حساسیت تعادل اقلیمی: چگونه بازخوردهای ابری و داده‌های دیرین‌اقلیمی دامنه گرمایش ناشی از دو برابر شدن CO2 را محدود کردند

هنگامی که مولکول‌های دی‌اکسید کربن تابش فروسرخ خروجی را به دام می‌اندازند، گرمایش فیزیکی مستقیم، که تقریباً ۱/۲ درجه سانتی‌گراد به ازای هر بار دو برابر شدن این گاز است، به شدت تابع قوانین ترمودینامیک است. با این حال، دمای نهایی سیاره در هفته‌ها و ماه‌های پس از آن تعیین می‌شود، زیرا گرمای اولیه ظرفیت بخار آب جو را تغییر می‌دهد، یخ‌های بازتابنده را ذوب می‌کند و آرایش ابرهای جهانی را جابه‌جا می‌کند. این واکنش‌های ثانویه، که به عنوان بازخوردهای اقلیمی شناخته می‌شوند، شدت نهایی گرمایش جهانی را دیکته می‌کنند.[1][3]

معیاری که دانشمندان برای اندازه‌گیری این گرمایش کلی به کار می‌برند، «حساسیت تعادل اقلیمی» (ECS) است. این معیار نشان‌دهنده افزایش دمای جهانی در حالت پایدار است که در صورت دو برابر شدن غلظت دی‌اکسید کربن جوی از سطح پایه پیش از صنعتی شدن (۲۸۰ قسمت در میلیون) به ۵۶۰ قسمت در میلیون، و فرصت دادن به سیستم اقلیمی برای تعدیل کامل در طول قرن‌ها، رخ خواهد داد.[1]

برای بیش از چهار دهه، دامنه پذیرفته‌شده برای ECS به شکلی سرسختانه گسترده باقی ماند. در سال ۱۹۷۹، آکادمی ملی علوم ایالات متحده «گزارش چارنی» را منتشر کرد که تخمین می‌زد دو برابر شدن CO2 منجر به گرمایشی بین ۱/۵ تا ۴/۵ درجه سانتی‌گراد می‌شود. همانطور که مؤسسه گرانتهام در گزارش سال ۲۰۱۳ خود اشاره کرد، همین دامنه دقیق ۱/۵ تا ۴/۵ درجه سانتی‌گراد، ۳۴ سال بعد نیز توسط هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم (IPCC) در پنجمین گزارش ارزیابی خود مورد استناد قرار می‌گرفت.

دلیل اصلی این عدم قطعیت پایدار، در رفتار ابرها نهفته است. در حالی که مدل‌سازی بازخوردهای بخار آب و آلبدوی یخ نسبتاً ساده است و به طور مداوم گرمایش را تقویت می‌کنند، ابرها می‌توانند هم با بازتاب نور خورشید زمین را خنک کنند و هم با به دام انداختن گرما آن را گرم سازند. یک تحلیل «کربن بریف» در سال ۲۰۱۸ اشاره می‌کند که «حساسیت اقلیمی، میزان گرمایشی است که انتظار داریم هنگام تغییر عوامل کنترل‌کننده اقلیم رخ دهد»، و تأکید می‌کند که اثر خالص جابه‌جایی لایه‌های ابر، بزرگترین متغیر در مدل‌های اقلیمی باقی مانده است.[3]

شکستن این بن‌بست مستلزم فراتر رفتن از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری بود. در سال ۲۰۲۰، یک تلاش بین‌المللی گسترده که در نشریه «مرورهای ژئوفیزیک» منتشر شد، ECS را با استفاده از «خطوط شواهد متعدد» ارزیابی کرد. محققان به جای اتکای صرف به مدل‌های اقلیمی جهانی، مشاهدات ماهواره‌ای مدرن از رفتار ابرها، سوابق گرمایش تاریخی از سال ۱۸۵۰، و داده‌های دیرین‌اقلیمی از زمین باستان را با هم ادغام کردند.[4]

شواهد دیرین‌اقلیمی به ویژه در رد کردن شدیدترین حد بالا و پایین تعیین‌کننده بودند. دانشمندان با تجزیه و تحلیل هسته‌های یخی و رسوبات اقیانوسی مربوط به «حداکثر یخبندان اخیر» (حدود ۲۰,۰۰۰ سال پیش که سطح CO2 در حدود ۱۹۰ قسمت در میلیون بود)، توانستند محاسبه کنند که سیاره در پاسخ به غلظت‌های پایین‌تر گازهای گلخانه‌ای چقدر خنک شده است. این محدودیت تاریخی، بسیار بعید ساخت که حساسیت زمین کمتر از ۲/۰ درجه سانتی‌گراد یا بالاتر از ۵/۰ درجه سانتی‌گراد باشد.[4]

