Klima

Skyer og is viser klimaet i år 2100

Glovarme 3,5 grader eller moderate 0,5 grader – forskerne vet ikke nøyaktig hvor mye temperaturen vil stige, men kunstig intelligens og skjulte mønstre skal nå gi oss et helt presist bilde av framtidens klima.

NASA

Er en katastrofe under oppseiling, eller har vi ting under kontroll? Selv om forskerne de senere tiårene har knust enorme mengder data på verdens største superdatamaskiner, og klimamodellene har blitt mye bedre, er det fortsatt noen ting som er usikre.

For resultatene er ikke like. De spår temperaturstigninger på alt mellom 0,5 og 3,5 grader fram mot år 2100 – og de to utfallene vil utløse helt ulike situasjoner.

Blir kloden 0,5 grader varmere enn i dag, får vi en viss stigning i antallet og styrken av ekstreme værfenomener slik som skybrudd og kraftige orkaner – men situasjonen er antagelig overkommelig.

Blir det 3,5 grader varmere, får vi en virkelig klimakatastrofe, der hundrevis av millioner mennesker er på flukt fra tørke, hetebølger, skogbranner, oversvømmelser og orkaner.

Uansett hvilket scenario vi ender med, krever det en innsats.

Spørsmålet er bare hva vi bør gjøre. Det vil være en stor hjelp hvis klimamodellene kan fortelle oss akkurat hvordan klimaet vil endre seg, og hvor endringene vil ramme hardest.

Globale klimamodeller kjører på superdatamaskiner som denne Cray XC40 på Universität Stuttgart i Tyskland. Den kan utføre 7,4 billiarder beregninger i sekundet.

© Julian Herzog

Nå skal kunstig intelligens og skjulte mønstre i satellittmålinger hjelpe forskerne med å simulere dannelsen av skyer og avsløre drivkreftene bak smeltingen av klodens is.

Og resultatene vil for første gang gi oss et klart bilde av framtidens klode.

Superdatamaskiner på saken

Dagens mest avanserte klimamodeller kalles globale sirkulasjonsmodeller og omfatter atmosfæren, havene, isdekket og klodens økosystemer.

Modellene er sammenkoblede, så de beregner hvordan ulike deler av jordas klimasystem påvirker hverandre.

Stigende lufttemperaturer øker for eksempel fordampingen fra havet, slik at vann­innholdet i atmosfæren, og dermed mengden nedbør, stiger.

Samspillet mellom de ulike faktorene er beskrevet i ekstremt komplekse dataprogrammer, og derfor kan beregningene bare kjøres på klynger av superdatamaskiner.

1500 billiarder beregninger per sekund er målet for superdatamaskinen Frontier.

Konkret beskriver modellene klimasystemet i et tredimensjonalt nettverk som deler atmosfæren, havene og landjorda inn i terninger. I hver terning beskrives alle relevante klimavariabler – for eksempel temperatur, trykk, nedbør og skyer – men de er konstante overalt i terningen.

Terningene måler typisk 100 x 100 kilometer, og gjelder for et enkelt lag av atmosfæren eller havet. Lagene har en tykkelse på om lag 11 kilometer for atmosfæren, og modellene inkluderer typisk om lag 30 lag av atmosfæren og 20 lag av havene.

Nettverket er imidlertid en tilnærming, for i den virkelige verden kan den ene enden av en terning være dekket av skyer, mens sola skinner i resten.

Modeller deler atmosfæren i terninger

Forskerne simulerer klimaet i datamodeller ved å dele opp atmosfæren i terninger og bruke formler fra for eksempel termodynamikken eller gassloven til å regne på temperatur, trykk og luftfuktighet i hver enkelt terning.

CLAUS LUNAU

Atmosfæren deles opp i tusenvis av ruter som vanligvis er om lag 100 kilometer i lengden og bredden.

CLAUS LUNAU

Modellene tar høyde for hvor mye sollys som kommer inn i atmosfæren.

CLAUS LUNAU

De simulerer værfenomener som skyer, nedbør og vind.

CLAUS LUNAU

De beregner fordamping og stråling fra ulike typer jordoverflater.

CLAUS LUNAU

Datamaskinene deler også tiden i trinn, der flyt fra terning til terning i form av vind og havstrøm typisk beregnes med en halv times mellomrom.

Ideelt sett burde terningene være på bare en kubikkilometer og trinnene være på et par sekunder, men det vil kreve mer datakraft enn forskerne har tilgjengelig.

Derfor suppleres hovedmodellen, som er basert på fysikkens lover, med en slags tommelfingerregler, som tar høyde for usikkerhetene på en best mulig måte.

Men disse reglene er basert på skjønn, og ulike vektinger fra modell til modell er en viktig årsak til at modellene kommer fram til ulike resultater.

Fortiden setter modeller på prøve

Et viktig skritt på veien mot bedre klimamodeller er å teste hvor nøyaktige modellene er, og rette dem hvis de gjøre systematiske feil.

Forskerne kan ikke vente 50 år for å se om modellenes resultater er riktige, og derfor tester de modellene ved å la dem simulere fortidens klima.

Forskere har data om lufttemperaturen år for år tilbake til slutten av istiden for 11 700 år siden. Opplysningene kommer blant annet fra iskjerner fra Grønland og fra detaljerte målinger av tykkelsen på treringer.

Gjennom hele perioden er det god overensstemmelse mellom den historiske utviklingen og klimamodellenes resultater.

Vår forteller om framtiden

Global oppvarming vil få snødekket på den nordlige halvkulen til å skrumpe over de neste tiårene. Samme prosess skjer i mindre skala hver vår, og forskerne vil nå bruke våren til å spå om framtidens snødekke.

Klimamodeller er uenige

I fremtiden vil snødekket skrumpe, og mindre sollys blir reflektert ut i verdensrommet. Men klimamodellene er ikke enige om akkurat hvor stor endringen vil bli.

Våren avslører fremtiden

Ved hjelp av satellitmålinger av smeltningen hver vår kan forskerne avklare hvordan varme påvirker mengden av reflektert sollys – og dermed spå den fremtidige utviklingen.

Sammenheng avslører fremtiden

De stigende temperaturer om våren er en parallell til den globale oppvarmingen, og forskerne kan bruke kunnskap om våren til å redusere usikkerheten om fremtiden.

Forskerne har også globale målinger av lufttemperatur fra 1850 og fram til i dag.

Igjen simulerer klimamodellene resultatene ganske presist – men bare når de inkluderer utslippene av drivhusgasser. Hvis utslippene utelates, gjøre modellene store feil: De kan ikke reprodusere den globale temperaturstigningen på 1,1 grad som har skjedd siden 1880.

Men på flere punkter har modellene undervurdert konsekvensene av den globale oppvarmingen. Det gjelder blant annet for isen på Grønland og i Arktis, der massetapet har vært langs større enn modellene har spådd.

Her har modellene imidlertid blitt bedre allerede, i takt med at forskerne har inkludert effekten av at isen smeltes nedenfra av varmere havvann.

Isfritt polhav øker oppvarmingen

Havisen i Arktis har krympet raskt i den siste tiden, og oppdagelsen av hittil ukjente mønstre i tiår med satellittmålinger har nå hjulpet forskerne med å avsløre hvor feilen i klimamodellene ligger.

Havisens tilbaketog har global betydning fordi den hvite isen reflekterer sollys ut i verdensrommet, mens det mørke havet tar opp det meste av energien fra sollyset og sender store mengder varme ut i atmosfæren.

Beregninger tyder på at smeltingen har økt opptaket av solenergi så mye at det tilsvarer en fjerdedel av økningen av karbondioksid i atmosfæren.

Derfor er det viktig at forskerne kan forutsi akkurat hvor raskt havisen smelter.

Samtlige klimamodeller er enige om at Nordishavet blir isfritt om sommeren hvis utslippene av karbondioksid fortsetter som i dag.

Noen av modellene tyder på at det vil skje allerede om bare et tiår eller to, mens andre forutsier at det først vil skje senere i århundret.

For å innsnevre usikkerheten har amerikanske forskere tatt en grundig kikk på de satellittmålingene som har blitt samlet inn siden 1979.

33,1 milliarder tonn karbondioksid slapp vi ut i 2018 – 1,7 prosent mer enn i 2017.

I den perioden har isdekket i begynnelsen av september blitt halvert – fra om lag åtte millioner kvadratkilometer i 1979 til under fire millioner i dag. Samtidig har isvolumet falt med 75 prosent fordi en stadig større del av isdekket består av tynn førsteårsis.

Den amerikanske klimaforskeren Alex Hall har sammen med sine kolleger oppdaget at endringene i forholdet mellom tynn førsteårsis og den tykkere, eldre isen kan forklare den raske smeltingen.

Og FNs klimapanel har nå brukt denne kunnskapen til å gjøre anslagene sine mer presise. Resultatene tyder på at Nordishavet vil bli isfritt om sommeren allerede midt i dette århundret.

VIDEO: Karbondioksid ligger tungt over den nordlige halvkule

Årsaken til havisens tilbaketog er større mengder karbondioksid i atmosfæren. Men forskerne er fortsatt uenige om akkurat hvor raskt karbondioksid varmer opp kloden.

