Hoe kernwapenonderzoek nieuwe klimaatbedreigingen aan het licht bracht

Nadat atmosferische wetenschapper Ivana Cvijanovic een geautomatiseerde klimaatsimulatie tot het uiterste begon te duwen, merkte ze een verontrustend resultaat op: toen het Arctische zee-ijs bijna verdween, bouwden zich duizenden kilometers verderop enorme hogedruksystemen op, voor de westkust van de Verenigde Staten.

De atmosferische bergkam blokkeerde grote stormen op weg naar Californië, waardoor regenval werd afgesneden. Het model van Cvijanovic laat zien dat als het zomerse zee-ijs op de Noordpool verdwijnt, zoals verwacht in de komende decennia, het de kraan zou kunnen sluiten voor boeren in Central Valley, skiresorts in Sierra Nevada en steden in de dichtstbevolkte staat van het land (zie The Year Climate Verandering begon uit de hand te lopen).

Klimaatwetenschapper Ivana Cvijanovic deed voor haar promotieonderzoek veldwerk in de Alaska North Slope.

De resultaten, gepubliceerd in Natuurcommunicatie in december, suggereren ook dat het krimpende zee-ijs een rol kan hebben gespeeld in de extreme, kostbare droogte die Californië het grootste deel van dit decennium teisterde. Dat werd aangedreven door een belachelijk veerkrachtige bergkam die sterk lijkt op degene die de simulatie van Cvijanovic voorspelt.

Klimaatmodellen worden vaak belachelijk gemaakt als onbetrouwbare benaderingen van de complexe systemen van de aarde, vooral onder ontkenners van klimaatverandering. Maar dankzij de vooruitgang in rekenkracht, de toevoeging van meer planetaire componenten en andere technische vooruitgang, worden deze simulaties ongelooflijk krachtig.

Ze kunnen met toenemende zekerheid voorspellen hoe de opwarming van de aarde de planeet al verandert en hoe dit in de toekomst waarschijnlijk zal zijn. De verbeteringen helpen wetenschappers met name de complexe mechanismen die extreme weersomstandigheden veroorzaken te ontwarren.

Cvijanovic had jarenlang geprobeerd de raadselachtige verbanden tussen smeltend ijs en verre neerslagveranderingen te bestuderen. Maar standaard klimaatmodellen boden geen manier om de processen op een realistische manier te simuleren, totdat er een recente doorbraak kwam uit een onwaarschijnlijke bron: kernwapenonderzoek.

De munt weer opgooien

Cvijanovics nieuwsgierigheid had een nieuwe urgentie gekregen tegen de tijd dat ze in 2014 als postdoctoraal onderzoeker aan het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië landde. Twee zomers eerder was het Arctische zee-ijs veel sneller weggesmolten dan wetenschappers hadden verwacht. Bijna vijf miljoen vierkante mijl ijs verdween uit de piekperiode eind maart, verreweg het grootste verlies ooit geregistreerd.

Verwant verhaal

Begeleidend verhaal Betere technologie, technieken en het delen van gegevens hebben wetenschappers in staat gesteld om nieuwe experimenten uit te proberen - of gewoon veel meer van hen uit te voeren.

Het was een in het oog springend teken dat er iets niet klopte in klimaatmodellen - en aan de engere kant van het spectrum.

Klimaatmodellen zijn softwaresimulaties die schatten hoe de aarde reageert op verschillende invloeden, zoals een enorme toename van de uitstoot van kooldioxide, door wiskundige vergelijkingen uit te voeren die ons beste begrip van fysieke wetten vertegenwoordigen. Ze berekenen hoe veranderende omstandigheden door tijd en ruimte rimpelen, waardoor de oceanen, het oppervlak en de atmosfeer in een 3D-raster van dozen worden weergegeven. In de afgelopen decennia is de resolutie van de modellen enorm toegenomen: het gebied dat elke doos vertegenwoordigt, is in sommige gevallen van 500 vierkante kilometer gedaald tot minder dan 25, zelfs als de modellen aerosolen, zee-ijs, vegetatie en andere onderling verbonden factoren bevatten .

Ondanks al deze enorme verbeteringen zijn er soms nog steeds grote hiaten tussen wat de modellen voorspellen en hoe de echte wereld zich gedraagt, zoals het dramatische verlies van zee-ijs onderstreepte (zie Waarom klimaatmodellen niet beter zijn).

Die gebeurtenis trok specifiek de aandacht van Donald Lucas, een onderzoekswetenschapper bij Lawrence Livermore. Hij maakte deel uit van een team van klimaatonderzoekers en kernwapenmodelleurs in het laboratorium die eerder hadden samengewerkt aan een driejarig project om het vertrouwen in de resultaten van klimaatsimulaties te verbeteren.

Donald Lucas, een onderzoekswetenschapper bij Lawrence Livermore, leidde een onderzoeksinspanning om te begrijpen waarom Arctisch zee-ijs sneller smolt dan klimaatmodellen voorspelden.

De VS hebben sinds 1992 geen testexplosies op kernwapens meer uitgevoerd, dus het moet vertrouwen op inspecties en modellering om de betrouwbaarheid van de verouderende voorraad te beoordelen. Wetenschappers van Lawrence Livermore gebruiken de supercomputers van het lab al lang om de degradatie van materialen, zoals plutonium, te simuleren en hielpen bij het ontwikkelen van nieuwe manieren om zekerheidsniveaus te berekenen.

