Sendu inn spurningu

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Landsvirkjun - borði í orkumálaflokki

Af hverju telja vísindamenn að þeir geti spáð fyrir um loftslagsbreytingar?

Öll spurningin hljóðaði svona:
Af hverju telja vísindamenn að þeir geti spáð fyrir um loftslagsbreytingar? Er reynslan af slíkum spádómum ekki frekar slæm?

Spurningin er í tveimur hlutum. Hér verður fyrri þættinum svarað fyrst, og svo rætt um reynslu af spám um loftslagsbreytingar.

Allar vísindalegar spár þurfa að byggja á vel ígrunduðum skilningi á þeim fyrirbærum sem koma við sögu. Fyrir spár um loftslagsbreytingar skiptir máli að góður skilningur sé á geislunarbúskapi jarðar, og hvaða þættir hafa áhrif á hann. Sá eðlisfræðigrunnur sem skilingur á geislunarbúskap hvílir á er í sjálfu sér ekki umdeildur, enda hægt kanna ýmsa þætti hans í tilraunastofu. Sá skilningur liggur einnig til grundvallar reikningum veðurspálíkana og við úrvinnslu mælinga frá gervihnöttum. Væri þessi skilningur í grundvallaratriðum rangur myndi slíkt því koma í ljós í hvert skipti sem veðurspá er reiknuð.

Einnig má kanna hversu vel loftslagsvísindi duga til þess að skilja breytingar sem rannsóknir á loftslagi til forna leiða í ljós. Í stuttu máli má segja að hægt sé að útskýra flestar þær breytingar sem vel eru þekktar, þó vissulega sé þekking á mörgum þáttum loftslagssögunnar ábótavant.

Í þriðja lagi má kanna vísindalegan skilning með því að skrifa niður þær jöfnur sem lýsa aflfræði lofts og sjávar, afdrifum varmageislunar, flutningi efna, þróun hafísþekju, jökla og svo framvegis – og byggja líkan sem hermir eftir þróun loftslags út frá gögnum um geislun sólar, áhrif eldgosa, breytingar á efnasamsetningu lofthjúpsins og ýmsa aðra þætti. Könnun á því hvort niðurstöður líkansins séu í samræmi við raunveruleikann fyrir til dæmis síðustu öld er þá enn eitt próf á skilningi loftslagsvísindanna á náttúrunni.

Mynd 0: Lofthjúpur jarðar. Myndin er tekin úr alþjóðlegu geimstöðinni 4. september 2010.

Loftslagslíkönum svipar um margt til veðurspálíkana, en í báðum er stuðst við vökvaaflfræði, varmafræði og geislunarfræði til þess að herma ástand lofthjúpsins og þróun. Veðurspár eru nú taldar áreiðanlegar nokkra daga fram í tímann, og stundum lengur en það fer þó eftir svæðum, tímabilum og sérstaklega því hvaða atriði veðurspár eru skoðuð.

Spyrja má hver sé tilgangur þess að keyra loftslagslíkön mörg hundruð ár fram í tímann þegar ekki er hægt að spá fyrir um veður nema í nokkra daga. Ástæðan er sú að loftslagslíkön herma ekki veður á tilteknum dögum, heldur breytingar á því sem telja má eðlilegt veður eða veðurfar. Það veður sem reiknað er út í loftslagslíkönum er þannig ekki spá fyrir neinn tiltekinn dag, heldur eining í safn sem gefur mynd af veðurfari, og loftslagslíkön eru hönnuð til þess að spá fyrir um þróun veðurfars. Fyrir vikið eru loftslagslíkön viðameiri en veðurspálíkön, með þeim er reynt að reikna þróun ýmissa kerfa sem ekki er þörf á að reikna fyrir veðurspár.

Margir þættir hafa áhrif á þróun veðurfars, en sá þáttur sem nú skiptir mestu máli er aukinn styrkur gróðurhúsalofttegunda sem að stórum hluta má rekja til bruna manna á jarðefnaeldsneyti. Óvissan í hermun á áhrifum þessa á framtíðarveðurfar er tvíþætt. Í fyrsta lagi eru gæði líkansins. Líkön eru nálganir á raunveruleikanum og því má búast við að reikniniðurstöður víki eitthvað frá raunverulegri þróun. Í öðru lagi er ekki hægt að vita með vissu hversu mikið verður losað af gróðurhúsalofttegundum.

