ناطحة سحاب الكربون - مجلس العلوم الدولي

هذه المقالة جزء من سلسلة ISC الجديدة ، Transform21، التي ستستكشف حالة المعرفة والعمل ، بعد خمس سنوات من اتفاق باريس وفي عام محوري للعمل بشأن التنمية المستدامة. تم نشر هذه القطعة لأول مرة من قبل واشنطن بوست / عصابة طقس العاصمة و وسط المناخ.

السرعة تقتل.

هذا هو السبب في أن إطلاق الرصاص من البندقية هو أخطر من رميها باليد. لماذا يستخدم القفز بالمظلات المظلات. لماذا الطرق لها حدود للسرعة. ولماذا من المهم فهم مدى السرعة التي يدفع بها النشاط البشري المناخ إلى التغيير ، مقارنة بالمعدلات السابقة. هل سنتسبب في تحولات تدريجية يمكن أن تتكيف معها الحضارة والحياة على الأرض - أم أننا نشعل حريقًا هائلًا لا يمكن تجاوزه؟

ولذا فإن العلماء يسافرون إلى القارة القطبية الجنوبية المتجمدة ، للحفر بعمق في طبقات الجليد وسحب آلاف الأقدام من الثلج المضغوط في الجليد. إنهم يؤرخون بعناية كل طبقة ، ويستخرجون فقاعات صغيرة من الغلاف الجوي القديم ، ويقيسون تركيز ثاني أكسيد الكربون ، موالف منظم الحرارة على الكوكب.

من هذا العمل الشاق ، تعلمنا نمط أسنان المنشار لمستويات الكربون على مدى المليون سنة الماضية. لقد انطلق بسرعة أثناء التسلق إلى الفترات الدافئة الماضية مثل مناخ اليوم ، ثم انحدر ببطء إلى العصور الجليدية الطويلة بينهما. يمكننا أيضًا أن نرى الزيادة الأخيرة الحادة في ثاني أكسيد الكربون التي تسبب فيها البشر ، وذلك أساسًا عن طريق حرق الوقود الأحفوري للحصول على الطاقة. يمكن القول إن الرسم البياني المستخدم لإظهار هذه القفزة هو الشخصية الأكثر شهرة في علم المناخ.

بالنسبة لي ، كان ذلك منذ فترة طويلة أقوى مثال على خطر تغير المناخ. في لمحة ، يظهر مدى ضخامة رحيلنا عن المعتاد. ومع ذلك ، هناك خداع بصري داخلي يقلل إلى حد كبير من التأثير البشري.

ببساطة ، هناك الكثير من الوقت الضائع بين الأطراف اليسرى واليمنى من الحبكة - ما يقرب من مليون سنة. بالكاد تستطيع العين التمييز بين العروض الصغيرة التي تحتلها مائة مقابل ألف عام. بينما من الواضح أن القفزة الأخيرة في الكربون هي الأعلى والأكثر انحدارًا ، إلا أنها لا تبدو أكثر حدة من الزيادات العديدة التي حدثت قبلها.

لكن الزيادة الأخيرة هي في الواقع أكثر حدة من أي قفزة سابقة في هذا الرقم القياسي أو تم اكتشافها حتى الآن. الانحدار هو ما يظهر زيادة سرعة الكربون - والسرعة تنذر بالخطر. كلما تغير المناخ بشكل أسرع ، قلت قدرة المجتمع ، جنبًا إلى جنب مع النظم البيئية التي نعتمد عليها ، على التكيف مع الوضع الجديد غير الطبيعي.

يمكنك أن تبدأ في رؤية الفرق من خلال التكبير للنظر في جزء صغير فقط من الجدول الزمني للشكل. أعطتنا البيانات الجديدة من القارة القطبية الجنوبية أعلى مظهر لدينا حتى الآن دقة عالية لثاني أكسيد الكربون خلال 67,000 سنة الماضية:

خلال تلك الفترة ، يمكنك أن ترى التراجع البطيء للكربون حتى وصلت الأرض إلى أبرد نقطة في العصر الجليدي الأخير ، منذ حوالي 20,000 عام. بعد ذلك ، لمدة سبعة إلى ثمانية آلاف سنة (الفترة بين الأسهم) ، ارتفع الكربون بشكل طبيعي ، مما أدى إلى ارتفاع درجة حرارة الكوكب بالقرب من مناخه الحالي - وهو مناسب للزراعة والحضارة.

