Zakres wkładu człowieka we współczesne globalne ocieplenie jest przedmiotem gorącej dyskusji w kręgach politycznych, szczególnie w USA.

Podczas niedawnego przesłuchania w Kongresie, Rick Perry, sekretarz ds. energii w USA, zauważył, że „powstanie i powiedzenie, że 100% globalnego ocieplenia jest skutkiem działalności człowieka, wydaje mi się po prostu nie do obrony ”.

Jednak nauka o wkładzie człowieka we współczesne ocieplenie jest dość jasna. Według Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC), emisje i działalność człowieka spowodowały około 100% ocieplenia obserwowanego od 1950 roku ) piąty raport z oceny.

Tutaj Carbon Brief bada, w jaki sposób każdy z głównych czynników wpływających na klimat Ziemi wpływałby na temperatury z osobna – i jak ich połączone skutki prawie doskonale przewidują długoterminowe zmiany globalnej temperatury.

Analiza Carbon Brief wykazała, że th at:

• Od 1850 roku prawie całe długotrwałe ocieplenie można wyjaśnić emisją gazów cieplarnianych i innymi działaniami człowieka.
• Gdyby same emisje gazów cieplarnianych ocieplały planetę , spodziewalibyśmy się ocieplenia o jedną trzecią więcej niż w rzeczywistości. Są one równoważone przez chłodzenie z aerozoli atmosferycznych wytwarzanych przez człowieka.
• Przewiduje się, że aerozole znacznie spadną do 2100 roku, przybliżając całkowite ocieplenie spowodowane wszystkimi czynnikami do ocieplenia spowodowanego wyłącznie przez gazy cieplarniane.
• Naturalne Jest mało prawdopodobne, aby zmienność klimatu Ziemi odegrała główną rolę w długoterminowym ociepleniu.

Animacja Rosamund Pearce dla Carbon Brief. Obrazy za pośrednictwem Alamy Stock Photo.

Jak bardzo ocieplenie jest spowodowane przez ludzi?

W swoim piątym raporcie z oceny z 2013 r. IPCC stwierdził w swoim podsumowaniu dla decydentów, że „jest bardzo prawdopodobne, że ponad połowa obserwowanego wzrostu średniej globalnej temperatury powierzchni ”w latach 1951–2010 była spowodowana działalnością człowieka. Określenie„ bardzo prawdopodobne ”oznaczało, że istnieje od 95% do 100% prawdopodobieństwa, że ponad połowa współczesnego ocieplenia była z powodu ludzi.

To nieco zawiłe stwierdzenie było często mylnie interpretowane jako sugerujące, że odpowiedzialność człowieka za współczesne ocieplenie mieści się w przedziale od 50% do 100%. W rzeczywistości, jak wskazał dr Gavin Schmidt z NASA, domniemane, najlepsze przypuszczenie IPCC było to, że ludzie byli odpowiedzialni za około 110% obserwowanego ocieplenia (od 72% do 146%), przy czym izolowane czynniki naturalne doprowadziły do lekkiego ochłodzenia. ostatnie 50 lat.

Podobnie ostatnia czwarta krajowa ocena klimatu w USA wykazała, że od 93% do 123% obserwowanego ocieplenia w latach 1951-2010 było spowodowane działalnością człowieka.

Te wnioski doprowadziły do niejasności co do tego, w jaki sposób ponad 100% obserwowanego ocieplenia można przypisać działalności człowieka. Udział człowieka przekraczający 100% jest możliwy, ponieważ naturalna zmiana klimatu związana z wulkanami i aktywnością słoneczną najprawdopodobniej spowodowałaby lekkie ochłodzenie w ciągu ostatnich 50 lat, kompensując część ocieplenia związanego z działalnością człowieka.

„Wymuszenia”, które zmieniają klimat

Naukowcy mierzą różne czynniki wpływające na ilość energii, która dociera i pozostaje w klimacie Ziemi. Są one znane jako „wymuszenia radiacyjne”.

Wymuszenia te obejmują gazy cieplarniane, które zatrzymują wychodzące ciepło, aerozole – zarówno z działalności człowieka, jak i erupcji wulkanów – które odbijają światło słoneczne i wpływają na tworzenie się chmur, zmiany w produkcji energii słonecznej , zmiany współczynnika odbicia powierzchni Ziemi związane z użytkowaniem gruntów i wiele innych czynników.

