Omfattningen av det mänskliga bidraget till modern global uppvärmning är ett mycket debatterat ämne i politiska kretsar, särskilt i USA.

Under ett nyligen hört kongressförhållande påpekade den amerikanska energisekreteraren Rick Perry att ”att stå upp och säga att 100% av den globala uppvärmningen beror på mänsklig aktivitet, tror jag på sitt ansikte, är bara försvarbar ”.

Vetenskapen om det mänskliga bidraget till modern uppvärmning är dock ganska tydlig. Människans utsläpp och aktiviteter har orsakat cirka 100% av den uppvärmning som observerats sedan 1950, enligt den mellanstatliga panelen för klimatförändringar (IPCC) ) femte bedömningsrapport.

Här undersöker Carbon Brief hur var och en av de viktigaste faktorerna som påverkar jordens klimat skulle påverka temperaturer isolerat – och hur deras kombinerade effekter nästan perfekt förutsäger långsiktiga förändringar i den globala temperaturen. / p>

Carbon Briefs analys finner th vid:

• Sedan 1850 kan nästan all den långsiktiga uppvärmningen förklaras av växthusgasutsläpp och andra mänskliga aktiviteter.
• Om utsläppen av växthusgaser enbart värmer planeten , vi förväntar oss att se en tredjedel mer uppvärmning än vad som faktiskt har skett. De kompenseras av nedkylning från humantillverkade atmosfäriska aerosoler.
• Aerosoler beräknas minska avsevärt år 2100, vilket ger total uppvärmning från alla faktorer närmare uppvärmningen från enbart växthusgaser.
• Naturlig variation i jordens klimat kommer sannolikt inte att spela en viktig roll vid långvarig uppvärmning.

Animering av Rosamund Pearce för Carbon Brief. Bilder via Alamy Stock Photo.

Hur mycket uppvärmning orsakas av människor?

I sin femte utvärderingsrapport från 2013 uppgav IPCC i sin sammanfattning för beslutsfattare att det är ”extremt troligt att mer än hälften av den observerade ökningen av den globala genomsnittliga yttemperaturen ”från 1951 till 2010 orsakades av mänsklig aktivitet. Med” extremt troligt ”innebar det att det var mellan 95% och 100% sannolikhet att mer än hälften av modern uppvärmning var på grund av människor.

Detta något invecklade uttalande har ofta tolkats felaktigt så att det antyder att det mänskliga ansvaret för modern uppvärmning ligger någonstans mellan 50% och 100%. Som NASA: s doktor Gavin Schmidt har påpekat var IPCC: s underförstådda bästa gissning att människor var ansvariga för cirka 110% av den observerade uppvärmningen (från 72% till 146%), med naturliga faktorer isolerat som ledde till en sval svalning de senaste 50 åren.

På samma sätt visade den senaste amerikanska fjärde nationella klimatbedömningen att mellan 93% och 123% av den observerade uppvärmningen 1951-2010 berodde på mänskliga aktiviteter.

Dessa slutsatser har lett till viss förvirring om hur mer än 100% av den observerade uppvärmningen kan hänföras till mänsklig aktivitet. Ett mänskligt bidrag på mer än 100% är möjligt eftersom naturliga klimatförändringar i samband med vulkaner och solaktivitet sannolikt skulle ha resulterat i en sval svalning under de senaste 50 åren, vilket kompenserade en del av uppvärmningen i samband med mänskliga aktiviteter.

’Tvingar’ som förändrar klimatet

Forskare mäter de olika faktorer som påverkar mängden energi som når och förblir i jordens klimat. De är kända som ”strålningsförmåga”.

Dessa tvingar inkluderar växthusgaser, som fångar utgående värme, aerosoler – både från mänskliga aktiviteter och vulkanutbrott – som reflekterar inkommande solljus och påverkar molnbildning, förändringar i solproduktion , förändringar i reflektionsförmågan på jordytan förknippad med markanvändning och många andra faktorer.

För att bedöma rollen för varje annan kraft i observerade temperaturförändringar, anpassade Carbon Brief en enkel statistisk klimatmodell utvecklad av Dr. Karsten Haustein och hans kollegor vid University of Oxford och University of Leeds. Denna modell hittar förhållandet mellan både mänskliga och naturliga klimatkrafter och temperatur som bäst matchar observerade temperaturer, både globalt och över landområden.

