Le gratte-ciel en carbone

Au cours des dernières semaines, nous avons vu des événements météorologiques extrêmes record faire à plusieurs reprises la une des journaux, avec des conséquences dévastatrices. Le changement climatique modifie la fréquence et l'intensité des événements extrêmes tels que les vagues de chaleur, les incendies de forêt et les inondations, avec des effets énormes pour les sociétés et les économies où qu'ils se produisent. Dans ce contexte, nous revisitons un article du PDG et scientifique principal de Climate Central, Benjamin Strauss, sur un autre record à plus long terme et moins évident : le taux de changement accéléré des niveaux de CO2 atmosphérique.

Le gratte-ciel en carbone

Cet article fait partie de la nouvelle série de l'ISC, Transformer21, qui fera le point sur l'état des connaissances et de l'action, cinq ans après l'Accord de Paris et dans une année charnière pour l'action en faveur du développement durable. Cette pièce a été publiée pour la première fois par Le gang du Washington Post/Capital Weather et Climate Change Central.

La vitesse tue.

C'est pourquoi tirer des balles avec une arme à feu est plus dangereux que de les lancer à la main. Pourquoi les parachutistes utilisent des parachutes. Pourquoi les routes ont des limitations de vitesse. Et pourquoi il est essentiel de comprendre à quelle vitesse l'activité humaine conduira le climat à changer, par rapport aux taux passés. Allons-nous provoquer des changements graduels auxquels la civilisation et la vie sur Terre peuvent s'adapter, ou allons-nous allumer un feu de forêt qui ne peut pas être dépassé ?

Et c'est ainsi que les scientifiques se rendent dans l'Antarctique glacial, pour forer profondément dans ses calottes glaciaires et extraire des milliers de pieds de neige comprimée en glace. Ils datent soigneusement chaque couche, extraient de minuscules bulles d'atmosphère ancienne et mesurent la concentration de dioxyde de carbone, syntoniseur du thermostat de la planète.

De ce travail acharné, nous avons appris le modèle en dents de scie des niveaux de carbone au cours du dernier million d'années. Il a grimpé rapidement au cours des ascensions jusqu'à des intervalles chauds passés, un peu comme le climat d'aujourd'hui, et a lentement diminué dans les longues périodes glaciaires entre eux. Nous pouvons également voir la forte augmentation récente du dioxyde de carbone que les humains ont causée, principalement en brûlant des combustibles fossiles pour l'énergie. Le graphique utilisé pour montrer ce saut est sans doute la figure la plus emblématique de la science du climat.

Pour moi, cela a longtemps été l'illustration la plus puissante du danger du changement climatique. En un coup d'œil, cela montre à quel point nous nous sommes éloignés de la normale. Pourtant, il existe une illusion d'optique intégrée qui minimise grandement l'influence humaine.

En termes simples, il y a beaucoup de temps entre les extrémités gauche et droite de l'intrigue, presque un million d'années. L'œil peut à peine faire la différence entre les minuscules largeurs occupées par cent contre mille ans. Bien que le saut le plus récent du carbone soit clairement le plus haut et le plus raide, il ne semble pas beaucoup plus raide que les nombreuses augmentations qui l'ont précédé.

Mais la récente augmentation est en fait bien plus abrupte que tout saut passé dans ce record ou encore découvert. L'inclinaison est ce qui montre la vitesse d'augmentation du carbone et la vitesse prédit le danger. Plus le climat change rapidement, moins la société a la capacité, ainsi que les écosystèmes dont nous dépendons, de s'adapter à la nouvelle anormalité.

