Подписаться

Углеродный небоскреб

В последние недели мы стали свидетелями того, как рекордные экстремальные погодные явления неоднократно попадали в заголовки газет с разрушительными последствиями. Изменение климата меняет частоту и интенсивность экстремальных явлений, таких как аномальная жара, лесные пожары и наводнения, с огромными последствиями для общества и экономики, где бы они ни происходили. В этом контексте мы пересматриваем сообщение генерального директора Climate Central и ведущего научного сотрудника Бенджамина Штрауса о еще одном рекордсмене, который является более долгосрочным и менее очевидным: ускорение скорости изменения уровня CO2 в атмосфере.

Эта статья является частью новой серии ISC, Преобразование21, который исследует состояние знаний и действий через пять лет после Парижского соглашения и в ключевой год для действий в области устойчивого развития. Это произведение было впервые опубликовано The Washington Post / Capital Weather Gang и Климат Центральной.

Скорость убивает.

Вот почему стрелять пулями из пистолета опаснее, чем бросать их руками. Почему парашютисты используют парашюты. Почему на дорогах есть ограничения скорости. И почему так важно понять, насколько быстро деятельность человека приведет к изменению климата по сравнению с прошлыми темпами. Вызовем ли мы постепенные сдвиги, к которым смогут приспособиться цивилизация и жизнь на Земле, или мы разожжем лесной пожар, от которого невозможно будет убежать?

Вот почему ученые отправляются в холодную Антарктиду, глубоко бурят ее ледяные щиты и вытаскивают тысячи футов спрессованного в лед снега. Они тщательно датируют каждый слой, извлекают крошечные пузырьки древней атмосферы и измеряют концентрацию углекислого газа, настроив термостат планеты.

Благодаря этой напряженной работе мы узнали пилообразную структуру уровней углерода за последний миллион лет. Во время восхождений он быстро поднимался к прошлым теплым интервалам, немного похожим на сегодняшний климат, и медленно спускался в долгие ледниковые периоды между ними. Мы также можем видеть резкое недавнее увеличение выбросов двуокиси углерода, вызванное деятельностью человека, главным образом за счет сжигания ископаемого топлива для получения энергии. График, на котором показан этот скачок, возможно, является самой знаковой фигурой в науке о климате.

Для меня это долгое время было самой яркой иллюстрацией опасности изменения климата. С первого взгляда видно, насколько сильно мы отошли от нормального. Тем не менее, есть встроенная оптическая иллюзия, которая сильно преуменьшает человеческое влияние.

Проще говоря, между левым и правым концами сюжета зажато много времени — почти миллион лет. Глаз едва ли может различить крошечную ширину, занимаемую сотней и тысячей лет. Хотя самый последний скачок углерода явно самый высокий и крутой, он не выглядит намного круче, чем многие предшествующие скачки.

Но недавнее увеличение на самом деле намного круче, чем любой прошлый скачок в этом отчете или еще не обнаруженный. Крутизна — это то, что показывает скорость увеличения количества углерода, а скорость предвещает опасность. Чем быстрее меняется климат, тем меньше у общества и экосистем, от которых мы зависим, возможностей адаптироваться к новым аномалиям.

Вы можете начать видеть разницу, увеличив масштаб, чтобы посмотреть только на небольшую недавнюю часть временной шкалы рисунка. Новые данные из Антарктиды только что дали нам изображение углекислого газа с самым высоким разрешением за последние 67,000 XNUMX лет:

В течение этого периода вы можете наблюдать медленное снижение содержания углерода, пока Земля не достигла самой холодной точки последнего ледникового периода, около 20,000 XNUMX лет назад. Затем, в течение семи-восьми тысяч лет (период между стрелками), углерод естественным образом взлетел вверх, подогрев планету почти до ее нынешнего климата — благоприятного для сельского хозяйства и цивилизации.

Явный всплеск в крайнем правом углу, связанный с человеческой деятельностью после промышленной революции, очевидно, намного круче. Проблема в том, что нам нужно было увеличить масштаб, чтобы увидеть этот контраст, но нам нужно уменьшить масштаб, как на первом рисунке, для более широкого контекста.

К счастью, есть простой способ показать разницу в скорости изменения вместе с очень длинной записью. Таким образом, нужно сосредоточиться на изменении содержания углекислого газа за определенный период времени, а не на уровне. Результат показывает потрясающий карбоновый небоскреб в верхней части этого произведения.

Насколько мне известно, это первый случай, когда историческая углеродная летопись изображается таким образом. Я надеюсь, что работая над этой визуализацией, ясно показать, насколько драматично было человеческое влияние и насколько серьезной может быть наша ситуация.

Важно отметить, что у этой медали есть и оптимистичная сторона. Скорость и масштаб человеческой промышленности также могут быть применены к решениям, и сегодня у нас есть потенциал быстро двигаться к сокращению выбросов. С помощью возобновляемых источников энергии и других экологически чистых технологий, а также разумной политики и воли к действию страны мира смогут перекрыть углеродные шлюзы гораздо быстрее, чем мы открыли их — за несколько десятилетий, а не столетий.