Figuren nedan visar den uppskattade rollen för varje klimat som tvingas vid förändrade globala yttemperaturer sedan rekord började 1850 – inklusive växthusgaser (röd linje), aerosoler (mörkblå e), markanvändning (ljusblå), ozon (rosa), sol (gul) och vulkaner (orange).

De svarta prickarna visar observerade temperaturer från Berkeley Earth-yttemperaturprojektet, medan den grå linjen visar den uppskattade uppvärmningen från kombinationen av alla de olika typerna av kraft

Kombinationen av alla strålningstvingar matchar i allmänhet långvariga förändringar i observerade temperaturer ganska bra. Det finns viss variation från år till år, främst från El Niño-händelser, som inte drivs av förändringar i tvingar. Det finns också perioder från 1900-1920 och 1930-1950 där vissa större oenigheter är uppenbara mellan projicerad och observerad uppvärmning, både i denna enkla modell och i mer komplexa klimatmodeller.

Diagrammet belyser att av alla den analyserade strålningskraften ger bara ökningar av växthusgasutsläppen den uppvärmning som upplevts under de senaste 150 åren.

Om utsläppen av växthusgaser enbart värmer planeten, skulle vi förvänta oss att se omkring en tredjedel mer uppvärmning än vad som faktiskt har hänt.

Vilka roller spelar alla andra faktorer?

Den extra uppvärmningen från växthusgaser kompenseras av svaveldioxid och andra produkter från förbränning av fossila bränslen som bildar atmosfäriska aerosoler. Aerosoler i atmosfären reflekterar både inkommande solstrålning tillbaka ut i rymden och ökar bildandet av höga, reflekterande moln som kyler jorden.

Ozon är en kortlivad växthusgas som fångar utgående värme och värmer jorden. Ozon avges inte direkt utan bildas när metan, kolmonoxid, kväveoxider och flyktiga organiska föreningar bryts ner i atmosfären. Ökningar i ozon är direkt hänförliga till mänskliga utsläpp av dessa gaser.

I den övre atmosfären har minskningar av ozon i samband med klorfluorkolväten (CFC) och andra halokolväten som tömmer ozonskiktet haft en blygsam kylningseffekt. Nettoeffekterna av kombinerade nedre och övre atmosfäriska ozonförändringar har blygsamt värmt jorden med några tiondelar av en grad.

Förändringar i hur mark används ändrar jordens reflektionsförmåga. Till exempel kommer att ersätta en skog med ett fält i allmänhet öka mängden solljus som reflekteras tillbaka i rymden, särskilt i snöiga områden. Nettoklimateffekten av markanvändningsförändringar sedan 1850 är en blygsam kylning.

Vulkaner har en kortsiktig kyleffekt på klimatet på grund av deras injektion av sulfat-aerosoler högt upp i stratosfären, där de kan stanna uppe i några år och reflekterar inkommande solljus tillbaka i rymden. Men när sulfaterna glider tillbaka ner till ytan försvinner vulkanernas kylande effekt. Den orange linjen visar den beräknade påverkan av vulkaner på klimatet, med stora nedåtgående toppar i temperaturer upp till 0,4 ° C associerade med stora utbrott.

Slutligen mäts solaktivitet av satelliter under de senaste decennierna och uppskattas baserat på solfläckantal i det mer avlägsna förflutna. Mängden energi som når jorden från solen varierar blygsamt under en cykel av cirka 11 år. Det har skett en liten ökning av den totala solaktiviteten sedan 1850-talet, men mängden extra solenergi som når jorden är liten jämfört med andra undersökta strålkrafter.

Under de senaste 50 åren har solenergi nått Jorden har faktiskt sjunkit något medan temperaturen har ökat dramatiskt.

Mänskliga tvingar matchar observerad uppvärmning

Noggrannheten i denna modell beror på noggrannheten hos strålningsförmågan. Vissa typer av strålningskrafter som sådana från atmosfäriska CO2-koncentrationer kan mätas direkt och har relativt små osäkerheter. Andra, såsom aerosoler, är föremål för mycket större osäkerheter på grund av svårigheten att noggrant mäta deras effekter på molnbildning.