Vous pouvez commencer à voir la différence en zoomant pour ne regarder qu'une petite fraction récente de la chronologie de la figure. De nouvelles données de l'Antarctique viennent de nous donner notre vision la plus haute résolution à ce jour du dioxyde de carbone au cours des 67,000 XNUMX dernières années :

Au cours de cette période, vous pouvez voir le lent déclin du carbone jusqu'à ce que la Terre atteigne le point le plus froid de la dernière ère glaciaire, il y a environ 20,000 XNUMX ans. Puis, pendant sept à huit mille ans (la période entre les flèches), le carbone s'est naturellement élevé, réchauffant la planète jusqu'à ce qu'elle se rapproche de son climat actuel, propice à l'agriculture et à la civilisation.

Le pic à l'extrême droite, lié à l'activité humaine depuis la révolution industrielle, est évidemment beaucoup plus raide. Le problème est que nous devions effectuer un zoom avant pour voir ce contraste, mais nous devons effectuer un zoom arrière, comme le premier chiffre, pour le contexte plus large.

Heureusement, il existe un moyen simple de montrer la différence de vitesse de changement avec un très long enregistrement. De cette façon, il s'agit de se concentrer sur le changement de dioxyde de carbone par période de temps, plutôt que sur le niveau. Le résultat révèle le gratte-ciel en carbone à couper le souffle au sommet de cette pièce.

À ma connaissance, c'est la première fois que le bilan carbone historique est représenté de cette manière. Mon espoir en développant cette visualisation est de montrer clairement à quel point l'influence humaine a été dramatique et à quel point notre situation peut être grave.

Il est important de noter qu'il y a aussi un côté optimiste à cette pièce. La vitesse et l'échelle de l'industrie humaine peuvent également être appliquées à des solutions, et aujourd'hui, nous avons le potentiel d'agir rapidement pour réduire les émissions. Grâce aux énergies renouvelables et à d'autres technologies propres, et avec une politique intelligente et la volonté d'agir, les nations du monde peuvent fermer les vannes du carbone beaucoup plus rapidement que nous ne les avons ouvertes — en quelques décennies, pas des siècles.

Peut-être que l'intrigue du gratte-ciel n'a pas été essayée auparavant parce que nous n'avons pas de lectures directes du dioxyde de carbone pour les années exactes nécessaires. Il y a des lacunes dans l'enregistrement : pour toute la période indiquée, les scientifiques ont des mesures directes une fois tous les 400 ans environ en moyenne et environ une fois tous les 800 ans dans les parties les plus anciennes de la chronologie. Certains écarts dépassent 2,000 ans. La raison pour laquelle le graphique traditionnel semble complet est qu'une ligne est tracée entre les observations, reliant essentiellement les points. Mais d'un point de vue scientifique, ce n'est pas la meilleure façon de combler les lacunes.

Pour améliorer cette approche, mon collègue Scott Kulp a utilisé des réseaux de neurones, une forme d'intelligence artificielle, pour construire une courbe continue à partir des données inégales, présentées juste en dessous, et permettre des estimations pour n'importe quelle année. Le gratte-ciel en carbone est construit en prenant des lectures de la courbe tous les 1,000 XNUMX ans à partir du présent.

La courbe reconstruite est bien ajustée aux données. Mais le gratte-ciel millénaire sous-estime toujours notre situation.

Pourquoi? Des morceaux de temps de 1,000 100 ans ne peuvent pas capturer la vitesse du saut de carbone moderne, qui a presque tous eu lieu au siècle dernier. Si nous pouvions faire un complot de gratte-ciel de 1,000 ans, son apparence serait encore plus frappante. Cela ressemblerait beaucoup au gratte-ciel millénaire, mais avec le changement moyen par période, à l'exception du dernier pic, divisé par dix, créant un contraste encore plus grand. Malheureusement, les lacunes dans les données dans la plupart des enregistrements sont encore trop longues pour faire confiance à une reconstruction avec une résolution de 100 ans. Ou peut-être est-ce une chance : la version 1,000 ans semble assez intimidante.

Une chose est claire à toute résolution : l'humanité est sur une trajectoire accélérée avec des changements climatiques rapides et déstabilisants, à moins que nous ne puissions considérablement ralentir et arrêter notre pollution de l'atmosphère. Après cela, nous pourrons peut-être même trouver un moyen de le mettre à l'envers.

