Moln och is avslöjar klimatet år 2100

Blir planeten 0,5 grader varmare får vi en viss ökning av antalet, och styrkan för, extrema väderfenomen, såsom skyfall och kraftiga orkaner – men situationen är sannolikt överkomlig.

Om det blir 3,5 grader varmare får vi en riktig klimatkatastrof där hundratals miljoner människor kommer befinna sig på flykt från torka, värmeböljor, skogsbränder, översvämningar och orkaner.

Oavsett vilket scenario som inträffar så krävs det en insats.

Frågan är bara vilken, och för att ta reda på det är vi beroende av att klimatmodellerna kan berätta för oss exakt hur klimatet kommer att förändras och var förändringarna slår som hårdast.

Nu ska artificiell intelligens och dolda mönster i satellitmätningar hjälpa forskarna att simulera bildandet av moln och avslöja drivkrafterna bakom avsmältningen av is vid polerna.

Resultaten kommer för första gången att ge oss en tydlig bild av framtiden.

Superdatorer beräknar klimatet

Dagens mest avancerade klimatmodeller kallas globala cirkulationsmodeller och omfattar atmosfären, haven, istäcket och planetens ekosystem.

Modellerna beräknar hur olika delar av jordens klimatsystem påverkar varandra.

Stigande lufttemperatur ökar exempelvis avdunstningen från havet så att atmosfärens vatteninnehåll och därmed mängden nederbörd ökar.

Samspelet mellan de olika faktorerna beskrivs i extremt komplexa datorkoder och därför kan beräkningarna bara köras på grupper av superdatorer.

Konkret beskriver modellerna jordens klimatsystem i ett tredimensionellt nätverk där atmosfär, hav och mark delas in i tärningar. I varje tärning beskrivs relevanta klimatvariabler – temperatur, tryck, moln och nederbörd – som likvärdiga överallt i tärningen.

Tärningarna mäter 100 x 100 kilometer vågrätt och ett enskilt lager av atmosfären eller havet lodrätt. Respektive lagren har en tjocklek på cirka elva kilometer och modellerna bygger på cirka 30 atmosfärlager och 20 havslager.

Nätverket är dock en approximation eftersom en del av en tärning kan vara täckt av moln medan solen skiner i resten av tärningen.

Datorerna delar också upp tiden i steg där flödet mellan tärningar i form av vindar och havsströmmar vanligtvis beräknas med en halvtimmes mellanrum.

Helst skulle tärningarna bara bestå av en kubikkilometer och tidsmässigt bara vara några sekunder, men det klarar inte dagens datorer.

Huvudmodellen som bygger på fysikaliska lagar kompletteras därför med ett antal regler som ska kompensera för osäkerheterna.

Dessa regler baseras dock på uppskattningar och olika viktningar från modell till modell är en viktig orsak till att modellerna kommer fram till olika resultat.

Historien sätter modeller på prov

Ett viktigt steg mot bättre klimatmodeller är att testa hur exakta modellerna är och korrigera dem om resultaten inte är korrekta.

Forskarna kan inte vänta 50 år för att se om modellernas resultat stämmer och därför testar de modellerna genom att låta dessa simulera historiskt klimat.

Forskare har data om lufttemperaturen år för år tillbaka till slutet av istiden för 11 700 år sedan. Man har fått sina data från grönländska iskärnor och från detaljerade mätningar av årsringar på fällda träd.

Under hela perioden finns god överensstämmelse mellan den historiska utvecklingen och klimatmodellernas resultat.

Forskarna har också tillgång till globala mätningar av luftens temperatur från 1850 och framåt

De simulerar klimatmodellerna också exakt – men bara när de inkluderar våra utsläpp av växthusgaser. Om utsläppen utesluts ger modellerna fel resultat eftersom de inte kan reproducera den globala temperaturhöjning på 1,1 grad som har skett sedan 1880.

På flera punkter har modellerna hittills underskattat konsekvenserna av den globala uppvärmningen. Det gäller bland annat istäckena på Grönland och Antarktis, där mer massa än förutspått har förlorats sedan år 2000.

Här har modellerna dock redan blivit bättre i takt med att forskarna har inkluderat effekten av att glaciärerna smälts underifrån av varmare havsvatten.

Isfritt hav ökar uppvärmningen

Havsisen i Arktis har också dragit sig tillbaka snabbare än väntat, men här har upptäckten av hittills okända mönster i årtiondens satellitmätningar nu hjälpt forskarna att avslöja var felen i klimatmodellerna ligger.

Den minskade havsisen har en global betydelse eftersom den vita isen reflekterar solljus ut i rymden medan det mörka, öppna havet tar upp merparten av solljusets energi och för ut stora mängder värme i atmosfären.