Dessa redovisas i figuren nedan, som visar kombinerade naturliga kraftverk (blå linje) och mänskliga tvingar (röd linje) och osäkerheten som den statistiska modellen associerar med var och en. Dessa skuggade områden är baserade på 200 olika uppskattningar av strålningstvingar, med forskning som försöker uppskatta ett värdeintervall för varje. Osäkerheten hos mänskliga faktorer ökar efter 1960, till stor del driven av ökningar av aerosolutsläpp efter den punkten.

Sammantaget överensstämmer uppvärmningen associerad med all mänsklig styrka ganska väl med den observerade uppvärmningen, vilket visar att cirka 104% av totalen sedan början av den ”moderna” perioden. 1950 kommer från mänskliga aktiviteter (och 103% sedan 1850), vilket liknar det värde som rapporterats av IPCC.Kombinerade naturliga kraftverk visar en blygsam kylning, främst driven av vulkanutbrott.

Den enkla statistiska modellen som används för denna analys av Carbon Brief skiljer sig från mycket mer komplexa klimatmodeller som allmänt används av forskare för att bedöma det mänskliga fingeravtrycket vid uppvärmningen. . Klimatmodeller ”passar inte” bara kraft till observerade temperaturer. Klimatmodeller inkluderar också variationer i temperatur över rum och tid och kan redogöra för olika effektiviteter av strålningskrafter i olika delar av jorden.

Men När man analyserar effekterna av olika styrkor på de globala temperaturerna, hittar komplexa klimatmodeller i allmänhet resultat som liknar enkla statistiska modeller. Figuren nedan, från IPCC: s femte bedömningsrapport, visar hur olika faktorer påverkar temperaturen under perioden 1950 till 2010. Observerade temperaturer visas i svart, medan summan av mänskliga tvingar visas i orange.

Detta antyder att mänskliga tvingar ensam skulle ha resulterat i cirka 110% av den observerade uppvärmningen. IPCC inkluderade också den uppskattade storleken på den interna variabiliteten under den perioden i modellerna, vilket de föreslår är relativt liten och jämförbar med den för naturliga kraftverk.

Som Prof Gabi Hegerl vid University of Edinburgh säger till Carbon Brief : ”IPCC-rapporten har en uppskattning som i princip säger att den bästa gissningen inte är något bidrag med inte så mycket osäkerhet.”

Landområdena värms snabbare

Landstemperaturen har värmts betydligt snabbare än genomsnittliga globala temperaturer under det senaste århundradet, med temperaturer som nått cirka 1,7 ° C över före industriella nivåer de senaste åren. Landtemperaturrekorden går också längre tillbaka i tiden än den globala temperaturrekorden, även om perioden före 1850 är föremål för mycket större osäkerheter.

Både mänskliga och naturliga strålkrafter kan matchas med landtemperaturer med hjälp av den statistiska modellen. Storleken på mänsklig och naturlig kraft kan skilja sig något mellan land och global temperatur s. Till exempel verkar vulkanutbrott ha ett större inflytande på land, eftersom landtemperaturer sannolikt kommer att reagera snabbare på snabba förändringar i kraft.

Figuren nedan visar det relativa bidraget för varje olika strålningstvingning till landstemperaturen. sedan 1750.

Kombinationen av alla styrningar matchar i allmänhet observerade temperaturer ganska bra, med kortsiktig variation runt den grå linjen, främst driven av El Niño och La Niña-evenemang. Det finns en större variation i temperaturerna före 1850, vilket återspeglar de mycket större osäkerheterna i observationsregisterna långt tillbaka.

Det finns fortfarande en period kring 1930 och 1940 där observationer överstiger vad modellen förutspår, även om skillnaderna är mindre uttalade än i globala temperaturer och skillnaderna 1900-1920 är mestadels frånvarande i landregister.

Vulkanutbrott i slutet av 1700-talet och början av 1800-talet sticker ut kraftigt i landrekordet. Utbrottet av Mount Tambora i Indonesien 1815 kan ha svalnat landtemperaturerna med massiva 1,5C, även om rekord vid den tiden var begränsade till delar av norra halvklotet och det är därför svårt att dra en bestämd slutsats om globala effekter. I allmänhet verkar vulkaner svalna landtemperaturen med nästan dubbelt så mycket som de globala temperaturerna.

Vad kan hända i framtiden?

