Sensibilitatea climatică la echilibru și puncte de basculare climatică în încălzirea globală

O stare climatică apropiată de un punct de basculare va avea un răspuns liniar degenerat la perturbații, care poate fi asociat cu valori extreme ale sensibilității climatice de echilibru (ECS).

Sensibilitatea climatică la echilibru (ECS) este utilizată pe scară largă ca măsură pentru încălzirea globală preconizată în viitor. Conform definiției lui Charney, ECS reprezintă creșterea temperaturii medii globale la suprafață (GMST) per schimbare a forțării radiative după ce procesele de feedback cu acțiune rapidă din sistemul terestru ating echilibrul. Acțiune rapidă înseamnă aici că aceste procese sunt mai rapide decât orizontul de timp pentru evoluția temperaturii medii globale care ne interesează, considerat de obicei la 100 de ani.

Valoarea ECS rămâne neconstrânsă foarte bine, deoarece încălzirea preconizată per dublarea CO2-ului atmosferic conține încă o incertitudine considerabilă de 1,5–4,5 C. De fapt, acest interval nu s-a schimbat prea mult de la primele estimări ECS bazate pe argumente de bilanț energetic, în ciuda evoluțiilor enorme în modelarea climatică și a metodelor de observare îmbunătățite. În special, nu pot fi excluse schimbările mari de temperatură și schimbările climatice periculoase ca o consecință a creșterii CO2-ului atmosferic. De exemplu, observațiile climatice din perioada instrumentală nu au restrâns intervalul schimbărilor climatice preconizate, în principal din cauza incertitudinilor în cuantificarea forțării. Recent, au existat încercări concertate de a constrânge ECS folosind constrângeri emergente în modelele climatice.

Unele surse de incertitudine pentru ECS rezidă în măsurarea clasică sau în incertitudinea modelului, deși, în special pentru observații, cuantificarea forțării aplicate conține, în general, cele mai mari incertitudini. Mai mult, mergând înapoi în timp mai departe decât perioada instrumentală (de exemplu, ultimul mileniu, cicluri glaciare sau chiar milioane de ani de date paleoclimatice), incertitudinea atât în forțare, cât și în răspunsul temperaturii medii globale devine semnificativă [23]. A existat o dezbatere cu privire la cauza incertitudinii și a extremelor distribuției ECS, în special coada lungă către valori de sensibilitate ridicată. Pe de o parte, sugerează că este o consecință inevitabilă a transformării neliniare a feedback-urilor distribuite normal care apar în numitor la calcularea ECS. Pe de altă parte, sugerează că acestea sunt un semn al „punctelor de basculare” datorate neliniarităților din sistem – acest lucru a generat o dezbatere aprinsă. În această lucrare, evidențiem (a) faptul că noțiunea de sistem de echilibru echilibrat (ECS) poate fi generalizată în mod util la o noțiune geometrică cu adevărat neliniară: sensibilitatea în două puncte și (b) distribuția valorilor ECS este un instrument valoros pentru caracterizarea atât a dinamicii dependente de stare (feedback), cât și a basculării sistemului climatic.

Sistemul climatic prezintă atât variabilitate internă, cât și variabilitate forțată pe multe scale de timp. Consecința este că orice „echilibru” este relativ doar la fixarea unei părți a proceselor de feedback interne sistemului climatic, în special a părții „mai lente”. Aceasta necesită presupunerea că există o separare a scalelor de timp (în procese rapide și lente), iar scara de timp de interes se situează între rapid și lent. Pentru simulările și observațiile modelelor climatice din secolul trecut, ar putea exista un orizont de timp în care aceasta este o presupunere rezonabilă, dar, deoarece includem date paleoclimatice și simulări de modele în estimarea ECS, această presupunere trebuie evaluată cu atenție. În special, metodele de estimare a ECS din date sau modele paleoclimatice diferă de cele ale simulărilor modelelor climatice (scurte); Acestea din urmă derivă, în general, ECS din descreșterea dezechilibrului energetic din partea superioară a atmosferei, indusă de o dublare sau cvadruplare instantanee a CO2; reconstrucțiile paleoclimatice presupun, în schimb, că clima reconstruită este în echilibru (energetic, pe o scară de timp scurtă) și compară diferite dintre aceste „echilibre” între ele pentru estimarea ECS. Fără a compensa procesele lente de feedback, înregistrările paleoclimatice oferă așa-numita sensibilitate a sistemului terestru (ESS), care include efectul proceselor lente și al condițiilor limită (de exemplu, geografie, vegetație și gheață terestră) [29]. Dacă sunt disponibile estimări ale acestor procese lente, atunci ECS poate fi estimat din ESS sub ipoteza separării pe scara de timp.

Rețineți că ECS este de obicei considerat un răspuns liniarizat al GMST la perturbațiile echilibrului radiativ al Pământului. Pe lângă radiația de intrare (undă scurtă) și de ieșire (undă lungă), procesele de feedback din sistemul climatic joacă un rol important în determinarea ECS. În suma lor, aceste procese de feedback tind să amplifice ECS (feedback pozitiv net), iar scalele de timp asociate variază de la rapid la foarte lent. Exemple de procese de feedback rapid includ feedback-urile norilor, feedback-ul vaporilor de apă și procesele gheții marine. Intensitatea fiecăruia dintre aceste procese de feedback depinde de starea climatică de fond (media pe termen lung) [39] și, prin urmare, nu este surprinzător faptul că suma proceselor de feedback rapid variază în timp, în special atunci când se iau în considerare stările climatice din perioade îndepărtate și în condiții limită foarte diferite. De exemplu, din înregistrările paleoclimatice împreună cu modelarea calotelor glaciare, s-a constatat că ECS variază considerabil între stările glaciare și interglaciare [15, 24, 25]. Atât simulările actuale, cât și cele paleogene sugerează dependența de stare a ECS datorită proceselor de feedback. De exemplu, Răspunsul Climatic Tranzitoriu (TCR) consideră încălzirea oceanului adânc ca un proces lent.

Schimbări climatice bruște au avut loc în sistemul climatic trecut și, prin urmare, par probabil să apară în viitor dintr-o varietate de motive. În sistemul climatic actual, au fost identificate potențiale elemente de basculare, dintre care unele pot avea un impact considerabil asupra valorilor viitoare ale GMST. Chiar și acele elemente de basculare care au un efect redus asupra GMST pot provoca daune regionale semnificative și/sau pot contribui la schimbările climatice medii globale prin declanșarea unor cascade de tranziții care implică alte elemente de basculare. Pe parcursul unei astfel de tranziții abrupte există o defalcare a presupunerii unui răspuns liniar la perturbații, sugerând că ECS nu reprezintă în mod adecvat răspunsul temperaturii la perturbațiile radiative. În practică, atunci când se derivă ECS din serii temporale paleoclimatice, care includ tranziții abrupte, aceste schimbări pot duce la valori extreme ale ECS.

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. Licența Creative Commons. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu