Ο ουρανοξύστης άνθρακα

Η ταχύτητα σκοτώνει.

Γι' αυτό το να ρίξεις σφαίρες από όπλο είναι πιο επικίνδυνο από το να τις πετάξεις με το χέρι. Γιατί οι αλεξιπτωτιστές χρησιμοποιούν αλεξίπτωτα. Γιατί οι δρόμοι έχουν όρια ταχύτητας. Και γιατί είναι κρίσιμο να κατανοήσουμε πόσο γρήγορα η ανθρώπινη δραστηριότητα θα οδηγήσει το κλίμα στην αλλαγή, σε σύγκριση με τα προηγούμενα ποσοστά. Θα προκαλέσουμε σταδιακές αλλαγές στις οποίες μπορεί να προσαρμοστεί ο πολιτισμός και η ζωή στη Γη—ή μήπως ανάβουμε μια πυρκαγιά που δεν μπορεί να ξεπεραστεί;

Και έτσι είναι που οι επιστήμονες ταξιδεύουν στην παγωμένη Ανταρκτική, για να τρυπήσουν βαθιά στα στρώματα πάγου της και να τραβήξουν χιλιάδες πόδια χιόνι συμπιεσμένο σε πάγο. Χρονολογούν προσεκτικά κάθε στρώμα, εξάγουν μικροσκοπικές φυσαλίδες της αρχαίας ατμόσφαιρας και μετρούν τη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα, δέκτης του θερμοστάτη του πλανήτη.

Από αυτή τη σκληρή δουλειά, μάθαμε το μοτίβο των επιπέδων άνθρακα στα πριονίδια τα τελευταία εκατομμύρια χρόνια. Έχει εκτοξευθεί γρήγορα κατά τη διάρκεια αναρρίχησης σε περασμένα θερμά διαστήματα, όπως το σημερινό κλίμα, και κατέβηκε αργά στις μεγάλες εποχές των παγετώνων μεταξύ τους. Μπορούμε επίσης να δούμε την απότομη πρόσφατη αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα που έχουν προκαλέσει οι άνθρωποι, κυρίως με την καύση ορυκτών καυσίμων για ενέργεια. Το γράφημα που χρησιμοποιείται για να δείξει αυτό το άλμα είναι αναμφισβήτητα η πιο εικονική φιγούρα στην επιστήμη του κλίματος.

Για μένα, είναι εδώ και καιρό η πιο ισχυρή απεικόνιση του κινδύνου της κλιματικής αλλαγής. Με μια ματιά, δείχνει πόσο μεγάλη απόκλιση έχουμε κάνει από το κανονικό. Ωστόσο, υπάρχει μια ενσωματωμένη οπτική ψευδαίσθηση που υποτιμά πολύ την ανθρώπινη επιρροή.

Με απλά λόγια, υπάρχει πολύς χρόνος μεταξύ του αριστερού και του δεξιού άκρου της πλοκής - σχεδόν ένα εκατομμύριο χρόνια. Το μάτι δύσκολα μπορεί να διακρίνει τη διαφορά ανάμεσα στα μικροσκοπικά πλάτη που καταλαμβάνονται από εκατό έναντι χιλίων ετών. Ενώ το πιο πρόσφατο άλμα άνθρακα είναι σαφώς το ψηλότερο και το πιο απότομο, δεν φαίνεται τόσο πιο απότομα από πολλές αυξήσεις που προηγήθηκαν.

Αλλά η πρόσφατη αύξηση είναι στην πραγματικότητα πολύ πιο απότομη από οποιοδήποτε προηγούμενο άλμα σε αυτό το ρεκόρ ή που έχει ακόμη ανακαλυφθεί. Η απότομη είναι αυτή που δείχνει την αύξηση της ταχύτητας του άνθρακα - και η ταχύτητα προμηνύει κίνδυνο. Όσο πιο γρήγορα αλλάζει το κλίμα, τόσο λιγότερη ικανότητα έχει η κοινωνία, μαζί με τα οικοσυστήματα στα οποία εξαρτόμαστε, να προσαρμοστεί στο νέο ανώμαλο.

