Om langetermijnrisico's voor voedsel te beoordelen, water, energie en andere essentiële natuurlijke hulpbronnen, besluitvormers vertrouwen vaak op modellen van het aardsysteem die in staat zijn betrouwbare projecties te produceren van regionale en mondiale milieuveranderingen die tientallen jaren duren.

Een belangrijk onderdeel van dergelijke modellen is de weergave van atmosferische chemie. Atmosferische simulaties die gebruik maken van geavanceerde complexe chemische mechanismen beloven de meest nauwkeurige simulaties van atmosferische chemie. Helaas hun grootte, complexiteit, en computationele vereisten hebben de neiging gehad om dergelijke simulaties te beperken tot korte tijdsperioden en een klein aantal scenario's om rekening te houden met onzekerheid.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van het MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change een strategie bedacht om vereenvoudigde chemische mechanismen op te nemen in atmosferische simulaties die de resultaten kunnen evenaren die worden geproduceerd door meer complexe mechanismen voor de meeste regio's en tijdsperioden. Indien geïmplementeerd in een driedimensionaal aardesysteemmodel, de nieuwe modelleringsstrategie zou wetenschappers en besluitvormers in staat kunnen stellen om goedkope, snelle simulaties van atmosferische chemie die lange tijdsperioden bestrijken onder een breed scala aan scenario's. Deze nieuwe mogelijkheid kan zowel het begrip van wetenschappers in de atmosferische chemie verbeteren als besluitvormers een krachtig instrument voor risicobeoordeling bieden.

In een nieuwe studie die verschijnt in het tijdschrift Geoscientific Model Development van de European Geosciences Union, het onderzoeksteam heeft drie 25-jarige simulaties van troposferische ozonchemie uitgevoerd met behulp van chemische mechanismen van verschillende niveaus van complexiteit binnen het veelgebruikte CESM CAM-chem-modelleringskader, en vergeleken hun resultaten met waarnemingen. Ze onderzochten de omstandigheden waaronder deze vereenvoudigde mechanismen overeenkwamen met de output van het meest complexe mechanisme, evenals wanneer ze uiteenliepen. De onderzoekers toonden aan dat, voor de meeste regio's en perioden, verschillen in gesimuleerde ozonchemie tussen deze drie mechanismen is kleiner dan de model-observatieverschillen zelf. Ze vonden vergelijkbare resultaten voor simulaties van koolmonoxide en lachgas.

"Het meest vereenvoudigde mechanisme dat we hebben getest, Supersnel genoemd, liep drie keer zo snel als de meest complexe (MOZART-4) en produceerde grotendeels dezelfde resultaten, " zegt Benjamin Brown-Steiner, de hoofdauteur van de studie en een voormalig postdoc bij het MIT Joint Program en Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS). "Dit niveau van efficiëntie kan, bijvoorbeeld, wetenschappers in staat stellen een aspect van de atmosferische chemie in de loop van de 21e eeuw te bestuderen, het vereenvoudigde model 100 jaar gebruiken, en de nauwkeurigheid ervan verifiëren door het complexe model aan het begin uit te voeren, midden en einde van de eeuw."

Brown-Steiner en zijn medewerkers hebben ook onderzocht hoe het gelijktijdig gebruik van chemische mechanismen van verschillende complexiteit ons begrip van atmosferische chemie op verschillende schalen kan vergroten. Ze stelden vast dat wetenschappers atmosferische chemie-onderzoeken konden stroomlijnen door simulaties te ontwikkelen die zowel complexe als vereenvoudigde chemische mechanismen bevatten. Bij dergelijke simulaties complexe mechanismen zouden een completere weergave bieden van complexe atmosferische chemie, en eenvoudige mechanismen zouden op efficiënte wijze langere tijdsperioden simuleren om de rol van meteorologische variabiliteit en andere bronnen van onzekerheid beter te begrijpen.

"Door op te merken waar de resultaten die worden geproduceerd door eenvoudige en complexe mechanismen in bepaalde regio's uiteenlopen, seizoenen of tijdsperioden, u kunt bepalen waar en wanneer simulaties complexere chemie vereisen, en indien nodig de modelleringscomplexiteit opvoeren, ’ zegt Brown-Steiner.

Het is een modelleringsstrategie die belooft het inzicht van zowel wetenschappers in de atmosfeer van de aarde als het vermogen van besluitvormers om milieubeleid te beoordelen, te verbeteren. zeggen de onderzoekers.

"Ons onderzoek toont aan dat complexere modellen niet altijd nuttiger zijn voor besluitvorming, " zegt Noëlle Selin, een co-auteur van de studie, universitair hoofddocent binnen MIT's Institute for Data, Systemen en Maatschappij en EAPS, en gelieerde faculteit van het Joint Program. "Onderzoekers moeten kritisch nadenken over de vraag of eenvoudige en efficiënte benaderingen zoals deze even informatief kunnen zijn tegen lagere kosten."

Eindelijk, de studie zou kunnen leiden tot de opname van vereenvoudigde atmosferische chemiemechanismen in driedimensionale modelleringskaders van het aardsysteem. Dit vermogen zou wetenschappers en besluitvormers in staat stellen om op lange termijn, groot ensemble (met meerdere scenario's om een ​​reeks onzekerheid in belangrijke modelleringsparameters weer te geven) 3D-simulaties van de atmosfeer van de aarde binnen een redelijke tijdsperiode.

"We vertegenwoordigen momenteel ozon, sulfaat aerosolen, en andere belangrijke bijdragers aan stralingsforcering in het aardse systeem in tweedimensionale modellen die niet het gewenste nauwkeurigheidsniveau bieden, " zegt Ronald Prins, EAPS-hoogleraar en mededirecteur van het gezamenlijke programma, wie is co-auteur van de studie.

"Daarvoor willen we deze weergeven in driedimensionale modellen en ensembles uitvoeren [meerdere scenario's], maar zodra we een volledig 3D-chemisch pakket erin hebben gestopt, computertijd wordt onbetaalbaar, Prinn voegt toe. "Deze studie toont aan dat voor berekeningen voor stralingsforcering, het opnemen van een snel chemisch pakket in een modelleringssysteem kan geloofwaardige overeenstemming krijgen tussen eenvoudige en complexe chemische mechanismen en waarnemingen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.