El rascacielos de carbono

En las últimas semanas, hemos visto eventos climáticos extremos que batieron récords en repetidas ocasiones en los titulares, con consecuencias devastadoras. El cambio climático está cambiando la frecuencia e intensidad de eventos extremos como olas de calor, incendios forestales e inundaciones, con enormes efectos para las sociedades y economías dondequiera que golpeen. En este contexto, estamos revisando una publicación del director ejecutivo y científico principal de Climate Central, Benjamin Strauss, sobre un récord más que es a más largo plazo y menos obvio: la tasa de cambio acelerado en los niveles de CO2 atmosférico.

El rascacielos de carbono

Este artículo es parte de la nueva serie de ISC, Transformar21, que explorará el estado del conocimiento y la acción, cinco años después del Acuerdo de París y en un año crucial para la acción sobre el desarrollo sostenible. Este artículo fue publicado por primera vez por The Washington Post / Capital Weather Gang y clima central.

La velocidad mata.

Es por eso que disparar balas con un arma es más peligroso que lanzarlas con la mano. Por qué los paracaidistas usan paracaídas. Por qué las carreteras tienen límites de velocidad. Y por qué es fundamental comprender qué tan rápido la actividad humana conducirá al cambio climático, en comparación con las tasas anteriores. ¿Provocaremos cambios graduales a los que la civilización y la vida en la Tierra puedan adaptarse, o estaremos encendiendo un incendio forestal que no se puede dejar atrás?

Y así es que los científicos viajan a la gélida Antártida, para perforar profundamente sus capas de hielo y extraer miles de pies de nieve comprimida en hielo. Ellos fechan cuidadosamente cada capa, extraen pequeñas burbujas de atmósfera antigua y miden la concentración de dióxido de carbono, sintonizador del termostato del planeta.

De este arduo trabajo, hemos aprendido el patrón de dientes de sierra de los niveles de carbono durante los últimos millones de años. Se ha disparado rápidamente durante las subidas a intervalos cálidos pasados, un poco como el clima de hoy, y descendió lentamente en las largas edades de hielo entre ellos. También podemos ver el fuerte aumento reciente de dióxido de carbono que los humanos han causado, principalmente por la quema de combustibles fósiles para obtener energía. El gráfico utilizado para mostrar este salto es posiblemente la figura más emblemática de la ciencia climática.

Para mí, ha sido durante mucho tiempo la ilustración más poderosa del peligro del cambio climático. De un vistazo, muestra cuán enorme nos hemos alejado de lo normal. Sin embargo, hay una ilusión óptica incorporada que subestima en gran medida la influencia humana.

En pocas palabras, hay mucho tiempo aplastado entre los extremos izquierdo y derecho de la trama, casi un millón de años. El ojo apenas puede distinguir la diferencia entre los diminutos anchos ocupados por cien y mil años. Si bien el salto más reciente en carbono es claramente el más alto y empinado, no parece mucho más pronunciado que muchos aumentos anteriores.

Pero el aumento reciente es de hecho mucho más pronunciado que cualquier salto pasado en este récord o que se haya descubierto hasta ahora. La pendiente es lo que muestra la velocidad del aumento de carbono, y la velocidad predice el peligro. Cuanto más rápido cambia el clima, menos capacidad tiene la sociedad, junto con los ecosistemas de los que dependemos, para adaptarse a las nuevas anomalías.

Puede comenzar a ver la diferencia haciendo zoom para ver solo una pequeña fracción reciente de la línea de tiempo de la figura. Los nuevos datos de la Antártida nos acaban de dar nuestra mirada de más alta resolución hasta el momento del dióxido de carbono durante los últimos 67,000 años:

Dentro de ese período, se puede ver la lenta disminución del carbono hasta que la Tierra alcanzó el punto más frío de la última edad de hielo, hace unos 20,000 años. Luego, durante siete a ocho mil años (el período entre las flechas), el carbono se disparó naturalmente, calentando el planeta hasta casi su clima actual, propicio para la agricultura y la civilización.

El gran aumento en la extrema derecha, vinculado a la actividad humana desde la Revolución Industrial, es obviamente mucho más pronunciado. El problema es que necesitábamos acercarnos mucho para ver este contraste, pero tenemos que alejarnos, como la primera figura, para un contexto más amplio.

Afortunadamente, existe una forma sencilla de mostrar la diferencia en la velocidad del cambio junto con un registro muy largo. De esa forma se centra en el cambio de dióxido de carbono por período de tiempo, en lugar de en el nivel. El resultado revela el asombroso rascacielos de carbono en la parte superior de esta pieza.

Que yo sepa, esta es la primera vez que el registro histórico de carbono se ha representado de esta manera. Mi esperanza al desarrollar esta visualización es mostrar claramente cuán dramática ha sido la influencia humana y cuán grave puede ser nuestra situación.

Es importante destacar que esta moneda también tiene un lado optimista. La velocidad y la escala de la industria humana también se pueden aplicar a las soluciones y, hoy en día, tenemos el potencial de actuar rápidamente para reducir las emisiones. A través de la energía renovable y otras tecnologías limpias, y con una política inteligente y la voluntad de actuar, las naciones del mundo pueden cerrar las compuertas de carbono mucho más rápido de lo que las abrimos, en unas pocas décadas, no siglos.

