После четырёх лет работы и подробных обсуждений международной группой учёных появилась возможность лучше, чем когда-либо прежде, количественно оценить, как температура земной поверхности реагирует на повышение уровня атмосферного CO2.

Результаты, опубликованные в Reviews of Geophysics, сужают вероятный диапазон «равновесной чувствительности климата» (РЧК) - меры того, каким будет ожидаемое глобальное потепление при удвоении выбросов CO2 по сравнению с доиндустриальными уровнями.

Ограничение РЧК остаётся святым Граалем в климатологии с тех пор, как американский метеоролог Джулс Чарни (Jules Charney) в своем отчёте 1979 г. предложил возможный диапазон от 1,5 до 4,5°C. Его оценка была в значительной степени основана на работе первых двух климатических моделей, которые дали разные оценки 2°C и 4°C для простого эксперимента, в котором уровни CO2 в атмосфере были удвоены.

В последующие более чем 40 лет исследований значительно улучшилось понимание атмосферных процессов, а также появилось много детальных наблюдений, однако этот диапазон упорно сохраняется.

Теперь, объединив данные наблюдаемого потепления, далёкого прошлого Земли и модельные климатические оценки, а также достижения в научном понимании климата, авторы оценили диапазон РЧК между 2,6°C и 4,1°C.

Этот суженный диапазон указывает на то, что человеческое общество не сможет надеяться на низкую чувствительность, дающую больше времени для решения проблемы изменения климата. Но одновременно говорится, что очень высокие оценки РЧК маловероятны.

Устойчиво широкий диапазон

Насколько чувствителен климат Земли к увеличению выбросов CO2 в атмосфере, является фундаментальным вопросом для науки о климате. По сути, он определяет, насколько нагреется поверхность Земли в результате антропогенных выбросов CO2.

Концентрация CO2 в атмосфере сегодня увеличилась с доиндустриальных уровней 280 частей на миллион (ppm) до примерно 416 ppm. Без действий по сокращению выбросов концентрации CO2, вероятно, она достигнет 560 частей на миллион - удвоенного доиндустриального уровня - примерно к 2060 году.

Тем не менее, по оценкам, диапазон для РЧК остаётся очень широким. В четвёртом оценочном отчёте Межправительственной группы экспертов по изменению климата (AR4), опубликованном в 2007 году, сделан вывод о том, что РЧК, вероятно (на языке МГЭИК, это означает вероятность, большую 66%), находится в интервале между 2,0°C и 4,5°C. Это говорит о том, что оценки ниже 2°C маловероятны.

Однако это уточнение было обращено вспять в пятом оценочном отчете МГЭИК (AR5) в 2013 году, который вернулся к каноническому диапазону от 1,5 до 4,5°C.

С чем связан такой разворот? С 2000-х годов оценки РЧК основывались не только на климатических моделях, они базировались на исследованиях климата прошлых эпох («палеоклиматологии»), интерпретациях, основанных на исторических наблюдениях за изменением температуры, а также на основе учёта климатических обратных связей.

В период подготовки отчёта AR5 исторически обоснованные оценки согласовывались с лучшими оценками РЧК (около 2°C). Напротив, оценки, основанные на понимании процессов и моделировании, поддерживали верхний предел диапазона Чарни. Хотя диапазоны перекрываются, это расхождение в оценках, построенных на наблюдаемом изменении климата, с одной стороны, и понимании и моделировании процессов, определяющих чувствительность климата, с другой, вызывает беспокойство.

С 2013 года учёные предпринимают согласованные усилия, чтобы понять технические детали того, почему оценки различаются, и предпринять первые предварительные шаги по согласованию разрозненных оценок, полученных из разных источников.

Новое исследование иллюстрирует улучшенное понимание того, как разные независимые подходы соотносятся друг с другом, и позволяет их формально комбинировать с целью наложить более сильные ограничения на РЧК, чем во всех предыдущих оценках.

Вероятный диапазон

Представленное исследование показывает, что вероятный диапазон РЧК составляет от 2,6°C до 4,1°C, с наилучшей оценкой чуть выше 3°C. Вне этого диапазона вероятность того, что РЧК окажется ниже 2°C, составляет менее 5%, а вероятность того, что она выше 4,5°C - 6-18%.

Авторы также произвели оценку «эффективной чувствительности климата», немного отличающейся от РЧК, она лежит в диапазоне от 2,6 до 3,9°C. (РЧК - это оценка величины разогрева после того, как климат достигнет равновесия при удвоении уровней CO2. Иногда это оказывается непрактичным для оценки и моделирования, потому что климатической системе могут потребоваться тысячи лет, чтобы действительно достичь равновесия. Эффективная чувствительность климата - это распространённый обходной путь, обычно экстраполирующий величину потепления через 150 лет после удвоения CO2.).

На первый взгляд, это может показаться небольшим улучшением по сравнению с последним отчетом МГЭИК, но на самом деле оно имеет важные последствия для климатологии и нашей уверенности в прогнозируемом диапазоне потепления в 21-ом веке.

На диаграмме ниже показано, как вероятный диапазон РЧК (Equilibrium Climate Sensitivity) из данного исследования (черный бокс) сравнивается с диапазоном из AR5 (серый бокс) и полным диапазоном оценок из пятого (синий бокс) и шестого (коричневый бокс) проектов взаимного сравнения моделей (CMIP). Прогнозы CMIP5 включены в AR5, а прогнозы CMIP6 будут лежать в основе готовящегося шестого оценочного отчёта AR6.