این ترکیب داده‌ها، اجماع علمی را به طور اساسی تغییر داد. هنگامی که IPCC ششمین گزارش ارزیابی خود (AR6) را در آگوست ۲۰۲۱ منتشر کرد، برای اولین بار در طول دهه‌ها، دامنه محتمل ECS را رسماً محدود کرد. مرکز تعالی ARC برای افراط‌های اقلیمی، یافته‌های AR6 را خلاصه کرد و خاطرنشان ساخت که دامنه محتمل جدید «۲/۵ درجه سانتی‌گراد تا ۴ درجه سانتی‌گراد» است، با بهترین تخمین ۳/۰ درجه سانتی‌گراد.

گزارش AR6 همچنین صراحتاً خوش‌بینانه‌ترین سناریوها را رد کرد. ارزیابی قبلی مؤسسه گرانتهام در سال ۲۰۱۳ هشدار داده بود که «ارزش ECS زیر ۱ درجه سانتی‌گراد بسیار بعید است»، اما اجماع ۲۰۲۱ فراتر رفت و عملاً امکان اینکه بازخوردهای اقلیمی بتوانند به طور طبیعی گرمایش پایه ۱/۲ درجه سانتی‌گراد را تا یک سطح قابل مدیریت کاهش دهند، از بین برد.

در حالی که ECS تعادل بلندمدت را اندازه‌گیری می‌کند، سیاست‌گذاران به یک معیار مرتبط به نام «واکنش گذرا اقلیمی» (TCR) نیز تکیه می‌کنند. TCR میزان گرمایش را در لحظه دقیق دو برابر شدن CO2، با فرض افزایش ۱ درصدی سالانه در انتشار گازها، و پیش از آنکه اقیانوس‌های عمیق کاملاً گرم شده باشند، اندازه‌گیری می‌کند. از آنجا که اقیانوس‌ها بیش از ۹۰ درصد گرمای به دام افتاده را جذب می‌کنند، TCR همیشه کمتر از ECS است و معمولاً بین ۱/۴ تا ۲/۲ درجه سانتی‌گراد تخمین زده می‌شود.[3]

محدود شدن دامنه ECS پیامدهای عمیقی برای بودجه جهانی کربن دارد. اگر حساسیت نزدیک به بهترین تخمین ۳/۰ درجه سانتی‌گراد باشد، بشر حجم کاملاً محدودی از CO2 برای انتشار دارد پیش از آنکه از آستانه‌های ۱/۵ یا ۲/۰ درجه سانتی‌گراد تعیین شده توسط توافق پاریس عبور کند. حساسیت در حد بالای ۴/۰ درجه سانتی‌گراد به این معنی است که آن بودجه‌ها تقریباً به پایان رسیده‌اند.[1]

با وجود محدود شدن دامنه، ناشناخته‌های قابل توجهی باقی مانده‌اند. آخرین نسل از مدل‌های اقلیمی، معروف به CMIP6، در واقع شامل چندین مدلی بودند که ECS بالاتر از ۴/۵ درجه سانتی‌گراد را پیش‌بینی می‌کردند، که ناشی از نمایش‌های جدید آب فوق‌سرد در ابرهای اقیانوس جنوبی بود. اگرچه IPCC در نهایت این «مدل‌های داغ» را بر اساس محدودیت‌های دیرین‌اقلیمی رد کرد، اما آن‌ها چالش مستمر شبیه‌سازی فرآیندهای میکروفیزیکی ابر در مقیاس سیاره‌ای را برجسته می‌کنند.[3][4]

آزمون بزرگ بعدی برای این تخمین‌ها با پروژه مدل‌سازی CMIP7 و گزارش ارزیابی هفتم بعدی IPCC فرا خواهد رسید. محققان در حال حاضر تلاش می‌کنند تا اثر خنک‌کنندگی آئروسل‌های صنعتی را بهتر ادغام کنند؛ آئروسل‌هایی که ممکن است بخشی از گرمایش تاریخی را پنهان کرده و تخمین‌های حساسیت را به طور مصنوعی پایین آورده باشند. حل اثر پوشانندگی آئروسل‌ها تعیین خواهد کرد که آیا پنجره ۲/۵ تا ۴/۰ درجه سانتی‌گراد ثابت می‌ماند یا در دهه آینده به سمت بالا تغییر می‌کند.[3][5]