Kā kodolieroču pētījumi atklāja jaunus klimata draudus

Pēc tam, kad atmosfēras zinātniece Ivana Cvijanoviča sāka piespiest datorizēto klimata simulāciju līdz galam, viņa pamanīja satraucošu rezultātu: kad Arktikas jūras ledus gandrīz pazuda, tūkstošiem jūdžu attālumā pie ASV rietumu krasta izveidojās milzīgas augstspiediena sistēmas.

Atmosfēras grēda bloķēja lielas vētras, kas virzījās uz Kaliforniju, pārtraucot nokrišņu daudzumu. Cvijanoviča modelis rāda, ka Ziemeļpola vasaras jūras ledus izzūd, kā paredzēts nākamajās desmitgadēs, tas var nolaist krānu Centrālās ielejas lauksaimniekiem, Sjerranevadas slēpošanas kūrortiem un pilsētām visā valsts visvairāk apdzīvotajā štatā (skat. Gada klimatu Izmaiņas sāka griezties ārpus kontroles ).

Klimata zinātniece Ivana Cvijanoviča sava doktora pētījuma ietvaros veica lauka darbus Aļaskas ziemeļu nogāzē.

Rezultāti, publicēts iekšā Dabas sakari decembrī arī liecina, ka sarūkošais jūras ledus varētu būt ietekmējis ārkārtējo, dārgo sausumu, kas Kaliforniju skāra šīs desmitgades lielāko daļu. To virzīja smieklīgi elastīga grēda, kas ļoti atgādina Cvijanoviča simulācijas prognozēto.

Klimata modeļi bieži tiek izsmieti kā neuzticami Zemes sarežģīto sistēmu tuvinājumi, jo īpaši klimata pārmaiņu noliedzēju vidū. Taču, pateicoties skaitļošanas jaudas attīstībai, vairāk planētu komponentu iekļaušanai un citiem tehniskiem panākumiem, šīs simulācijas kļūst neticami spēcīgas.

Viņi ar pieaugošu pārliecību var paredzēt, kā globālā sasilšana jau tagad maina planētu un kā tas varētu mainīties nākotnē. Jo īpaši uzlabojumi palīdz zinātniekiem atšķetināt sarežģītos mehānismus, kas izraisa ārkārtējus laika apstākļus.

Cvijanovičs gadiem ilgi bija mēģinājis pētīt mulsinošās sakarības starp ledus kušanu un tālām nokrišņu izmaiņām. Taču standarta klimata modeļi nepiedāvāja veidu, kā reālistiski simulēt procesus, līdz nesenais izrāviens nāca no maz ticama avota: kodolieroču izpētes.

Atkal uzmetu monētu

Cvijanovičas zinātkāre bija kļuvusi aktuāla, kad viņa 2014. gadā kļuva par pēcdoktorantūras pētnieci Kalifornijas Lorensa Livermoras Nacionālajā laboratorijā. Divas vasaras iepriekš Arktikas jūras ledus bija izkusis daudz ātrāk, nekā zinātnieki gaidīja. Gandrīz pieci miljoni kvadrātjūdžu ledus pazuda no maksimālā perioda marta beigās, kas ir lielākais jebkad reģistrētais zaudējums.

Saistīts stāsts

Pavadošais stāsts Labākas tehnoloģijas, paņēmieni un datu koplietošana ir ļāvusi zinātniekiem izmēģināt jaunus eksperimentus vai vienkārši veikt daudzus citus eksperimentus.

Tā bija spilgta zīme, ka klimata modeļos kaut kas nav kārtībā — un spektra baisākajā galā.