Carbon Brief använde samma modell för att projicera framtida temperaturförändringar. associerad med varje tvingande faktor. Figuren nedan visar observationer fram till 2017, tillsammans med framtida strålkrafter efter 2017 från RCP6.0, ett medium till högt framtida uppvärmningsscenario.

När den förses med strålningskrafterna för RCP6.0-scenariot, visar den enkla statistiska modellen uppvärmning på cirka 3C till 2100, nästan identisk med den genomsnittliga uppvärmningen som klimatmodeller hittar.

Framtida strålningskraft från koldioxid förväntas fortsätta att öka om utsläppen ökar.Aerosoler, å andra sidan, förväntas nå en topp på dagens nivåer och sjunka avsevärt med 2100, som till stor del drivs av oro över luftkvaliteten. Denna minskning av aerosoler kommer att förbättra den totala uppvärmningen, vilket kommer att ge total uppvärmning från alla strålningsmedel närmare uppvärmningen från enbart växthusgaser. RCP-scenarierna förutsätter inga specifika framtida vulkanutbrott, eftersom tidpunkten för dessa är omöjlig, medan solproduktionen fortsätter sin 11-åriga cykel.

Detta tillvägagångssätt kan också tillämpas på landtemperaturer, som visas i figuren. Nedan. Här visas landtemperaturer mellan 1750 och 2100, med styrkor efter 2017 också från RCP6.0.

Landet förväntas värmas cirka 30% snabbare än världen som helhet, eftersom uppvärmningshastigheten över haven är buffrad av havsupptagningen. Detta ses i modellresultaten, där marken värms upp med cirka 4C fram till 2100 jämfört med 3C globalt i RCP6.0-scenariot.

Det finns ett brett spektrum av framtida uppvärmning möjligt från olika RCP-scenarier och olika värden för klimatsystemets känslighet, men alla visar ett liknande mönster av minskande framtida aerosolutsläpp och en större roll för växthusgaspåverkan i framtida temperaturer.

Den naturliga variationens roll

Även om naturliga tvingar från sol och vulkaner inte verkar spela någon större roll vid långvarig uppvärmning, finns det också en naturlig variation i havets cykler och variationer i havets värmeupptag.

Som de allra flesta av energi som fångas av växthusgaser absorberas av haven snarare än atmosfären, förändringar i hastigheten för havsupptagning kan potentiellt ha stora effekter på yttemperaturen. Vissa forskare har hävdat att multidecadal cykler, såsom Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) och Pacific Decadal Oscillation (PDO), kan spela en roll i uppvärmningen i en decadal skala.

Medan mänskliga faktorer förklarar hela tiden -uppvärmning, det finns vissa specifika perioder som verkar ha värmts eller svalnat snabbare än vad som kan förklaras baserat på våra bästa uppskattningar av strålningstvingning. Till exempel kan den blygsamma obalansen mellan den strålningsförmåga-baserade uppskattningen och observationerna under mitten av 1900-talet vara bevis på en roll för naturlig variation under den perioden.

Ett antal forskare har undersökt potentialen för naturlig variation för att påverka långvariga uppvärmningstrender. De har funnit att det i allmänhet spelar en begränsad roll. Till exempel fann Dr Markus Huber och Dr Reto Knutti vid Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC) i Zürich ett maximalt möjligt bidrag av naturlig variation på cirka 26% (+/- 12%) under de senaste 100 åren och 18% (+/- 9%) under de senaste 50 åren.

Knutti säger till Carbon Brief:

”Vi kan aldrig helt styra att den naturliga variationen är större än vad vi för närvarande tror. Men det är ett svagt argument: du kan naturligtvis aldrig utesluta det okända okända. Frågan är om det finns starka eller till och med några bevis för det. Och svaret är nej, enligt min mening.

Modeller får den kortvariga temperaturvariabiliteten ungefär rätt. I många fall har de till och med för mycket. Och på lång sikt kan vi inte vara säkra på att observationerna är begränsade. Men det påtvingade svaret förklarar i stort sett observationerna, så det finns inga bevis från 1900-talet för att vi saknar ething…

Även om modeller visade sig underskatta den interna variabiliteten med en faktor tre, är det extremt osannolikt att intern variation kan producera en trend så stor som observerats. ”

På samma sätt analyserade Dr Martin Stolpe och kollegor, även vid IAC, nyligen rollen av multidecadal naturlig variation i både Atlanten och Stilla havet. De fann att ”mindre än 10% av den observerade globala uppvärmningen under andra hälften av 1900-talet orsakas av intern variation i dessa två havsbassänger, vilket förstärker tillskrivningen av det mesta av den observerade uppvärmningen till antropogena tvingar”.

