Hvordan atomvåpenforskning avdekket nye klimatrusler

Etter at atmosfæreforsker Ivana Cvijanovic begynte å presse en datastyrt klimasimulering til sine grenser, la hun merke til et urovekkende resultat: da arktisk havis nesten forsvant, bygget massive høytrykkssystemer opp tusenvis av kilometer unna, utenfor vestkysten av USA.

Den atmosfæriske ryggen blokkerte store stormer på vei mot California, og kuttet ned nedbøren. Cvijanovics modell viser at når Nordpolens sommerhavisen forsvinner, som forventet i løpet av de neste tiårene, kan det skru ned kranen for Central Valley-bønder, Sierra Nevada-skisteder og byer i hele landets mest folkerike stat (se The Year Climate Endring begynte å snurre ut av kontroll).

Klimaforsker Ivana Cvijanovic utførte feltarbeid i Alaska North Slope som en del av doktorgradsforskningen hennes.

Resultatene, publisert i Naturkommunikasjon i desember, tyder også på at krympende havis kan ha spilt en rolle i den ekstreme, kostbare tørken som plaget California i det meste av dette tiåret. Det ble drevet av en latterlig spenstig ås som ligner mye på den som Cvijanovics simulering forutsier.

Klimamodeller blir ofte hånet som upålitelige tilnærminger til jordens komplekse systemer, spesielt blant fornektere av klimaendringer. Men takket være fremskritt innen beregningskraft, inkludering av flere planetariske komponenter og andre tekniske fremskritt, blir disse simuleringene utrolig kraftige.

De kan forutsi med økende sikkerhet hvordan global oppvarming allerede endrer planeten, og hvordan den sannsynligvis vil gjøre det i fremtiden. Spesielt hjelper forbedringene forskere med å løse de komplekse mekanismene som driver ekstreme værhendelser.

Cvijanovic hadde forsøkt å studere de forvirrende sammenhengene mellom smeltende is og fjerntliggende nedbørsendringer i årevis. Men standard klimamodeller ga ikke en måte å simulere prosessene på en realistisk måte, før et nylig gjennombrudd kom fra en usannsynlig kilde: atomvåpenforskning.

Slenger mynten igjen

Cvijanovics nysgjerrighet hadde fått en ny press da hun landet som postdoktor ved Californias Lawrence Livermore National Laboratory i 2014. To somre tidligere hadde arktisk havis smeltet bort langt raskere enn forskerne forventet. Nesten fem millioner kvadratkilometer med is forsvant fra toppperioden i slutten av mars, det klart største tapet som noen gang er registrert.

Relatert historie

Medfølgende historie Bedre teknologi, teknikker og datadeling har gjort det mulig for forskere å prøve nye eksperimenter – eller ganske enkelt kjøre mange flere av dem.

Det var et iøynefallende tegn på at noe var galt i klimamodeller – og i den skumlere enden av spekteret.

Klimamodeller er programvaresimuleringer som estimerer hvordan Jorden reagerer på ulike påvirkninger, som massive økninger i karbondioksidutslipp, ved å kjøre matematiske ligninger som representerer vår beste forståelse av fysiske lover. De beregner hvordan skiftende forhold bølger over tid og rom, og gjengir havene, overflaten og atmosfæren i et 3D rutenett av bokser. I løpet av de siste tiårene har modellenes oppløsning økt kraftig: området hver boks representerer har gått fra 500 kvadratkilometer ned til mindre enn 25 i noen tilfeller, selv om modellene inkorporerte aerosoler, havis, vegetasjon og andre sammenhengende faktorer. .

For alle disse enorme forbedringene er det imidlertid noen ganger fortsatt store gap mellom hva modellene forutsier og hvordan den virkelige verden oppfører seg, som det dramatiske tapet av sjøis understreket (se Why Climate Models are not Better).

Denne hendelsen fanget spesielt oppmerksomheten til Donald Lucas, en forsker ved Lawrence Livermore. Han var en del av et team av klimaforskere og atomvåpenmodellere ved laboratoriet som tidligere hadde samarbeidet om et treårig prosjekt for å forbedre tillitsnivået til resultatene av klimasimuleringer.

Donald Lucas, en forsker ved Lawrence Livermore, ledet et forskningsarbeid for å forstå hvorfor arktisk havis smeltet raskere enn klimamodeller forutså.

USA har ikke utført prøveeksplosjoner på atomvåpen siden 1992, så de må stole på inspeksjoner og modellering for å vurdere påliteligheten til det aldrende lageret. Lawrence Livermore-forskere har lenge brukt laboratoriets superdatamaskiner for å simulere nedbrytning av materialer, som plutonium, og bidratt til å utvikle nye måter å beregne sikkerhetsnivåer på.

I stedet for å kjøre en simulering én gang, gjentar de den mange ganger, og justerer enkelte variabler litt for å produsere en rekke muligheter. Derfra kan forskerne beregne den statistiske sannsynligheten for visse utfall, delvis basert på hvor ofte de forekommer i resultater og hvor godt de samsvarer med data fra fysiske inspeksjoner.

