Analiză: De ce oamenii de știință cred că 100% din încălzirea globală se datorează oamenilor | Carbon Brief

Măsura contribuției umane la încălzirea globală modernă este un subiect intens dezbătut în cercurile politice, în special în SUA.

În timpul unei audieri recente în Congres, Rick Perry, secretarul pentru energie al SUA, a remarcat că „să te ridici și să spui că 100% din încălzirea globală se datorează activității umane, cred că, la prima vedere, este pur și simplu de nerefuzat”.

Cu toate acestea, știința privind contribuția umană la încălzirea modernă este destul de clară. Emisiile și activitățile umane au cauzat aproximativ 100% din încălzirea observată din 1950 încoace, conform celui de-al cincilea raport de evaluare al Grupului interguvernamental privind schimbările climatice (IPCC).

Carbon Brief examinează aici modul în care fiecare dintre factorii majori care afectează clima Pământului ar influența temperaturile în mod izolat – și cum efectele lor combinate prezic aproape perfect schimbările pe termen lung ale temperaturii globale.

Analiza Carbon Brief constată că:

• De la 1850 încoace, aproape toată încălzirea pe termen lung poate fi explicată prin emisiile de gaze cu efect de seră și alte activități umane.
• Dacă doar emisiile de gaze cu efect de seră ar încălzi planeta, ne-am aștepta să vedem o încălzire cu aproximativ o treime mai mare decât cea care a avut loc în realitate. Acestea sunt compensate de răcirea datorată aerosolilor atmosferici produși de om.
• Se preconizează că aerosolii vor scădea semnificativ până în 2100, aducând încălzirea totală datorată tuturor factorilor mai aproape de încălzirea datorată doar gazelor cu efect de seră.
• Este puțin probabil ca variabilitatea naturală a climei Pământului să joace un rol major în încălzirea pe termen lung.

Animație realizată de Rosamund Pearce pentru Carbon Brief. Imagini prin intermediul Alamy Stock Photo.

Cât de multă încălzire este cauzată de oameni?

În cel de-al cincilea raport de evaluare din 2013, IPCC a declarat în rezumatul său pentru factorii de decizie că este „extrem de probabil ca mai mult de jumătate din creșterea observată a temperaturii medii globale la suprafață” din 1951 până în 2010 să fie cauzată de activitatea umană. Prin „extrem de probabil”, a vrut să spună că există o probabilitate între 95% și 100% ca mai mult de jumătate din încălzirea modernă să se datoreze oamenilor.

Această afirmație oarecum alambicată a fost adesea interpretată greșit ca implicând faptul că responsabilitatea umană pentru încălzirea modernă se situează undeva între 50% și 100%. De fapt, așa cum a subliniat Dr. Gavin Schmidt de la NASA, cea mai bună presupunere implicită a IPCC a fost că oamenii au fost responsabili pentru aproximativ 110% din încălzirea observată (variind între 72% și 146%), factorii naturali în mod izolat conducând la o ușoară răcire în ultimii 50 de ani.

În mod similar, cea de-a patra evaluare națională a climei din SUA, realizată recent, a constatat că între 93% și 123% din încălzirea observată în perioada 1951-2010 s-a datorat activităților umane.

Aceste concluzii au condus la o anumită confuzie cu privire la modul în care mai mult de 100% din încălzirea observată ar putea fi atribuită activității umane. O contribuție umană mai mare de 100% este posibilă deoarece schimbările climatice naturale asociate cu vulcanii și activitatea solară ar fi dus, cel mai probabil, la o ușoară răcire în ultimii 50 de ani, compensând o parte din încălzirea asociată cu activitățile umane.

„Forțările” care schimbă clima

Științii măsoară diverși factori care afectează cantitatea de energie care ajunge și rămâne în clima Pământului. Aceștia sunt cunoscuți sub numele de „forțări radiative”.

Aceste forțări includ gazele cu efect de seră, care rețin căldura care iese, aerosoli – atât din activitățile umane, cât și din erupțiile vulcanice – care reflectă lumina solară care intră și influențează formarea norilor, modificări ale producției solare, modificări ale reflexivității suprafeței Pământului asociate cu utilizarea terenurilor și mulți alți factori.

