We live in a very complex environment: complexity and dynamism and patterns of evidence from satellite photographs, from videos. You can even see it outside your window. It's endlessly complex, but somehow familiar, but the patterns kind of repeat, but they never repeat exactly. It's a huge challenge to understand. The patterns that you see are there at all of the different scales, but you can't chop it into one little bit and say, "Oh, well let me just make a smaller climate." I can't use the normal products of reductionism to get a smaller and smaller thing that I can study in a laboratory and say, "Oh, now that's something I now understand." It's the whole or it's nothing.
Nagyon összetett környezetben élünk: komplexitás, dinamizmus és bizonyító minták műholdas fényképekből és videókból. Még az ablakodon kívül is láthatod. Végtelenül összetett, de valahogy mégis ismerős, a minták szinte ismétlődnek, de sohasem teljesen ugyanúgy. Ezt megérteni egy óriási kihívás. A minták amiket látunk, ott vannak, mindenféle szinten, de nem tudunk levágni belőlük egy darabot és azt mondani: "Na, nézzünk csak egy kisebb éghajlatot!" Nem tudjuk egyszerű dekompozícióval egyre kisebb és kisebb, laboratóriumban már vizsgálható részekre bontani, és azt mondani: "Na, most már kezdem kapiskálni." Vagy mindent, vagy semmit.
The different scales that give you these kinds of patterns range over an enormous range of magnitude, roughly 14 orders of magnitude, from the small microscopic particles that seed clouds to the size of the planet itself, from 10 to the minus six to 10 to the eight, 14 orders of spatial magnitude. In time, from milliseconds to millennia, again around 14 orders of magnitude.
A különféle méretek, amelyek kiadják ezeket a mintákat, óriási nagyságrendskálát fognak át, durván 14 nagyságrendet, a felhőképződést indukáló parányi, mikroszkopikus részecskéktől egészen a bolygó méretéig. 10 a mínusz hatodikontól 10 a nyolcadikonig, 14 térbeli nagyságrenden át. Időben pedig az ezredmásodperctől az évezredig, ami megint csak 14 nagyságrendet jelent.
What does that mean? Okay, well if you think about how you can calculate these things, you can take what you can see, okay, I'm going to chop it up into lots of little boxes, and that's the result of physics, right? And if I think about a weather model, that spans about five orders of magnitude, from the planet to a few kilometers, and the time scale from a few minutes to 10 days, maybe a month. We're interested in more than that. We're interested in the climate. That's years, that's millennia, and we need to go to even smaller scales. The stuff that we can't resolve, the sub-scale processes, we need to approximate in some way. That is a huge challenge. Climate models in the 1990s took an even smaller chunk of that, only about three orders of magnitude. Climate models in the 2010s, kind of what we're working with now, four orders of magnitude. We have 14 to go, and we're increasing our capability of simulating those at about one extra order of magnitude every decade. One extra order of magnitude in space is 10,000 times more calculations. And we keep adding more things, more questions to these different models.
De mit jelent mindez? Nos, ha arra gondolnak, hogyan számíthatjuk ki ezeket a dolgokat, megértik, mire is gondolok. Az ábrát felosztom sok apró dobozra, ez itt a megismert terület, rendben? Ha egy időjárási modellre gondolok, az öt nagyságrendet fog át, a bolygómérettől a néhány kilométerig, az időskálán pedig a néhány perctől 10 napig, esetleg egy hónapig terjed. Nekünk ennél több kell. Minket az éghajlat érdekel. Az évek, az évezredek, és a kisebb méretek irányába is el kell mozdulnunk. Amit nem tudunk kezelni, a mérettartomány alatti folyamatokat, valami módon becsülnünk kell. Ez egy hatalmas kihívás. Az 1990-es évek éghajlati modelljei még kisebb tartományt fogtak át, mindössze kb. három nagyságrendet. A 2010-es évek modelljei, azok, amelyeket most használunk, négy nagyságrendet. 14-et kell átfognunk, és dolgozunk rajta, hogy évtizedenként egy további egy nagyságrenddel növeljük szimulációs képességeinket. Eggyel több térbeli nagyságrend 10.000-szer több számítást jelent. Továbbra is újabb dolgokkal és újabb kérdésekkel bővítjük a különböző modelleket.
So what does a climate model look like? This is an old climate model, admittedly, a punch card, a single line of Fortran code. We no longer use punch cards. We do still use Fortran. New-fangled ideas like C really haven't had a big impact on the climate modeling community.
De hogy is néz ki egy időjárási modell? Ez egy meglehetősen régi modell, egyetlen sor Fortran kód, egy lyukkártyán. Lyukkártyákat ma már nem használunk. Fortrant viszont még igen. Az olyan újmódi dolgok, mint a C nem nagyon izgatták fel az klímamodellezők közösségét.
But how do we go about doing it? How do we go from that complexity that you saw to a line of code? We do it one piece at a time. This is a picture of sea ice taken flying over the Arctic. We can look at all of the different equations that go into making the ice grow or melt or change shape. We can look at the fluxes. We can look at the rate at which snow turns to ice, and we can code that. We can encapsulate that in code. These models are around a million lines of code at this point, and growing by tens of thousands of lines of code every year.
