Вуглецевий хмарочос

Протягом останніх тижнів ми спостерігали, як рекордні екстремальні погодні явища неодноразово потрапляли в заголовки газет з руйнівними наслідками. Зміна клімату змінює частоту та інтенсивність екстремальних подій, таких як спека, лісові пожежі та повені, з величезними наслідками для суспільства та економіки, де б вони не потрапили. У цьому контексті ми переглядаємо допис генерального директора Climate Central і провідного вченого Бенджаміна Штрауса про ще один рекорд, який є довгостроковим і менш очевидним: прискорення темпів зміни рівнів CO2 в атмосфері.

Вуглецевий хмарочос

Ця стаття є частиною нової серії ISC, Трансформація21, який досліджуватиме стан знань і дій через п’ять років після Паризької угоди і в ключовий рік для дій щодо сталого розвитку. Цей твір вперше опублікував The Washington Post/Capital Weather Gang та Клімат Центральної.

Швидкість вбиває.

Тому стріляти кулями з рушниці небезпечніше, ніж кидати їх вручну. Чому парашутисти використовують парашути. Чому на дорогах є обмеження швидкості. І чому важливо зрозуміти, як швидко діяльність людини призведе до зміни клімату, порівняно з минулими темпами. Чи викличемо ми поступові зрушення, до яких можуть пристосуватися цивілізація та життя на Землі, чи ми розпалимо лісову пожежу, яку неможливо обійти?

Ось чому вчені відправляються в холодну Антарктиду, щоб пробурити її льодовикові щити і витягнути тисячі футів снігу, стиснутого в лід. Вони ретельно датують кожен шар, видобувають крихітні бульбашки стародавньої атмосфери і вимірюють концентрацію вуглекислого газу, тюнер термостата планети.

Завдяки цій наполегливій роботі ми дізналися пилкоподібну структуру рівнів вуглецю за останні мільйони років. Під час підйомів до минулих теплих проміжків він стрімко піднімався вгору, трохи схожий на сучасний клімат, і повільно спускався в довгі льодовикові періоди між ними. Ми також бачимо недавнє різке збільшення вуглекислого газу, яке викликали люди, головним чином, спалюючи викопне паливо для отримання енергії. Графік, використаний для показу цього стрибка, є, мабуть, найбільш знаковою фігурою в науці про клімат.

Для мене це довгий час було найпотужнішою ілюстрацією небезпеки зміни клімату. З першого погляду це показує, наскільки сильно ми відступили від звичайного. Проте існує вбудована оптична ілюзія, яка значно применшує вплив людини.

Простіше кажучи, між лівим і правим кінцями сюжету проходить багато часу — майже мільйон років. Око навряд чи може відрізнити крихітні ширини, які займають сто, і тисячу років. Хоча останній стрибок вуглецю, безсумнівно, найвищий і найкрутіший, він не виглядає набагато крутішим, ніж багато збільшень, які були до нього.

Але недавнє збільшення насправді набагато крутіше, ніж будь-який попередній стрибок у цьому рекорді чи ще виявлений. Крутизна – це те, що показує швидкість збільшення вуглецю, а швидкість передвіщає небезпеку. Чим швидше змінюється клімат, тим менше суспільство, поряд з екосистемами, від яких ми залежимо, має здатність адаптуватися до нового аномального.

Ви можете почати бачити різницю, збільшивши масштаб, щоб подивитися лише невелику нещодавню частину часової шкали фігури. Нові дані з Антарктиди щойно дали нам найвищу роздільну здатність вуглекислий газ за останні 67,000 XNUMX років:

Протягом цього періоду можна спостерігати повільне зниження вуглецю, поки Земля не досягла найхолоднішої точки останнього льодовикового періоду, приблизно 20,000 XNUMX років тому. Потім протягом семи-вісім тисяч років (період між стрілками) вуглець природним чином підвищився, нагрівши планету майже до її нинішнього клімату — гостинного для сільського господарства та цивілізації.

Яскравий сплеск у крайньому правому куті, пов’язаний з людською діяльністю з часів промислової революції, очевидно, набагато крутіший. Проблема в тому, що нам потрібно було значно збільшити масштаб, щоб побачити цей контраст, але зменшити масштаб, як і перша фігура, для ширшого контексту.

На щастя, існує простий спосіб показати різницю в швидкості змін разом із дуже довгим записом. Таким чином потрібно зосередитися на зміні вуглекислого газу за період часу, а не на рівні. Результат показує вражаючий карбоновий хмарочос у верхній частині цього шматка.

Наскільки мені відомо, це перший випадок, коли історичний рекорд вуглецю було зображено таким чином. Я сподіваюся на розробку цієї візуалізації чітко показати, наскільки драматичним був людський вплив — і наскільки важкою може бути наша ситуація.

Важливо, що ця медаль також має оптимістичний бік. Швидкість і масштаб людської промисловості також можна застосувати до рішень, і сьогодні ми маємо потенціал швидко рухатися, щоб скоротити викиди. Завдяки відновлюваним джерелам енергії та іншим чистим технологіям, а також розумній політиці та бажанням діяти країни світу можуть закрити вуглецеві шлюзи набагато швидше, ніж ми намагалися їх відкрити — за кілька десятиліть, а не століть.

Можливо, сюжет хмарочоса раніше не пробували, тому що у нас немає прямих показників вуглекислого газу за точні необхідні роки. У записах є прогалини: протягом усього показаного періоду вчені проводили прямі вимірювання в середньому раз на 400 років або близько того, і приблизно раз на 800 років у старіших частинах часової шкали. Деякі проміжки перевищують 2,000 років. Причина, чому традиційний графік виглядає завершеним, полягає в тому, що між спостереженнями проводиться лінія, яка по суті з’єднує точки. Але з наукової точки зору це не найкращий спосіб заповнити прогалини.

