Hur kärnvapenforskningen avslöjade nya klimathot

Efter att atmosfärsforskaren Ivana Cvijanovic började driva en datoriserad klimatsimulering till dess gränser, märkte hon ett oroande resultat: när arktisk havsis nästan försvann byggdes massiva högtryckssystem upp tusentals mil bort, utanför USA:s västkust.

Den atmosfäriska åsen blockerade stora stormar på väg mot Kalifornien och avbröt nederbörden. Cvijanovics modell visar att när Nordpolens sommarhavis försvinner, som förväntat under de närmaste decennierna, kan det sänka kranen för bönder i Central Valley, skidorter i Sierra Nevada och städer i hela landets folkrikaste delstat (se The Year Climate Ändring började snurra utom kontroll).

Klimatforskaren Ivana Cvijanovic utförde fältarbete i Alaska North Slope som en del av sin doktorsforskning.

Resultaten, publiceras i Naturkommunikation i december tyder också på att krympande havsis kan ha spelat en roll i den extrema, kostsamma torkan som plågade Kalifornien under större delen av detta decennium. Det drevs av en löjligt motståndskraftig ås som liknar den som Cvijanovics simulering förutspår.

Klimatmodeller hånas ofta som opålitliga approximationer av jordens komplexa system, särskilt bland förnekare av klimatförändringar. Men tack vare framsteg inom beräkningskraft, inkluderingen av fler planetkomponenter och andra tekniska framsteg, blir dessa simuleringar otroligt kraftfulla.

De kan med ökande säkerhet förutsäga hur den globala uppvärmningen redan förändrar planeten och hur den kommer att göra det i framtiden. I synnerhet hjälper förbättringarna forskare att reda ut de komplexa mekanismerna som driver extrema väderhändelser.

Cvijanovic hade försökt studera de förbryllande sambanden mellan smältande is och avlägsna nederbördsförändringar i flera år. Men standardklimatmodeller erbjöd inte ett sätt att simulera processerna på ett realistiskt sätt, förrän ett nyligen genomfört genombrott kom från en osannolik källa: kärnvapenforskning.

Slår myntet igen

Cvijanovics nyfikenhet hade fått en ny angelägenhet när hon landade som postdoktor vid Kaliforniens Lawrence Livermore National Laboratory 2014. Två somrar tidigare hade arktisk havsis smält bort mycket snabbare än forskarna förväntade sig. Nästan fem miljoner kvadratkilometer is försvann från toppperioden i slutet av mars, den överlägset största förlusten som någonsin registrerats.

Relaterad berättelse

Medföljande berättelse Bättre teknik, tekniker och datadelning har gjort det möjligt för forskare att prova nya experiment – ​​eller helt enkelt köra många fler av dem.

Det var ett iögonfallande tecken på att något var fel i klimatmodeller – och i den mer läskiga änden av spektrumet.

Klimatmodeller är mjukvarusimuleringar som uppskattar hur jorden reagerar på olika influenser, som massiva ökningar av koldioxidutsläpp, genom att köra matematiska ekvationer som representerar vår bästa förståelse av fysiska lagar. De beräknar hur skiftande förhållanden krusar över tid och rum, vilket gör haven, ytan och atmosfären i ett 3D-rutnät av lådor. Under de senaste decennierna har modellernas upplösning ökat avsevärt: området som varje ruta representerar har gått från 500 kvadratkilometer ner till mindre än 25 i vissa fall, även när modellerna inkluderade aerosoler, havsis, vegetation och andra sammankopplade faktorer .

Trots alla dessa enorma förbättringar finns det ibland fortfarande stora klyftor mellan vad modellerna förutsäger och hur den verkliga världen beter sig, vilket den dramatiska förlusten av havsis underströk (se Why Climate Models are not Better).

Den händelsen fångade särskilt Donald Lucas, en forskare vid Lawrence Livermore, uppmärksamhet. Han ingick i ett team av klimatforskare och kärnvapenmodellerare vid labbet som tidigare hade samarbetat i ett treårigt projekt för att förbättra förtroendenivåerna för resultaten av klimatsimuleringar.

Donald Lucas, en forskare vid Lawrence Livermore, ledde ett forskningsarbete för att förstå varför arktisk havsis smälte snabbare än klimatmodeller förutspått.

USA har inte genomfört testexplosioner på kärnvapen sedan 1992, så de måste förlita sig på inspektioner och modellering för att bedöma tillförlitligheten hos det åldrande lagret. Lawrence Livermore-forskare har länge använt labbets superdatorer för att simulera nedbrytningen av material, som plutonium, och hjälpt till att utveckla nya sätt att beräkna säkerhetsnivåer.