Klimata modeļi ir programmatūras simulācijas, kas aprēķina, kā Zeme reaģē uz dažādām ietekmēm, piemēram, masveida oglekļa dioksīda emisiju pieaugumu, izpildot matemātiskos vienādojumus, kas atspoguļo mūsu labāko izpratni par fizikālajiem likumiem. Viņi aprēķina, kā mainīgie apstākļi viļņojas laikā un telpā, veidojot okeānus, virsmu un atmosfēru trīsdimensiju kastīšu režģī. Dažu pēdējo desmitgažu laikā modeļu izšķirtspēja ir ievērojami palielinājusies: katras kastes apgabals ir samazinājies no 500 kvadrātkilometriem līdz mazāk nekā 25 dažos gadījumos, pat ja modeļos bija iekļauti aerosoli, jūras ledus, veģetācija un citi savstarpēji saistīti faktori. .

Tomēr attiecībā uz visiem šiem milzīgajiem uzlabojumiem dažkārt joprojām pastāv lielas atšķirības starp to, ko modeļi prognozē, un to, kā uzvedas reālā pasaule, jo tika uzsvērts dramatiskais jūras ledus zudums (skatiet sadaļu Kāpēc klimata modeļi nav labāki).

Šis notikums īpaši pievērsa Lorensa Livermoras pētnieka Donalda Lūkasa uzmanību. Viņš bija daļa no laboratorijas klimata pētnieku un kodolieroču modelētāju komandas, kas iepriekš bija sadarbojusies trīs gadus ilgā projektā, lai uzlabotu klimata simulāciju rezultātu uzticamības līmeni.

Lawrence Livermore pētnieks Donalds Lūkass vadīja pētījumu, lai saprastu, kāpēc Arktikas jūras ledus kūst ātrāk, nekā prognozēja klimata modeļi.

ASV nav veikušas kodolieroču izmēģinājuma sprādzienus kopš 1992. gada, tāpēc tai ir jāpaļaujas uz pārbaudēm un modelēšanu, lai novērtētu novecojošo krājumu uzticamību. Lorensa Livermora zinātnieki jau sen ir izmantojuši laboratorijas superdatorus, lai modelētu materiālu, piemēram, plutonija, noārdīšanos, un palīdzējuši izstrādāt jaunus veidus, kā aprēķināt noteiktības līmeņus.

Tā vietā, lai vienreiz palaistu simulāciju, viņi to atkārto daudzas reizes, nedaudz pielāgojot noteiktus mainīgos, lai radītu dažādas iespējas. No turienes pētnieki var aprēķināt noteiktu rezultātu statistisko iespējamību, daļēji pamatojoties uz to, cik bieži tie parādās rezultātos un cik labi tie sakrīt ar fizisko pārbaužu datiem.

Tu atgriezies un vēlreiz apmet monētu, Lūkass skaidro. Jūs to darāt vairākas reizes un veidojat izvades varbūtības sadalījumu.

Saistīts stāsts

Saistīts stāsts Ugunsgrēki izpostīja Rietumus, viesuļvētras plosīja austrumus, un emisijas joprojām pieauga.

Viņš un viņa kolēģi nolēma piemērot to pašu pieeju klimata modeļiem, rakstot programmas, lai izmainītu desmitiem parametru publiskā klimata modeļa avota kodā. Viņi gandrīz trīs gadus izmantoja apmēram pusi no Lorensa Livermoras superdatora, radot 100 000 gadu simulācijas, izmantojot plašu klimata scenāriju klāstu.

Taču 2012. gada vasarā Lūkass saprata, ka pat šie rezultāti bija krietni mazāki, lai prognozētu Arktikas jūras ledus zudumu, kas faktiski notika. Tāpēc viņš un kolēģi veica vēl vienu modelēšanas eksperimentu, kas koncentrējās uz jūras ledu. Konsultējoties ar ekspertiem par to, kādi varētu būt mainīgie lielumi, un mainot šos parametrus, viņa komanda spēja simulēt daudz vairāk Arktikas jūras ledus pazušanu, kas daudz pietuvojās realitātei.

