Cum prezic oamenii de știință schimbările climatice – Modelarea schimbărilor climatice

Există diferite moduri în care datele sunt obținute în știința climatică. Stațiile meteorologice terestre măsoară temperatura aerului de lângă suprafața Pământului cu ajutorul termometrelor. O rețea de geamanduri care plutesc liber, care se scufundă până la o adâncime de aproximativ 2000 m, apoi revin pentru a transmite datele, apoi se scufundă din nou și așa mai departe, oferă măsurători ale temperaturii oceanului. Sateliții înregistrează concentrațiile de gaze cu efect de seră, aerosoli, acoperirea norilor etc.

Adesea datele brute, datele neprocesate primite direct de la instrumentele de măsurare, conțin erori, sunt distanțate neregulat și sunt incomplete în diferite moduri. De exemplu, înregistrările de temperaturi ale suprafeței de mai demult în trecut sunt disponibile numai pentru anumite locații (și cu cât se merge mai departe în trecut, cu atât sunt mai puține înregistrări). O tehnică standard este să folosiți fie modele climatice, fie modele meteo pentru a interpola și completa datele lipsă. În special, așa-numitele reanalize sunt estimări ale temperaturii atmosferice istorice și ale altor cantități, care sunt de obicei create de algoritmi care combină informații din modele și observații (IPCC 2013). În plus, în special în domeniul paleoclimatului, adesea nu sunt disponibile măsurători directe.

Aceste diverse moduri de obținere a datelor ridică o serie de probleme filozofice. În primul rând, utilizarea instrumentelor pentru a obține date, de exemplu, a termometrelor pentru măsurarea temperaturii, ridică problema presupunerilor teoretice pentru observație. Acesta este un subiect clasic care a fost discutat pe larg în filozofie (de exemplu, Kitcher 1995). O modalitate de a rezolva problema este să ceri ca funcționarea instrumentelor să fi fost testată și confirmată independent. Parker (2014) susține că acesta este într-adevăr cazul pentru multe observații relevante.

Controversa cu privire la măsurătorile prin satelit a tendințelor temperaturii medii globale ilustrează problemele legate de presupunerile teoretice pentru observație (Lloyd 2012). Modelele au prezis că troposfera tropicală se va încălzi mai repede decât suprafața Pământului, pe măsură ce efectul de seră întărit va avea loc. Cu toate acestea, datele din măsurătorile prin satelit nu au indicat nicio încălzire troposferică. Această discrepanță a declanșat o controversă asupra realității încălzirii globale și chiar a condus la o investigație a unui grup al Academiei Naționale de Științe. Sateliții au colectat date brute cu microunde, care au fost convertite în temperaturi prin algoritmi complicați. Datele radiosondelor au fost folosite pentru a valida tendințele de temperatură derivate din satelit. Cu toate acestea, măsurătorile radiosondelor s-au dovedit a fi nepotrivite pentru a produce tendințe pe termen lung și, prin urmare, au furnizat o sursă nepotrivită pentru validarea datelor satelitare. În cele din urmă, Lloyd conchide,

”acum se pare că modelele erau în mare parte corecte, iar datele timpurii erau în mare parte greșite și aici se află o poveste interesantă despre date și relațiile lor cu oamenii de știință, modele și realitate” (ibid., 391).

Acest episod ilustrează nivelul de complexitate pe care îl atinge problema presupunerilor teoretice pentru observație în cazul climatului.

În al doilea rând, după cum am menționat mai sus, datele brute din știința climatică conțin adesea erori sau sunt incomplete. Prin urmare, modelele sunt aplicate pentru a filtra și a corecta datele brute și pentru a extinde datele brute la seturi de date globale. Edwards (1999; 2010) vorbește în acest context despre datele filtrate de model și despre o relație simbiotică între date și modele. Este posibil ca utilizarea modelelor pentru corectarea și extinderea datelor în domeniul climei să fie mai răspândită decât în ​​alte științe. Cu toate acestea, după cum recunosc Edwards (1999) și Norton și Suppe (2001), datele filtrate prin model nu sunt specifice științei climatice și apar în egală măsură și în alte domenii, cum ar fi biologia și fizica. De fapt, filtrarea modelelor este un caz special de presupunere teoretică și poate fi tratată prin aplicarea aceleiași maxime: datele filtrate pe modele pot fi de încredere, atâta timp cât modelele utilizate pentru a corecta și extinde datele au fost testate independent și sunt confirmate. Clauza importantă aici este „independent”: modelele care sunt utilizate pentru filtrarea și corectarea datelor trebuie să fie confirmate de alte date. Cu alte cuvinte, dacă modelele ar fi doar testate prin datele pe care ar trebui să le corecteze și să le filtreze, ar exista un cerc de confirmare, iar dacă astfel de date filtrate de model ar putea fi de încredere este îndoielnic.