Щоб удосконалити цей підхід, мій колега Скотт Калп використав нейронні мережі, форму штучного інтелекту, щоб побудувати безперервну криву з неоднозначних даних, показаних трохи нижче, і дозволити оцінити будь-який рік. Вуглецевий хмарочос побудований шляхом отримання показань з кривої кожні 1,000 років назад від сьогодення.

Відновлена ​​крива добре відповідає даним. Але 1,000-річний хмарочос все ще применшує наше скрутне становище.

Чому? Відриви часу довжиною в 1,000 років не можуть відобразити швидкість сучасного вуглецевого стрибка, майже всі з яких відбулися в минулому столітті. Якби ми змогли створити 100-річний сюжет хмарочоса, його вигляд був би ще більш яскравим. Це було б дуже схоже на 1,000-річний хмарочос, але із середньою зміною за період — за винятком останнього сплеска — поділеним на десять, створюючи ще більший контраст. На жаль, прогалини в даних у більшості записів все ще занадто довгі, щоб бути впевненим у реконструкції з роздільною здатністю 100 років. А може, це й пощастило: 1,000-річна версія виглядає досить страшною.

У будь-якому дозволі зрозуміло одне: людство перебуває на швидкому курсі зі швидкими, дестабілізуючими змінами клімату, якщо ми не зможемо різко уповільнити та зупинити наше забруднення атмосфери. Після цього, можливо, ми навіть знайдемо спосіб повернути це назад.

Детальний метод оцінки рівнів CO2 за минулі роки без даних
Розроблено та впроваджено Скоттом Калпом, доктором філософії, старшим вченим з обчислювальної техніки, Climate Central

Для вихідних даних про минулі концентрації CO2 ми використали переглянуті дані антарктичного льодовика 800KYr CO2 (Bereiter et al. 2015) зі Всесвітнього центру даних з палеокліматології, Боулдер і програми палеокліматології NOAA, доступ до яких було отримано у травні 2020 року. За період з 8,877 – За 67,257 2020 років до теперішнього часу (3 р.) ми поміняли новіші дані з WAIS Divide Ice Core Marine Isotope Stage 2 CO2020 (Brook XNUMX) у Центрі даних Антарктичної програми США.

Щоб передбачити концентрацію CO2 на основі року, щоб заповнити роки, відсутні в прямому записі, ми побудували багатошарову персептронну штучну нейронну мережу, навчену на основі спостережень на основі зразків ядра льодовикового щита Антарктики від сучасності до 800,000 1952 років до нашої ери. Існує 100,000 таких спостережень, хоча вони розподілені нерівномірно, причому більше половини представляють точки до XNUMX XNUMX BP.

Нейронні мережі зазвичай використовуються для дуже нелінійного регресійного аналізу, як-от цей. Наша нейронна мережа містить 4 шари: 1-вузловий вхідний шар (взявши рік як єдиний вхід), два прихованих шари зі 100 і 10 вузлами відповідно, і 1-вузловий вихідний шар (передбачувана концентрація CO2). Модель була навчена з використанням інструментів глибокого навчання Matlab із використанням функції зворотного поширення Левенберга-Марквардта. 1854 вибірки були випадковим чином обрані для використання в якості навчального набору, 49 були використані для набору для перевірки, а решта 49 були використані як набір для тестування. Навчання тривало до тих пір, поки прогнози, зроблені з набором перевірки, не погіршилися протягом 6 послідовних епох, з кінцевим зміщенням на рівні 0.0025 і середньоквадратичною помилкою на рівні 4.0 частин на мільйон (ppm) для навчального набору та 0.46/4.19 ppm для незалежного тестового набору. . Ці сильні та подібні показники між наборами для навчання та тестування вказують на те, що модель не сильно переповнювалася.

Потім ми запитали модель, щоб отримати оцінки рівня CO2 від 1,000 до 800,000 2019 років до теперішнього часу (взято за 1,000 рік) з інтервалом в 409 років, і використали 411 ppm як поточний рівень. Середній глобальний показник становив 2019 ppm у 2 році, але рівень CO2 в Антарктиді приблизно на 2 ppm нижчий, ніж середній у світі, тому ми внесли коригування, щоб врахувати той факт, що рівень CO2 в ядрах льоду надходить з Антарктиди. Нарешті, ми взяли відмінності, щоб обчислити зміну CO1,000 за кожні XNUMX років.

Бенджамін Штраус

Бенджамін Штраус
Генеральний директор і головний науковий співробітник Climate Central

Доктор Бенджамін Штраус був обраний президентом і генеральним директором Climate Central у квітні 2018 року, а також обіймає посаду головного наукового співробітника. Він є автором численних наукових статей та звітів про підвищення рівня моря та є архітектором пакету карт, інструментів та візуалізацій Surging Seas.

Повну біографію та вибрані публікації дивіться на веб-сайті Climate Central.

ПЕРЕГЛЯНУТИ ВСІ ПОТУЖНІ ПУНКТИ

  • Відмова від відповідальності: Переклад автоматично генерується Google Translate і може містити помилки. ISC не несе відповідальності за будь-яку шкоду або проблеми, які можуть виникнути внаслідок цих перекладів. Ви можете залишити свій відгук, надіславши нам електронний лист на адресу webmaster@council.science
    Примітка: Зверніть увагу, що «Науковий саміт на Генеральній Асамблеї ООН» у вересні 2023 року не є заходом Міжнародної наукової ради. Міжнародна наукова рада не пов’язана ні з цією подією, ні з організатором події.
    • Перейти до вмісту