Pentru a evalua rolul fiecărei forțări diferite în schimbările de temperatură observate, Carbon Brief a adaptat un model climatic statistic simplu dezvoltat de Dr. Karsten Haustein și colegii săi de la Universitatea din Oxford și Universitatea din Leeds. Acest model găsește relația dintre forțările climatice umane și naturale și temperatură care se potrivește cel mai bine cu temperaturile observate, atât la nivel global, cât și numai pe suprafețele terestre.

Figura de mai jos arată rolul estimat al fiecărui forțator climatic diferit în schimbarea temperaturilor de la suprafața globului de când au început înregistrările în 1850 – inclusiv gazele cu efect de seră (linia roșie), aerosolii (albastru închis), utilizarea terenurilor (albastru deschis), ozonul (roz), energia solară (galben) și vulcanii (portocaliu).

Punctele negre arată temperaturile observate din proiectul Berkeley Earth privind temperaturile de suprafață, în timp ce linia gri arată încălzirea estimată din combinația tuturor diferitelor tipuri de forțări

Temperaturile medii globale de suprafață de la Berkeley Earth (puncte negre) și influența modelată a diferitelor forțări radiative (linii colorate), precum și combinația tuturor forțărilor (linie gri) pentru perioada 1850-2017. Pentru detalii, a se vedea metodele de la sfârșitul articolului. Grafic realizat de Carbon Brief folosind Highcharts.

Combinația tuturor forțărilor radiative se potrivește, în general, destul de bine cu schimbările pe termen lung ale temperaturilor observate. Există o anumită variabilitate de la un an la altul, în principal din cauza evenimentelor El Niño, care nu este determinată de modificările forțărilor. Există, de asemenea, perioade din 1900-1920 și 1930-1950 în care sunt evidente unele dezacorduri mai mari între încălzirea proiectată și cea observată, atât în acest model simplu, cât și în modele climatice mai complexe.

Graficul evidențiază faptul că, dintre toate forțările radiative analizate, numai creșterea emisiilor de gaze cu efect de seră produce amploarea încălzirii înregistrate în ultimii 150 de ani.

Dacă doar emisiile de gaze cu efect de seră ar încălzi planeta, ne-am aștepta să asistăm la o încălzire cu aproximativ o treime mai mare decât cea care a avut loc în realitate.

Atunci, ce rol joacă toți ceilalți factori?

Încălzirea suplimentară cauzată de gazele cu efect de seră este compensată de dioxidul de sulf și de alți produși ai arderii combustibililor fosili care formează aerosoli atmosferici. Aerosolii din atmosferă atât reflectă radiația solară de intrare înapoi în spațiu, cât și sporesc formarea de nori înalți și reflectori, răcind astfel Pământul.

Ozul este un gaz cu efect de seră cu durată de viață scurtă care reține căldura de ieșire și încălzește Pământul. Ozonul nu este emis direct, ci se formează atunci când metanul, monoxidul de carbon, oxizii de azot și compușii organici volatili se descompun în atmosferă. Creșterile de ozon pot fi atribuite în mod direct emisiilor umane ale acestor gaze.

În atmosfera superioară, reducerile de ozon asociate cu clorofluorocarburile (CFC) și alte halocarburi care diminuează stratul de ozon au avut un efect modest de răcire. Efectele nete ale modificărilor combinate ale ozonului atmosferic inferior și superior au încălzit modest Pământul cu câteva zecimi de grad.

Schimbările în modul de utilizare a terenului modifică reflectivitatea suprafeței Pământului. De exemplu, înlocuirea unei păduri cu un câmp va crește, în general, cantitatea de lumină solară reflectată în spațiu, în special în regiunile cu zăpadă. Efectul climatic net al schimbărilor de utilizare a terenurilor de la 1850 încoace este o răcire modestă.

Volcanii au un efect de răcire pe termen scurt asupra climei datorită injectării de aerosoli de sulfat la mare înălțime în stratosferă, unde pot rămâne în aer timp de câțiva ani, reflectând lumina solară de intrare în spațiu. Cu toate acestea, odată ce sulfații se întorc la suprafață, efectul de răcire al vulcanilor dispare. Linia portocalie arată impactul estimat al vulcanilor asupra climei, cu vârfuri mari de scădere a temperaturilor de până la 0,4C asociate cu erupțiile majore.