Istället för att köra en simulering en gång, upprepar de den många gånger och justerar vissa variabler något för att skapa en rad möjligheter. Därifrån kan forskarna beräkna den statistiska sannolikheten för vissa utfall delvis baserat på hur ofta de förekommer i resultat och hur väl de matchar data från fysiska inspektioner.

Du går tillbaka och vänder på myntet igen, förklarar Lucas. Du gör det flera gånger och du bygger upp en fördelning av sannolikheten för resultatet.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse Bränder härjade i väst, orkaner slog till i öst – och fortfarande fortsatte utsläppen att öka.

Han och hans kollegor bestämde sig för att tillämpa samma tillvägagångssätt för klimatmodeller, genom att skriva program för att justera dussintals parametrar i källkoden för en offentlig klimatmodell. De utnyttjade ungefär hälften av en superdator på Lawrence Livermore i nästan tre år, och producerade 100 000 år av simuleringar över ett brett spektrum av klimatscenarier.

Men sommaren 2012 insåg Lucas att även dessa resultat inte hade kunnat förutsäga förlusten av arktisk havsis som faktiskt inträffade. Så han och kollegor genomförde ytterligare ett modellexperiment, fokuserat på havsis. Genom att samråda med experter om vilka variabler som kan vara på spel och ändra dessa parametrar, kunde hans team simulera försvinnandet av mycket mer arktisk havsis och komma mycket närmare verkligheten.

Tre variabler stod för 95 procent av förändringen. Två av dem specificerade storleken på snöpartiklar på havsis, vilket påverkar hur mycket solljus som reflekteras bort. Den sista, känd som snöns värmeledningsförmåga, definierar i huvudsak hur snabbt värme kan röra sig genom isen. Liksom de andra två variablerna behandlas den normalt som en konstant i den dedikerade ismodellen som laget använde. Men i det här fallet växlade forskarna det inom ett intervall som återspeglade dess verkliga variation.

Lucas slutar med att säga att de har hittat de saknade pusselbitarna i havsismodeller. Men genom att tillåta en rad rimliga variationer finner vi att vi kan förklara de flesta, men inte alla, av skillnaderna mellan observationer och simuleringar av [havismodell], sa han i ett e-postmeddelande.

Lucas kollar in nya superdatorer på Lawrence Livermore Lab.

Den perfekta inställningen

Experimentet skapade också ett mycket finare verktyg för Cvijanovic att utforska frågan som hon länge funderat på: Varför gjorde forntida perioder av snabb uppvärmning på norra halvklotet, känd som Dansgaard – Oeschger händelser, verkar sammanfalla med dramatiska nederbördsskiftningar hela vägen ner i tropikerna?

Mot slutet av sitt doktorandarbete vid Köpenhamns universitet, 2011 och 2012, var Cvijanovic en del av en modelleringsgrupp som försökte förstå dessa plötsliga klimatförändringar som var uppenbara i prover på Grönlands iskärna.

Hon hade gjort några grova försök att utforska dessa kopplingar genom att lägga till energiflöden i simuleringar, vilket i huvudsak ökade havsisförlusten på konstgjorda sätt. Men hennes kollegas arbete på Lawrence Livermore gjorde det möjligt för henne att modellera extrem isförlust på ett mer realistiskt sätt, genom att justera parametrar inom vad som anses vara den möjliga variationsnivån i naturen.

Det var det perfekta upplägget, säger hon. Du gör inget opysiskt; du fuskar inte för att observera denna havsisförlust.

Cvijanovic fokuserade på de tre variablerna som Lucas arbete fann hade de mest kraftfulla effekterna. Hon körde modellen flera dussin gånger, och till slut skruvade hon upp dessa variabler till den bortre änden av deras intervall. Det tog ibland en hel vecka att köra en enda analys på superdatorerna på Lawrence Livermore, så processen tog månader. Men så småningom började en tydlig bild bildas.

Med lite is för att reflektera värmen tillbaka till rymden, värms regionen stadigt upp. En liten mängd av den extra värmen når tropikerna, men det räcker för att utlösa förändringar i vind och nederbörd som förändrar konvektion och cirkulationsmönster. Dessa producerar i sin tur massiva vågor av hög- och lågtrycksområden i atmosfären och bygger upp en ihållande ås som landar i norra Stilla havet. Den funktionen styr stormar norrut, bort från Kalifornien och mot Alaska och Kanada.

Det var ett svårt experiment som berodde på år av kollektiva förbättringar av klimatmodelleringsteknik och -tekniker. Mer arbete krävs för att testa resultaten och avgöra hur andra processer kan förstärka eller minska effekten av smältande arktisk havsis, säger andra forskare. Men simuleringen gav några av de första verkliga bevisen på det teoretiserade sambandet mellan isförlust och avlägsna torka, och det lät en skarp varning om Kaliforniens hotande faror.

Dölj