Sensibilitate extremă și puncte de basculare climatică

Sursa: Ashwin, P., von der Heydt, A.S. Extreme Sensitivity and Climate Tipping Points. J Stat Phys 179, 1531–1552 (2020). https://doi.org/10.1007/s10955-019-02425-x (Rezumat)

 

Articolul „Extreme Sensitivity and Climate Tipping Points”, semnat de Peter Ashwin și Anna S. von der Heydt și publicat în Journal of Statistical Physics, analizează relația dintre sensibilitatea climatică și apariția punctelor critice climatice (tipping points). Autorii pornesc de la sensibilitatea climatică de echilibru (Equilibrium Climate Sensitivity – ECS), una dintre principalele mărimi utilizate pentru estimarea încălzirii globale. În sensul clasic al definiției Charney, aceasta exprimă modificarea temperaturii medii globale a suprafeței ca răspuns la o schimbare a forțării radiative, după ce procesele rapide de feedback au ajuns la echilibru. Problema este că ECS rămâne dificil de determinat cu precizie, iar distribuțiile estimărilor sale pot prezenta valori extreme, în special către sensibilități ridicate.

Autorii susțin că una dintre cauzele acestei dificultăți este caracterul neliniar și dependent de starea sistemului climatic. Intensitatea feedbackurilor asociate norilor, vaporilor de apă, gheții marine sau albedoului nu este constantă, ci depinde de starea climatică de fond. Datele paleoclimatice și modelele indică, de exemplu, sensibilități diferite între perioadele glaciare și cele interglaciare. În apropierea unei tranziții climatice bruște, ipoteza unei relații liniare între forțarea radiativă și temperatură poate deveni neadecvată, iar valorile calculate ale sensibilității pot crește foarte mult.

Pentru a surprinde mai bine această situație, articolul extinde conceptul tradițional de ECS și distinge trei forme de sensibilitate. Sensibilitatea instantanee este o mărime locală, corespunzătoare pantei tangentei la relația de echilibru dintre temperatură și forțarea radiativă. Sensibilitatea incrementală compară două stări separate printr-un anumit interval de timp. În fine, sensibilitatea în două puncte (two-point sensitivity) compară diferența de temperatură și diferența de forțare radiativă dintre două puncte ale „atractorului climatic”, fără ca acestea să fie neapărat apropiate în timp. Această ultimă abordare este una geometrică și neliniară și permite tratarea sensibilității nu doar ca o valoare medie, ci ca o distribuție de valori care reflectă dinamica internă și incertitudinea intrinsecă a sistemului climatic.

Autorii testează aceste concepte folosind un model stocastic de bilanț energetic al temperaturii medii globale, derivat din modelul Budyko–Ghil–Sellers. Albedoul și emisivitatea depind de temperatură, iar concentrația de CO₂ variază stocastic. În anumite domenii de concentrație a CO₂, modelul prezintă bistabilitate, fiind posibile două regimuri stabile: unul rece și unul cald. Cele două regimuri au sensibilități climatice medii diferite, ceea ce ilustrează faptul că aceeași modificare a forțării radiative poate produce răspunsuri diferite în funcție de starea inițială a climei.

Simulările arată că, pe măsură ce sistemul se apropie de un punct critic, sensibilitatea instantanee tinde să crească și să prezinte fluctuații foarte mari, ajungând la o singularitate în momentul tranziției dintre regimuri. În anumite condiții, această creștere poate constitui un semnal precoce al apropierii unui tipping point. Eficiența sa depinde însă de raportul dintre viteza cu care se modifică forțarea și timpul de răspuns al sistemului climatic. Indicatori clasici de avertizare timpurie, precum autocorelația AR1, funcționează mai bine atunci când forțarea se modifică lent și pot oferi puține indicii atunci când schimbarea CO₂ este rapidă.

Analiza sensibilității în două puncte conduce la o concluzie importantă: valorile extreme sunt asociate în mare măsură cu perechi de stări situate în regimuri climatice diferite, adică tocmai cu tranzițiile dintre starea rece și cea caldă. În interiorul fiecărui regim, valorile sunt mult mai concentrate și au medii distincte. Astfel, distribuția sensibilității poate păstra informații despre structura dinamică a sistemului și despre existența unor regimuri climatice multiple, chiar dacă punctele comparate sunt foarte îndepărtate temporal.

O precizare esențială este însă că valorile extreme ale sensibilității nu demonstrează automat existența unui punct critic. Simulările fără bistabilitate arată că neliniaritatea și dependența feedbackurilor de starea climatică pot genera, și ele, distribuții asimetrice, cozi lungi sau chiar mai multe maxime. Prin urmare, extremele ECS pot semnala tipping points, dar pot proveni și din alte forme de neliniaritate climatică. Rezultatele sunt susținute suplimentar prin aplicarea metodei unui model fizic mai complex al ciclurilor glaciare Gildor–Tziperman, unde tranzițiile dintre regimurile reci și calde sunt, de asemenea, asociate cu sensibilități extreme.

În concluzie, studiul propune trecerea de la ideea unei singure valori a sensibilității climatice la analiza unei distribuții de sensibilități dependente de starea sistemului. Această perspectivă poate oferi informații atât despre feedbackurile climatice, cât și despre apropierea unor tranziții bruște. Autorii subliniază totuși limitele modelului simplificat și necesitatea extinderii analizei la modele climatice mai complexe. Pentru datele paleoclimatice, sensibilitatea în două puncte apare deosebit de promițătoare, deoarece poate identifica structura regimurilor și efectele tranzițiilor fără a fi constrânsă de rezoluția temporală a înregistrărilor.