grænser, bemærkede hun et foruroligende resultat: Da arktisk havis næsten forsvandt, byggede massive højtrykssystemer op tusindvis af kilometer væk, ud for USAs vestkyst.

Den atmosfæriske højderyg blokerede store storme på vej mod Californien og afbrød nedbør. Cvijanovics model viser, at når Nordpolens sommerhavisen forsvinder, som forventet i de næste par årtier, kan det skrue ned for kranen for Central Valley-bønder, Sierra Nevada-skisportssteder og byer i hele nationens mest folkerige stat (se The Year Climate Ændring begyndte at spinde ude af kontrol).

Klimaforsker Ivana Cvijanovic udførte feltarbejde i Alaska North Slope som en del af sin ph.d.-forskning.

Resultaterne, offentliggjort i Naturkommunikation i december, tyder også på, at skrumpende havis kan have spillet en rolle i den ekstreme, dyre tørke, der plagede Californien i det meste af dette årti. Det blev drevet af en latterligt elastisk højderyg, der ligner den, som Cvijanovics simulation forudsiger.

Klimamodeller bliver ofte hånet som upålidelige tilnærmelser af Jordens komplekse systemer, især blandt klimaforandringer. Men takket være fremskridt inden for beregningskraft, inklusion af flere planetariske komponenter og andre tekniske fremskridt, bliver disse simuleringer utrolig kraftfulde.

De kan med stigende sikkerhed forudsige, hvordan den globale opvarmning allerede ændrer planeten, og hvordan den sandsynligvis vil gøre det i fremtiden. Forbedringerne hjælper især videnskabsmænd med at løse de komplekse mekanismer, der driver ekstreme vejrbegivenheder.

Cvijanovic havde i årevis forsøgt at studere de forvirrende sammenhænge mellem smeltende is og fjerntliggende nedbørsændringer. Men standard klimamodeller tilbød ikke en måde at simulere processerne på en realistisk måde, indtil et nyligt gennembrud kom fra en usandsynlig kilde: atomvåbenforskning.

Slår mønten igen

Cvijanovics nysgerrighed havde fået en ny påtrængning, da hun landede som postdoc-forsker ved Californiens Lawrence Livermore National Laboratory i 2014. To somre tidligere var arktisk havis smeltet væk langt hurtigere, end forskerne havde forventet. Næsten fem millioner kvadratkilometer is forsvandt fra spidsbelastningsperioden i slutningen af ​​marts, langt det største tab nogensinde registreret.

Relateret historie

Medfølgende Historie Bedre teknologi, teknikker og datadeling har gjort det muligt for videnskabsmænd at prøve nye eksperimenter - eller simpelthen køre mange flere af dem.

Det var et iøjnefaldende tegn på, at noget var galt i klimamodeller - og i den mere skræmmende ende af spektret.

Klimamodeller er softwaresimuleringer, der estimerer, hvordan Jorden reagerer på forskellige påvirkninger, såsom massive stigninger i kuldioxidemissioner, ved at køre matematiske ligninger, der repræsenterer vores bedste forståelse af fysiske love. De beregner, hvordan skiftende forhold bølger på tværs af tid og rum, og gengiver oceanerne, overfladen og atmosfæren i et 3D-gitter af kasser. I løbet af de sidste par årtier er modellernes opløsning steget kraftigt: det areal, hver kasse repræsenterer, er gået fra 500 kvadratkilometer ned til mindre end 25 i nogle tilfælde, selvom modellerne inkorporerede aerosoler, havis, vegetation og andre indbyrdes forbundne faktorer .

På trods af alle disse enorme forbedringer er der dog nogle gange stadig store kløfter mellem, hvad modellerne forudsiger, og hvordan den virkelige verden opfører sig, som det dramatiske tab af havis understregede (se Why Climate Models are not Better).

Denne begivenhed fangede specifikt Donald Lucas, en forsker ved Lawrence Livermore, opmærksomhed. Han var en del af et hold af klimaforskere og atomvåbenmodellere på laboratoriet, som tidligere havde samarbejdet om et treårigt projekt for at forbedre tillidsniveauet for resultaterne af klimasimuleringer.

Donald Lucas, en forsker ved Lawrence Livermore, ledede en forskningsindsats for at forstå, hvorfor arktisk havis smeltede hurtigere end klimamodeller forudsagde.

USA har ikke udført testeksplosioner på atomvåben siden 1992, så det er nødt til at stole på inspektioner og modellering for at vurdere pålideligheden af ​​det aldrende lager. Lawrence Livermore-forskere har længe brugt laboratoriets supercomputere til at simulere nedbrydningen af ​​materialer, såsom plutonium, og hjulpet med at udvikle nye måder at beregne sikkerhedsniveauer på.