Aby ocenić rolę każdego innego wymuszania w obserwowanych zmianach temperatury, Carbon Brief zaadaptował prosty statystyczny model klimatyczny opracowany przez dr. Karsten Haustein i jego koledzy z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Uniwersytetu w Leeds. Model ten określa zależność między siłami klimatu i temperaturą, zarówno ludzką, jak i naturalną, i temperaturą, która najlepiej pasuje do obserwowanych temperatur, zarówno na całym świecie, jak i na lądzie.

Poniższy rysunek przedstawia szacunkową rolę każdego innego wymuszania klimatu w zmieniających się globalnych temperaturach powierzchni od czasu rozpoczęcia zapisów w 1850 r. – w tym gazy cieplarniane (czerwona linia), aerozole (ciemnoniebieskie e), zagospodarowanie terenu (jasnoniebieski), ozon (różowy), słońce (żółty) i wulkany (pomarańczowy).

Czarne kropki pokazują obserwowane temperatury z projektu temperatury powierzchni Ziemi w Berkeley, podczas gdy szara linia pokazuje szacowane ocieplenie z kombinacji wszystkich różnych typów wymuszeń

Kombinacja wszystkich wymuszeń radiacyjnych generalnie całkiem dobrze pasuje do długoterminowych zmian obserwowanych temperatur. Istnieje pewna zmienność z roku na rok, głównie związana z wydarzeniami El Niño, która nie jest spowodowana zmianami w wymuszeniach. Istnieją również okresy z lat 1900-1920 i 1930-1950, w których widoczne są większe rozbieżności między przewidywanym i obserwowanym ociepleniem, zarówno w tym prostym modelu, jak iw bardziej złożonych modelach klimatycznych.

Wykres podkreśla, że przede wszystkim W analizowanych wymuszeniach radiacyjnych tylko wzrost emisji gazów cieplarnianych wywołuje wielkość ocieplenia, jakiego doświadczyliśmy w ciągu ostatnich 150 lat.

Gdyby same emisje gazów cieplarnianych ocieplały planetę, spodziewalibyśmy się ocieplenia o jedną trzecią więcej niż w rzeczywistości.

A więc jaką rolę odgrywają wszystkie inne czynniki?

Dodatkowe ocieplenie powodowane przez gazy cieplarniane jest równoważone przez dwutlenek siarki i inne produkty spalania paliw kopalnych, które tworzyć aerozole atmosferyczne. Aerozole w atmosferze zarówno odbijają napływające promieniowanie słoneczne z powrotem w kosmos, jak i zwiększają tworzenie się wysokich, odblaskowych chmur, chłodząc Ziemię.

Ozon to krótkotrwały gaz cieplarniany, który zatrzymuje wychodzące ciepło i ogrzewa Ziemię. Ozon nie jest emitowany bezpośrednio, ale powstaje, gdy metan, tlenek węgla, tlenki azotu i lotne związki organiczne rozkładają się w atmosferze. Wzrost ozonu jest bezpośrednio związany z emisją tych gazów przez ludzi.

W górnych warstwach atmosfery redukcja ozonu związana z chlorofluorowęglowodorami (CFC) i innymi fluorowcowęglowodorami zubożającymi warstwę ozonową miała niewielki efekt chłodzący. Efekt netto połączonych zmian ozonu w dolnych i górnych warstwach atmosfery spowodował umiarkowane ocieplenie Ziemi o kilka dziesiątych stopnia.

Zmiany w sposobie użytkowania lądu zmieniają współczynnik odbicia powierzchni Ziemi. Na przykład zastąpienie lasu polem generalnie zwiększy ilość światła słonecznego odbijanego z powrotem w kosmos, szczególnie w regionach pokrytych śniegiem. Efektem netto zmian użytkowania gruntów od 1850 roku jest umiarkowane ochłodzenie klimatu netto.