În cele din urmă, activitatea solară este măsurată de sateliți în ultimele câteva decenii și estimată pe baza numărului de pete solare din trecutul mai îndepărtat. Cantitatea de energie care ajunge pe Pământ de la Soare fluctuează modest pe un ciclu de aproximativ 11 ani. A existat o ușoară creștere a activității solare globale începând cu anii 1850, dar cantitatea de energie solară suplimentară care ajunge pe Pământ este mică în comparație cu alte forțări radiative examinate.

În ultimii 50 de ani, energia solară care ajunge pe Pământ a scăzut ușor, în timp ce temperaturile au crescut dramatic.

Forțările umane corespund încălzirii observate

Precizia acestui model depinde de acuratețea estimărilor privind forțările radiative. Unele tipuri de forțare radiativă, cum ar fi cea rezultată din concentrațiile atmosferice de CO2, pot fi măsurate direct și au incertitudini relativ mici. Altele, cum ar fi aerosolii, sunt supuse unor incertitudini mult mai mari din cauza dificultății de a măsura cu exactitate efectele lor asupra formării norilor.

Acestea sunt luate în considerare în figura de mai jos, care prezintă forțările naturale combinate (linia albastră) și forțările umane (linia roșie) și incertitudinile pe care modelul statistic le asociază fiecăruia. Aceste zone umbrite se bazează pe 200 de estimări diferite ale forțărilor radiative, încorporând cercetări care încearcă să estimeze o gamă de valori pentru fiecare. Incertitudinile legate de factorii umani cresc după 1960, în mare parte din cauza creșterii emisiilor de aerosoli după acest moment.

Temperaturile medii globale de la suprafața Pământului de la Berkeley (puncte negre) și influența modelată a tuturor forțărilor radiative naturale (linia albastră) și umane (linia roșie) combinate, cu incertitudinile lor respective (zonele umbrite) pentru perioada 1850-2017. Este prezentată, de asemenea, combinația tuturor forțărilor naturale și umane (linia gri). Pentru detalii, a se vedea metodele de la sfârșitul articolului. Grafic realizat de Carbon Brief folosind Highcharts.

În general, încălzirea asociată cu toate forțările umane concordă destul de bine cu încălzirea observată, arătând că aproximativ 104% din totalul de la începutul perioadei „moderne”, în 1950, provine din activitățile umane (și 103% din 1850), ceea ce este similar cu valoarea raportată de IPCC. Forțările naturale combinate arată o răcire modestă, determinată în principal de erupțiile vulcanice.

Modelul statistic simplu utilizat pentru această analiză de către Carbon Brief diferă de modelele climatice mult mai complexe folosite în general de oamenii de știință pentru a evalua amprenta umană asupra încălzirii. Modelele climatice nu se „potrivesc” pur și simplu forțările la temperaturile observate. Modelele climatice includ, de asemenea, variații ale temperaturii în spațiu și timp și pot lua în considerare diferite eficacități ale forțărilor radiative în diferite regiuni ale Pământului.

Cu toate acestea, atunci când analizează impactul diferitelor forțări asupra temperaturilor globale, modelele climatice complexe găsesc, în general, rezultate similare cu cele ale modelelor statistice simple. Figura de mai jos, din cel de-al cincilea raport de evaluare al IPCC, arată influența diferiților factori asupra temperaturii pentru perioada 1950-2010. Temperaturile observate sunt reprezentate cu negru, în timp ce suma forțărilor umane este reprezentată cu portocaliu.

Acest lucru sugerează că forțările umane singure ar fi dus la aproximativ 110% din încălzirea observată. IPCC a inclus, de asemenea, magnitudinea estimată a variabilității interne în acea perioadă în modele, pe care o sugerează ca fiind relativ mică și comparabilă cu cea a forțărilor naturale.

Cum spune profesorul Gabi Hegerl de la Universitatea din Edinburgh pentru Carbon Brief: „Raportul IPCC are o estimare care spune practic că cea mai bună presupunere este că nu există nicio contribuție, cu o incertitudine nu atât de mare.”

