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O arranha-céu de carbono

Nas últimas semanas, vimos eventos climáticos extremos que quebraram recordes atingirem repetidamente as manchetes, com consequências devastadoras. As mudanças climáticas estão mudando a frequência e a intensidade de eventos extremos, como ondas de calor, incêndios florestais e inundações, com enormes efeitos para as sociedades e economias onde quer que ocorram. Neste contexto, estamos revisitando uma postagem do CEO do Climate Central e cientista-chefe Benjamin Strauss sobre mais um recorde que é de longo prazo e menos óbvio: a taxa cada vez maior de mudança nos níveis de CO2 atmosférico.

Este artigo faz parte da nova série do ISC, Transformar21, que irá explorar o estado de conhecimento e ação, cinco anos após o Acordo de Paris e em um ano crucial para a ação sobre o desenvolvimento sustentável. Esta peça foi publicada pela primeira vez por The Washington Post / Capital Weather Gang e Central do clima.

A velocidade mata.

É por isso que atirar com uma arma é mais perigoso do que atirar com as mãos. Por que os paraquedistas usam pára-quedas. Por que as estradas têm limites de velocidade. E por que é fundamental entender a rapidez com que a atividade humana levará o clima a mudar, em comparação com as taxas anteriores. Iremos causar mudanças graduais às quais a civilização e a vida na Terra podem se adaptar - ou estamos acendendo um incêndio florestal que não pode ser superado?

E é assim que os cientistas viajam para a gelada Antártica, para perfurar profundamente suas camadas de gelo e retirar milhares de metros de neve comprimida em gelo. Eles datam cuidadosamente cada camada, extraem minúsculas bolhas da atmosfera antiga e medem a concentração de dióxido de carbono, sintonizador do termostato do planeta.

Com esse trabalho árduo, aprendemos o padrão dente de serra dos níveis de carbono nos últimos milhões de anos. Ele subiu rapidamente durante as escaladas para além dos intervalos quentes, um pouco como o clima de hoje, e desceu lentamente para as longas eras glaciais entre eles. Também podemos ver o forte aumento recente de dióxido de carbono que os humanos causaram, principalmente pela queima de combustíveis fósseis para obter energia. O gráfico usado para mostrar esse salto é indiscutivelmente a figura mais icônica na ciência do clima.

Para mim, há muito tempo é a ilustração mais poderosa do perigo da mudança climática. À primeira vista, isso mostra o quão grande nos distanciamos do normal. No entanto, há uma ilusão de ótica embutida que subestima muito a influência humana.

Simplificando, há muito tempo espremido entre as pontas esquerda e direita da trama - quase um milhão de anos. O olho mal pode dizer a diferença entre as pequenas larguras ocupadas por cem e mil anos. Embora o salto mais recente no carbono seja claramente o mais alto e mais íngreme, ele não parece muito mais íngreme do que muitos aumentos que vieram antes dele.

Mas o aumento recente é de fato muito mais acentuado do que qualquer salto anterior neste registro ou já descoberto. A inclinação é o que mostra a velocidade do aumento do carbono - e a velocidade prediz perigo. Quanto mais rápidas as mudanças climáticas, menor a capacidade da sociedade, junto com os ecossistemas dos quais dependemos, de se adaptar ao novo anormal.

Você pode começar a ver a diferença ampliando para ver apenas uma pequena fração recente da linha do tempo da figura. Novos dados da Antártica acabam de nos dar nossa aparência de maior resolução do dióxido de carbono durante os últimos 67,000 anos:

Nesse período, você pode ver o lento declínio do carbono até que a Terra atingiu o ponto mais frio da última era do gelo, cerca de 20,000 anos atrás. Então, por sete a oito mil anos (o período entre as setas), o carbono disparou naturalmente, aquecendo o planeta até perto de seu clima atual - favorável à agricultura e à civilização.

O pico na extrema direita, vinculado à atividade humana desde a Revolução Industrial, é obviamente muito mais acentuado. O problema é que precisávamos aumentar o zoom para ver esse contraste - mas precisamos diminuir o zoom, como a primeira figura, para o contexto mais amplo.

Felizmente, existe uma maneira simples de mostrar a diferença na velocidade de mudança junto com um registro muito longo. Dessa forma, é focar na mudança do dióxido de carbono por período de tempo, em vez de no nível. O resultado revela o arranha-céu de carbono de cair o queixo no topo desta peça.

Que eu saiba, esta é a primeira vez que o registro histórico de carbono é retratado dessa forma. Minha esperança ao desenvolver esta visualização é mostrar claramente quão dramática tem sido a influência humana - e quão grave nossa situação pode ser.

É importante ressaltar que essa moeda também tem um lado otimista. A velocidade e a escala da indústria humana também podem ser aplicadas em soluções e, hoje, temos potencial para agir rapidamente para reduzir as emissões. Por meio de energia renovável e outras tecnologias limpas, e com política inteligente e vontade de agir, as nações do mundo podem fechar as comportas de carbono com muito mais rapidez do que abrimos - em poucas décadas, não séculos.

