Modele ale schimbărilor climatice bruște ca punct de basculare în cascadă dependent de rată

Lohmann, J., Castellana, D., Ditlevsen, P. D., și Dijkstra, H. A., propun un model conceptual care cuprinde o cascadă de puncte de basculare ca mecanism pentru schimbările climatice abrupte din trecut. În model, modificările unui parametru de control, care ar putea fi legate, de exemplu, de modificările circulației atmosferice, induc bascularea secvențială a stratului de gheață marină și circulația meridională de basculare a oceanului. Componenta oceanică, reprezentată de cunoscutul model Stommel box, prezintă așa-numita basculare indusă de rată. Aici, o reapariție bruscă a circulației de basculare este indusă înainte de a se atinge un punct de bifurcație datorită ratei rapide de schimbare a gheții marine. Din cauza naturii multi-scalare a sistemului climatic, acest tip de cascadă de basculare poate reprezenta, de asemenea, un risc privind încălzirea globală viitoare. Intervalele de timp relativ scurte implicate fac dificilă detectarea acestor puncte de basculare din observații. Cu toate acestea, cu modelul nostru conceptual, constatăm că poate exista o întârziere semnificativă în basculare, deoarece sistemul este atras de varietatea stabilă a unei șei în timpul tranziției induse de rată, înainte de a scăpa spre starea nedorită. Acest lucru deschide posibilitatea unei avertizări timpurii asupra tranziției bruște iminente prin detectarea stabilității liniare în schimbare în vecinătatea șeii. Pentru a face acest lucru, propunem estimarea Jacobianului din seria temporală zgomotoasă. Se dovedește că acesta este un precursor generic util pentru detectarea basculării induse de rată.

Se crede că mai multe elemente din sistemul terestru sunt expuse riscului de a suferi schimbări bruște și ireversibile ca răspuns la creșterea concentrațiilor de gaze cu efect de seră din atmosferă. Printre altele, gheața maritimă arctică, calotele glaciare din Groenlanda și Antarctica de Vest, pădurea tropicală amazoniană și Circulația Meridională de Răsturnare a Atlanticului (AMOC) au fost identificate ca fiind potențial traversând astfel de puncte de basculare la diferite niveluri de încălzire globală (Lenton et al., 2008). În timp ce un declin brusc al gheții maritime arctice este deja în curs de desfășurare (IPCC, 2019), pentru un sistem precum AMOC este mult mai incert dacă și când se va atinge un punct de basculare. Cu toate acestea, acesta constituie un risc care merită atenție, deoarece a fost observată în întreaga ierarhie a modelelor climatice (Weijer et al., 2019) și există dovezi că s-a produs în mod repetat în ultima perioadă glaciară (Henry et al., 2016). Astfel de schimbări trecute ale AMOC au dus probabil la schimbări climatice bruște, cunoscute sub numele de evenimente Dansgaard-Oeschger (DO) (Dansgaard et al., 1993). Acestea sunt cele mai semnificative exemple de schimbări climatice la scară largă din trecut, dar mecanismele care stau la baza acestora rămân dezbătute.

Matematic, punctele de basculare sunt de obicei înțelese ca o tranziție de la un atractor stabil al sistemului la altul. Cel mai adesea, această tranziție este asociată cu o bifurcație sau o criză a atractorului, în care o stare a sistemului își pierde stabilitatea pe măsură ce un prag critic într-un parametru de control este depășit, ducând la bascularea către un alt atractor (basculare de bifurcație). Cu toate acestea, bascularea poate apărea și înainte de depășirea unui prag critic. Perturbațiile stocastice pot induce o tranziție către un atractor alternativ (basculare indusă de zgomot). În plus, unele sisteme pot eșua să își urmărească echilibrul în mișcare și pot să se încline către un alt atractor, în timp ce nicio bifurcație nu a fost traversată, având în vedere că există o modificare a unui parametru de control la o rată suficient de mare (înclinare indusă de rată) (Wieczorek și colab., 2011; Ashwin și colab., 2012).

Se poate aștepta ca astfel de tranziții induse de rată să joace un rol în sistemele care sunt compuse din componente cuplate cu o separare a scalelor de timp. Aici, modificările unei componente modifică condițiile alteia și acționează ca un parametru de control în schimbare rapidă, care ar putea provoca o tranziție indusă de rată. Acest lucru s-ar putea întâmpla în sistemul climatic real, unde o gamă vastă de scale de timp este prezentă în atmosferă, ocean și criosferă și unde parametrii climatici importanți, cum ar fi topirea gheții polare, prezintă în prezent rate accelerate de schimbare (Trusel și colab., 2018; Bevis și colab., 2019; Echipa IMBIE, 2020). Într-adevăr, un colaps al AMOC indus de rată a fost demonstrat recent într-un model oceanic global (Lohmann și Ditlevsen, 2021). Tranzițiile induse de rată în sistemele cuplate prezintă un risc și mai mare dacă unul dintre subsisteme se confruntă cu o schimbare bruscă din cauza basculării. Aceasta constituie o cascadă de puncte de basculare ulterioare. Cascadele de basculare în modelele ecologice sau climatice cuplate au fost luate în considerare anterior (Cai et al., 2016; Dekker et al., 2018; Rocha et al., 2018; Klose et al., 2020; Wunderling et al., 2020). Cu toate acestea, cascadele în care subsistemele permit bascularea indusă de rată nu au fost încă studiate.

