Το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), η θερμότητα των ωκεανών ή και τα δύο συνέβαλαν στην υπερθέρμανση του πλανήτη τα τελευταία 400.000 χρόνια;

Το ερώτημα θα μπορούσε επίσης να τεθεί τα τελευταία 140 χρόνια. Ωστόσο, η περίοδος από 400.000 χρόνια πριν και μέχρι τη βιομηχανική επανάσταση, ας πούμε στα μέσα του 1700, μπορεί να αντιμετωπιστεί ως φυσικό πείραμα ελέγχου για τα τελευταία 140 χρόνια. Αυτό οφείλεται στο ότι ήταν μια περίοδος χωρίς μεγάλες ανθρωπογενείς συνεισφορές CO₂ στην ατμόσφαιρα.

CO₂ μπορεί να έχει πολλές πηγές και νεροχύτες. Οι ωκεανοί είναι οι μεγαλύτερες καταβόθρες για το ανθρωπογενές CO₂ , έχοντας δεσμεύσει περίπου το 40% του CO₂ εκπομπές από την αρχή της βιομηχανικής εποχής (σύνοψη στο DeVries et al. 2017). Είναι επίσης πηγή εκπομπής CO2 στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, η σεισμική δραστηριότητα μπορεί επίσης να είναι πηγή (Huybers and Langmuir 2009).

Προϋποθέσεις για αιτιατό αποτέλεσμα

Για να είναι το διοξείδιο του άνθρακα αιτία για την υπερθέρμανση του πλανήτη, CO₂ πρέπει να έρθει πριν από την θέρμανση. Δεδομένου ότι οι περισσότερες διεργασίες στη γη είναι κυκλικές, μπορούμε να το σκεφτούμε ως μια κορυφή σε μια χρονοσειρά που αντιπροσωπεύει την αιτία που έρχεται πριν από την κορυφή στη χρονοσειρά που αντιπροσωπεύει το αποτέλεσμα.

Σε αυτό το πλαίσιο, η κορυφή σε CO₂ (ή η κορυφή της θερμότητας) πρέπει να έρθει πριν από την κορυφή της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας. Προηγουμένως, δεν ήταν δυνατό να εξακριβωθεί εάν CO₂ έρχεται πριν ή μετά τις αλλαγές της παγκόσμιας θερμοκρασίας λόγω των παρατηρήσεων του CO₂ και η θερμοκρασία είναι πολύ χονδροειδείς για να προσδιορίσουν τις σχέσεις «πριν» και «μετά». Έτσι, μια επικρατούσα άποψη ήταν ότι CO₂ και οι αλλαγές θερμοκρασίας ποικίλλουν.

Στην πρόσφατη μελέτη μας με τίτλο «Το διοξείδιο του άνθρακα προηγείται της αλλαγής της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια βραχυπρόθεσμων παύσεων σε αρχεία παλαιοκλίματος πολλών χιλιετιών», που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Palaeo3, εφαρμόσαμε μια νέα μέθοδο για τον προσδιορισμό των σχέσεων «πριν» και «μετά», η οποία δείχνει ότι , ναι, CO₂ έρχεται πριν από τις αλλαγές της παγκόσμιας θερμοκρασίας, αλλά σχεδόν αποκλειστικά όταν και τα δύο CO₂ και η θερμοκρασία εμφανίζει παύσεις.

Τα τελευταία 400.000 χρόνια καλύπτουν τέσσερις κύκλους παγετώνων και αποπαγώνωσης και την ηγετική φύση του CO₂ επαναλαμβάνεται σε κάθε κύκλο.

Κατανόηση του CO₂ , αλλαγές θερμότητας και θερμοκρασίας

Οι αλλαγές στην παγκόσμια θερμοκρασία έχουν τεράστιες συνέπειες, καθώς βιώνουμε σχεδόν καθημερινά υπό τις σημερινές κλιματικές συνθήκες. Επομένως, πρέπει να κατανοήσουμε ποια είναι η σχετική συμβολή των παραγόντων της κλιματικής αλλαγής και πόσο γρήγορα λειτουργεί καθένας από αυτούς.

Οι πρακτικές επιπτώσεις αντικατοπτρίζουν τα επιστημονικά ερωτήματα:Πόσο γρήγορα πρέπει να ελέγξουμε τις ανθρωπογενείς εκπομπές CO₂ και πόσο γρήγορα οι μετακινήσεις του νερού στους ωκεανούς συμβάλλουν στην υπερθέρμανση του πλανήτη ή στην παγκόσμια ψύξη; Φαίνεται ότι οι απαντήσεις εξαρτώνται από την περίοδο που κάνουμε τη μελέτη. Υπάρχουν φαινόμενα που δρουν σε κλίμακα 100.000 ετών, σε κλίμακα πολλών χιλιετιών και σε κλίμακα χιλιετιών, και ούτω καθεξής, μέχρι την καθημερινή κλίμακα.

Ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα και μερικές ερωτήσεις

Το αποτέλεσμά μας είναι ότι σε κλίμακα πολλών χιλιετιών, CO₂ Η αλλαγή θερμοκρασίας που προηγήθηκε κατά τη διάρκεια των παύσεων στους κύκλους των παγετώνων και των αποπαγετώνων ήταν εκπληκτική. Οι πηγές CO₂ προφανώς δεν είναι ανθρωπογενείς, επομένως, πρέπει να προέρχεται από τους ωκεανούς (πιθανότατα) ή από σεισμική δραστηριότητα ή κάποιες άλλες, μη αναγνωρισμένες ακόμη πηγές.

