24 jan. 2010

Vad Sisyfos inte kunde uppnå

Sisyfos sten rullar ständigt tillbaka strax under toppen på kullen och han får börja om från början med sitt arbete. Vad han i evighet strävar efter är att nå en tipping-point1. Inom klimatvetenskapen talar man ofta om tipping-points, men där ses de snarare som något man helst vill undvika.

Vad är en tipping-point?
Begreppet tipping-point har lite olika betydelser i olika sammanhang och även inom klimatologi används lite olika definitioner på tipping point. Man kan i huvudsak tala om två varianter:

A) En situation där klimatsystemet passerar en punkt där en ny jämnvikt inträder. Även om påverkan efter detta avtar eller upphör kommer systemet inte att återgå till den ursprungliga jämnvikten utan till den nya. Detta kan liknas med en kula på en bucklig bana.

B) En situation där man når en kritisk punkt där faktorer gör att klimatsystemet ändrar sig på ett nytt sätt och övergår från ett "spår" till ett annat. Systemet ändrar sig på ett oproportionellt sätt mot tidigare. Man kan likna detta med en uppskalning av en figur. Före tipping-pointen förändras alla delar enligt vissa proportioner medan efter inträder nya proportioner och figuren förvrängs mot tidigare. Denna typ av tipping-point kan vara reversibel i den meningen att om påverkan försvinner eller minskar återgår systemet det ursprungliga läget.

A) Tipping-point där systemet övergår mot en ny jämnvikt om kulan passerar toppen på höjden. B) Tipping-point där systemet förändras på ett nytt sätt vid passage av punkten.
Tipping-points påverkar både regionala och globala klimatet. Vissa tipping-points har stor inverkan regionalt men liten globalt andra påverkar även det globala klimatet tydligt. Inverkan av en tipping-point kan vara antingen förstärkande, neutral eller motverkande till den pågående uppvärmningen.

Till sin natur är tipping-points i ett komplext system som klimatet svåra att nå säker kunskap om så kunskapen kring dem varierar och mycket forskning pågår för att reda ut vilka som finns och hur de fungerar.

Misstänkta tipping-points världen över.

Några omtalade tipping-points i klimatsystemet

Arktis havsis: Det finns en uppenbar återkoppling för havsisen i Arktis. Is har högre albedo samt en isolerande verkan jämtemot havet under. Ju mer is som smälter under sommaren desto större havsytor kan värmas av sommarens sol. Höstens varmare vatten försvårar istillväxten under vintern vilket i sin tur bidrar till tunnare och mer lättsmält is nästa sommar. Den oväntat snabba avsmältningen i Arktis tolkas av flera forskare som att isen har passerat en tipping-point och går mot en förstärkt avsmältning. Vi får då räkna med fortsatt snabb avsmältning kombinerat med förstärkt årlig variation i isutbredningen närmaste decennierna. Dock finns det en viktig effekt som gör att denna tipping-point är av typ B (ovan). Ju tunnare is desto snabbare växer den till. Detta betyder att isen reagerar snabbt på en förändring av temperaturen mot det kallare. Det smältande Arktis bidrar i sig till att förstärka globala uppvärmningen då större och större mörka havsytor exponeras för sommarens sol.

Grönlands inlandsis:
Grönlands inlandsis är ett en enorm kupol av is som sträcker sig långt ner på annars isfria lattituder. Att isen finns kvar beror framför allt på två viktiga skäl: Isens stora höjd; temperaturen minskar i snitt med knappt 1 grad per hundra meter upp i atmosfären och allra största delen av inlandsisen är på över 1500 meters höjd; och att Grönlands is är tillräckligt stor för att drastiskt påverka sitt eget klimat. Om Grönlands inlandsis smälter tillräckligt mycket kommer den att hamna i en ostoppbar avsmältning då den minskande höjden i sig leder till ökande temperaturer som driver på avsmältningen. En tipping-point av typ A. En avsmältning av Grönland bidrar med över 6 m i global havsnivåhöjning och minskar märkbart jordens albedo vilket höjer temperaturen globalt.2

Lyckligtvis talar mycket för att Grönlandsisens tipping-point är vid globala temperaturer på minst 3 grader men troligen närmare 6 grader över dagens. Skeendet är också med mänskliga mått långsamt då det pågår under århundraden.

Västantarktiska isskölden: Stora delar av västra Antarktis is vilar på berggrund djupt under havet och stöttas upp av trycket från de stora shelfisarna. Berggrunden lutar också så att den är grundast vid kusten. Om shelferna fortsätter att brytas upp smälta finns det en risk att inte bara stödet i kanten försvinner, vilket får isen att strömma snabbare ut i havet och tunnas ut, utan att havsvatten också tränger in mellan berggrunden och isen när trycket ovanför minskar vilket fungerar som smörjmedel. Resultatet blir en, i glaciärsammanhang, snabb utströmning av inlandsisen i havet. En kollaps på detta sätt för västantarktisk skulle ge en havsnivåhöjning på drygt 3 meter och när den kommit igång ordentligt vara mycket svårhejdad.