Wulkany mają krótkotrwały wpływ na klimat dzięki wstrzykiwaniu aerozoli siarczanowych wysoko do stratosfery, gdzie mogą pozostać w górę przez kilka lat, odbijając wpadające światło słoneczne z powrotem w kosmos. Jednak gdy siarczany opadną z powrotem na powierzchnię, chłodzący efekt wulkanów zanika. Pomarańczowa linia przedstawia szacunkowy wpływ wulkanów na klimat, z dużymi spadkami temperatur do 0,4 ° C związanymi z dużymi erupcjami.

Wreszcie, aktywność słoneczna jest mierzona przez satelity w ciągu ostatnich kilku dekad i szacowana na podstawie liczby plam słonecznych z bardziej odległej przeszłości. Ilość energii docierającej do Ziemi ze słońca waha się nieznacznie w cyklu około 11 lat. Od lat pięćdziesiątych XIX wieku nastąpił niewielki wzrost ogólnej aktywności słonecznej, ale ilość dodatkowej energii słonecznej docierającej do Ziemi jest niewielka w porównaniu z innymi badanymi wymuszeniami radiacyjnymi.

W ciągu ostatnich 50 lat energia słoneczna docierająca do Ziemia faktycznie nieznacznie spadła, podczas gdy temperatury dramatycznie wzrosły.

Ludzkie siły odpowiadają obserwowanemu ociepleniu

Dokładność tego modelu zależy od dokładności oszacowań wymuszania promieniowania. Niektóre rodzaje wymuszania radiacyjnego, takie jak wywoływane przez atmosferyczne stężenia CO2, można mierzyć bezpośrednio i charakteryzują się one stosunkowo małą niepewnością. Inne, takie jak aerozole, podlegają znacznie większej niepewności ze względu na trudność w dokładnym pomiarze ich wpływu na tworzenie się chmur.

Uwzględniono je na poniższym rysunku, który przedstawia połączone siły naturalne (linia niebieska) i sił ludzkich (czerwona linia) oraz niepewności, z którymi wiąże się model statystyczny. Te zacienione obszary są oparte na 200 różnych szacunkach wymuszeń radiacyjnych, obejmujących badania mające na celu oszacowanie zakresu wartości dla każdego z nich. Niepewność dotycząca czynników ludzkich wzrosła po 1960 r., Głównie ze względu na wzrost emisji aerozoli po tym czasie.

Ogólnie ocieplenie związane ze wszystkimi ludzkimi siłami zgadza się całkiem dobrze z obserwowanym ociepleniem, pokazując, że około 104% całości od początku „nowoczesnego” okresu w 1950 r. pochodzi z działalności człowieka (i 103% od 1850 r.), co jest wynikiem zbliżonym do wartości podanej przez IPCC.Połączone siły naturalne wskazują na umiarkowane ochłodzenie, napędzane głównie przez erupcje wulkanów.

Prosty model statystyczny użyty w tej analizie przez Carbon Brief różni się od znacznie bardziej złożonych modeli klimatycznych, które są zwykle używane przez naukowców do oceny ludzkich odcisków palców pod kątem ocieplenia. . Modele klimatyczne nie po prostu „dopasowują” wymuszenia do obserwowanych temperatur. Modele klimatyczne obejmują również zmiany temperatury w czasie i przestrzeni i mogą wyjaśniać różną skuteczność wymuszeń radiacyjnych w różnych regionach Ziemi.

Jednak Analizując wpływ różnych wymuszeń na globalne temperatury, złożone modele klimatyczne generalnie znajdują wyniki podobne do prostych modeli statystycznych. Poniższy rysunek, z Piątego Raportu Oceniającego IPCC, pokazuje wpływ różnych czynników na temperaturę w okresie od 1950 do 2010 roku. Obserwowane temperatury są pokazane na czarno, podczas gdy suma wymuszeń ludzkich jest pokazana na pomarańczowo.

Sugeruje to, że same ludzkie siły spowodowałyby około 110% obserwowanego ocieplenia. IPCC uwzględnił również szacowaną wielkość wewnętrznej zmienności w tym okresie w modelach, które, jak sugerują, są stosunkowo małe i porównywalne z siłami naturalnymi.

Jak mówi prof. Gabi Hegerl z Uniwersytetu w Edynburgu Carbon Brief : „Raport IPCC zawiera szacunki, które zasadniczo mówią, że najlepszym przypuszczeniem nie jest wkład przy niewielkiej niepewności”.