În al treilea rând, adesea nu sunt disponibile măsurători directe, să zicem schimbările temperaturii suprafeței cu câteva mii de ani în urmă. Din acest motiv, oamenii de știință adună date proxy ale modificărilor temperaturii de suprafață, care sunt derivate din înregistratoare naturale, cum ar fi sedimentele oceanice și inelele copacilor. Calitatea datelor proxy depinde de doi factori. În primul rând, disponibilitatea proxy-ului în sine – de exemplu, inele de copaci vechi, noroi, miezurile de gheață pot fi colectate numai într-un număr mic de locații. În al doilea rând, trebuie evaluată și fiabilitatea metodelor statistice utilizate pentru a procesa datele brute și a le transforma în datele de interes (de exemplu, pentru a transforma un model de creștere a inelului de copac într-o înregistrare a temperaturii) și, în unele cazuri, există puține date disponibile pentru calibrarea acestor relații.

Ambii factori au dat naștere unei dezbateri aprinse, de exemplu în așa-numita controversă cu crosa de hochei. Din anii 1990 încoace, indicatorii proxy au fost utilizați pentru a ajunge la o estimare cantitativă a recordului de temperatură din emisfera nordică din ultimii 1000-1400 de ani. Aceste grafice au luat forma unei crose de hochei și au indicat că încălzirea recentă este excepțională: au fost relativ plate până în 1900 în ceea ce privește tija unei crose de hochei și urmate de o creștere bruscă în secolul 20 ca și lama unei crose de hochei. Metodele folosite pentru a ajunge la aceste reconstrucții de temperatură au fost contestate de politicieni, factori de decizie și unii oameni de știință. Referindu-se la graficul cu crosa de hochei și aruncând îndoieli cu privire la metodele folosite pentru a-l crea, republicanul Jim Inhofe a susținut într-un discurs al Senatului: „S-ar putea ca încălzirea globală provocată de om să fie cea mai mare păcăleală transmisă vreodată poporului american? Cu siguranță așa pare.” (Inhofe 2003) În prezent, există mai mult de două duzini de reconstrucții ale înregistrării temperaturii folosind diferite metode statistice și înregistrări proxy. Acestea duc la un consens larg că temperaturile de la sfârșitul secolului al XX-lea au fost probabil cele mai calde din ultimii 1400 de ani (Frank et al. 2010).3

Cu toate acestea, este interesant să aruncăm o privire mai atentă asupra argumentelor folosite în dezbatere. În primul rând, există încă o incertitudine considerabilă cu privire la unele detalii ale înregistrării temperaturii, din cauza lipsei de măsurare directă și a incertitudinii în calibrarea datelor proxy. „Scepticii”4 folosesc aceste incertitudini pentru a argumenta că nu se poate avea încredere în forma generală a graficului. Cu toate acestea, cercetările sunt în desfășurare cu privire la metodele de reconstrucție a temperaturii, încorporând direct evaluările incertitudinii în calcule. În consecință, crosa de hochei în sine este acum prezentată ca o gamă mai degrabă decât o singură serie temporală, arătând rezultatele mai multor studii folosind linii de dovezi diferite (Frank et al. 2010, IPCC 2013). Deși există o mică probabilitate ca perioade mai calde să fi avut loc, bilanțul dovezilor disponibile compensează acest lucru. O a doua tactică folosită de „sceptici” este să argumenteze că metodele statistice utilizate în reconstrucție ar produce forma crosei de hochei din aproape orice date (de exemplu, McIntyre și McKitrick 2003). Acest argument, totuși, nu a rezistat controlului statistic (cf. Frank et al. 2010). În plus, studii recente au adăugat la gama de dovezi despre reconstrucțiile temperaturii folosind alte metode statistice.