I stedet for at køre en simulering én gang, gentager de den mange gange og justerer lidt visse variabler for at producere en række muligheder. Derfra kan forskerne beregne den statistiske sandsynlighed for visse resultater, delvist baseret på, hvor ofte de forekommer i resultater, og hvor godt de stemmer overens med data fra fysiske inspektioner.

Du går tilbage og vender mønten igen, forklarer Lucas. Du gør det flere gange, og du opbygger en fordeling af sandsynligheden for output.

Relateret historie

Relateret historie Brande hærgede Vesten, orkaner ramte Østen - og stadig emissioner fortsatte med at stige.

Han og hans kolleger besluttede at anvende den samme tilgang til klimamodeller, ved at skrive programmer til at justere snesevis af parametre i kildekoden til en offentlig klimamodel. De udnyttede omkring halvdelen af ​​en supercomputer hos Lawrence Livermore i næsten tre år og producerede 100.000 års simuleringer på tværs af en bred vifte af klimascenarier.

Men i sommeren 2012 indså Lucas, at selv disse resultater var langt fra at forudsige tabet af arktisk havis, der faktisk fandt sted. Så han og hans kolleger foretog endnu et modeleksperiment med fokus på havisen. Ved at rådføre sig med eksperter om, hvilke variabler der kunne være på spil og ændre disse parametre, var hans team i stand til at simulere forsvinden af ​​langt mere arktisk havis, og komme meget tættere på virkeligheden.

Tre variabler tegnede sig for 95 procent af ændringen. To af dem specificerede størrelsen af ​​snepartikler på havisen, hvilket påvirker, hvor meget sollys der reflekteres væk. Den sidste, kendt som sneens termiske ledningsevne, definerer i det væsentlige, hvor hurtigt varme kan bevæge sig gennem is. Ligesom de to andre variabler behandles den normalt som en konstant i den dedikerede ismodel, som holdet brugte. Men i dette tilfælde skiftede forskerne det inden for et område, der afspejlede dets variabilitet i den virkelige verden.

Lucas stopper med at sige, at de har fundet de manglende puslespilsbrikker i havisens modeller. Men ved at tillade en række plausible variationer finder vi ud af, at vi kan forklare de fleste, men ikke alle, af forskellene mellem observationer og simuleringer af [havisens model], sagde han i en e-mail.

Lucas tjekker nye supercomputere ud på Lawrence Livermore Lab.

Det perfekte setup

Eksperimentet skabte også et meget finere værktøj for Cvijanovic til at udforske spørgsmålet, hun længe havde overvejet: Hvorfor opstod gamle perioder med hurtig opvarmning på den nordlige halvkugle, kendt som Dansgaard – Oeschger begivenheder, synes at falde sammen med dramatiske nedbørsskift helt nede i troperne?

Mod slutningen af ​​sit ph.d.-arbejde på Københavns Universitet, i 2011 og 2012, var Cvijanovic en del af en modelgruppe, der forsøgte at give mening om disse pludselige klimaændringer, som var tydelige i grønlandske iskerneprøver.

Hun havde gjort nogle grove forsøg på at udforske disse forbindelser ved at tilføje energifluxer i simuleringer, som i det væsentlige øgede tabet af havis på kunstige måder. Men hendes kollegas arbejde hos Lawrence Livermore gjorde hende i stand til at modellere ekstremt istab på en mere realistisk måde ved at justere parametre inden for, hvad der anses for at være det mulige niveau af variation i naturen.

Det var det perfekte setup, siger hun. Du gør ikke noget ufysisk; du snyder ikke for at observere dette tab af havis.

Cvijanovic fokuserede på de tre variabler, som Lucas' arbejde fandt havde de mest kraftfulde effekter. Hun kørte modellen flere dusin gange, og i sidste ende skruede hun disse variable op til den yderste ende af deres intervaller. Det tog nogle gange en hel uge at køre en enkelt analyse på supercomputerne hos Lawrence Livermore, så processen tog måneder. Men til sidst begyndte et klart billede at danne sig.

Med lidt is til at reflektere varmen tilbage i rummet, opvarmes området støt. En lille mængde af den ekstra varme når troperne, men det er nok til at udløse ændringer i vind og nedbør, der ændrer konvektion og cirkulationsmønstre. Disse producerer til gengæld massive bølger af høj- og lavtryksområder i atmosfæren og opbygger en vedvarende højderyg, der lander i det nordlige Stillehav. Den funktion styrer storme nordpå, væk fra Californien og mod Alaska og Canada.

Det var et vanskeligt eksperiment, der afhang af mange års kollektive forbedringer i klimamodelleringsteknologi og -teknikker. Der kræves mere arbejde for at teste resultaterne og bestemme, hvordan andre processer kan forstørre eller formindske effekten af ​​smeltende arktisk havis, siger andre forskere. Men simuleringen gav nogle af de første rigtige beviser på den teoretiserede forbindelse mellem istab og fjerne tørker, og det lød en skarp advarsel om Californiens truende farer.

skjule