Μπορείτε να αρχίσετε να βλέπετε τη διαφορά κάνοντας μεγέθυνση για να δείτε μόνο ένα μικρό πρόσφατο κλάσμα του χρονοδιαγράμματος του σχήματος. Νέα δεδομένα από την Ανταρκτική μόλις μας έδωσαν την υψηλότερη ανάλυση διοξειδίου του άνθρακα τα τελευταία 67,000 χρόνια:

Μέσα σε αυτή την περίοδο, μπορείτε να δείτε την αργή πτώση του άνθρακα έως ότου η Γη έφτασε στο πιο κρύο σημείο της τελευταίας εποχής των παγετώνων, περίπου 20,000 χρόνια πριν. Στη συνέχεια, για επτά έως οκτώ χιλιάδες χρόνια (η περίοδος μεταξύ των βελών), ο άνθρακας εκτοξεύτηκε φυσικά, θερμαίνοντας τον πλανήτη κοντά στο σημερινό του κλίμα - φιλόξενο για τη γεωργία και τον πολιτισμό.

Η απόλυτη ακμή στην άκρα δεξιά, που συνδέεται με την ανθρώπινη δραστηριότητα από τη Βιομηχανική Επανάσταση, είναι προφανώς πολύ πιο απότομη. Το πρόβλημα είναι ότι χρειαζόμασταν να κάνουμε μεγέθυνση για να δούμε αυτήν την αντίθεση - αλλά πρέπει να κάνουμε σμίκρυνση, όπως το πρώτο σχήμα, για το ευρύτερο πλαίσιο.

Ευτυχώς, υπάρχει ένας απλός τρόπος για να δείξετε τη διαφορά στην ταχύτητα αλλαγής μαζί με ένα πολύ μεγάλο ρεκόρ. Αυτός ο τρόπος είναι να εστιάσουμε στην αλλαγή του διοξειδίου του άνθρακα ανά χρονική περίοδο, αντί στο επίπεδο. Το αποτέλεσμα αποκαλύπτει τον εντυπωσιακό ουρανοξύστη άνθρακα στην κορυφή αυτού του κομματιού.

Εξ όσων γνωρίζω, αυτή είναι η πρώτη φορά που το ιστορικό ρεκόρ άνθρακα απεικονίζεται με αυτόν τον τρόπο. Η ελπίδα μου στην ανάπτυξη αυτής της οπτικοποίησης είναι να δείξω ξεκάθαρα πόσο δραματική υπήρξε η ανθρώπινη επιρροή - και πόσο σοβαρή μπορεί να είναι η κατάστασή μας.

Είναι σημαντικό ότι υπάρχει και μια αισιόδοξη πλευρά σε αυτό το νόμισμα. Η ταχύτητα και η κλίμακα της ανθρώπινης βιομηχανίας μπορούν επίσης να εφαρμοστούν σε λύσεις, και σήμερα, έχουμε τη δυνατότητα να κινηθούμε γρήγορα για τη μείωση των εκπομπών. Μέσω των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και άλλων καθαρών τεχνολογιών, και με έξυπνη πολιτική και τη θέληση για δράση, τα έθνη του κόσμου μπορούν να κλείσουν τις πύλες του άνθρακα πολύ πιο γρήγορα από ό,τι τις ανοίξαμε—σε μερικές δεκαετίες, όχι σε αιώνες.

Ίσως το οικόπεδο του ουρανοξύστη να μην έχει δοκιμαστεί στο παρελθόν επειδή δεν έχουμε άμεσες μετρήσεις διοξειδίου του άνθρακα για τα ακριβή χρόνια που χρειάζονται. Υπάρχουν κενά στα αρχεία: για ολόκληρη την περίοδο που παρουσιάζεται, οι επιστήμονες έχουν άμεσες μετρήσεις μία φορά ανά 400 περίπου χρόνια κατά μέσο όρο—και περίπου μία φορά ανά 800 χρόνια στα παλαιότερα τμήματα της γραμμής χρόνου. Μερικά κενά ξεπερνούν τα 2,000 χρόνια. Ο λόγος που το παραδοσιακό γράφημα φαίνεται πλήρες είναι ότι χαράσσεται μια γραμμή μεταξύ των παρατηρήσεων, που ουσιαστικά συνδέει τις τελείες. Αλλά από επιστημονική άποψη, αυτός δεν είναι ο καλύτερος τρόπος για να καλυφθούν τα κενά.

