Charakterystyka punktów krytycznych i progów nieodwracalnej zmiany klimatu
System klimatyczny Ziemi charakteryzuje się niezwykle złożonymi interakcjami czasowymi i przestrzennymi. Naukowcy zidentyfikowali kilka istotnych komponentów, w przypadku których grozi nagła, nieodwracalna przemiana mogąca wywołać lawinę dramatycznych zmian. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że krytyczne zmiany w jednym z takich „punktów krytycznych” mogą wpływać na inne. Scharakteryzowanie tych elementów krytycznych i ich wzajemnych oddziaływań jest konieczne w przypadku opracowywania modeli predykcyjnych, co stanowi podstawowy krok w zapobieganiu nieodwracalnym zmianom klimatu. W ramach projektu CriticalEarth(odnośnik otworzy się w nowym oknie), realizowanego przy wsparciu programu działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), przeszkolono 15 początkujących badaczy i badaczek, aby mogli stawić czoła temu wyzwaniu. Prace skupiały się na opracowaniu zaawansowanych narzędzi statystycznych opartych na rekonstrukcjach paleoklimatycznych i najnowszych obserwacjach, które miały pomóc naukowcom w identyfikacji „wczesnych sygnałów ostrzegawczych” zapowiadających przejście przez punkt krytyczny.
Niekontrolowane sprzężenie zwrotne dodatnie
W większości systemów dynamicznych występują zarówno dodatnie, jak i ujemne sprzężenia zwrotne. „Kiedy dodatnie sprzężenie zwrotne zaczyna dominować, może dojść do niekontrolowanego wzmocnienia, które spowoduje przekroczenie krytycznego progu przez «parametr kontrolny», a to prowadzi do nagłej nieodwracalnej zmiany stanu” — wyjaśnia koordynator projektu CriticalEarth, Peter Ditlevsen z Instytutu Nielsa Bohra na Uniwersytecie Kopenhaskim(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W przypadku pokrywy lodowej, im niższa jest jej wysokość ze względu na topnienie, tym cieplejsza jest atmosfera nad nią (temperatury są wyższe na niższych wysokościach) i tym więcej lodu się topi. Przy pewnym krytycznym progu temperatury atmosfery wspomnianego niekontrolowanego dodatniego sprzężenia zwrotnego nie da się odwrócić. Do innych potencjalnych zdarzeń o charakterze przełomowym zalicza się nieodwracalną zmianę lasów deszczowych w stan sawanny oraz zatrzymanie Atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej (AMOC), która odpowiada za umiarkowany klimat północnej Europy.
Stany brzegowe i wczesne sygnały ostrzegawcze
Określenie dokładnych wartości parametrów krytycznych okazało się zadaniem niezwykle trudnym. „Zastosowaliśmy zaawansowane techniki matematyczne, aby określić granice między obecnym a alternatywnym stanem przekroczenia w wielowymiarowych modelach klimatycznych” — mówi Ditlevsen. Naukowcy scharakteryzowali tak zwane stany brzegowe na tych granicach, uzyskując informacje istotne dla przewidywania przyszłych przejść. Wykorzystali nowe narzędzia statystyczne o otwartym kodzie źródłowym do wykrywania sygnałów wczesnego ostrzegania — sygnatury statystyczne w danych szeregów czasowych, które wskazują, że system klimatyczny zbliża się do punktu krytycznego.
Odkrycia na temat elementów krytycznych Ziemi
„Nowatorskie techniki rzadkich zdarzeń i uczenia maszynowego umożliwiły skuteczne oszacowanie prawdopodobieństwa przejścia w wielowymiarowych modelach klimatycznych, poprawiając nasze zrozumienie nagłych zmian” — mówi Ditlevsen. Przekroczywszy pierwotne cele, zespół projektu CriticalEarth ekstrapolował swoje wczesne sygnały ostrzegawcze na przyszłość, ujawniając załamanie AMOC(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w połowie XXI wieku. Tę dopracowaną prognozę, która ma dalekosiężne konsekwencje dla klimatu północnej Europy, opublikowano w ponad 2500 serwisach informacyjnych na całym świecie. Zespół zidentyfikował kluczowe progi, bifurkacje i nieodwracalność przejścia w modelach elementów krytycznych oraz odkrył nowe mechanizmy zmienności i odporności na przejścia krytyczne. Rozszerzenie teorii bifurkacji ujawniło, w jaki sposób załamanie się AMOC wpłynęłoby na globalne opady i jak sprzężone przekroczenie może ustabilizować lub zdestabilizować kluczowe podsystemy klimatyczne poddane zakłóceniom. Wreszcie narzędzia predykcyjne dotyczące reakcji klimatu na zaburzenia rzucają światło na czynniki, które wzmacniają lub hamują zmiany klimatu i kształtują statystyki przejść. Projekt CriticalEarth udostępnił narzędzia predykcyjne i istotne informacje na temat kluczowych zmian klimatycznych. Równie ważnym osiągnięciem jest przeszkolenie grupy 15 młodych, utalentowanych naukowców i naukowczyń, którzy będą kontynuować pracę nad udoskonaleniem wykrywania sygnałów wczesnego ostrzegania, wspierając w ten sposób działania zapobiegające nieodwracalnym zmianom klimatu i ich skutkom dla przyszłych pokoleń.