Obszary lądowe ocieplają się szybciej

Temperatura na lądzie ocieplała się znacznie szybciej niż średnie globalne temperatury w ciągu ostatniego stulecia, z temperaturami sięgającymi około 1,7 ° C powyżej poziomów sprzed epoki przemysłowej w ostatnich latach. Rekord temperatury ziemi również sięga dalej w czasie niż globalny rekord temperatury, chociaż okres przed 1850 r. podlega znacznie większym niepewności.

Zarówno ludzkie, jak i naturalne wymuszenie radiacyjne można dopasować do temperatury lądu za pomocą modelu statystycznego. Wielkość sił ludzkich i naturalnych będzie się nieco różnić w zależności od temperatury na lądzie i na świecie s. Na przykład erupcje wulkanów wydają się mieć większy wpływ na lądy, ponieważ temperatury na lądzie prawdopodobnie szybciej reagują na gwałtowne zmiany wymuszeń.

Poniższy rysunek przedstawia względny udział każdego innego wymuszania radiacyjnego w temperaturach lądu od 1750 roku.

Kombinacja wszystkich wymuszeń generalnie całkiem dobrze pasuje do obserwowanych temperatur, z krótkoterminową zmiennością wokół szarej linii głównie przez El Niño i wydarzenia La Niña. Przed rokiem 1850 występuje większe zróżnicowanie temperatur, co odzwierciedla znacznie większe niepewności w zapisach obserwacyjnych z tamtych czasów.

Wciąż istnieje okres około 1930 i 1940 roku, w którym obserwacje wykraczają poza to, co przewiduje model, chociaż różnice są mniej wyraźne niż w globalnych temperaturach, a dywergencja z lat 1900-1920 jest przeważnie nieobecna w zapisach lądowych.

Erupcje wulkanów pod koniec XVIII i na początku XIX wieku wyraźnie zaznaczają się w zapisach lądowych. Erupcja góry Tambora w Indonezji w 1815 r. Mogła obniżyć temperaturę lądu o ogromną 1,5 ° C, chociaż w tamtym czasie rekordy były ograniczone do części półkuli północnej, dlatego trudno jest wyciągnąć jednoznaczne wnioski dotyczące globalnych skutków. Ogólnie wydaje się, że wulkany obniżają temperaturę lądu prawie dwukrotnie bardziej niż temperatury globalne.

Co może się wydarzyć w przyszłości?

W Carbon Brief wykorzystano ten sam model do prognozowania przyszłych zmian temperatury związane z każdym czynnikiem wymuszającym. Poniższy rysunek przedstawia obserwacje do 2017 r., Wraz z przyszłymi wymuszeniami radiacyjnymi po 2017 r. Z RCP6.0, średniego do wysokiego scenariusza przyszłego ocieplenia.

Prosty model statystyczny, wyposażony w wymuszenie radiacyjne dla scenariusza RCP6.0, pokazuje ocieplenie o około 3 ° C do 2100 roku, prawie identyczne ze średnim ociepleniem, które modele klimatyczne znajdują.

Oczekuje się, że przyszłe wymuszanie promieniowania przez CO2 będzie nadal rosło, jeśli emisje wzrosną.Z drugiej strony przewiduje się, że aerozole osiągną szczyt na dzisiejszym poziomie i znacznie spadną do 2100 r., W dużej mierze spowodowane obawami o jakość powietrza. Ta redukcja aerozoli zwiększy ogólne ocieplenie, przybliżając całkowite ocieplenie ze wszystkich źródeł promieniowania bliższe ociepleniu przez same gazy cieplarniane. Scenariusze RCP zakładają brak konkretnych przyszłych erupcji wulkanów, ponieważ ich czas jest niepoznawalny, podczas gdy produkcja energii słonecznej kontynuuje swój 11-letni cykl.

To podejście można również zastosować do temperatur na lądzie, jak pokazano na rysunku poniżej. Tutaj temperatury lądu są pokazane między 1750 a 2100 rokiem, z wymuszeniami po 2017 roku również z RCP6.0.

Oczekuje się, że ląd ociepli się o około 30% szybciej niż glob jako całość, ponieważ tempo ocieplenia oceanów jest buforowane przez ciepło oceanu. Widać to w wynikach modelu, w którym ziemia ociepla się o około 4 ° C do 2100 r. W porównaniu z 3 ° C na świecie w scenariuszu RCP6.0.