Για να βελτιώσει αυτή την προσέγγιση, ο συνάδελφός μου Scott Kulp χρησιμοποίησε νευρωνικά δίκτυα, μια μορφή τεχνητής νοημοσύνης, για να κατασκευάσει μια συνεχή καμπύλη από τα αποσπασματικά δεδομένα, που φαίνονται ακριβώς παρακάτω, και να επιτρέψει εκτιμήσεις για οποιοδήποτε έτος. Ο ουρανοξύστης άνθρακα κατασκευάζεται με τη λήψη μετρήσεων από την καμπύλη κάθε 1,000 χρόνια από το παρόν.

Η ανακατασκευασμένη καμπύλη έχει καλή προσαρμογή στα δεδομένα. Αλλά ο ουρανοξύστης 1,000 ετών εξακολουθεί να υποτιμά τη δύσκολη θέση μας.

Γιατί; Τα κομμάτια του χρόνου μήκους 1,000 ετών δεν μπορούν να συλλάβουν την ταχύτητα του σύγχρονου άλματος άνθρακα, σχεδόν το σύνολο του οποίου έγινε τον περασμένο αιώνα. Αν μπορούσαμε να φτιάξουμε ένα οικόπεδο ουρανοξύστη 100 ετών, η εμφάνισή του θα ήταν ακόμη πιο έντονη. Θα έμοιαζε πολύ με τον ουρανοξύστη των 1,000 ετών, αλλά με τη μέση αλλαγή ανά περίοδο -εκτός από την τελευταία ακίδα- διαιρούμενη με το δέκα, δημιουργώντας μια ακόμη μεγαλύτερη αντίθεση. Δυστυχώς, τα κενά δεδομένων στο μεγαλύτερο μέρος του αρχείου είναι ακόμη πολύ μεγάλα για να εμπιστευτούμε μια ανακατασκευή με ανάλυση 100 ετών. Ή ίσως αυτό είναι τυχερό: η έκδοση 1,000 ετών φαίνεται αρκετά τρομακτική.

Ένα πράγμα είναι ξεκάθαρο σε κάθε ψήφισμα: η ανθρωπότητα βρίσκεται σε τροχιά συντριβής με γρήγορες, αποσταθεροποιητικές κλιματικές αλλαγές, εκτός αν καταφέρουμε να επιβραδύνουμε δραματικά και να σταματήσουμε τη ρύπανση της ατμόσφαιρας. Μετά από αυτό, ίσως μπορούμε να βρούμε ακόμη και έναν τρόπο να το βάλουμε αντίστροφα.

Λεπτομερής μέθοδος εκτίμησης των επιπέδων CO2 τα προηγούμενα χρόνια χωρίς δεδομένα
Αναπτύχθηκε και υλοποιήθηκε από τον Scott Kulp, Ph.D., Senior Computational Scientist, Climate Central

Για ακατέργαστα δεδομένα σχετικά με προηγούμενες συγκεντρώσεις CO2, χρησιμοποιήσαμε τα δεδομένα του Antarctic Ice Cores Revised 800KYr CO2 (Bereiter et al. 2015) από το Παγκόσμιο Κέντρο Δεδομένων για Παλαιοκλιματολογία, Boulder και το Πρόγραμμα Παλαιοκλιματολογίας NOAA, που προσπελάστηκε τον Μάιο του 2020. Για την περίοδο από 8,877 – 67,257 χρόνια πριν από το παρόν (2020), ανταλλάξαμε πιο πρόσφατα δεδομένα από το ρεκόρ CO3 του WAIS Divide Ice Core Marine Isotope Stage 2 (Brook 2020) στο Κέντρο Δεδομένων του Προγράμματος της Ανταρκτικής των ΗΠΑ.