Beräkningar tyder på att avsmältningen har ökat upptagningen av solenergi så mycket att den har bidragit till den globala uppvärmningen i en omfattning som motsvarar en fjärdedel av bidraget från de stigande mängderna koldioxid i atmosfären.

Därför är det viktigt att forskarna kan förutse exakt hur snabbt havsisen smälter.

Samtliga klimatmodeller visar att Ishavet i Arktis blir isfritt på sommaren med nuvarande takt på utsläppen av koldioxid.

Vissa modeller pekar på att det kommer att ske redan om ett årtionde eller två medan andra förutspår att det först sker mot slutet av århundradet.

För att minska på osäkerheten har amerikanska forskare tagit en noggrann titt på de satellitmätningar som har gjorts sedan 1979.

Under den perioden har istäcket först i september halverats från cirka åtta miljoner kvadratkilometer 1979 till under fyra miljoner i dag. Samtidigt har isens volym minskat med 75 procent eftersom en allt större del av istäcket består av tunn förstaårsis.

Den amerikanska klimatforskaren Alex Hall har tillsammans med sina kolleger upptäckt att ändringen i förhållandet mellan tunn förstaårsis och den tjockare, fleråriga isen kan förklara den snabba avsmältningen.

FNs klimatpanel har nu också använt denna kunskap till att precisera sina förutsägelser. Resultaten pekar på att Ishavet kommer att bli isfritt på sommaren redan under mitten av detta århundrade.

VIDEO: Koldioxiden breder ut sig över det norra halvklotet

Orsaken till den minskade havsisen är ökade mängder koldioxid i atmosfären. Man är dock fortfarande oeniga om exakt hur mycket koldioxid som värmer planeten.

Gasen absorberar infraröd värmestrålning från jorden, som annars skulle försvinna ut i rymden. Strålningen omfattar dock ett spektrum av olika våglängder, och koldioxid absorberar inte alla våglängder lika bra.

Dagens klimatmodeller räknar på ett viktat genomsnitt av absorptionen tvärs över alla våglängder, men varje modell har sin egen metod för att beräkna genomsnittet och därför kommer de fram till olika resultat.

Nya modeller ska i stället räkna på varje enskild våglängd och för att minska osäkerheten. Metoden kräver dock enorma mängder datorkraft.

Moln gäckar forskarna

Forskarna står inför ännu större utmaningar när de ska beräkna framtidens molntäcke, vilket i hög grad påverkar modellernas resultat. Moln kan nämligen innebära både kyla och värme.

Täta, låga moln kyler ned planeten eftersom de reflekterar stora mängder solljus ut i rymden medan höga, tunna moln släpper igenom ljuset samtidigt som de absorberar värme från jordytan.

I dag är täta och låga moln vanligast och nettoeffekten av molntäcket är en avkylning. I en varmare atmosfär kan förekomsten av olika typer av moln och deras geografiska fördelning förändras.

Det täta och låga molntäcket ligger i dag främst över tropikerna, men förändrade vindsystem kan föra det mot polerna.

Här skulle det bara reflektera svagt solljus i tempererade områden i stället för intensivt solljus i tropikerna. Framtidens molntäcke kan därför värma snarare än kyla planeten.

Klimatmodellerna har svårt att leverera exakta prognoser eftersom moln bildas i betydligt mindre omfattning än de stora, atmosfäriska tärningar som modellerna arbetar med. Amerikanska forskare ska därför utveckla modeller baserade på artificiell intelligens och satellitmätningar för att simulera molnbildning inom en realistisk volym på några få kubikkilometer.

Resultaten kommer efter hand att arbetas in i de globala modellerna.

Modeller förutsäger nära framtid

Modellerna har på senare år blivit allt bättre på att förutspå klimatet för framtiden. Men klimatförändringarna pågår just nu och lokala myndigheter över hela världen behöver konkret kunskap om hur deras område drabbas i närtid.

Därför utvecklar forskarna nu modeller som bättre kan förutspå lokala förhållanden och ge en tydligare bild av klimatets utveckling inom bara ett årtionde.

Särskilt Storbritannien är långt framme. Forskare tog 2016 fram en stor rapport som undersökte risken för översvämningar i olika delar av England och Wales under de kommande åren. Det var möjligt tack vare tiotals år med detaljerade väderdata från satelliter.

Man upptäckte bland annat att nederbördsmängden under kraftiga vinterskyfall sannolikt skulle stiga cirka tio procent under kommande tio år – och ökningen kan bli upp till 30 procent i sydöstra England. De detaljerade resultaten ligger nu till grund för en miljardsatsning på att rusta landet så att det blir bättre på att klara av översvämningar.