The context
The context of this is: the modeling of stratospheric aerosols in the context of climate intervention. Go look up on the main page for more long-winded context about what it is and why it is being studies - and why I think it’s ethical for us to study it. Anyway, here we’re focusing on understanding how much and why different Earth System Models (big models that represent the interaction between land, ocean, atmosphere, chemistry, the Sun…) may give different answers to the same simulated injections of SO2. This is relevant because we would like to give confident answers to the question “What would happen if we did this?”, this being putting aerosols in the stratosphere to temporarily cool the climate. Our best tool to do this is these huge climate models. The same we use to say “Hey, climate change is kind of very bad, will get worse”. Can we trust them for this purpose? What we simulate is not what we would like to see happen. It’s a tool to deepen our understanding of the tools we use, with the prospect of, eventually, giving robust answers to the question above.
What we did
In this study, we took four different climate models (three actually, but one, GISS, with two different treatment of aerosols) and simulated the injection of a fixed amount of SO2 daily in the lower stratosphere (at around 22 km) for a number of years. This is obviously not new and has been done before! Correct, but many previous intercomparisons only looked at similar experiments with injections performed at the equator, or over many latitudes at the same time.
By focusing on one latitude at a time, and observing the overall response in different models, we tried to gain some insight over what exactly drives the differences we observe in these models. Many things contribute to the fact that, if you put this gas in the stratosphere in exactly the same way, the results you obtain are different.
The SO2 turns into H2 SO4, which turns into aerosols, but of what size, and with which lifetime? The larger they are, the faster they fall. The larger they are, the more they also warm the local air, something it would be best to minimize. Finally, the larger they are, the less they can reflect sunlight, something we want.
These are what we call microphysical uncertainties, and depend largely on how the microscopical physical processes are parametrized - that is, treated in the models, which turns out, is very different between models.
These aerosols are then also spread over the globe by the stratospheric circulation. If the aerosols are too confined in the tropical pipe (close to the equator) they grow too much and fall faster. If they’re spread too fast, their lifetime is reduced.
Models also show a certain spread in how the air-masses move, what we call dynamical uncertainties - which ends up feeding back on the microphysical ones. Not to be one-upped, the microphysical ones tend to interact with the dynamical ones because, if the air warms, the circulation changes. So separating the two is very difficult!
Finally, once the aerosols arrive at their (ever-changing) destination, they start reflecting sunlight and cooling the planet, which is what we want in our simulations! How these aerosols “force” the temperature to change (which is why we call this radiative forcing) depends on their size and location. If we had the same exact aerosol distribution in different models (we don’t) we would still be other differences, due to different responses at the surface: how do clouds change, how does the land interact, how does precipitation shift.
This is what we can call the climate response uncertainty - some models cool more, some cool less; some models are more sensitive and their precipitation responds more, some less.
Using multiple models gives us an idea over the size of all these uncertainties. The “average” of the models isn’t necessarily the truth, and if all models agree on something doesn’t also necessarily mean they’re right, but understanding and measuring the spread is useful to understand where work should be focused on in future model development, what things we need to observe, and overall how “confident” we are.
What we found in brief
What’s next
As I said initially, this is not something we propose to do. You wouldn’t dump stuff in one location and see where it goes and then say “Woo! We cooled the planet! Now give us money” (yes, I’m talking about those guys). We will continue our attempts to understand how confident we can be in our models’ responses. We also do this with volcanic eruptions, which are fun to study (if you’re away from them). We’re using these single-point injections to better understand the response to more complex simulations that leverage multiple injection points to avoid changing the climate as much as we can, not just focusing on global mean temperatures. We already have these simulations with one model - ok, two versions of the same model. Here an example of how to use single-point behavior to understand complex strategy behavior. Another model in the UK, which participated in the runs for these studies, is running similar simulations and we hope to diagnose the changes we see there with the changes we see here. Comparing these two models will be a very interesting, first of its kind testbed. I am very much looking forward to those results.