Για να προβλέψουμε τη συγκέντρωση CO2 με βάση το έτος, προκειμένου να συμπληρώσουμε τα έτη που λείπουν από την άμεση καταγραφή, κατασκευάσαμε ένα πολυστρωματικό τεχνητό νευρωνικό δίκτυο perceptron, εκπαιδευμένο σε παρατηρήσεις με βάση δείγματα πυρήνα φύλλου πάγου της Ανταρκτικής από τα σημερινά έως τα 800,000 χρόνια BP. Υπάρχουν 1952 τέτοιες παρατηρήσεις, αν και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες, με περισσότερα από τα μισά να αντιπροσωπεύουν σημεία πριν από 100,000 BP.

Τα νευρωνικά δίκτυα χρησιμοποιούνται συνήθως για αναλύσεις άκρως μη γραμμικής παλινδρόμησης, όπως αυτή. Το νευρωνικό μας δίκτυο περιέχει 4 επίπεδα: ένα στρώμα εισόδου 1 κόμβου (λαμβάνοντας το έτος ως μία είσοδο), δύο κρυφά στρώματα με 100 και 10 κόμβους, αντίστοιχα, και ένα στρώμα εξόδου 1 κόμβου (η προβλεπόμενη συγκέντρωση CO2). Το μοντέλο εκπαιδεύτηκε χρησιμοποιώντας το Deep Learning Toolbox της Matlab, χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση backpropagation Levenberg-Marquardt. 1854 από τα δείγματα επιλέχθηκαν τυχαία για να χρησιμοποιηθούν ως σετ εκπαίδευσης, 49 χρησιμοποιήθηκαν για το σετ επικύρωσης και τα υπόλοιπα 49 χρησιμοποιήθηκαν ως σύνολο δοκιμών. Η εκπαίδευση διεξήχθη έως ότου οι προβλέψεις που έγιναν με το σύνολο επικύρωσης επιδεινώθηκαν σε 6 διαδοχικές εποχές, με την τελική προκατάληψη στο 0.0025 και το μέσο τετραγωνικό σφάλμα ρίζας στα 4.0 μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) για το σετ εκπαίδευσης και 0.46/4.19 ppm για το σύνολο ανεξάρτητων δοκιμών . Αυτές οι ισχυρές και παρόμοιες επιδόσεις μεταξύ των σετ εκπαίδευσης και δοκιμών υποδεικνύουν ότι το μοντέλο δεν ταίριαζε έντονα.

Στη συνέχεια, ζητήσαμε από το μοντέλο να λάβουμε εκτιμήσεις για τα επίπεδα CO2 από 1,000 έως 800,000 χρόνια πριν από το παρόν (λαμβανόμενο ως το 2019) σε διαστήματα 1,000 ετών και χρησιμοποιήσαμε 409 ppm ως το παρόν επίπεδο. Ο παγκόσμιος μέσος όρος ήταν 411 ppm το 2019, αλλά τα επίπεδα CO2 στην Ανταρκτική είναι περίπου 2 ppm χαμηλότερα από τον παγκόσμιο μέσο όρο, επομένως κάναμε μια προσαρμογή για να λάβουμε υπόψη το γεγονός ότι τα επίπεδα CO2 του πυρήνα πάγου προέρχονται από την Ανταρκτική. Τέλος, λάβαμε διαφορές για να υπολογίσουμε τη μεταβολή του CO2 για κάθε 1,000 χρόνια.

Μπέντζαμιν Στράους
CEO και Chief Scientist, Climate Central

Ο Δρ Benjamin Strauss εξελέγη Πρόεδρος και Διευθύνων Σύμβουλος του Climate Central τον Απρίλιο του 2018 και υπηρετεί επίσης ως επικεφαλής επιστήμονας. Είναι συγγραφέας πολλών επιστημονικών εργασιών και αναφορών για την άνοδο της στάθμης της θάλασσας και είναι αρχιτέκτονας της σουίτας χαρτών, εργαλείων και απεικονίσεων Surging Seas.

Δείτε τον ιστότοπο Climate Central για πλήρη βιογραφία και επιλεγμένες δημοσιεύσεις.