Trīs mainīgie veidoja 95 procentus no izmaiņām. Divi no tiem noteica sniega daļiņu izmēru uz jūras ledus, kas ietekmē to, cik daudz saules gaismas tiek atstarotas. Pēdējais, kas pazīstams kā sniega siltumvadītspēja, būtībā nosaka, cik ātri siltums var pārvietoties pa ledu. Tāpat kā pārējie divi mainīgie, tas parasti tiek uzskatīts par konstanti īpašajā ledus modelī, ko komanda izmantoja. Bet šajā gadījumā pētnieki to pārslēdza diapazonā, kas atspoguļoja tā mainīgumu reālajā pasaulē.

Lūkass nesaka, ka viņi jūras ledus modeļos ir precīzi norādījuši trūkstošos puzles gabalus. Taču, pieļaujot virkni ticamu variāciju, mēs atklājam, ka mēs varam izskaidrot lielāko daļu, bet ne visas, atšķirības starp novērojumiem un [jūras ledus modeļa] simulācijām, viņš teica e-pastā.

Lūkass pārbauda jaunus superdatorus Lorensa Livermora laboratorijā.

Ideāls uzstādījums

Eksperiments arī radīja daudz smalkāku instrumentu Cvijanovičai, lai izpētītu jautājumu, par kuru viņa jau sen bija domājusi: kāpēc senie straujās sasilšanas periodi ziemeļu puslodē, kas pazīstami kā Dansgārds – Eschger notikumi, šķiet, sakrīt ar dramatiskām nokrišņu maiņām tropos?

Tuvojoties doktorantūras darba beigām Kopenhāgenas Universitātē, 2011. un 2012. gadā, Cvijanoviča bija daļa no modelēšanas grupas, kas mēģināja izprast šīs pēkšņās klimata pārmaiņas, kas bija redzamas Grenlandes ledus serdes paraugos.

Viņa bija veikusi dažus neapstrādātus mēģinājumus izpētīt šos savienojumus, simulācijās pievienojot enerģijas plūsmas, kas būtībā mākslīgi palielināja jūras ledus zudumu. Taču viņas kolēģes darbs Lorensā Livermorā ļāva viņai reālistiskāk modelēt ārkārtēju ledus zudumu, pielāgojot parametrus, kas tiek uzskatīti par iespējamo dabas variāciju līmeni.

Tas bija ideāls uzstādījums, viņa saka. Jūs nedariet neko nefizisku; jūs nekrāpjat, lai novērotu šo jūras ledus zudumu.

Cvijanovičs koncentrējās uz trim mainīgajiem, kuriem Lūkasa darbā bija visspēcīgākais efekts. Viņa palaida modeli vairākus desmitus reižu, galu galā paceļot šos mainīgos līdz diapazona tālākajam galam. Dažkārt bija nepieciešama vesela nedēļa, lai veiktu vienu analīzi Lorensa Livermoras superdatoros, tāpēc process ilga vairākus mēnešus. Bet galu galā sāka veidoties skaidra aina.

Ar nelielu ledus daudzumu, kas atstaro siltumu atpakaļ kosmosā, reģions pastāvīgi sasilst. Neliels daudzums šī papildu siltuma sasniedz tropus, taču ar to pietiek, lai izraisītu vēja un nokrišņu izmaiņas, kas maina konvekcijas un cirkulācijas modeļus. Tie savukārt rada masīvus augsta un zema spiediena zonu viļņus atmosfērā, veidojot noturīgu grēdu, kas piezemējas Klusā okeāna ziemeļdaļā. Šī funkcija virza vētras uz ziemeļiem, prom no Kalifornijas un Aļaskas un Kanādas virzienā.

Tas bija sarežģīts eksperiments, kas bija atkarīgs no gadiem ilgiem kolektīviem klimata modelēšanas tehnoloģiju un metožu uzlabojumiem. Ir nepieciešams vairāk darba, lai pārbaudītu atklājumus un noteiktu, kā citi procesi var palielināt vai mazināt Arktikas jūras ledus kušanas ietekmi, saka citi zinātnieki. Bet simulācija sniedza dažus no pirmajiem reālajiem pierādījumiem par teorētisko saistību starp ledus zudumu un tālu sausumu, un tas izklausījās stingrs brīdinājums par Kalifornijas draudošajām briesmām.

paslēpties