Du går tilbake og slår mynten igjen, forklarer Lucas. Du gjør det flere ganger, og du bygger opp en fordeling av sannsynligheten for produksjonen.

Relatert historie

Relatert historie Branner herjet i Vesten, orkaner rammet Østen – og fortsatt fortsatte utslippene å øke.

Han og kollegene hans bestemte seg for å bruke samme tilnærming til klimamodeller, ved å skrive programmer for å justere dusinvis av parametere i kildekoden til en offentlig klimamodell. De utnyttet omtrent halvparten av en superdatamaskin hos Lawrence Livermore i nesten tre år, og produserte 100 000 år med simuleringer på tvers av et bredt spekter av klimascenarier.

Men sommeren 2012 innså Lucas at selv disse resultatene hadde falt langt fra å forutsi tapet av arktisk havis som faktisk skjedde. Så han og kollegene gjennomførte nok et modelleksperiment, fokusert på havisen. Ved å rådføre seg med eksperter om hvilke variabler som kan være på spill og endre disse parameterne, var teamet hans i stand til å simulere forsvinningen av langt mer arktisk havis, og kom mye nærmere virkeligheten.

Tre variabler sto for 95 prosent av endringen. To av dem spesifiserte størrelsen på snøpartikler på havisen, noe som påvirker hvor mye sollys som reflekteres bort. Den siste, kjent som den termiske ledningsevnen til snø, definerer i hovedsak hvor raskt varme kan bevege seg gjennom isen. Som de to andre variablene behandles den normalt som en konstant i den dedikerte ismodellen teamet brukte. Men i dette tilfellet byttet forskerne det innenfor et område som gjenspeilte variasjonen i den virkelige verden.

Lucas slutter med å si at de har funnet de manglende puslespillbrikkene i sjøismodeller. Men ved å tillate en rekke plausible variasjoner, finner vi at vi kan forklare de fleste, men ikke alle, forskjellene mellom observasjoner og simuleringer av [havisens modell], sa han i en e-post.

Lucas sjekker ut nye superdatamaskiner på Lawrence Livermore Lab.

Det perfekte oppsettet

Eksperimentet skapte også et mye bedre verktøy for Cvijanovic for å utforske spørsmålet hun lenge hadde tenkt på: Hvorfor ble eldgamle perioder med rask oppvarming på den nordlige halvkule, kjent som Dansgaard – Oeschger hendelser, ser ut til å falle sammen med dramatiske nedbørsskifter helt nede i tropene?

Mot slutten av doktorgradsarbeidet ved Universitetet i København, i 2011 og 2012, var Cvijanovic en del av en modelleringsgruppe som prøvde å forstå disse brå klimatiske endringene som er tydelige i iskjerneprøver på Grønland.

Hun hadde gjort noen grove forsøk på å utforske disse forbindelsene ved å legge til energiflukser i simuleringer, som i hovedsak økte havistapet på kunstige måter. Men hennes kollegas arbeid hos Lawrence Livermore gjorde henne i stand til å modellere ekstremt istap på en mer realistisk måte, ved å justere parametere innenfor det som anses som mulig nivå av variasjon i naturen.

Det var det perfekte oppsettet, sier hun. Du gjør ikke noe ufysisk; du jukser ikke for å observere dette havistapet.

Cvijanovic fokuserte på de tre variablene som Lucas arbeid fant hadde de kraftigste effektene. Hun kjørte modellen flere dusin ganger, og til slutt skrudde hun opp disse variablene til den ytterste enden av deres rekkevidde. Noen ganger tok det en hel uke å kjøre en enkelt analyse på superdatamaskinene hos Lawrence Livermore, så prosessen tok måneder. Men etter hvert begynte det å danne seg et klart bilde.

Med lite is for å reflektere varmen tilbake til verdensrommet, varmes området jevnt opp. En liten mengde av den ekstra varmen når tropene, men det er nok til å utløse endringer i vind og nedbør som endrer konveksjons- og sirkulasjonsmønstre. Disse produserer i sin tur massive bølger av høy- og lavtrykksområder i atmosfæren, og bygger opp en vedvarende ås som lander i det nordlige Stillehavet. Den funksjonen styrer stormer nordover, bort fra California og mot Alaska og Canada.

Det var et vanskelig eksperiment som var avhengig av år med kollektive forbedringer i teknologi og teknikker for klimamodellering. Mer arbeid er nødvendig for å teste funnene, og finne ut hvordan andre prosesser kan forstørre eller redusere effekten av smelting av arktisk sjøis, sier andre forskere. Men simuleringen ga noen av de første virkelige bevisene på den teoretiserte sammenhengen mellom istap og fjerne tørker, og det hørtes ut som en sterk advarsel om Californias truende farer.

gjemme seg