In plaats van een simulatie één keer uit te voeren, herhalen ze deze vele malen, waarbij ze bepaalde variabelen enigszins aanpassen om een ​​scala aan mogelijkheden te produceren. Van daaruit kunnen de onderzoekers de statistische waarschijnlijkheid van bepaalde uitkomsten berekenen, deels op basis van hoe vaak ze voorkomen in resultaten en hoe goed ze overeenkomen met gegevens van fysieke inspecties.

Je gaat terug en gooit de munt weer op, legt Lucas uit. Dat doe je meerdere keren en je bouwt een verdeling op van de kans op de output.

Verwant verhaal

Verwant verhaal Branden verwoestten het Westen, orkanen teisterden het Oosten - en toch bleef de uitstoot stijgen.

Hij en zijn collega's besloten dezelfde benadering toe te passen op klimaatmodellen door programma's te schrijven om tientallen parameters in de broncode van een openbaar klimaatmodel aan te passen. Ze maakten bijna drie jaar lang gebruik van ongeveer de helft van een supercomputer in Lawrence Livermore en produceerden 100.000 jaar aan simulaties voor een breed scala aan klimaatscenario's.

Maar in de zomer van 2012 realiseerde Lucas zich dat zelfs die resultaten ver achterbleven bij het voorspellen van het verlies van Arctisch zee-ijs dat daadwerkelijk plaatsvond. Dus ondernamen hij en zijn collega's nog een modelleringsexperiment, gericht op zee-ijs. Door met experts te overleggen welke variabelen een rol zouden kunnen spelen en die parameters te veranderen, kon zijn team het verdwijnen van veel meer Arctisch zee-ijs simuleren, waardoor het veel dichter bij de realiteit kwam.

Drie variabelen waren verantwoordelijk voor 95 procent van de verandering. Twee van hen specificeerden de grootte van sneeuwdeeltjes op zee-ijs, wat van invloed is op de hoeveelheid zonlicht die wordt weggereflecteerd. De laatste, bekend als de thermische geleidbaarheid van sneeuw, definieert in wezen hoe snel warmte door ijs kan bewegen. Net als de andere twee variabelen wordt het normaal gesproken behandeld als een constante in het speciale ijsmodel dat het team heeft gebruikt. Maar in dit geval schakelden de onderzoekers het binnen een bereik dat de reële variabiliteit weerspiegelde.

Lucas zegt niet dat ze de ontbrekende puzzelstukjes in zee-ijsmodellen hebben gevonden. Maar door rekening te houden met een reeks plausibele variaties, ontdekken we dat we de meeste, maar niet alle verschillen tussen waarnemingen en simulaties van [zee-ijsmodel] kunnen verklaren, zei hij in een e-mail.

Lucas bekijkt nieuwe supercomputers in het Lawrence Livermore Lab.

De perfecte opstelling

Het experiment creëerde ook een veel fijner hulpmiddel voor Cvijanovic om de vraag te onderzoeken waar ze al lang over had nagedacht: waarom deden oude perioden van snelle opwarming op het noordelijk halfrond, bekend als Dansgaard – Oeschger gebeurtenissen lijken samen te vallen met dramatische neerslagverschuivingen helemaal naar beneden in de tropen?

Tegen het einde van haar doctoraatswerk aan de Universiteit van Kopenhagen, in 2011 en 2012, maakte Cvijanovic deel uit van een modelleergroep die probeerde deze abrupte klimaatveranderingen te begrijpen die duidelijk zijn in Groenlandse ijskernmonsters.

Ze had enkele grove pogingen gedaan om deze verbanden te onderzoeken door energiefluxen toe te voegen aan simulaties, waardoor het verlies van zee-ijs in wezen op kunstmatige wijze werd vergroot. Maar het werk van haar collega bij Lawrence Livermore stelde haar in staat extreem ijsverlies op een meer realistische manier te modelleren, door parameters aan te passen binnen wat wordt beschouwd als het mogelijke niveau van variatie in de natuur.

Dat was die perfecte opstelling, zegt ze. Je doet niets onfysieks; je speelt niet vals om dit verlies van zee-ijs te observeren.

Cvijanovic concentreerde zich op de drie variabelen waarvan het werk van Lucas vond dat ze de krachtigste effecten hadden. Ze voerde het model enkele tientallen keren uit, waardoor ze die variabelen uiteindelijk tot het uiterste van hun bereik opdreef. Het duurde soms een hele week om een ​​enkele analyse uit te voeren op de supercomputers van Lawrence Livermore, dus het proces duurde maanden. Maar uiteindelijk begon zich een duidelijk beeld te vormen.

Met weinig ijs om warmte terug in de ruimte te reflecteren, warmt de regio gestaag op. Een kleine hoeveelheid van die extra warmte bereikt de tropen, maar het is genoeg om veranderingen in wind en neerslag teweeg te brengen die de convectie- en circulatiepatronen veranderen. Deze produceren op hun beurt enorme golven van hoge- en lagedrukgebieden in de atmosfeer, waardoor een hardnekkige bergkam wordt opgebouwd die landt in de noordelijke Stille Oceaan. Die functie stuurt stormen naar het noorden, weg van Californië en richting Alaska en Canada.

Het was een moeilijk experiment dat afhing van jarenlange collectieve verbeteringen in technologie en technieken voor klimaatmodellering. Er is meer werk nodig om de bevindingen te testen en te bepalen hoe andere processen het effect van smeltend Arctisch zee-ijs kunnen vergroten of verkleinen, zeggen andere wetenschappers. Maar de simulatie leverde een aantal van de eerste echte bewijzen van het theoretische verband tussen ijsverlies en verre droogtes, en het klonk een grimmige waarschuwing voor de dreigende gevaren van Californië.

zich verstoppen