Quizás la trama del rascacielos no se haya probado antes porque no tenemos lecturas directas de dióxido de carbono para los años exactos necesarios. Hay lagunas en el registro: para todo el período que se muestra, los científicos tienen mediciones directas una vez cada 400 años aproximadamente en promedio, y aproximadamente una vez cada 800 años en las partes más antiguas de la línea de tiempo. Algunas brechas superan los 2,000 años. La razón por la que el gráfico tradicional parece completo es que se traza una línea entre las observaciones, que esencialmente conecta los puntos. Pero desde una perspectiva científica, esa no es la mejor manera de llenar los vacíos.

Para mejorar ese enfoque, mi colega Scott Kulp usó redes neuronales, una forma de inteligencia artificial, para construir una curva continua a partir de los datos irregulares, que se muestran justo debajo, y permitir estimaciones para cualquier año. El rascacielos de carbono se construye tomando lecturas de la curva cada 1,000 años desde el presente.

La curva reconstruida se ajusta bien a los datos. Pero el rascacielos de 1,000 años todavía subestima nuestra situación.

¿Por qué? Los fragmentos de tiempo de 1,000 años no pueden capturar la velocidad del salto de carbono moderno, casi todo lo cual ha tenido lugar en el último siglo. Si pudiéramos hacer una trama de rascacielos de 100 años, su apariencia sería aún más cruda. Se parecería mucho al rascacielos de 1,000 años, pero con el cambio promedio por período, excepto el último pico, dividido por diez, creando un contraste aún mayor. Desafortunadamente, las lagunas de datos en la mayor parte del registro son todavía demasiado largas para confiar en una reconstrucción con una resolución de 100 años. O tal vez sea una suerte: la versión de 1,000 años parece lo suficientemente desalentadora.

Una cosa está clara en cualquier resolución: la humanidad está en un curso acelerado con cambios climáticos rápidos y desestabilizadores, a menos que podamos reducir drásticamente y detener nuestra contaminación de la atmósfera. Después de eso, tal vez incluso podamos encontrar una manera de ponerlo al revés.

Método detallado para estimar los niveles de CO2 en los últimos años sin datos
Desarrollado e implementado por Scott Kulp, Ph.D., Científico Computacional Senior, Climate Central

Para obtener datos brutos sobre concentraciones de CO2 pasadas, utilizamos los datos de CO800 revisados ​​de 2KYr de núcleos de hielo antártico (Bereiter et al. 2015) del Centro Mundial de Datos de Paleoclimatología, Boulder y el Programa de Paleoclimatología de la NOAA, consultado en mayo de 2020. Para el período de 8,877 - 67,257 años antes del presente (2020), intercambiamos datos más recientes del registro WAIS Divide Ice Core Marine Isotope Stage 3 CO2 (Brook 2020) en el Centro de Datos del Programa Antártico de EE. UU.

Para predecir la concentración de CO2 según el año, con el fin de completar los años que faltan en el registro directo, construimos una red neuronal artificial de perceptrón multicapa, entrenada en observaciones basadas en muestras de núcleos de capas de hielo antárticas desde la actualidad hasta los 800,000 años AP. Hay 1952 observaciones de este tipo, aunque no están distribuidas de manera uniforme, con más de la mitad que representan puntos antes de 100,000 AP.

Las redes neuronales se utilizan comúnmente para análisis de regresión altamente no lineal, como este. Nuestra red neuronal contiene 4 capas: una capa de entrada de 1 nodo (tomando el año como una entrada única), dos capas ocultas con 100 y 10 nodos, respectivamente, y una capa de salida de 1 nodo (la concentración de CO2 predicha). El modelo se entrenó utilizando la caja de herramientas de aprendizaje profundo de Matlab, empleando la función de retropropagación de Levenberg-Marquardt. 1854 de las muestras se eligieron al azar para utilizarlas como conjunto de entrenamiento, 49 se utilizaron para el conjunto de validación y las 49 restantes se utilizaron como conjunto de prueba. El entrenamiento se ejecutó hasta que las predicciones hechas con el conjunto de validación empeoraron durante 6 épocas consecutivas, con el sesgo final en 0.0025 y el error cuadrático medio de la raíz en 4.0 partes por millón (ppm) para el conjunto de entrenamiento y 0.46 / 4.19 ppm para el conjunto de prueba independiente. . Estos rendimientos fuertes y similares entre los conjuntos de entrenamiento y prueba indican que el modelo no se sobreajustó fuertemente.

Luego consultamos el modelo para obtener estimaciones del nivel de CO2 de 1,000 a 800,000 años antes del presente (tomado como 2019) a intervalos de 1,000 años, y usamos 409 ppm como nivel actual. El promedio mundial fue de 411 ppm en 2019, pero los niveles de CO2 en la Antártida son aproximadamente 2 ppm más bajos que el promedio mundial, por lo que hicimos un ajuste para tener en cuenta el hecho de que los niveles de CO2 del núcleo de hielo provienen de la Antártida. Finalmente, tomamos diferencias para calcular el cambio en CO2 por cada 1,000 años.

benjamin strauss

benjamin strauss
Director ejecutivo y científico jefe, Climate Central

El Dr. Benjamin Strauss fue elegido presidente y director ejecutivo de Climate Central en abril de 2018 y también se desempeña como científico jefe. Es autor de numerosos artículos científicos e informes sobre el aumento del nivel del mar y es el arquitecto del conjunto de mapas, herramientas y visualizaciones de Surging Seas.

Consulte el sitio web de Climate Central para obtener una biografía completa y publicaciones seleccionadas.

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