Gassen absorberer infrarød varmestråling fra jorda som ellers ville forsvinne ut i verdensrommet. Men strålingen omfatter et spektrum av ulike bølgelengder, og karbondioksid absorberer ikke alle disse bølgelengdene like godt.

Dagens klimamodeller regner på et vektet gjennomsnitt av absorpsjonen på tvers av bølgelengdene, men hver modell har sin egen metode for å regne ut gjennomsnittet, og derfor kommer de fram til ulike resultater.

Nye modeller skal i stedet regne på hver enkelt bølgelengde, og dermed blir usikkerheten mindre. Til gjengjeld krever metoden enorme mengder datakraft.

Nye modeller deler opp stråling

Karbondioksid varmer opp kloden når den absorberer varmestråling med bestemte bølgelengder og sender varmen tilbake mot jorda. Men forskerne er ikke enige om hvor stor effekten er. Nå skal nye klimamodeller fjerne usikkerheten.

Bølgelengder legges sammen

Når forskerne skal regne ut hvor mye varme karbondioksid er i stand til å absorbere, bruker de i dag et vektet gjennomsnitt av absorpsjonen ved alle bølgelengder.

Forskere måler enkelte bølgelengder

Nå vil forskerne lære modellene å beregne absorpsjonen fra drivhusgasser bølgelengde for bølgelengde. Utregningen krever mye regnekraft, men resultatet blir mer presist.

Nye modeller senker usikkerhet

I de gamle modellene skaper ulikhet i vektingen av bølgelengder stor usikkerhet om drivhusgassenes evne til å varme opp jorda. De nye modellene unngår det problemet og senker usikkerheten.

Skyer skaper usikkerhet

Enda større utfordringer har forskerne når de vil beregne framtidens skydekke, som påvirker resultatene fra modellene ganske kraftig. For skyer kan både kjøle ned og varme opp.

Tette, lave skyer avkjøler kloden fordi de reflekterer store mengder sollys ut i verdensrommet, mens høye, tynne skyer lar lyset slippe igjennom, samtidig med at de absorberer varme fra jordoverflaten.

I dag er de tette og lave skyene vanligst, og nettoeffekten av skydekket er en avkjøling. Men i en varmere atmosfære kan både forekomsten av ulike typer skyer og den geografiske fordelingen bli endret.

Det tette, lave skydekke ligger i dag først og fremst over tropene, men endrede vindsystemer kan skyve store mengder lave skyer mot polene.

Her vil de bare reflektere det svake sollyset i de tempererte regionene i stedet for det intense sollyset i tropene. Derfor kan framtidens skydekke varme opp kloden i stedet for å avkjøle den.

Klimamodellene har problemer med å levere presise prognoser fordi skyer dannes i mye mindre volum enn de store terningene som modellene opererer med. Derfor vil amerikanske forskere nå utvikle modeller basert på kunstig intelligens, som ut fra satellittmålinger skal simulere skydannelse innen et realistisk volum på noe­n få kubikkilometer.

Resultatene vil deretter bli innarbeidet i de globale modellene.

Modeller forutsier nær framtid

Modellene har i de siste årene blitt bedre og bedre til å forutsi klodens klima flere tiår eller århundrer inn i framtiden. Men klimaendringene er allerede i gang, og lokale myndigheter verden over trenger konkret kunnskap om hvordan sitt lille utsnitt av kloden blir rammet innen bare få år.

Derfor arbeider forskerne nå med å utvikle modeller som gir mer presise anslag om lokale forhold og gir et klarere bilde av klimaets utvikling innen et enkelt tiår.

Særlig Storbritannia er langt framme på denne fronten. Her utarbeidet forskere i 2016 en stor rapport som undersøkte risikoen for oversvømmelser i ulike deler av England og Wales innen de neste årene. Det var mulig takket være tiår med detaljert værdata fra satellitter.

Forskerne oppdaget blant annet at nedbørsmengden under kraftige vinterregnskyll antagelig vil stige om lag ti prosent over de neste ti årene – og stigningen kan bli opptil 30 prosent i det sørøstlige England. De detaljerte resultatene fungerer nå som veiledning for landets regjering, som vil bruke over åtte milliarder kroner på å styrke forsvaret mot oversvømmelser.

Les også:

Naturen

Konkurranse: Send oss ditt beste naturfotografi – og vinn et kamera

3 minutter
Klimaendringer

Se fremtidens klima i krystallkulen

11 minutter
Klimaendringer

Her er din guide til å redde klimaet

6 minutter

Logg inn

Feil: Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!