من الواضح أن الارتفاع الهائل في أقصى اليمين ، المرتبط بالنشاط البشري منذ الثورة الصناعية ، أكثر حدة. تكمن المشكلة في أننا بحاجة إلى تكبير الصورة لرؤية هذا التباين — ولكن يتعين علينا التصغير ، مثل الشكل الأول ، للسياق الأوسع.

لحسن الحظ ، هناك طريقة بسيطة لإظهار الفرق في سرعة التغيير مع سجل طويل جدًا. بهذه الطريقة يتم التركيز على التغيير في ثاني أكسيد الكربون لكل فترة زمنية ، بدلاً من التركيز على المستوى. تظهر النتيجة ناطحة سحاب كربونية مذهلة في الجزء العلوي من هذه القطعة.

على حد علمي ، هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تصوير سجل الكربون التاريخي بهذه الطريقة. أملي في تطوير هذا التصور هو إظهار مدى دراماتيكية التأثير البشري - ومدى خطورة وضعنا.

الأهم من ذلك ، هناك جانب متفائل لهذه العملة أيضًا. يمكن أيضًا تطبيق سرعة وحجم الصناعة البشرية نحو الحلول ، واليوم ، لدينا القدرة على التحرك بسرعة لتقليل الانبعاثات. من خلال الطاقة المتجددة والتقنيات النظيفة الأخرى ، ومع السياسة الذكية والإرادة للعمل ، يمكن لدول العالم إغلاق بوابات الكربون بسرعة أكبر بكثير مما فتحناه - في غضون بضعة عقود ، وليس قرون.

ربما لم يتم تجربة مخطط ناطحة السحاب من قبل لأننا لا نمتلك قراءات مباشرة لثاني أكسيد الكربون للسنوات المطلوبة بالضبط. هناك فجوات في السجل: طوال الفترة الموضحة ، يمتلك العلماء قياسات مباشرة مرة واحدة كل 400 سنة أو نحو ذلك في المتوسط - وحوالي مرة واحدة كل 800 سنة في الأجزاء الأقدم من الجدول الزمني. بعض الفجوات تتجاوز 2,000 سنة. السبب في أن الرسم البياني التقليدي يبدو مكتملاً هو أنه يتم رسم خط بين الملاحظات ، ويربط النقاط بشكل أساسي. لكن من منظور علمي ، هذه ليست أفضل طريقة لملء الفجوات.

لتحسين هذا النهج ، استخدم زميلي سكوت كولب الشبكات العصبية ، وهي شكل من أشكال الذكاء الاصطناعي ، لبناء منحنى مستمر من البيانات غير المكتملة ، الموضحة أدناه ، والسماح بالتقديرات لأي عام. يتم إنشاء ناطحة السحاب الكربونية بأخذ قراءات من المنحنى كل 1,000 عام من الوقت الحاضر.

يتناسب المنحنى المعاد بناؤه جيدًا مع البيانات. لكن ناطحة السحاب التي يبلغ عمرها 1,000 عام لا تزال تقلل من مأزقنا.

لماذا ا؟ لا تستطيع القطع الزمنية التي يبلغ طولها 1,000 عام التقاط سرعة القفزة الكربونية الحديثة ، والتي حدثت جميعها تقريبًا في القرن الماضي. إذا تمكنا من إنشاء مخطط ناطحة سحاب لمدة 100 عام ، فسيكون مظهرها أكثر وضوحًا. سيبدو كثيرًا مثل ناطحة السحاب التي تبلغ 1,000 عام ، ولكن مع متوسط التغيير لكل فترة - باستثناء الارتفاع الأخير - مقسومًا على عشرة ، مما يخلق تباينًا أكبر. لسوء الحظ ، لا تزال فجوات البيانات عبر معظم السجلات طويلة جدًا بحيث لا يمكننا الثقة في إعادة الإعمار بقرار مدته 100 عام. أو ربما يكون هذا أمرًا محظوظًا: نسخة الألف عام تبدو مخيفة بدرجة كافية.

هناك شيء واحد واضح في أي قرار: الجنس البشري في مسار مكثف مع تغيرات مناخية سريعة ومزعزعة للاستقرار ، ما لم نتمكن من إبطاء وإيقاف تلوث الغلاف الجوي. بعد ذلك ، ربما يمكننا حتى إيجاد طريقة لعكسها.