Δεύτερον, ανακαλύψαμε ότι υπάρχει ένα φαινόμενο διπολικής τραμπάλας μεταξύ της θέρμανσης της Αρκτικής και της Ανταρκτικής που διαρκεί για 20.000 χρόνια. Ωστόσο, άλλες μελέτες έχουν βρει διπολικές επιδράσεις σε κλίμακα 100 ετών (Chylek et al. 2010) και 2000 ετών (Stocker and Johnsen 2003· Siddall et al. 2006). Επομένως, ενδέχεται να υπάρχουν μοτίβα θερμοκρασίας που επαναλαμβάνονται σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες.

Τα αποτελέσματά μας είναι εμπειρικά. Αποτελούν μια βάση γνώσης με την οποία μπορούν να συγκριθούν μοντέλα και άλλα εργαλεία διερεύνησης.

Ερωτήματα που τέθηκαν

• Ποιες είναι οι πηγές του CO₂ που έρχεται πριν από την αλλαγή της θερμοκρασίας;
• Οι αλλαγές στη θερμοκρασία έξω από τις παύσεις προκαλούνται από αλλαγές στη θερμότητα από τους ωκεανούς;
• Σε τι είδους περίοδο θα μπορούσαμε να βρισκόμαστε αυτή τη στιγμή αν δεν υπήρχε ανθρωπογενές CO₂ , μια περίοδος παγετώνων ή μια περίοδος παύσης;
• Πώς βλέπετε ότι μια μεταβλητή έρχεται "Πριν από την άλλη";

Είναι εύκολο να δούμε τι έρχεται πρώτο και τι έρχεται «μετά» εάν οι χρονοσειρές που αντιπροσωπεύουν την πιθανή αιτία και τα αποτελέσματα εμφανίζουν σαφείς κορυφές. Μια σειρά που κορυφώνεται πρώτα μπορεί να αντιπροσωπεύει μια πιθανή αιτία για μια μεταβλητή που κορυφώνεται μετά. Ωστόσο, το να είσαι πρώτος είναι μόνο μια απαιτούμενη προϋπόθεση, όχι μια επαρκής προϋπόθεση. Και υπάρχουν και άλλες επιφυλάξεις. Για παράδειγμα, είναι το πιο κρύο νερό που απορροφά το περισσότερο CO₂ , επομένως, μια κατώτερη θερμοκρασία του νερού θα προηγείται μιας αιχμής σε CO₂ απορρόφηση. Μερικές από τις προειδοποιήσεις, όπως αυτή, μπορούν εύκολα να ξεπεραστούν.

Η μέθοδός μας υπολογίζει το «πριν» και το «μετά» για τρία διαδοχικά ζεύγη παρατηρήσεων. Το κόλπο έχει δύο στοιχεία:

• Αντί να δείχνουμε τις πιθανές σειρές αιτίας και αποτελέσματος ως χρονοσειρές κατά μήκος ενός άξονα χρόνου, σχεδιάζουμε τη σειρά σε έναν άξονα x και έναν άξονα y, δηλαδή μια γραφική παράσταση φάσης.
• Στη συνέχεια υπολογίζουμε την περιστροφή των τροχιών στο διάγραμμα φάσης.
• Ανάλογα με τον τρόπο περιστροφής των τροχιών, μπορούμε να συμπεράνουμε ποια σειρά έρχεται πρώτη και ποια τελευταία.

Τέλος, είναι εύκολο να το δούμε αυτό όταν οι δύο σειρές είναι τέλειες κυκλικές συναρτήσεις, όπως οι ημιτονοειδείς συναρτήσεις. Ωστόσο, πώς ξέρετε ότι η μέθοδος πιάνει την αλήθεια (ή είναι κοντά στην αλήθεια) όταν οι χρονοσειρές είναι οιονεί κυκλικές παρατηρήσεις; Το κάναμε αυτό για δύο οικονομικές χρονοσειρές όπου η μία είναι μια σειρά «πριν» από το σχεδιασμό (προβλέπει αλλαγές στο ακαθάριστο εγχώριο προϊόν). Και, ναι, λειτούργησε, εκτός από τις περιπτώσεις που η οικονομία είναι πολύ περίεργη.

Λογοτεχνία:

1. Chylek, P., C. K. Folland, G. Lesins and M. K. Dubey (2010). «Διπολική τραμπάλα του εικοστού αιώνα για τις επιφανειακές θερμοκρασίες του αέρα της Αρκτικής και της Ανταρκτικής». Επιστολές Γεωφυσικής Έρευνας 37 .
2. DeVries, T., M. Holzer and F. Primeau (2017). «Πρόσφατη αύξηση στην πρόσληψη άνθρακα που οφείλεται σε ασθενέστερη ανατροπή του άνω ωκεανού». Φύση 542 :315- 220.
3. Huybers, P. and C. Langmuir (2009). "Ανατροφοδότηση μεταξύ της αποπαγετοποίησης, του ηφαιστειακού και του ατμοσφαιρικού CO2." Γράμματα Γης και Πλανητικής Επιστήμης 286 (3-4):479-491.
4. Siddall, M., T. F. Stocker, T. Blunier, R. Spahni, J. F. McManus and E. Bard (2006). "Χρησιμοποιώντας ένα παλαιοκλιματικό μοντέλο μέγιστης απλότητας για την προσομοίωση της χιλιετίας μεταβλητότητας κατά τη διάρκεια των τεσσάρων τελευταίων παγετώνων περιόδων." Τεταρτογενείς Επιστημονικές Κριτικές 25 (23-24):3185-3197.
5. Stocker, T. F. and S. J. Johnsen (2003). "Ένα ελάχιστο θερμοδυναμικό μοντέλο για τη διπολική τραμπάλα." Παλαιοκεανογραφία 18 (4).