Istnieje szeroki zakres możliwego przyszłego ocieplenia z różnych scenariuszy RCP i różnych wartości pod względem wrażliwości systemu klimatycznego, ale wszystkie wykazują podobny wzorzec spadku przyszłych emisji aerozoli i większą rolę w wymuszaniu gazów cieplarnianych w przyszłych temperaturach.

Rola naturalnej zmienności

Chociaż naturalne wymuszenia ze słońca i wulkanów nie wydają się odgrywać dużej roli w długoterminowym ociepleniu, istnieje również naturalna zmienność związana z cyklami oceanów i zmianami w pochłanianiu ciepła przez ocean.

Jak zdecydowana większość energia uwięziona przez gazy cieplarniane jest pochłaniana przez oceany, a nie przez atmosferę, zmiany tempa pochłaniania ciepła przez ocean mogą potencjalnie mieć duży wpływ na temperaturę powierzchni. Niektórzy badacze argumentowali, że cykle wielodekadowe, takie jak atlantycka oscylacja wielodekadowa (AMO) i pacyficzna oscylacja dekadowa (PDO), mogą odgrywać rolę w ociepleniu w skali dekadowej.

Podczas gdy czynniki ludzkie wyjaśniają całą długą historię -termowego ocieplenia, istnieją pewne okresy, które wydają się nagrzewać lub ochładzać szybciej, niż można to wyjaśnić na podstawie naszych najlepszych szacunków wymuszania radiacyjnego. Na przykład niewielkie niedopasowanie między szacunkami opartymi na wymuszaniu radiacyjnym a obserwacjami z połowy XX wieku może świadczyć o roli naturalnej zmienności w tym okresie.

Wielu badaczy zbadało potencjał naturalnego zmienność wpływająca na długoterminowe trendy ocieplenia. Odkryli, że na ogół odgrywa ograniczoną rolę. Na przykład dr Markus Huber i dr Reto Knutti z Instytutu Nauk o Atmosferze i Klimacie (IAC) w Zurychu stwierdzili maksymalny możliwy udział naturalnej zmienności wynoszący około 26% (+/- 12%) w ciągu ostatnich 100 lat i 18% (+/- 9%) w ciągu ostatnich 50 lat.

Knutti mówi Carbon Brief:

„Nigdy nie możemy całkowicie rządzić że naturalna zmienność jest większa niż myślimy obecnie. Ale to jest słaby argument: oczywiście nigdy nie można wykluczyć nieznanego. Pytanie brzmi, czy istnieją mocne, a nawet jakikolwiek dowód na to. nie, moim zdaniem.

W modelach krótkoterminowa zmienność temperatury jest w przybliżeniu właściwa. W wielu przypadków, mają nawet za dużo. Na dłuższą metę nie możemy być pewni, ponieważ obserwacje są ograniczone. Jednak wymuszona reakcja w dużym stopniu wyjaśnia obserwacje, więc nie ma dowodów z XX wieku, że brakuje nam niektórych ething…

Nawet jeśli okaże się, że modele nie szacują zmienności wewnętrznej trzykrotnie, jest to niezwykle mało prawdopodobne, aby zmienność wewnętrzna mogła wywołać trend tak duży, jak zaobserwowano. ”

Podobnie dr Martin Stolpe i współpracownicy, również z IAC, przeanalizowali ostatnio rolę wielodekadowej naturalnej zmienności zarówno w Oceanie Atlantyckim, jak i Oceanie Spokojnym. Okazało się, że „mniej niż 10% obserwowanego globalnego ocieplenia w drugiej połowie XX wieku jest spowodowane wewnętrzną zmiennością tych dwóch basenów oceanicznych, co wzmacnia przypisywanie większości obserwowanego ocieplenia wymuszeniom antropogenicznym”.

Zmienność wewnętrzna prawdopodobnie będzie odgrywać znacznie większą rolę w temperaturach regionalnych. Na przykład w latach trzydziestych XX w. w Arktyce i Stanach Zjednoczonych pojawiały się niezwykle ciepłe okresy. Wydaje się jednak, że jej rola w wpływie na długoterminowe zmiany globalnych temperatur powierzchniowych wydaje się być ograniczone.