Zonele terestre se încălzesc mai repede

Temperaturile terestre s-au încălzit considerabil mai repede decât temperaturile medii globale în ultimul secol, temperaturile ajungând în ultimii ani la aproximativ 1,7C peste nivelurile preindustriale. Înregistrarea temperaturilor terestre merge, de asemenea, mai departe în timp decât înregistrarea temperaturilor globale, deși perioada anterioară anului 1850 este supusă unor incertitudini mult mai mari.

Atât forțările radiative umane, cât și cele naturale pot fi puse în corespondență cu temperaturile terestre cu ajutorul modelului statistic. Magnitudinea forțărilor umane și naturale va fi puțin diferită între temperaturile terestre și cele globale. De exemplu, erupțiile vulcanice par să aibă o influență mai mare asupra uscatului, deoarece este probabil ca temperaturile terestre să răspundă mai rapid la schimbările rapide ale forțărilor.

Figura de mai jos arată contribuția relativă a fiecărei forțări radiative diferite la temperaturile terestre începând cu 1750.

Temperaturile medii ale suprafeței terestre de la Berkeley Earth (puncte negre) și influența modelată a diferitelor forțări radiative (linii colorate), precum și combinația tuturor forțărilor (linie gri) pentru perioada 1750-2017. Grafic realizat de Carbon Brief folosind Highcharts.

Combinația tuturor forțărilor se potrivește, în general, destul de bine cu temperaturile observate, variabilitatea pe termen scurt în jurul liniei gri fiind determinată în principal de evenimentele El Niño și La Niña. Există o variație mai mare a temperaturilor înainte de 1850, reflectând incertitudinile mult mai mari din înregistrările observaționale de atât de mult timp în urmă.

Există încă o perioadă în jurul anilor 1930 și 1940 în care observațiile depășesc ceea ce prezice modelul, deși diferențele sunt mai puțin pronunțate decât în cazul temperaturilor globale, iar divergența 1900-1920 este în mare parte absentă în înregistrările terestre.

Erupțiile vulcanice de la sfârșitul anilor 1700 și începutul anilor 1800 se evidențiază puternic în înregistrările terestre. Este posibil ca erupția Muntelui Tambora din Indonezia din 1815 să fi răcit temperaturile terestre cu un masiv 1,5C, deși înregistrările de la acea vreme erau limitate la anumite părți ale emisferei nordice și, prin urmare, este greu de tras o concluzie fermă cu privire la impactul global. În general, vulcanii par să răcească temperaturile terestre de aproape două ori mai mult decât temperaturile globale.

Ce se poate întâmpla în viitor?

Carbon Brief a folosit același model pentru a proiecta schimbările viitoare de temperatură asociate cu fiecare factor de forțare. Figura de mai jos prezintă observațiile până în 2017, împreună cu viitoarele forțări radiative post-2017 din RCP6.0, un scenariu de încălzire viitoare de nivel mediu spre ridicat.

Temperaturile medii globale de suprafață de la Berkeley Earth (puncte negre) și influența modelată a diferitelor forțări radiative (linii colorate) pentru perioada 1850 – 2100. Forțările de după 2017 luate din RCP6.0. Grafic realizat de Carbon Brief folosind Highcharts.

Când i se pun la dispoziție forțările radiative pentru scenariul RCP6.0, modelul statistic simplu indică o încălzire de aproximativ 3C până în 2100, aproape identică cu încălzirea medie constatată de modelele climatice.

Se preconizează că forțarea radiativă viitoare datorată CO2 va continua să crească dacă emisiile cresc. Pe de altă parte, se preconizează că aerosolii vor atinge un vârf la nivelurile actuale și vor scădea semnificativ până în 2100, în mare parte din cauza preocupărilor legate de calitatea aerului. Această reducere a aerosolilor va spori încălzirea globală, aducând încălzirea totală datorată tuturor forțărilor radiative mai aproape de încălzirea datorată exclusiv gazelor cu efect de seră. Scenariile RCP presupun că nu vor exista în viitor erupții vulcanice specifice, deoarece momentul producerii acestora este necunoscut, în timp ce producția solară își continuă ciclul său de 11 ani.

Această abordare poate fi aplicată, de asemenea, temperaturilor terestre, așa cum se arată în figura de mai jos. Aici, temperaturile terestre sunt prezentate între 1750 și 2100, cu forțările post-2017, de asemenea din RCP6.0.