Возможно, заговор с небоскребом еще никто не пробовал, потому что у нас нет прямых показаний углекислого газа за нужные годы. В записи есть пробелы: за весь указанный период ученые проводят прямые измерения в среднем раз в 400 лет или около того, а в более старых частях временной шкалы — примерно раз в 800 лет. Некоторые промежутки превышают 2,000 лет. Причина, по которой традиционный график выглядит завершенным, заключается в том, что между наблюдениями проводится линия, по существу соединяющая точки. Но с научной точки зрения это не лучший способ заполнить пробелы.

Чтобы улучшить этот подход, мой коллега Скотт Калп использовал нейронные сети, форму искусственного интеллекта, чтобы построить непрерывную кривую из фрагментарных данных, показанных чуть ниже, и сделать оценки для любого года. Углеродный небоскреб построен путем снятия показаний с кривой каждые 1,000 лет, начиная с настоящего времени.

Восстановленная кривая хорошо соответствует данным. Но 1,000-летний небоскреб все еще преуменьшает наше затруднительное положение.

Почему? Фрагменты времени длиной в 1,000 лет не могут отразить скорость современного углеродного скачка, почти весь из которого произошел в прошлом веке. Если бы мы могли сделать сюжет 100-летнего небоскреба, его внешний вид был бы еще более суровым. Это будет очень похоже на 1,000-летний небоскреб, но со средним изменением за период — за исключением последнего всплеска — разделенным на десять, создавая еще больший контраст. К сожалению, пробелы в данных по большинству записей все еще слишком велики, чтобы можно было доверять реконструкции со 100-летним разрешением. А может быть, этому повезло: тысячелетняя версия выглядит достаточно устрашающе.

При любом решении ясно одно: человечество идет по авральному пути из-за быстрых, дестабилизирующих климатических изменений, если мы не сможем резко замедлить и остановить загрязнение атмосферы. После этого, возможно, мы даже сможем найти способ повернуть все вспять.

Подробный метод оценки уровней CO2 в прошлые годы без данных
Разработано и внедрено Скоттом Калпом, доктором философии, старшим научным сотрудником по вычислительной технике, Climate Central.

В качестве необработанных данных о концентрациях CO2 в прошлом мы использовали пересмотренные данные по колонкам антарктического льда на 800 километров CO2 (Bereiter et al., 2015) из Мирового центра данных по палеоклиматологии, Боулдер, и палеоклиматологической программы NOAA, доступ к которым был получен в мае 2020 года. За период с 8,877 67,257 - За 2020 3 лет до настоящего времени (2 г.) мы заменили более свежие данные из отчета WAIS Divide Ice Core Marine Isotope Stage 2020 COXNUMX (Brook XNUMX) в Центре данных антарктической программы США.

Чтобы предсказать концентрацию CO2 на основе года, чтобы заполнить годы, отсутствующие в прямой записи, мы построили искусственную нейронную сеть многослойного персептрона, обученную на наблюдениях, основанных на образцах керна антарктического ледяного щита с сегодняшнего дня до 800,000 1952 лет назад. Таких наблюдений 100,000, хотя они распределены неравномерно, причем более половины представляют собой точки до XNUMX XNUMX лет назад.

Нейронные сети обычно используются для высоко нелинейного регрессионного анализа, такого как этот. Наша нейронная сеть содержит 4 слоя: входной слой с 1 узлом (принимая год за один вход), два скрытых слоя со 100 и 10 узлами соответственно и выходной слой с 1 узлом (прогнозируемая концентрация CO2). Модель была обучена с использованием набора инструментов глубокого обучения Matlab с использованием функции обратного распространения Левенберга-Марквардта. 1854 образца были выбраны случайным образом для использования в качестве обучающего набора, 49 были использованы для проверочного набора, а остальные 49 использовались в качестве тестового набора. Обучение продолжалось до тех пор, пока прогнозы, сделанные с помощью проверочного набора, не ухудшились в течение 6 последовательных эпох, с окончательным смещением 0.0025 и среднеквадратической ошибкой 4.0 частей на миллион (ppm) для обучающего набора и 0.46/4.19 ppm для независимого тестового набора. . Эти сильные и схожие характеристики между тренировочным и тестовым наборами указывают на то, что модель не сильно переобучилась.

Затем мы запросили модель, чтобы получить оценки уровня CO2 от 1,000 до 800,000 2019 лет до настоящего времени (взятого за 1,000 год) с интервалом в 409 лет и использовали 411 частей на миллион в качестве текущего уровня. Среднее глобальное значение в 2019 году составляло 2 частей на миллион, но уровни CO2 над Антарктидой примерно на 2 части на миллион ниже, чем в среднем по миру, поэтому мы внесли поправку, чтобы учесть тот факт, что уровни CO2 в ледяных кернах исходят из Антарктиды. Наконец, мы использовали разности, чтобы рассчитать изменение содержания CO1,000 за каждую XNUMX лет.


Бенджамин Штраус

Бенджамин Штраус
Генеральный директор и главный научный сотрудник Climate Central

Д-р Бенджамин Штраус был избран президентом и генеральным директором Climate Central в апреле 2018 года, а также является главным научным сотрудником. Он является автором многочисленных научных статей и отчетов о повышении уровня моря, а также архитектором комплекта карт, инструментов и визуализаций Surgeing Seas.

Полную биографию и избранные публикации см. на веб-сайте Climate Central.

перейти к содержанию