We veranderen het aardsysteem met een ongekende snelheid zonder de gevolgen in detail te kennen. Steeds gedetailleerder, op fysica gebaseerde modellen verbeteren gestaag, maar een diepgaand begrip van aanhoudende onzekerheden ontbreekt nog. De twee belangrijkste uitdagingen waren om de nodige details in de modellen te krijgen en om nauwkeurig te voorspellen hoe antropogene koolstofdioxide de intrinsieke, natuurlijke variabiliteit. Een weg naar het overwinnen van beide obstakels wordt nu uiteengezet in een uitgebreide recensie gepubliceerd in Beoordelingen van Moderne Natuurkunde door Michael Ghil en Valerio Lucarini van het EU Horizon 2020-klimaatwetenschapsproject TiPES.

"We stellen ideeën voor om veel effectievere klimaatsimulaties uit te voeren dan de traditionele benadering van uitsluitend vertrouwen op grotere en grotere modellen mogelijk maakt. En we laten zien hoe we veel meer informatie met een veel hogere voorspellende kracht uit die modellen kunnen halen. originele en veel effectievere manier dan veel dingen die worden gedaan, " zegt Valerio Lucarini, hoogleraar wiskunde en statistiek aan de Universiteit van Reading, VK en bij CEN, het Instituut voor meteorologie, Universiteit van Hamburg, Duitsland.

Een dergelijke aanpak is dringend nodig, omdat de huidige klimaatmodellen over het algemeen falen in het uitvoeren van twee belangrijke taken. Eerst, ze kunnen de onzekerheid bij het bepalen van de gemiddelde wereldtemperatuur aan het oppervlak niet verminderen na een verdubbeling van koolstofdioxide (CO ₂ ) in de atmosfeer. Dit getal wordt evenwichtsklimaatgevoeligheid genoemd, en in 1979, het werd berekend op 1,5 tot 4 graden Celsius. Vanaf dat moment, de onzekerheid is gegroeid. Vandaag is het 1,5 tot 6 graden, ondanks decennia van verbetering van numerieke modellen en enorme winsten in rekenkracht in dezelfde periode.

Tweede, klimaatmodellen hebben moeite om kantelpunten te voorspellen, die optreden wanneer een subsysteem, d.w.z. een zeestroom, een ijskap, een landschap, een ecosysteem verschuift plotseling en onherroepelijk van de ene staat naar de andere. Dit soort gebeurtenissen is goed gedocumenteerd in historische archieven en vormt een grote bedreiging voor moderne samenlevingen. Nog altijd, ze worden niet voorspeld door de geavanceerde klimaatmodellen waarop de IPCC-beoordelingen steunen.

Deze problemen zijn gebaseerd op het feit dat de wiskundige methodologie die in de meeste klimaatberekeningen met hoge resolutie wordt gebruikt, het deterministisch chaotisch gedrag noch de bijbehorende onzekerheden in de aanwezigheid van tijdsafhankelijke forcering adequaat reproduceert.

Chaotisch gedrag is inherent aan het aardse systeem, zoveel fysieke, chemisch, geologische en biologische processen variëren in tijdschalen van microseconden tot miljoenen jaren, inclusief wolkenvorming, afzetting, verwering, oceaanstromingen, windpatronen, vochtigheid, fotosynthese enz. Afgezien daarvan, het systeem wordt voornamelijk gedwongen door zonnestraling, die van nature varieert in de tijd, maar ook door antropogene veranderingen in de atmosfeer. Dus, het aardsysteem is zeer complex, deterministisch chaotisch, stochastisch verstoord en nooit in evenwicht.

"Wat we doen is in wezen deterministische chaos uitbreiden naar een veel algemener wiskundig raamwerk, die de tools biedt om de reactie van het klimaatsysteem op allerlei forceringen te bepalen, zowel deterministisch als stochastisch, " legt Michael Ghil uit, professor aan de Ecole Normale Supérieure en de PSL University in Parijs, Frankrijk en aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, ONS..

De fundamentele ideeën zijn niet zo nieuw. De theorie is decennia geleden ontwikkeld, maar is een zeer moeilijke wiskundige theorie die vraagt ​​om multidisciplinaire samenwerking tussen experts om te worden geïmplementeerd in klimaatmodellen. Dergelijke interdisciplinaire benaderingen zijn langzaam in opkomst, waarbij zowel de klimaatwetenschapsgemeenschap als experts in toegepaste wiskunde betrokken zijn, theoretische fysica en dynamische systeemtheorie. De auteurs hopen dat het overzichtsartikel deze tendens zal versnellen, aangezien het de wiskundige hulpmiddelen beschrijft die nodig zijn voor dergelijk werk.

"We presenteren een zelfconsistent begrip van klimaatverandering en klimaatvariabiliteit in een goed gedefinieerd samenhangend kader. Ik denk dat dat een belangrijke stap is in het oplossen van het probleem. Omdat je het allereerst correct moet stellen. Dus het idee is - als we gebruiken de conceptuele tools die we uitgebreid bespreken in onze paper, we hopen misschien de klimaatwetenschap en klimaatmodellering een sprong voorwaarts te maken, ' zegt Valerio Lucarini.