În sfârșit, trebuie menționat și faptul că datele din știința climei sunt utilizate pe scară largă în construcția de modele: modelele din știința climei conțin multe aproximări și euristici derivate din observație. În special, parametrizările din modelele climatice reprezintă procese care nu pot fi rezolvate în mod explicit la rezoluția spațială sau temporală a modelului și sunt astfel înlocuite cu procese simplificate care sunt bazate pe date și, de obicei, parțial motivate fizic. Edwards (1999) vorbește în acest context despre modelele presupunerilor de date. Un exemplu concret este forțarea aerosolului (parametrul care descrie răcirea Pământului rezultată dintr-o anumită concentrație de aerosoli). În multe modele climatice, forțarea aerosolului este un parametru liber necunoscut și, prin urmare, datele despre schimbările de temperatură trecute au fost folosite pentru a-l constrânge și estima. Această încărcare a datelor este larg recunoscută (Edwards 1999; Norton și Suppe 2001). Întrebarea interesantă cu preupunerile datelor este dacă datele care sunt utilizate în construcția modelelor pot confirma, de asemenea, același model sau dacă acest lucru este exclus pentru că ar echivala cu un cerc de confirmare. Revenim la această întrebare în Secțiunea 3 din Partea II.

Bibliografie

• Edwards, P. Computer Models, Climate Data, and the Politics of Global Warming. London, MA: MIT Press, 2010.
• Edwards, P. N. ‘Global climate science, uncertainty andpolitics: Data laden models, model filtered data.’ Science as Culture 8.4 (1999): 437-472.
• Frank, D. et al. ‘A noodle, hockey stick, and spaghetti plate: A perspective on high-resolution paleoclimatology.’ Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change 1.4 (2010): 507-516.
• Inhofe,J. M. ‘The science of climate change.’ Senate floor statement Chair: Committee on Environment and Public Works 28 July, 2003.
• IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge and New York: Cambridge University Press, 2013.
• Kitcher, P. The Advancement of Science: Science without Legend, Objectivity without Illusions. Oxford: Oxford University Press, 1995.
• Lloyd, E. ‘The role of ‘complex’ empiricism in the debates about satellite data and climate models.’ Studies in History and Philosophy of Science 43 (2012): 390-401.
• McIntyre, S. and R. McKitrick. ‘Corrections to the Mann et. al. (1998) proxy database and Northern Hemispheric average temperature series.’ Energy & Environment 14.6 (2003): 751-771.
• Norton, S. D. and D. Suppe. ‘Why atmospheric modelling is good science.’ Changing the Atmosphere: Expert Knowledge and Environmental Governance. Eds. C. Miller and P. Edwards. Cambridge, MA: MIT Press, 2001. 67-105.
• Parker, W. ‘Evaluating climate models with “observational” data from simulations’. Talk at the Philosophy of Science Association Bi-Annual Meeting in Chicago, US, 2014.

Note

• 3 Potrivit IPCC: „În emisfera nordică, 1983—2012 a fost probabil cea mai caldă perioadă de 30 de ani din ultimii 1400 de ani (încredere medie)” (IPCC 2013, Summary for Policymakers, 3).
• 4 Folosim virgule pentru a indica faptul că ne referim la un grup de oameni care se definesc pe sine, cu anumite opinii și nu doar la oameni care adoptă o anumită atitudine epistemică. „Scepticii” sunt un grup eterogen de oameni care nu acceptă rezultatele științei climatice „mainstream”, cuprinzând un spectru larg de la cei care neagă în mod categoric fizica de bază a efectului de seră (și influența activităților umane asupra climei lumii) până la o mică minoritate care se angajează activ în cercetare și dezbatere științifică și ajung la concluzia că impactul minim al activităților umane asupra climei lumii este cel mai bun.

Sursa: Roman Frigg, Erica Thompson și Charlotte Werndl (2015). Philosophy of Climate Science Part I: Observing Climate Change, Philosophy Compass 10/12 (2015): 953–964, 10.1111/phc3.12294, licența CC BY 4. Traducere și adaptare Nicolae Sfetcu