Méthode détaillée d'estimation des niveaux de CO2 des années passées sans données
Développé et mis en œuvre par Scott Kulp, Ph.D., Senior Computational Scientist, Climate Central

Pour les données brutes sur les concentrations passées de CO2, nous avons utilisé les données Antarctic Ice Cores Revised 800KYr CO2 Data (Bereiter et al. 2015) du World Data Center for Paleoclimatology, Boulder et du programme de paléoclimatologie de la NOAA, consultées en mai 2020. Pour la période de 8,877 67,257 – 2020 3 ans avant le présent (2), nous avons échangé des données plus récentes du record de CO2020 des isotopes marins WAIS Divide Ice Core Stage XNUMX (Brook XNUMX) au centre de données du programme antarctique américain.

Pour prédire la concentration de CO2 en fonction de l'année, afin de combler les années manquantes dans l'enregistrement direct, nous avons construit un réseau de neurones artificiels perceptrons multicouches, entraînés sur des observations basées sur des échantillons de carottes de la calotte glaciaire de l'Antarctique d'aujourd'hui à 800,000 1952 ans BP. Il y a 100,000 de telles observations, bien qu'elles ne soient pas uniformément réparties, avec plus de la moitié représentant des points avant XNUMX XNUMX BP.

Les réseaux de neurones sont couramment utilisés pour les analyses de régression hautement non linéaires, comme celle-ci. Notre réseau de neurones contient 4 couches : une couche d'entrée à 1 nœud (en prenant l'année comme une seule entrée), deux couches cachées avec respectivement 100 et 10 nœuds, et une couche de sortie à 1 nœud (la concentration de CO2 prédite). Le modèle a été formé à l'aide de la boîte à outils d'apprentissage en profondeur de Matlab, en utilisant la fonction de rétropropagation de Levenberg-Marquardt. 1854 des échantillons ont été choisis au hasard pour être utilisés comme ensemble d'apprentissage, 49 ont été utilisés pour l'ensemble de validation et les 49 autres ont été utilisés comme ensemble de test. La formation s'est déroulée jusqu'à ce que les prédictions faites avec l'ensemble de validation s'aggravent sur 6 époques consécutives, avec le biais final à 0.0025 et une erreur quadratique moyenne de 4.0 parties par million (ppm) pour l'ensemble d'apprentissage et de 0.46/4.19 ppm pour l'ensemble de test indépendant . Ces performances fortes et similaires entre les ensembles d'apprentissage et de test indiquent que le modèle n'a pas fortement surajusté.

Nous avons ensuite interrogé le modèle pour obtenir des estimations du niveau de CO2 de 1,000 800,000 à 2019 1,000 ans avant le présent (pris comme 409) à des intervalles de 411 2019 ans, et avons utilisé 2 ppm comme niveau actuel. La moyenne mondiale était de 2 ppm en 2, mais les niveaux de CO2 au-dessus de l'Antarctique sont inférieurs d'environ 1,000 ppm à la moyenne mondiale, nous avons donc effectué un ajustement pour tenir compte du fait que les niveaux de COXNUMX des carottes de glace proviennent de l'Antarctique. Enfin, nous avons pris des différences pour calculer le changement de COXNUMX pour chaque XNUMX XNUMX ans.


Benjamin Strauss

Benjamin Strauss
PDG et scientifique en chef, Climate Central

Le Dr Benjamin Strauss a été élu président et chef de la direction de Climate Central en avril 2018 et est également scientifique en chef. Il est l'auteur de nombreux articles et rapports scientifiques sur l'élévation du niveau de la mer et est l'architecte de la suite de cartes, d'outils et de visualisations Surging Seas.

Voir le site Web de Climate Central pour une biographie complète et des publications sélectionnées.

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