Temperaturile medii ale suprafeței terestre de la Berkeley Earth (puncte negre) și influența modelată a diferitelor forțări radiative (linii colorate) pentru perioada 1750-2100. Forțările de după 2017 luate din RCP6.0. Grafic realizat de Carbon Brief folosind Highcharts.

Se așteaptă ca pământul să se încălzească cu aproximativ 30% mai repede decât globul în ansamblu, deoarece rata de încălzire deasupra oceanelor este amortizată de absorbția de căldură de către oceane. Acest lucru se observă în rezultatele modelelor, unde uscaturile se încălzesc cu aproximativ 4C până în 2100, comparativ cu 3C la nivel global în scenariul RCP6.0.

Există o gamă largă de încălziri viitoare posibile din diferite scenarii RCP și diferite valori pentru sensibilitatea sistemului climatic, dar toate arată un model similar de scădere a emisiilor viitoare de aerosoli și un rol mai mare pentru forțarea gazelor cu efect de seră în temperaturile viitoare.

Rolul variabilității naturale

În timp ce forțările naturale de origine solară și vulcanică nu par să joace un rol prea important în încălzirea pe termen lung, există, de asemenea, o variabilitate naturală asociată cu ciclurile oceanice și cu variațiile în absorbția căldurii de către oceane.

Deoarece marea majoritate a energiei captate de gazele cu efect de seră este absorbită de oceane și nu de atmosferă, schimbările în rata de absorbție a căldurii de către oceane pot avea un impact potențial mare asupra temperaturii de suprafață. Unii cercetători au susținut că ciclurile multidecadale, cum ar fi Oscilația Multidecadală Atlantică (AMO) și Oscilația Decadală a Pacificului (PDO), pot juca un rol în încălzirea la scară decadală.

În timp ce factorii umani explică toată încălzirea pe termen lung, există unele perioade specifice care par să se fi încălzit sau răcit mai repede decât se poate explica pe baza celor mai bune estimări ale forțării radiative pe care le avem. De exemplu, nepotrivirea modestă dintre estimarea bazată pe forța radiativă și observațiile de la mijlocul anilor 1900 ar putea fi o dovadă a unui rol al variabilității naturale în acea perioadă.

O serie de cercetători au examinat potențialul variabilității naturale de a influența tendințele de încălzire pe termen lung. Aceștia au constatat că, în general, aceasta joacă un rol limitat. De exemplu, Dr. Markus Huber și Dr. Reto Knutti de la Institutul pentru Știința Atmosferei și a Climei (IAC) din Zurich au constatat o contribuție maximă posibilă a variabilității naturale de aproximativ 26% (+/- 12%) în ultimii 100 de ani și de 18% (+/- 9%) în ultimii 50 de ani.

Knutti declară pentru Carbon Brief:

„Nu putem niciodată să excludem complet faptul că variabilitatea naturală este mai mare decât credem în prezent. Dar acesta este un argument slab: nu poți, desigur, să excluzi niciodată necunoscuta necunoscută. Întrebarea este dacă există dovezi puternice, sau chiar orice dovezi în acest sens. Iar răspunsul este nu, din punctul meu de vedere.

Modelurile obțin variabilitatea temperaturii pe termen scurt aproximativ corect. În multe cazuri, ele au chiar prea mult. Iar pe termen lung, nu putem fi siguri, deoarece observațiile sunt limitate. Dar răspunsul forțat explică destul de mult observațiile, așa că nu există nicio dovadă din secolul XX că ne scapă ceva…

Chiar dacă s-ar descoperi că modelele subestimează variabilitatea internă de trei ori, este extrem de puțin probabil ca variabilitatea internă să producă o tendință atât de mare precum cea observată.”

În mod similar, Dr. Martin Stolpe și colegii săi, tot de la IAC, au analizat recent rolul variabilității naturale multidecadale atât în Oceanul Atlantic, cât și în Oceanul Pacific. Aceștia au constatat că „mai puțin de 10% din încălzirea globală observată în a doua jumătate a secolului XX este cauzată de variabilitatea internă în aceste două bazine oceanice, ceea ce întărește atribuirea celei mai mari părți a încălzirii observate forțărilor antropogene”

Variabilitatea internă are probabil un rol mult mai mare în temperaturile regionale. De exemplu, în producerea unor perioade neobișnuit de calde în Arctica și în SUA în anii 1930. Cu toate acestea, rolul său în influențarea schimbărilor pe termen lung ale temperaturilor globale de suprafață pare să fie limitat.