Intern variabilitet kommer sannolikt att ha en mycket större roll i regionala temperaturer. Till exempel när det gäller att producera ovanligt varma perioder i Arktis och USA på 1930-talet. Dess roll i att påverka långsiktiga förändringar i globala yttemperaturer verkar begränsas.

Slutsats

Även om det finns naturliga faktorer som påverkar jordens klimat, skulle det kombinerade inflytandet av vulkaner och förändringar i solaktiviteten ha resulterat i kylning snarare än att värmas upp över senaste 50 åren.

Den globala uppvärmningen under de senaste 150 åren matchar nästan perfekt vad som förväntas av växthusgasutsläpp och annan mänsklig aktivitet, både i den enkla modellen som undersöks här och i mer komplexa klimatmodeller. Den bästa uppskattningen av det mänskliga bidraget till modern uppvärmning är cirka 100%.

Viss osäkerhet kvarstår på grund av den naturliga variationens roll, men forskare föreslår att havsfluktuationer och liknande faktorer sannolikt inte kommer att orsaka mer än en liten del av modern global uppvärmning.

Metod

Den enkla statistiska modellen som används i den här artikeln är anpassad från Global Warming Index publicerat av Haustein et al (2017). I sin tur bygger den på Otto et al (2015) -modellen.

Modellen uppskattar bidrag till observerad klimatförändring och tar bort effekterna av naturliga variationer från år till år genom en multipel linjär regression av observerade temperaturer och beräknade reaktioner på totala mänskliga inducerade och totala naturliga drivkrafter för klimatförändringar. De tvingande svaren tillhandahålls av den vanliga enkla klimatmodellen som ges i kapitel 8 i IPCC (2013), men storleken på dessa svar uppskattas av passningen till observationerna. Tvingarna är baserade på IPCC (2013) värden och uppdaterades till 2017 med data från NOAA och ECLIPSE. 200 variationer av dessa tvingar tillhandahölls av Dr Piers Forster vid University of Leeds, vilket återspeglar osäkerheten i att tvinga uppskattningar. Ett Excel-kalkylblad som innehåller deras modell tillhandahålls också.

Modellen anpassades genom att beräkna tvingande svar för var och en av de olika stora klimatkrafterna snarare än helt enkelt mänskliga och naturliga krafter med hjälp av Berkeley Earth-posten för observationer. Sönderfallstiden för termiskt svar som används för att omvandla kraft till tvångssvar justerades till att vara ett år snarare än fyra år för vulkanisk kraft för att bättre återspegla den snabba responstid som finns i observationer. Effekterna av händelserna El Niño och La Niña (ENSO) avlägsnades från observationerna med hjälp av ett tillvägagångssätt anpassat från Foster och Rahmstorf (2011) och Kaplan El Niño 3.4-indexet vid beräkning av vulkanens temperaturrespons, eftersom överlappningen mellan vulkaner och ENSO annars komplicerar empiriska uppskattningar.

Temperatursvaret för varje enskild tvingning beräknades genom att skala deras tvingande svar med de totala mänskliga eller naturliga koefficienterna från regressionsmodellen. Regressionsmodellen kördes också separat för landtemperaturer. Temperatursvar för varje tvingning mellan 2018 och 2100 uppskattades med hjälp av tvingande data från RCP6.0, normaliserade för att matcha storleken på observerade tvingar i slutet av 2017.

Osäkerheter i det totala humana och totala naturliga temperatursvaret var beräknas med hjälp av en Monte Carlo-analys av 200 olika tvångsserier, liksom osäkerheterna i de uppskattade regressionskoefficienterna. Python-koden som används för att köra modellen arkiveras med GitHub och tillgänglig för nedladdning.

Observationsdata från 2017 som visas i siffrorna baseras på genomsnittet av årets första tio månader och kommer sannolikt att vara ganska lik det ultimata årliga värdet.