Deși o renaștere a AMOC nu este o problemă pentru schimbările climatice contemporane, ea joacă un rol important în schimbările climatice bruște din trecut și în special în evenimentele de dioxid de carbon, unde se crede că este responsabilă pentru tranzițiile de la perioade reci (așa-numitele stadiale) la episoade prelungite de condiții mai blânde (interstadiale) în timpul ultimei perioade glaciare. Încă nu se știe ce a determinat aceste tranziții și reaparițiile asociate ale AMOC. În modelele climatice, o prăbușire bruscă a AMOC poate fi indusă de deversări bruște de apă dulce în Atlanticul de Nord, fenomen despre care se știe că a avut loc în trecut (Heinrich, 1988). Evenimente similare de „îndepărtare” bruscă a apei dulci care pot duce la o reapariție bruscă a AMOC sunt mai puțin cunoscute. În schimb, considerăm schimbările în schimbul de căldură atmosferă-ocean ca fiind motorul reapariției AMOC. Acestea ar putea rezulta din schimbări bruște ale stratului de gheață marină, care, la rândul lor, ar putea fi determinate de schimbarea stresului vântului atmosferic. Potențialul schimbărilor rapide ale gheții marine de a accelera evenimentele bruște de încălzire a dioxidului dizolvat (OD) este bine stabilit (Li et al., 2005; Dokken et al., 2013; Vettoretti și Peltier, 2016; Sadatzki et al., 2019) și a fost transpus anterior într-o serie de modele conceptuale. Gottwald propune un model cu gheața marină ca izolator termic intermitent pentru oceanul polar, forțată de o componentă atmosferică haotică (cvasi-stochastică), ale cărei extreme pot declanșa excursii temporare ale circulației oceanice (Gottwald, 2021). Deși includem o forțare stocastică, principala cauză a tranzițiilor abrupte din model este o schimbare deterministă a parametrilor subiacenți. Un model conceptual diferit, realizat de Boers et al. (2018), ia în considerare gheața marină și un rafturi glaciare cuplate la un model de tip cutie oceanică, unde gheața marină evoluează datorită unui feedback liniar pe porțiuni prescris, ducând la oscilații auto-susținute. Mecanismul propus aici este diferit prin faptul că implică o cascadă: o înclinare a stratului de gheață marină din cauza condițiilor climatice în schimbare lentă duce la o înclinare indusă de viteză a circulației oceanice, ca o consecință a creșterii rapide a pierderii de căldură oceanică.

Mai multe dovezi din date indirecte și simulări ale modelelor climatice motivează o astfel de secvență de evenimente. Zhang și colab. (2014) au arătat simulări ale modelelor cu schimbări climatice abrupte similare evenimentelor DO prin variația treptată a topografiei calotei glaciare din emisfera nordică, ceea ce a dus la schimbări ale circulației atmosferice care au modificat exportul de gheață marină determinat de vânt. Acest lucru a dus în cele din urmă la o scădere bruscă a stratului de gheață marină din Atlanticul de Nord și la o reapariție a AMOC (Atmospheric Coal Alliance). Kleppin și colegii săi au raportat tranziții spontane ale AMOC care au fost declanșate de forțarea atmosferică stocastică și de schimbările ulterioare ale gheții marine din Atlanticul de Nord (Kleppin și colab., 2015). Datele din miezul de gheață indică faptul că schimbările abrupte ale extinderii gheții marine la începutul evenimentelor DO au fost precedate de schimbări ale circulației atmosferice cu aproximativ un deceniu (Erhardt și colab., 2019). În plus, există dovezi ale unor tendințe graduale care duc la schimbări bruște atât în ​​ceea ce privește indicatorii de circulație atmosferică, cât și în ceea ce privește gheața marină, indicând o schimbare subiacentă a parametrilor care ar putea fi exprimată reciproc în gheața marină și în atmosferă (Lohmann, 2019; Sadatzki et al., 2019).

Pe lângă ilustrarea unui nou mecanism pentru schimbările climatice bruște, modelul conceptual propus oferă o perspectivă interesantă asupra fenomenelor dinamice din sistemele care combină forțarea dependentă de timp și cea stocastică. S-a constatat că componenta oceanică a modelului nostru (cunoscutul model Stommel box) prezintă o basculare indusă de rată în ceea ce ar putea fi numit un punct de basculare „moale”. Aici, din cauza unei bifurcații cu pliuri neuniforme, bascularea are loc întotdeauna înainte de atingerea punctului de bifurcație, chiar dacă rata de modificare a deplasării parametrilor este arbitrar de lentă. În plus, tranziția indusă de rată implică atracția de către varietatea stabilă a unei șei, ceea ce poate duce la o întârziere semnificativă a basculării sub forțarea stocastică. Pe baza acestui fapt, propunem un indicator de avertizare timpurie pentru a detecta bascularea indusă de rată; Până în prezent, sunt cunoscute doar semnale de avertizare timpurie specifice basculării bifurcațiilor (Held și Kleinen, 2004; Dakos și colab., 2008; Scheffer și colab., 2009, 2012).

Figura 1(a) Diagrama de bifurcație a modelului Stommel box cu η1 ca parametru de control, η2=1.0 și η3=0.3. Liniile continue indică ramificațiile punctelor fixe stabile, în timp ce liniile punctate indică punctele fixe (sau în șa) instabile. (b) Diagrama de bifurcație cu η2 ca parametru de control, η1=3.0 și η3=0.3. (c) Dependența bistabilității de η3 (η1=3.0). Diagramele individuale de bifurcație cu η2 ca parametru de control sunt prezentate cu intervalul de bistabilitate descrescător pe măsură ce η3 crește de la 0.1 până la 0.75.

Sursa: Lohmann, J., Castellana, D., Ditlevsen, P. D., and Dijkstra, H. A.: ”Abrupt climate change as a rate-dependent cascading tipping point”, Earth Syst. Dynam., 12, 819–835, https://doi.org/10.5194/esd-12-819-2021. Licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare Nicolae Sfetcu