Concluzie

Chiar dacă există factori naturali care afectează clima Pământului, influența combinată a vulcanilor și a schimbărilor în activitatea solară ar fi avut ca rezultat mai degrabă o răcire decât o încălzire în ultimii 50 de ani.

Încălzirea globală observată în ultimii 150 de ani se potrivește aproape perfect cu ceea ce se așteaptă de la emisiile de gaze cu efect de seră și de la alte activități umane, atât în modelul simplu examinat aici, cât și în modele climatice mai complexe. Cea mai bună estimare a contribuției umane la încălzirea modernă este de aproximativ 100%.

Rămâne o oarecare incertitudine din cauza rolului variabilității naturale, dar cercetătorii sugerează că este puțin probabil ca fluctuațiile oceanice și alți factori similari să fie cauza a mai mult de o fracțiune mică din încălzirea globală modernă.

Metodologie

Modelul statistic simplu utilizat în acest articol este adaptat din Global Warming Index publicat de Haustein et al. (2017). La rândul său, se bazează pe modelul Otto et al. (2015).

Modelul estimează contribuțiile la schimbările climatice observate și elimină impactul fluctuațiilor naturale de la un an la altul printr-o regresie liniară multiplă a temperaturilor observate și a răspunsurilor estimate la totalul factorilor de schimbare climatică induși de om și la totalul factorilor naturali de schimbare climatică. Răspunsurile la forțare sunt furnizate de modelul climatic simplu standard prezentat în capitolul 8 din IPCC (2013), dar mărimea acestor răspunsuri este estimată prin ajustarea la observații. Forțările se bazează pe valorile IPCC (2013) și au fost actualizate până în 2017 folosind date de la NOAA și ECLIPSE. 200 de variații ale acestor forțări au fost furnizate de Dr. Piers Forster de la Universitatea din Leeds, reflectând incertitudinea estimărilor privind forțările. Este furnizată, de asemenea, o foaie de calcul Excel care conține modelul lor.

Modelul a fost adaptat prin calcularea răspunsurilor de forțare pentru fiecare dintre diferitele forțări climatice majore, mai degrabă decât pur și simplu totalul forțărilor umane și naturale, folosind înregistrarea Berkeley Earth pentru observații. Timpul de decădere a răspunsului termic utilizat în conversia forțărilor în răspunsuri de forțare a fost ajustat pentru a fi de un an în loc de patru ani pentru forțările vulcanice, pentru a reflecta mai bine timpul de răspuns rapid prezent în observații. Efectele evenimentelor El Niño și La Niña (ENSO) au fost eliminate din observații folosind o abordare adaptată de Foster și Rahmstorf (2011) și de indicele Kaplan El Niño 3.4 atunci când se calculează răspunsul termic vulcanic, deoarece suprapunerea dintre vulcani și ENSO complică altfel estimările empirice.

Răspunsul termic pentru fiecare forțare individuală a fost calculat prin scalarea răspunsurilor lor la forțare cu coeficienții umani sau naturali totali din modelul de regresie. Modelul de regresie a fost, de asemenea, rulat separat pentru temperaturile terestre. Răspunsurile de temperatură pentru fiecare forțare între 2018 și 2100 au fost estimate folosind datele de forțare din RCP6.0, normalizate pentru a corespunde magnitudinii forțărilor observate la sfârșitul anului 2017.

Incertitudinile privind răspunsul total al temperaturii umane și naturale au fost estimate folosind o analiză Monte Carlo a 200 de serii de forțări diferite, precum și incertitudinile privind coeficienții de regresie estimați. Codul Python utilizat pentru a rula modelul este arhivat pe GitHub și este disponibil pentru descărcare.

Datele observaționale din 2017 prezentate în figuri se bazează pe media primelor 10 luni ale anului și este probabil să fie destul de asemănătoare cu valoarea anuală finală.

.