Il grattacielo in carbonio

Nelle ultime settimane, abbiamo visto eventi meteorologici estremi da record colpire ripetutamente i titoli dei giornali, con conseguenze devastanti. Il cambiamento climatico sta modificando la frequenza e l'intensità di eventi estremi come ondate di caldo, incendi e inondazioni, con effetti enormi per le società e le economie ovunque si verifichino. In questo contesto, stiamo rivedendo un post del CEO di Climate Central e scienziato capo Benjamin Strauss su un altro record che è a lungo termine e meno ovvio: il tasso di accelerazione del cambiamento nei livelli di CO2 atmosferica.

Il grattacielo in carbonio

Questo articolo fa parte della nuova serie di ISC, Trasforma21, che esplorerà lo stato delle conoscenze e dell'azione, a cinque anni dall'accordo di Parigi e in un anno cruciale per l'azione in materia di sviluppo sostenibile. Questo pezzo è stato pubblicato per la prima volta da La banda del Washington Post/Capital Weather ed Clima Centrale.

La velocità uccide.

Ecco perché sparare proiettili da una pistola è più pericoloso che lanciarli a mano. Perché i paracadutisti usano i paracadute. Perché le strade hanno limiti di velocità. E perché è fondamentale capire quanto velocemente l'attività umana guiderà il cambiamento climatico, rispetto ai tassi passati. Causeremo cambiamenti graduali a cui la civiltà e la vita sulla Terra possono adattarsi o stiamo accendendo un incendio che non può essere superato?

Ed è così che gli scienziati si recano nella gelida Antartide, per perforare in profondità le sue calotte glaciali ed estrarre migliaia di piedi di neve compressa nel ghiaccio. Datano accuratamente ogni strato, estraggono minuscole bolle di atmosfera antica e misurano la concentrazione di anidride carbonica, sintonizzatore del termostato del pianeta.

Da questo duro lavoro, abbiamo imparato l'andamento a dente di sega dei livelli di carbonio negli ultimi milioni di anni. È salito rapidamente durante le salite fino a superare intervalli caldi un po' come il clima di oggi, e si è lentamente abbassato nelle lunghe ere glaciali tra di loro. Possiamo anche vedere il forte aumento recente del biossido di carbonio causato dagli esseri umani, principalmente bruciando combustibili fossili per produrre energia. Il grafico utilizzato per mostrare questo salto è probabilmente la figura più iconica della scienza del clima.

Per me, è stato a lungo l'illustrazione più potente del pericolo del cambiamento climatico. A colpo d'occhio, mostra quanto sia stato grande il distacco dalla normalità. Eppure c'è un'illusione ottica incorporata che sottovaluta notevolmente l'influenza umana.

In poche parole, c'è molto tempo schiacciato tra l'estremità sinistra e quella destra della trama, quasi un milione di anni. L'occhio riesce a malapena a distinguere tra le minuscole larghezze occupate da cento contro mille anni. Sebbene il salto di carbonio più recente sia chiaramente il più alto e il più ripido, non sembra molto più ripido di molti incrementi che lo hanno preceduto.

Ma il recente aumento è in realtà molto più ripido di qualsiasi salto passato in questo record o ancora scoperto. La ripidezza è ciò che mostra la velocità dell'aumento del carbonio e la velocità predice il pericolo. Più velocemente cambia il clima, minore è la capacità della società, insieme agli ecosistemi da cui dipendiamo, di adattarsi al nuovo anormale.

Puoi iniziare a vedere la differenza ingrandendo per guardare solo una piccola frazione recente della sequenza temporale della figura. Nuovi dati dall'Antartide ci hanno appena fornito il nostro aspetto con la più alta risoluzione mai visto dell'anidride carbonica negli ultimi 67,000 anni:

All'interno di quel periodo, puoi vedere il lento declino del carbonio fino a quando la Terra non ha raggiunto il punto più freddo dell'ultima era glaciale, circa 20,000 anni fa. Poi, per sette-ottomila anni (il periodo tra le frecce), il carbonio si è alzato naturalmente, riscaldando il pianeta fino a raggiungere il suo clima attuale, ospitale per l'agricoltura e la civiltà.

Il picco a strapiombo all'estrema destra, legato all'attività umana sin dalla rivoluzione industriale, è ovviamente molto più ripido. Il problema è che dovevamo ingrandire molto per vedere questo contrasto, ma dobbiamo rimpicciolire, come la prima figura, per il contesto più ampio.

Fortunatamente, c'è un modo semplice per mostrare la differenza di velocità di cambiamento insieme a un record molto lungo. In questo modo si dovrebbe concentrarsi sul cambiamento dell'anidride carbonica per periodo di tempo, invece che sul livello. Il risultato rivela lo sbalorditivo grattacielo di carbonio nella parte superiore di questo pezzo.

Per quanto ne so, questa è la prima volta che il record storico di carbonio viene rappresentato in questo modo. La mia speranza nello sviluppare questa visualizzazione è di mostrare chiaramente quanto sia stata drammatica l'influenza umana e quanto grave possa essere la nostra situazione.

È importante sottolineare che c'è anche un lato ottimista in questa moneta. La velocità e la portata dell'industria umana possono essere applicate anche alle soluzioni e oggi abbiamo il potenziale per agire rapidamente per ridurre le emissioni. Attraverso l'energia rinnovabile e altre tecnologie pulite, e con una politica intelligente e la volontà di agire, le nazioni del mondo possono chiudere le porte del carbonio molto più rapidamente di quanto noi le aprissimo, in pochi decenni, non secoli.