Det finns flera tecken på att denna process påbörjats men osäkerheten är stor om hur känslig isskölden är för fortsatt temperaturökning.

Amazonas regnskog: Regnskogen i Amazonasområdet är beroende av en hög årlig nederbörd och korta torrperioder. Om torrperioderna blir för långa kan regnskogen skogen ersättas med mer savannlik vegetation. Denna förändring kan gå snabbt; en fråga om decennier till skillnad från hundratals år som gäller för de stora issköldarna. Det finns en klar risk att torrperioderna kommer att förlängas under global uppvärmning vilket kommer att påverka ekosystemen och eventuellt tunna ut skogen. Men de två största hoten idag är det extra trycket från skogsavverkning och bränder. Stora sammanhållna skogsområden bidrar till luftens fuktighet och därmed ökad nederbörd över området. Regnskogarna är också dåligt anpassade till skogsbränder och är därför känsliga för ökad torka och ökad förekomst av bränder.

Kombinationen av skogsavverkningen, avsiktliga eller oavsiktliga skogsbränder från ökad mänsklig aktivitet i området och klimatförändringar kan putta regnskogen över en tipping-point där återväxt inte längre är möjlig. Det mest utsatta området är östra amazonas där mänsklig aktivitet är som störst och samtidigt påverkan av klimatförändringen är märkbarast.

Indiska monsunen: Sommarmonsunen över indiska subkontinenten är oerhört viktig för klimatet, ekosystemen och människorna i hela området. Nederbörden under monsunen är avgörande för vattentillgången och för glaciärerna i Himalaya. Monsunen drivs av temperaturskillnaden mellan Indiska oceanen och den upphettade kontinenten. En viktig drivande faktor är den latenta värme som frigörs vid molnbildningen. Denna är i sin tur beroende på temperaturskillnaden mellan marken och havet. Denna återkoppling mellan de drivande faktorerna gör monsunen känslig för störningar.

Den globala uppvärmningen förväntas förstärka monsunen då temperaturdifferensen mellan havet och kontinenten ökar, denna förstärkning kan bli kraftig genom den förstärkande återkopplingen i systemet och leder till större variation i monsunen och intensivare regn. På kort sikt finns ett annat hot mot monsunens stabilitet. Det bruna molnet över sydostasien värmer luften men dämpar uppvärmningen av kontinenten. Risken är att detta når en kritisk nivå där monsunen avstannar.

Sahel: Sahelregionen söder om Sahara är beroende av den västafrikanska monsunen och det råder stor osäkerhet om hur den reagerar på uppvärmningen. Indikationer tyder på att Sahel kan bli fuktigare och grönare. En positiv effekt för alla i området.

Nordatlantiska driften: Strömmen av varmt vatten upp via Golfströmen till nordöstra Atlanten är extremt viktig för Europas klimat. Det varma vattnet kyls av i nordatlanten och sjunker ner för att föras tillbaka som en djuphavsström mot tropikerna. Driften blandar alltså om havet och är därför även mycket viktig för havets upptag av koldioxid då den för ner koldioxid från ytvattnet till havsdjupen. Hela cykeln är beroende på balansen mellan temperatur och salthalt för ytvattnet: Ju varmare havsvatten är desto lägre densitet har det (varmt vatten "är lättare" än kallt) , ju saltare havsvattnet är desto högre densitet har det.

Vattnet inte bara värms i tropikerna utan blir också saltare då avdunstningen är större än nederbörden. Det är alltså salt men varmt vatten som strömmar norrut. I norr överstiger nederbörden avdunstningen och ytvattnet späds ut med sötvatten. Salthalten och där med densiteten sjunker. Högst upp i norr bidrar isbildningen under vintern till att höja salthalten då isbildning pressar ut saltet under kristallbildningen. En tipping-point är om utspädningen motverkar densitetsökningen på grund av avkylningen och isbildningen så att vattnet inte längre sjunker ner i nordatlanten. Detta skulle drastiskt ändra cirkulationen, Europas klimat3 och upptaget av koldioxid i nordatlanten. Studier pågår för att reda ut hur tålig driften är för smältvatten från Grönlands inlandsis, minskning av havsis i Arktis och den förväntade ökningen av nederbörd.

Som framgår av ovanstående är kvantifieringen av nivåer och effekter av alla tipping-points osäkra och mycket forskning pågår. Vi lär få tillfälle att återkomma till detta i framtiden.

1 Jag använder det engelska uttrycket då det har blivit standard i klimatsammanhang även på svenska. Dock väljer jag att stava det med svensk ihopskrivning som tipping-point.