Эта работа позволяет сузить диапазон, сначала определив и объяснив, как каждое направление исследований может устанавливать пределы величины РЧК или не накладывать ограничения на неё. Были тщательно изучены три различных направления: понимание процессов обратной связи; исторические наблюдения за изменением температуры; и палеоклиматические реконструкции прошлых изменений климата.

Данная работа формально объединяет все три оценки, давая центральную оценку РЧК чуть выше 3°C, а также устанавливает дополнительные ограничения на диапазон РЧК - с 90%-ной вероятностью оценки будут находиться между 2,3°C и 4,7°C. Неучёт какого-либо из направлений или использование другого статистического подхода даёт «надёжную» эффективную оценку чувствительности от 2,0°C до 5,7°C.

Эти ограничения означают, что теперь можно сравнить указанный диапазон с оценками из климатических модельных расчётов, которые сами не использовались в качестве прямого доказательства. Там, где некоторые климатические модели показывают высокие значения РЧК по сравнению с указанным в данной работе диапазоном, можно ожидать, что они будут переоценивать будущие уровни потепления при заданных сценариях выбросов. Точно так же при низких значениях РЧК модели вполне могут недооценить будущее потепление.

Объединение направлений исследования

Процессы обратных связей - важный фактор того, как Земля реагирует на повышение уровня атмосферного CO2. Есть как положительные обратные связи - те, которые усиливают потепление, так и отрицательные - его ослабляющие. Примером положительной обратной связи является таяние льда и снега, в результате которой меньше солнечного света отражается, а больше поглощается, что вызывает большее потепление.

Авторы изучили весь комплекс теоретических работ и данных наблюдений. Их анализ показал, что оценки РЧК ниже 2°C возможны лишь при наличии облачной отрицательной обратной связи, что очень маловероятно. Таким образом, одно только это свидетельство помогает исключить оценки РЧК ниже 1,5°C.

Наблюдаемое на сегодняшний день потепление является ещё одним свидетельством: оно уже достигло примерно 1°C, при том, что концентрация CO2 ещё не увеличилась вдвое, поэтому представляются маловероятными значения РЧК ниже 2°C. Однако надёжная оценка РЧК на основе исторических данных затруднена из-за проблем с количественной оценкой выхолаживающего эффекта аэрозолей - от загрязнения воздуха и извержений вулканов - и осознанием того, что обратные связи, возможно, работали иначе в последние десятилетия, чем они, как ожидается, будут действовать в долгосрочной перспективе. Это обстоятельство делает чрезвычайно трудным исключение высоких значений РЧК только на основе исторических данных.

Палеоклимат - это третье направление исследования. Изменение климата, происходившее естественным образом в далёком прошлом Земли, также может помочь ограничить РЧК при наличии достаточного объёма информации. Авторы обнаружили, что двумя наиболее информативными периодами были последний ледниковый максимум (около 20000 лет назад), который был примерно на 3-7°C холоднее, чем сегодня, и имевший место примерно три миллиона лет назад период потепления в середине плиоцена (примерно на 1–3°C теплее, чем сегодня). Пределы похолодания во время последнего ледникового максимума являются лучшим свидетельством того, что высокие значения РЧК маловероятны.

Эти ограничения на РЧК становятся более надёжными, когда все три направления рассматриваются совокупно, что позволяет исключать высокие и низкие значения РЧК.

Исключение высоких значений РЧК: если бы её истинное значение было выше 4,5°C, облачная обратная связь должна была бы быть намного сильнее, чем следует из спутниковых данных. В будущем такая обратная связь также должна быть намного активнее, чем она была в историческом прошлом. Кроме того, изменения ледяного покрова Земли и осаждение пыли в засушливых условиях последнего ледникового максимума следовало бы сильно переоценить.

Исключение низких значений РЧК: если истинное значение РЧК было менее 1,5°C, необходимо было бы обнаружить неизвестную новую сильно выхолаживающую облачную обратную связь. Кроме того, аэрозоли должны были обеспечить почти нулевой выхолаживающий эффект или даже эффект потепления климата в историческом прошлом. Более того, оценка потепления в середине плиоцена должна быть пересмотрена.

Авторы рассмотрели вероятность ошибочности своих оценок, выполнив ряд статистических тестов. Эти тесты позволили выбрать окончательный диапазон РЧК, представленный в работе, после множества математических расчётов и дискуссий.

На диаграмме ниже показаны результаты для каждого направления исследования в отдельности, причём в каждом боксу указан диапазон 50%-ной вероятности для эффективной чувствительности климата.

Сравнение с моделями

Предыдущий рисунок показал, что некоторые модели CMIP6 выходят за пределы диапазонов РЧК, как по верхним, так и по нижним значениям.

Авторы предполагают, что модели с РЧК, находящимися за пределами диапазона, полученного в данной работе, вряд ли будут репрезентативными для реального РЧК и, следовательно, можно ожидать, что они будут либо переоценивать, либо недооценивать будущие изменения температуры.

Тем не менее, исследование не является окончательным, и в частности, верхний предел РЧК, менее чётко ограничен, чем нижний предел. Поэтому нельзя полностью исключить оценки моделей, дающих высокий верхний предел.

Кроме того, другие исследования показали, что во многих отношениях моделирование с высокими значениями РЧК улучшается. Следовательно, включение этих моделей с высоким пределом РЧК при оценке будущих рисков остается полезной мерой предосторожности.

Ссылка: https://yaleclimateconnections.org/2020/08/why-low-end-climate-sensitivity-can-now-be-ruled-out/