Ýmsar leiðir eru færar við að skoða gæði líkana og hvernig megi bæta þau, en sú algengasta er að herma veðurfar síðustu aldar, en þá eru þekktar breytingar á geislunarálagi, það er styrk gróðurhúsalofttegunda í lofthjúpnum auk agnaúða og annarra efna sem geta haft áhrif á loftslag. Slíkan samanburð má sjá á mynd 1 sem sýnir niðurstöður tveggja ólíkra tilrauna og raunverulega hitaþróun á síðustu 150 árum. Í fyrri tilrauninni, CMIP3, sem gerð var um miðjan fyrsta áratug þessarar aldar voru 23 loftslagslíkön látin reikna þróun loftslags og eru niðurstöður merktar sem fíndregnar gular línur, en meðaltal líkananna sem blá lína. Í síðari tilrauninni, CMIP5, sem gerð var á fyrsta hluta þessa áratugar voru 42 líkön notuð og eru niðurstöður sýndar sem fíndregnar bláar línur en meðaltalið sem rauð lína. Svarta línan sýnir þróun meðalhita jarðar á sama tíma.

Mynd 1: Samanburður á raunverulegri þróun yfirborðshita jarðar (svartur ferill) og niðurstöðum loftslagslíkana.

Myndin sýnir að líkönin ná að fylgja breytingum í meðalhita jarðar í meginatriðum. Í kjölfar stórgosa (1883, 1902, 1963, 1983 og 1991) verður skammvinn kólnun sem líkönin herma nokkuð vel (aðeins of skarpt í sumum tilvikum). Líkönin ná að fylgja hlýnun síðustu áratuga, en á þeim tíma fer áhrifa aukins styrks gróðurhúsalofttegunda að gæta í meira mæli. Líkönin ná hinsvegar ekki að herma áratuga langar sveiflur í hitafari fyrir miðbik aldarinnar, en hugsanlega orsakast þær af tilviljanakenndum innri breytileika sem safn líkana mun seint geta hermt svo vel sé. Hinsvegar skiptir máli að breytileiki líkananna er að mestu sambærilegur við breytileikann í náttúrunni. Þetta lýsir sér í því að svarti ferillinn heldur sig að mestu innan þeirra marka sem niðurstöður tilraunanna tveggja afmarka (gula og bláa umslagið).

Líkönin sem mynd 1 byggir á eru mismunandi, og innan CMIP5-líkananna var nokkuð um betrumbættar útgáfur af CMIP3-líkönum. Reikninetið í líkönunum er samt gróft sem bjagar niðurstöður á ýmsan hátt. Fæst líkönin reikna meðalhita jarðar vel, en þau eiga auðveldara með að reikna breytileika hans. Það má hugsa sér að breidd gula og bláa umslagsins endurspegli óvissuna í því að reikna breytingar á meðalhita jarðar, og myndin sýnir að þrátt fyrir óvissuþætti er hægt að nota loftslagslíkön til að reikna líklega þróun hitafars við yfirborð jarðar að því gefnu að við þekkjum þróun geislunarálags.

Til þess að glíma við óvissu í losun gróðurhúsalofttegunda er notast við sviðsmyndir sem er ætlað að spanna þá möguleika sem til greina koma. Mynd 2 sýnir niðurstöður tveggja sviðsmynda, í þeirri rauðlitu er mikil losun og þá verður hnattræn hlýnun um 4°C, í þeirri bláu er dregið vasklega úr losun og hlýnun verður þá einungis um 1°C. Á myndinni er hlýnunin miðuð við árabilið 1986 til 2005, en einnig eru sýndar CMIP5-niðurstöður fyrir síðustu 150 ár. Skyggðir reitir hægra megin við myndina sýna meðalhlýnun á árunum 2081 til 2100, og þar má einnig sjá niðurstöður fyrir tvær aðrar sviðsmyndir. Einn lærdómur sem draga má af þessari mynd er að óvissa um losun gróðurhúsalofttegunda skiptir meira máli en óvissa sem hlýst af því að líkönin eru ófullkomin.

Mynd 2: Þróun yfirborðshita jarðar á síðustu áratugum og til loka þessarar aldar miðað við ólíkar sviðsmyndir af losun gróðurhúsalofttegunda. Tölurnar á myndinni merkja fjölda líkana sem notaður var í hverri sviðsmynd.

Seinni hluti spurningarinnar snerist um reynsluna af loftslagsspám. Á það ber að líta að minni reynsla er af loftslagsspám en veðurspám en eftir sem áður eru nokkrir áratugir síðan farið var spá fyrir um þróun loftslags með eðlisfræðilegum líkönum, og verða tvö dæmi rakin hér.

Árið 1988 bar bandaríski vísindamaðurinn James E. Hansen vitni fyrir þingnefnd og var umfjöllunarefnið hlýnun jarðar. Í vitnisburði sínum kynnti hann niðurstöður útreikninga sem hann og samstarfsmenn hans við geimferðastofnun Bandaríkjanna (NASA/GISS) höfðu gert með loftslagslíkani stofnunarinnar. Niðurstöður sem hann kynnti má sjá á mynd 3, sem sýnir útreikninga frá 1955 til 2020 og byggði á gögnum um raunverulegt geislunarálag fram til ársins 1984, en eftir það notaðist Hansen við þrjár sviðsmyndir. Í sviðsmynd A var vöxtur gróðurhúsalofttegunda hraður. Í sviðsmynd B var vöxtur gróðurhúsalofttegunda í samræmi eðlilega hagþróun og eitt eldgos á 10. áratugnum. Í sviðsmynd C var gripið til harðra aðgerða til að draga úr losun gróðurhúsalofttegunda, þannig að styrkur þeirra náði jafnvægi um aldamótin 2000.