Wniosek

Chociaż istnieją naturalne czynniki wpływające na klimat Ziemi, połączony wpływ wulkanów i zmian w aktywności słonecznej spowodowałby raczej ochłodzenie niż ocieplenie ostatnich 50 lat.

Globalne ocieplenie, którego byliśmy świadkami w ciągu ostatnich 150 lat, prawie idealnie pasuje do tego, czego oczekuje się od emisji gazów cieplarnianych i innej działalności człowieka, zarówno w prostym modelu badanym tutaj, jak iw bardziej złożonych modelach klimatycznych. Najlepsze oszacowanie wkładu człowieka we współczesne ocieplenie to około 100%.

Pewna niepewność pozostaje związana z rolą naturalnej zmienności, ale naukowcy sugerują, że wahania oceanów i podobne czynniki prawdopodobnie nie będą przyczyną większej liczby niż niewielki ułamek współczesnego globalnego ocieplenia.

Metodologia

Prosty model statystyczny użyty w tym artykule został zaadaptowany z Global Warming Index opublikowanego przez Haustein et al (2017). Z kolei jest on oparty na modelu Otto i in. (2015).

Model szacuje wkład w obserwowane zmiany klimatu i usuwa wpływ naturalnych wahań z roku na rok poprzez wielokrotną regresję liniową obserwowanych temperatury i szacunkowe reakcje na wszystkie wywołane przez człowieka i wszystkie naturalne czynniki wpływające na zmianę klimatu. Wymuszające odpowiedzi są dostarczane przez standardowy prosty model klimatyczny podany w rozdziale 8 IPCC (2013), ale rozmiar tych odpowiedzi jest szacowany na podstawie dopasowania do obserwacji. Wymuszenia są oparte na wartościach IPCC (2013) i zostały zaktualizowane do 2017 r. Przy użyciu danych z NOAA i ECLIPSE. Dr Piers Forster z University of Leeds przedstawił 200 wariantów tych wymuszeń, co odzwierciedla niepewność wymuszania szacunków. Dostarczono również arkusz kalkulacyjny Excel zawierający ich model.

Model został dostosowany poprzez obliczenie odpowiedzi wymuszających dla każdego z różnych głównych wymuszeń klimatycznych, a nie po prostu całkowitych wymuszeń ludzkich i naturalnych, wykorzystując do obserwacji zapis Berkeley Earth. Czas zaniku reakcji termicznej zastosowany do konwersji wymuszeń na odpowiedzi wymuszone został dostosowany do jednego roku zamiast czterech lat dla wymuszeń wulkanicznych, aby lepiej odzwierciedlać szybki czas odpowiedzi obecny w obserwacjach. Skutki zdarzeń El Niño i La Niña (ENSO) usunięto z obserwacji przy użyciu podejścia zaadaptowanego z Foster i Rahmstorf (2011) oraz indeksu Kaplana El Niño 3.4 przy obliczaniu reakcji temperatury wulkanu, ponieważ w przeciwnym razie nakładanie się wulkanów i ENSO komplikuje szacunki empiryczne.

Reakcja temperaturowa dla każdego wymuszenia została obliczona poprzez skalowanie ich odpowiedzi wymuszających przez całkowite współczynniki ludzkie lub naturalne z modelu regresji. Model regresji również został uruchomiony oddzielnie dla temperatur lądu. Odpowiedzi temperaturowe dla każdego wymuszenia między 2018 a 2100 rokiem oszacowano przy użyciu danych wymuszania z RCP6.0, znormalizowanych w celu dopasowania do wielkości zaobserwowanych wymuszeń pod koniec 2017 r.

Niepewność w całkowitej reakcji człowieka i całkowitej naturalnej temperatury była oszacowane za pomocą analizy Monte Carlo 200 różnych szeregów wymuszeń, a także niepewności oszacowanych współczynników regresji. Kod Pythona użyty do uruchomienia modelu jest archiwizowany w GitHub i dostępny do pobrania.

Dane obserwacyjne z 2017 roku pokazane na rysunkach są oparte na średniej z pierwszych 10 miesięcy roku i prawdopodobnie będą dość podobny do ostatecznej wartości rocznej.