طريقة مفصلة لتقدير مستويات ثاني أكسيد الكربون في السنوات الماضية بدون بيانات
تم تطويره وتنفيذه بواسطة سكوت كولب ، دكتوراه ، كبير علماء الحوسبة ، كلايمت سنترال

للحصول على بيانات أولية عن تركيزات ثاني أكسيد الكربون السابقة ، استخدمنا بيانات نوى الجليد في القطب الجنوبي المنقحة 2KYr CO800 (Bereiter et al. 2) من مركز البيانات العالمي لعلم المناخ القديم ، بولدر وبرنامج NOAA لعلم المناخ القديم ، الذي تم الوصول إليه في مايو 2015. للفترة من 2020 - قبل 8,877 عامًا من الوقت الحاضر (67,257) ، قمنا بتبديل المزيد من البيانات الحديثة من سجل WAIS Divide Ice Core Marine Isotope Stage 2020 (Brook 3) في مركز بيانات برنامج القطب الجنوبي الأمريكي.

للتنبؤ بتركيز ثاني أكسيد الكربون على أساس السنة ، من أجل ملء السنوات المفقودة من السجل المباشر ، قمنا ببناء شبكة عصبية اصطناعية متعددة الطبقات ، مدربة على الملاحظات المستندة إلى عينات من صفيحة الجليد في أنتاركتيكا من الوقت الحاضر حتى 2 سنة قبل الميلاد. هناك 800,000 ملاحظات من هذا القبيل ، على الرغم من أنها ليست موزعة بالتساوي ، مع أكثر من نصفها تمثل النقاط قبل 1952 BP.

تُستخدم الشبكات العصبية بشكل شائع لتحليلات الانحدار غير الخطي ، مثل هذا التحليل. تحتوي شبكتنا العصبية على 4 طبقات: طبقة إدخال ذات عقدة واحدة (تأخذ العام كمدخل فردي) ، وطبقتان مخفيتان مع 1 و 100 عقد ، على التوالي ، وطبقة إخراج أحادية العقدة (تركيز ثاني أكسيد الكربون المتوقع). تم تدريب النموذج باستخدام مربع أدوات التعلم العميق من Matlab ، باستخدام وظيفة النشر العكسي Levenberg-Marquardt. تم اختيار 10 عينة عشوائيًا لاستخدامها كمجموعة تدريب ، واستخدمت 1 عينة لمجموعة التحقق ، واستخدمت الـ 2 عينة المتبقية كمجموعة اختبار. استمر التدريب حتى ساءت التنبؤات التي تم إجراؤها باستخدام مجموعة التحقق من الصحة على مدى 1854 فترات متتالية ، مع التحيز النهائي عند 49 وجذر متوسط الخطأ التربيعي عند 49 جزء في المليون (جزء في المليون) لمجموعة التدريب ، و 6 / 0.0025 جزء في المليون لمجموعة الاختبار المستقلة . تشير هذه العروض القوية والمتشابهة بين مجموعات التدريب والاختبار إلى أن النموذج لم يكن أكثر من اللازم.

ثم استفسرنا عن النموذج للحصول على تقديرات مستوى ثاني أكسيد الكربون عند 2 إلى 1,000 سنة قبل الوقت الحاضر (مأخوذ باسم 800,000) على فترات 2019 سنة ، واستخدمنا 1,000 جزء في المليون على أنه المستوى الحالي. كان المتوسط العالمي 409 جزء في المليون في عام 411 ، لكن مستويات ثاني أكسيد الكربون فوق القارة القطبية الجنوبية تقل بنحو 2019 جزء في المليون عن المتوسط العالمي ، لذلك قمنا بإجراء تعديل لمراعاة حقيقة أن مستويات ثاني أكسيد الكربون الجليدية تأتي من القارة القطبية الجنوبية. أخيرًا ، أخذنا الاختلافات لحساب التغيير في ثاني أكسيد الكربون لكل 2 عام.

بنيامين شتراوس
الرئيس التنفيذي وكبير العلماء ، كلايمت سنترال

تم انتخاب الدكتور بنجامين شتراوس رئيسًا ومديرًا تنفيذيًا لـ Climate Central في أبريل 2018 ويشغل أيضًا منصب كبير العلماء. وهو مؤلف للعديد من الأوراق والتقارير العلمية حول ارتفاع مستوى سطح البحر وهو مهندس مجموعة سورجنج سيز من الخرائط والأدوات والتصورات.

انظر موقع ويب Climate Central للحصول على سيرة ذاتية كاملة ومنشورات مختارة.