Forse la trama del grattacielo non è stata provata prima perché non abbiamo letture dirette dell'anidride carbonica per gli anni esatti necessari. Ci sono lacune nel record: per l'intero periodo mostrato, gli scienziati hanno misurazioni dirette una volta ogni 400 anni circa in media e circa una volta ogni 800 anni nelle parti più antiche della sequenza temporale. Alcuni divari superano i 2,000 anni. Il motivo per cui il grafico tradizionale sembra completo è che viene tracciata una linea tra le osservazioni, che essenzialmente collega i punti. Ma da un punto di vista scientifico, questo non è il modo migliore per colmare le lacune.

Per migliorare questo approccio, il mio collega Scott Kulp ha utilizzato le reti neurali, una forma di intelligenza artificiale, per costruire una curva continua dai dati irregolari, mostrati appena sotto, e consentire stime per qualsiasi anno. Il grattacielo di carbonio è costruito prendendo letture dalla curva ogni 1,000 anni a partire dal presente.

La curva ricostruita si adatta bene ai dati. Ma il grattacielo di 1,000 anni sottovaluta ancora la nostra situazione.

Come mai? I blocchi di tempo lunghi 1,000 anni non possono catturare la velocità del moderno salto di carbonio, quasi tutto avvenuto nel secolo scorso. Se potessimo realizzare una trama di un grattacielo di 100 anni, il suo aspetto sarebbe ancora più spoglio. Sembrerebbe molto simile al grattacielo di 1,000 anni, ma con la variazione media per periodo, tranne l'ultimo picco, divisa per dieci, creando un contrasto ancora maggiore. Sfortunatamente, le lacune di dati nella maggior parte del record sono ancora troppo lunghe per riporre fiducia in una ricostruzione con una risoluzione di 100 anni. O forse è una fortuna: la versione da 1,000 anni sembra abbastanza scoraggiante.

Una cosa è chiara a qualsiasi risoluzione: l'umanità è in rotta di collisione con cambiamenti climatici rapidi e destabilizzanti, a meno che non riusciamo a rallentare drasticamente e fermare il nostro inquinamento dell'atmosfera. Dopodiché, forse possiamo anche trovare un modo per metterlo al contrario.

Metodo dettagliato per la stima dei livelli di CO2 negli anni passati senza dati
Sviluppato e implementato da Scott Kulp, Ph.D., Senior Computational Scientist, Climate Central

Per i dati grezzi sulle concentrazioni passate di CO2, abbiamo utilizzato i dati sulla CO800 2KYr rivisti dell'Antartide (Bereiter et al. 2015) dal World Data Center for Paleoclimatology, Boulder e dal NOAA Paleoclimatology Program, consultati a maggio 2020. Per il periodo da 8,877 – 67,257 anni prima del presente (2020), abbiamo scambiato dati più recenti dal record WAIS Divide Ice Core Marine Isotope Stage 3 CO2 (Brook 2020) presso il US Antarctic Program Data Center.

Per prevedere la concentrazione di CO2 in base all'anno, al fine di colmare gli anni mancanti dal record diretto, abbiamo costruito una rete neurale artificiale percettron multistrato, addestrata su osservazioni basate su campioni di calotta glaciale antartica da oggi a 800,000 anni BP. Ci sono 1952 osservazioni di questo tipo, sebbene non siano distribuite uniformemente, con più della metà che rappresentano punti prima di 100,000 BP.

Le reti neurali sono comunemente usate per analisi di regressione altamente non lineari, come questa. La nostra rete neurale contiene 4 livelli: uno strato di input a 1 nodo (prendendo l'anno come input singolo), due strati nascosti con rispettivamente 100 e 10 nodi e uno strato di output a 1 nodo (la concentrazione di CO2 prevista). Il modello è stato addestrato utilizzando il Deep Learning Toolbox di Matlab, utilizzando la funzione di backpropagation di Levenberg-Marquardt. 1854 campioni sono stati scelti casualmente per essere utilizzati come set di addestramento, 49 sono stati utilizzati per il set di convalida e i restanti 49 sono stati utilizzati come set di test. Il training è durato fino a quando le previsioni fatte con il set di validazione non sono peggiorate in 6 epoche consecutive, con la deviazione finale a 0.0025 e l'errore quadratico medio della radice a 4.0 parti per milione (ppm) per il set di addestramento e 0.46/4.19 ppm per il set di test indipendente . Queste prestazioni forti e simili tra i set di addestramento e di test indicano che il modello non si adattava fortemente.

Abbiamo quindi interrogato il modello per ottenere stime del livello di CO2 da 1,000 a 800,000 anni prima del presente (preso come 2019) a intervalli di 1,000 anni e abbiamo utilizzato 409 ppm come livello attuale. La media globale era di 411 ppm nel 2019, ma i livelli di CO2 sopra l'Antartide sono circa 2 ppm inferiori alla media globale, quindi abbiamo apportato un aggiustamento per tenere conto del fatto che i livelli di CO2 della carota di ghiaccio provengono dall'Antartide. Infine, abbiamo preso le differenze per calcolare la variazione di CO2 per ogni 1,000 anni.

Benjamin Strauss

Benjamin Strauss
CEO e capo scienziato, Climate Central

Il Dr. Benjamin Strauss è stato eletto Presidente e CEO di Climate Central nell'aprile 2018 e ricopre anche il ruolo di Chief Scientist. È autore di numerosi articoli scientifici e rapporti sull'innalzamento del livello del mare ed è l'architetto della suite di mappe, strumenti e visualizzazioni Surge Seas.

Vedere il sito web di Climate Central per una biografia completa e pubblicazioni selezionate.

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