Talvez o gráfico do arranha-céu não tenha sido tentado antes porque não temos leituras diretas de dióxido de carbono para os anos exatos necessários. Existem lacunas no registro: para todo o período mostrado, os cientistas têm medições diretas uma vez a cada 400 anos ou mais, em média - e cerca de uma vez a cada 800 anos nas partes mais antigas da linha do tempo. Algumas lacunas ultrapassam 2,000 anos. A razão pela qual o gráfico tradicional parece completo é que uma linha é desenhada entre as observações, essencialmente conectando os pontos. Mas, de uma perspectiva científica, essa não é a melhor maneira de preencher as lacunas.

Para aprimorar essa abordagem, meu colega Scott Kulp usou redes neurais, uma forma de inteligência artificial, para construir uma curva contínua a partir dos dados fragmentados, mostrados logo abaixo, e permitir estimativas para qualquer ano. O arranha-céu de carbono é construído fazendo leituras da curva a cada 1,000 anos, desde o presente.

A curva reconstruída tem um bom ajuste aos dados. Mas o arranha-céu de 1,000 anos ainda atenua nossa situação.

Porque? Longos pedaços de tempo de 1,000 anos não podem capturar a velocidade do salto moderno do carbono, quase todo ocorrido no século passado. Se pudéssemos fazer um enredo de arranha-céus de 100 anos, sua aparência seria ainda mais nítida. Ele se pareceria muito com o arranha-céu de 1,000 anos, mas com a mudança média por período - exceto o último pico - dividida por dez, criando um contraste ainda maior. Infelizmente, as lacunas de dados na maior parte do registro ainda são muito longas para colocar a confiança em uma reconstrução com uma resolução de 100 anos. Ou talvez isso seja uma sorte: a versão de 1,000 anos parece assustadora o suficiente.

Uma coisa é clara em qualquer resolução: a humanidade está em um curso intensivo com mudanças climáticas rápidas e desestabilizadoras, a menos que consigamos reduzir drasticamente a velocidade e interromper a poluição da atmosfera. Depois disso, talvez possamos até encontrar uma maneira de inverter as coisas.

Método detalhado para estimar os níveis de CO2 em anos anteriores sem dados
Desenvolvido e implementado por Scott Kulp, Ph.D., Cientista Computacional Sênior, Climate Central

Para dados brutos sobre as concentrações de CO2 anteriores, usamos os dados de CO800 do Antárctic Ice Cores Revised 2KYr (Bereiter et al. 2015) do World Data Center for Paleoclimatology, Boulder e do NOAA Paleoclimatology Program, acessado em maio de 2020. Para o período de 8,877 - 67,257 anos antes do presente (2020), trocamos os dados mais recentes do registro WAIS Divide Ice Core Isotope Marinho Estágio 3 (Brook 2) no Centro de Dados do Programa Antártico dos EUA.

Para prever a concentração de CO2 com base no ano, a fim de preencher os anos ausentes do registro direto, construímos uma rede neural artificial perceptron multicamadas, treinada em observações baseadas em amostras de gelo da camada de gelo da Antártica dos dias atuais até 800,000 anos AP. Existem 1952 dessas observações, embora não sejam uniformemente distribuídas, com mais da metade representando pontos antes de 100,000 BP.

Redes neurais são comumente usadas para análises de regressão altamente não lineares, como esta. Nossa rede neural contém 4 camadas: uma camada de entrada de 1 nó (considerando o ano como uma única entrada), duas camadas ocultas com 100 e 10 nós, respectivamente, e uma camada de saída de 1 nó (a concentração de CO2 prevista). O modelo foi treinado usando o Deep Learning Toolbox do Matlab, empregando a função de retropropagação de Levenberg-Marquardt. 1854 das amostras foram escolhidas aleatoriamente para serem usadas como o conjunto de treinamento, 49 foram usadas para o conjunto de validação e as 49 restantes foram usadas como o conjunto de teste. O treinamento correu até que as previsões feitas com o conjunto de validação pioraram em 6 épocas consecutivas, com o viés final em 0.0025 e erro quadrático médio em 4.0 partes por milhão (ppm) para o conjunto de treinamento e 0.46 / 4.19 ppm para o conjunto de teste independente . Esses desempenhos fortes e semelhantes entre os conjuntos de treinamento e teste indicam que o modelo não se ajustou excessivamente.

Em seguida, consultamos o modelo para obter estimativas de nível de CO2 em 1,000 a 800,000 anos antes do presente (considerado como 2019) em intervalos de 1,000 anos e usamos 409 ppm como o nível atual. A média global era de 411 ppm em 2019, mas os níveis de CO2 na Antártica são cerca de 2 ppm abaixo da média global, então fizemos um ajuste para levar em conta o fato de que os níveis de CO2 do núcleo de gelo vêm da Antártica. Finalmente, pegamos as diferenças para calcular a mudança no CO2 a cada 1,000 anos.


Benjamim Strauss

Benjamim Strauss
CEO e cientista-chefe, Climate Central

O Dr. Benjamin Strauss foi eleito presidente e CEO da Climate Central em abril de 2018 e também atua como cientista-chefe. Ele é autor de vários artigos científicos e relatórios sobre a elevação do nível do mar e é o arquiteto do conjunto de mapas, ferramentas e visualizações do Surging Seas.

Consulte o site da Central do Clima para obter uma biografia completa e publicações selecionadas.

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