2 Kanske bör påpekas att Grönland smälter och bidrar till havsytans höjning även innan en tipping-point nås. Skillnaden vid passagen är att avsmältningen blir självgående.

3 Detta är det som Hollywoodiserades i The day after tomorrow

Referenser och mer läsning
Hofmann och Rahmstorf, On the stability of the Atlantic meridional overturning circulation

Lenton et al, Tipping elements in the Earth's climate system

Levermann et al, Basic mechanism for abrupt monsoon transitions

Mahli et al, Exploring the likelihood and mechanism of a climate-change-induced dieback of the Amazon rainforest

Notz, The future of ice sheets and sea ice: Between reversible retreat and unstoppable loss

Washington et al, Dust as a tipping element: The Bodélé Depression, Chad

4 kommentarer:

  1. I era svar om smältande glaciärer skriver ni att det finns risk för att monsunerna avstannar som en konsekvens av ”klimatförändringen”, uppvärmningen.

    När ni skriver om tipping-points skriver ni att uppvärmningen förväntas förstärka monsunen.

    Ni skriver att det är tänkbart att det ”bruna molnet över Sydostasien” dämpar uppvärmningen och det möjligen når en kritisk nivå där monsunen upphör.

    Det bruna molnet orsakas till huvuddelen av förbränning av förnyelsebara bränslen. Så i själva verket är det så att förbränningen av förnyelsebara bränslen är det som eventuellt hotar indiska monsunen. Varför skriver ni inte det?

    SvaraRadera
  2. Göran, som du ser tas de olika exemplen inom tipping-points upp mycket kort. För detaljerna om indiska monsunen, och hur en ökning av albedo kan försvaga monsunen medan en uppvärmning kan öka den se länk 2 ovan (under Indian Summer Monsoon (ISM)). När det gäller det bruna molnet är det sant att det är förbränning av förnybara bränslen som är den största boven här. Man stöter ibland (mer sällan numer, tack och lov) på missförståndet att bara man inte eldar fossilt kol så är allt frid och fröjd, vilket naturligtvis inte är sant. Exempel på hur illa det går om man inte renar rökgaser ser man som du påpekar i det bruna molnet, för att inte tala om hur hälsofarligt det är att andas in partiklarna.

    Hälsningar

    Mia

    SvaraRadera
  3. Man kan tillägga att det bruna molnet inte bara kommer från förnyelsebara bränslen utan från alla sotutsläpp från icke fullständig förbränning. Inkl. kolkraftverk, dieselbilar och industrier men ineffektiv förbränning av biobränslen är en viktig del. Under NO-monsunens torka "tvättas" inte luften av regn. Förlängs den torra perioden förstärks också molnets effekt vilket i sin tur kan hindra SV-monsunen från att komma igång. Så det är ett komplext samband där flera faktorer inverkar.
    Förenklingen i ett kommentarsvar kan bli väl stor och det är lätt att komma lite fel. Detta är en av anledningarna till att vi är tveksamma till att föra vetenskapsdiskussioner i kommentarsfältet.

    SvaraRadera
  4. Så för att sammanfatta det hela om de indiska monsunerna.

    Risken att monsunen avstannar har ringa eller ingen koppling till den globala uppvärmningen. Ert svar om att det finns en risk att indiska monsunerna avstannar och genom det försämrar vattenförsörjningen för miljoner och miljoner människor pga global uppvärmning är inte korrekt. Det hindrar er dock inte från att försöka antyda det. Varför gör ni så?

    Det bruna molnet härrör till två tredjedelar av förbränning av förnyelsebart material enligt en studie av Örjan Gustafsson et al 2009. Det innebär att en mindre del av det bruna molnet härrör från förbränning av fossila bränslen.

    Har läst (osäker var) att man uppskattar att ca 150 000 människor dör i förtid pga effekter av den globala uppvärmningen. Enligt WMO dör ca 2 miljoner människor, huvudsakligen kvinnor och barn, i förtid pga dålig rökgasrening de eldar biomassa för matlagning etc.

    Idag är ca 2,5 miljarder människor beroende av biomassa för uppvärmning och matlagning. Till 2030 räknar man med att 2,7 miljarder kommer vara beroende. Det är alltså en stor del av jordens befolkning. Fram till 2030 kommer ca 40 miljoner kvinnor och barn dö i förtid pga inandning av rökgaser från förbränning av biomassa.

    Utöver detta problem finns det en risk, enligt er, att monsunen kan avstanna pga det bruna molnet.

    Min fråga till er är varför är ni emot att fattiga människor får tillgång till elektricitet som alstras av kolkraftverk?

    SvaraRadera

Tips: Använd gärna signatur när du kommenterar. Det underlättar samtalet