]]>Ciclicamente torna alla ribalta la notizia di una possibile "trappola" nascosta sotto i ghiacci artici, pronta a dare il colpo di grazia al nostro pianeta. Secondo questi report, lo scioglimento dei ghiacci è in procinto di rilasciare un enorme quantità di metano nascosto lì sotto in epoche passate. Il metano è un gas serra davvero potente, seppure con una vita più breve della CO2, per cui, se la notizia fosse vera, sarebbe davvero un problema enorme. Ma lo è? Che l′Artico sia una fonte di metano non è una novità: lo scioglimento del permafrost rilascia metano, e il permafrost è sempre più minacciato dal riscaldamento globale, che è specialmente percepibile alle alte latitudini: per questo motivo, le emissioni di metano dall′artico stanno effettivamente aumentando, a causa dello scioglimento del permafrost, e ciò è stato ampiamente provato 1. Ma questi report "catastrofici" suggeriscono che ci sia un′enorme quantità di metano pronta ad essere rilasciata tutta allo stesso momento quando il permafrost sarà abbastanza indebolito. La verità è che una tale riserva di metano pronta sotto la superficie non esiste, o meglio, esiste, ma è nascosta abbastanza in profondità da non essere infastidita dallo scioglimento dei ghiacci. Vi sono molte prove che a decidere quanto metano sia emesso siano fattori geologici dovuti a regolari "movimenti" della crosta terrestre 2, movimenti che avvengono su scale millenarie e per lo più indifferenti a quello che avviene in superficie 3. Quindi, nessuna bomba su quel versante. Ma sapete che c′è? Che non dovrebbe servire la minaccia di una "bomba" per farci preoccupare. Ce n′è abbastanza, tra quello che sappiamo sta avvenendo, per farci comprendere il rischio che viviamo. Quest′anno i ghiacci artici si stanno comportando in modo davvero preoccupante, e la loro riduzione è già di suo una minaccia per il clima, dato che la ritirata dei ghiacci non farà altro che amplificare il riscaldamento in corso 4. Ma la preoccupazione per quello che sta avvenendo non deve mai farci perdere di vista la necessità di verificare sempre le notizie che diffondiamo.
]]>In queste ultime settimane in molti hanno riportato l’osservazione di un cielo coperto di nubi soffuse di un alone bluastro, quasi fossero illuminate, subito dopo il tramonto. Meravigliose, sì, ma anche un po’ spaventose… Come è possibile? Qualcuno si sta divertendo a fare qualche scherzetto? No, niente alieni, possiamo assicurarvelo. I fortunati osservatori hanno osservato un fenomeno abbastanza raro – quelle che vengono chiamate “nubi nottilucenti”. Le chiamiamo nubi, ma hanno davvero poco a che fare con i nuvoloni temporaleschi di tutti i giorni. Al contrario di quelli, infatti, che si trovano solo pochi chilometri sopra le nostre teste, le nubi nottilucenti si trovano nella mesosfera, tra i 60 e gli 80 km di altezza, e sono visibili in estate, quando la mesosfera è più fredda, ad alte latitudini (tra 50° e 70°) 1. Sembra poco, per noi abituati a viaggiare in orizzontale, ma in realtà, in verticale, è un mondo completamente diverso. Le temperature sono più fredde di quelle medie sulla superficie di Marte, meno di -100 °C! In queste strane, aliene condizioni, è facile immaginare che l’acqua ghiacci con facilità. Il problema è che di acqua, a quelle altitudini, praticamente non ce n’è (l’aria del Sahara contiene 100 milioni di volte più particelle d’acqua della mesosfera). L’unica sorgente possibile deve venire dagli strati atmosferici inferiori, ed è proprio questo che, a volte, succede. L’aria troposferica, molto più umida, come il più bravo dei surfisti “viaggia” sulle onde di gravità atmosferiche che si muovono dal basso verso l’alto, e che arrivate in mesosfera, dove l’aria è molto rarefatta, si dissipano, aumentando temporaneamente l’umidità locale (supersaturazione) 2. Basta questo a produrle? Non proprio. Nonostante il freddo, per formare questi minuscoli cristalli di ghiaccio (qualche decina di nanometri) serve un altro ingrediente, un nucleo solido che renda il processo di coagulazione e congelamento più facile. Questi nuclei sono anche loro difficili da ottenere in quei luoghi, e ci sono ancora dubbi sulla loro provenienza. Una delle teorie più accreditate è che tali particelle vengano… dallo spazio, e che siano il residuo di micrometeoriti 3. Quindi sì, forse ci sbagliavamo, e queste nuvole sono davvero aliene! E infine, prendendo qualcosa dalla terra e qualcosa dal cielo, abbiamo tutti gli ingredienti per la formazione di queste magiche nubi, capaci di intercettare i raggi obliqui del sole morente e di illuminarsi come festoni natalizi, allietando le nostre calde serate estive. Ma durante l’ultimo secolo, una grande curiosità a spesso assalito i ricercatori: se queste nubi sono così magnifiche, perché non se ne trova traccia da nessuna parte prima della fine dell’800? Possibile che i nostri antenati fossero così distratti? La risposta (scusate se vi rovinerà la festa!) è che sono le nostre attività ad aver reso questo fenomeno così frequente e brillante. Il metano prodotto dalle attività umane (e ne produciamo sempre più, e la sua concentrazione è quasi quadruplicata rispetto alle precedenti ere geologiche), infatti, ha la tendenza ad ossidarsi, specialmente in stratosfera, trasformandosi in anidride carbonica e vapor d’acqua. Proprio questo aumento di vapor d’acqua di origine antropica renderebbe queste nuvole così magiche molto più facili da osservare 4.
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