Mynd 3: Reikniniðurstöður sem James E. Hansen kynnti við vitnaleiðslur á Bandaríkjaþingi árið 1988. Svarti ferillinn sýnir raunverulega hitaþróun, en blár, rauður og grænn ferill sýna þrjár sviðsmyndir um losun gróðurhúsalofttegunda og þróun geislunarálags.

Losun gróðurhúsalofttegunda síðan 1984 er í bestu samræmi við sviðsmynd B, en reyndar lýsti Hansen hinum sviðsmyndunum sem ólíklegum. Mynd 3 sýnir að raunveruleg hlýnun sem síðar varð fylgir þessari sviðsmynd best, sviðsmynd A hlýnar of mikið og sviðsmynd C hættir að fylgja raunverulegri hitaþróun á öðrum áratug 21. aldar.

Annað dæmi um spá loftslagslíkana má sjá á mynd 4 sem sýnir reikniniðurstöður CMIP3 og byggir á raunverulegu geislunarálagi fram til síðustu aldamóta og sviðsmynd sem kölluð er A1B eftir það. Myndin sýnir gráskyggt svæði sem afmarkar 95% spönn dreifingar CMIP3-líkananna, og svarta línu sem er meðaltal líkananna. Einnig eru sýndar fjórar útgáfur af raunþróun yfirborðshita, frá fjórum ólíkum aðilum sem hafa reiknað þessa þróun. Myndin sýnir að fram á annan áratug þessarar aldar reiknuðu líkönin að meðaltali meiri hlýnun en raunverulega átti sér stað. Hitaþróun jarðar hélst þó innan þeirra marka sem dreifing líkanreikninga afmarkaði. Á síðustu árum hefur hitaþróun jarðar færst nær miðju gráskyggða svæðisins.

Mynd 4: Samanburður á niðurstöðum CMIP3-líkana og raunverulegri hitaþróun. Meðaltal líkana er sýnt sem svört lína en fjórar ólíkar samantektir á hnattrænum hita eru einnig sýndar. Munurinn á ólíkum ferlum fyrir athuganirnar gefur hugmynd um óvissu í mati á hnattrænum hitabreytingum.

Í samanburði reikninga líkana og raunverulegrar þróunar er vert að hafa í huga að ekki er óeðlilegt að það komi tímabil ósamræmis, þar sem líkön sýna meiri eða minni hlýnun en raunverulega á sér stað (samanber áratuga langar sveiflur fyrir miðbik síðustu aldar á mynd 1). Myndir 3 og 4 sýna hinsvegar að þegar á heildina er litið ná líkönin að skýra þróun hitafars í meginatriðum.

Loftslagslíkön eru fjarri því að geta hermt rétt alla náttúrufarsþætti sem tengjast loftslagsbreytingum. En þó þau séu ófullkomin verkfæri þá ná þau að herma helstu drætti í hitabreytingum síðustu aldar og reynslan sýnir að spár þeirra hafa farið nærri um raunverulega þróun yfirborðshita. Sífellt er unnið að betrumbótum á loftslagslíkönum, meðal annars til þess að draga úr óvissu sem spánum fylgir.

Að lokum má þó minna á að stærsti óvissuþátturinn í spám um loftslagsbreytingar er hversu mikið verður losað af gróðurhúsalofttegundum á næstu áratugum. Ef ríki heimsins kjósa að draga úr losun í samræmi við skipulega áætlun, til dæmis Parísarsamkomulagið frá desember 2015, má eyða þessum óvissuþætti að mestu.

Myndir:

Útgáfudagur

17.10.2017

Spyrjandi

Geir Ágústsson

Höfundur

Halldór Björnsson

veðurfræðingur

Tilvísun

Halldór Björnsson. „Af hverju telja vísindamenn að þeir geti spáð fyrir um loftslagsbreytingar?“ Vísindavefurinn, 17. október 2017. Sótt 18. september 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=21502.

Halldór Björnsson. (2017, 17. október). Af hverju telja vísindamenn að þeir geti spáð fyrir um loftslagsbreytingar? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=21502

Halldór Björnsson. „Af hverju telja vísindamenn að þeir geti spáð fyrir um loftslagsbreytingar?“ Vísindavefurinn. 17. okt. 2017. Vefsíða. 18. sep. 2018. <http://visindavefur.is/svar.php?id=21502>.

Chicago | APA | MLA

Sendu inn spurningu
eða

Vísindadagatalið

Rögnvaldur G. Möller

1965

Rögnvaldur G. Möller stundar rannsóknir í grúpufræði sem er ein af megingreinum nútíma algebru.