De hogyan is csináljuk mindezt? Hogyan jutunk el a látott komplexitástól egy sor programkódig? Egyszerre egy darabbal foglalkozunk. Ez itt egy tengeri jégtömb képe, az Északi-sarkvidék fölött fotózva. Úgy tekinthetjük ezeket az egyenleteket, mint amelyek a jég növekedését, olvadását vagy alakváltozását okozzák. Vizsgáljuk az áramlatokat. Vizsgálhatjuk, hogy a hó milyen sebességgel alakul jéggé, és ezt lekódolhatjuk. Ezt az egészet beágyazhatjuk egy kódba. Ezek a modellek jelenleg kb. 1 millió sornyi kódból állnak, és évente tízezernyi új kódsorral gyarapodnak.
So you can look at that piece, but you can look at the other pieces too. What happens when you have clouds? What happens when clouds form, when they dissipate, when they rain out? That's another piece. What happens when we have radiation coming from the sun, going through the atmosphere, being absorbed and reflected? We can code each of those very small pieces as well. There are other pieces: the winds changing the ocean currents. We can talk about the role of vegetation in transporting water from the soils back into the atmosphere. And each of these different elements we can encapsulate and put into a system. Each of those pieces ends up adding to the whole.
Tehát vizsgálhatjuk ezt a darabot, de vehetünk más darabokat is. Mi történik, ha felhőink vannak? Mi történik a felhők kialakulásakor, szétoszlásakor, esőkénti lecsapódáskor? Ez egy másik darab. Mi történik, amikor a légkörön áthatoló napsugárzás elnyelődik és visszaverődik? Képesek vagyunk ezeket az apró darabkákat is lekódolni. Vannak más darabok is: pl. az óceáni áramlatokat befolyásoló szél. Beszélhetünk a vegetáció szerepéről a víznek a talajból a légkörbe történő visszaszállításába. Mindezek a különböző elemek beépíthetők egy rendszerbe. Ezek a darabok együttesen adják ki az egészet.
And you get something like this. You get a beautiful representation of what's going on in the climate system, where each and every one of those emergent patterns that you can see, the swirls in the Southern Ocean, the tropical cyclone in the Gulf of Mexico, and there's two more that are going to pop up in the Pacific at any point now, those rivers of atmospheric water, all of those are emergent properties that come from the interactions of all of those small-scale processes I mentioned. There's no code that says, "Do a wiggle in the Southern Ocean." There's no code that says, "Have two tropical cyclones that spin around each other." All of those things are emergent properties.
Az eredmény valami ilyesmi. Egy gyönyörű reprezentációja mindannak, ami végbemegy az időjárási rendszerben, és amelyen jó láthatók a kialakuló mintázatok, a déli óceánok örvényei, a Mexikói öböl trópusi viharai, és még kettő, amely most kezd kialakulni a Csendes-óceánon, a légköri víz áramlatai, mindazok a jellemzők, amelyek az említett apró részfolyamatok kölcsönhatásaiból alakulnak ki. Nincs olyan kódrészlet, ami azt mondaná: "Legyen hullámzás a déli óceánokon." Nincs kód arra, hogy "Legyen két trópusi ciklon, amelyek egymás körül forognak." Ezek valamennyien származékos jellemzők.
This is all very good. This is all great. But what we really want to know is what happens to these emergent properties when we kick the system? When something changes, what happens to those properties? And there's lots of different ways to kick the system. There are wobbles in the Earth's orbit over hundreds of thousands of years that change the climate. There are changes in the solar cycles, every 11 years and longer, that change the climate. Big volcanoes go off and change the climate. Changes in biomass burning, in smoke, in aerosol particles, all of those things change the climate. The ozone hole changed the climate. Deforestation changes the climate by changing the surface properties and how water is evaporated and moved around in the system. Contrails change the climate by creating clouds where there were none before, and of course greenhouse gases change the system.
És ez nagyon jó. Remek! De minket igazán az érdekel, hogy mi történik ezekkel a jellemzőkkel, amikor zavar kerül a rendszerbe. Mi történik velük, ha valami megváltozik? Rengeteg módon kerülhet zavar a rendszerbe. Százezer éves időtávon vannak ingadozások a Föld pályájában, amelyek hatnak az éghajlatra. A 11 éves vagy hosszabb napciklusok szintén befolyásolják az éghajlatot. Nagy tűzhányók törnek ki, befolyásolva az éghajlatot. A biomassza égéstermékei, a füst, az aeroszolrészecskék, mindezek módosítják az éghajlatot. Az ózonlyuk hatására változik az éghajlat. Az erdőirtás változtatja az éghajlatot, mert módosítja a felszín jellemzőit, valamint a víz párolgási és körforgási folyamatait. Befolyásolják az éghajlatot a kondenzcsíkok, azzal, hogy felhőket képeznek ott, ahol korábban nem voltak, és természetesen az üvegházgázok is befolyásolják a rendszert.
Each of these different kicks provides us with a target to evaluate whether we understand something about this system. So we can go to look at what model skill is. Now I use the word "skill" advisedly: Models are not right or wrong; they're always wrong. They're always approximations. The question you have to ask is whether a model tells you more information than you would have had otherwise. If it does, it's skillful. This is the impact of the ozone hole on sea level pressure, so low pressure, high pressures, around the southern oceans, around Antarctica. This is observed data. This is modeled data. There's a good match because we understand the physics that controls the temperatures in the stratosphere and what that does to the winds around the southern oceans.
Számunkra ezek a különféle zavarok egy-egy célterületet jelentenek, ami alapján megvizsgálhatjuk, hogy megértettünk-e valamit a rendszerből. Most nézzük meg, milyen ügyes a modell. Szándékosan használom az "ügyes" szót. A modellek nem jók vagy rosszak; mindig rosszak. A modellek mindig csak közelítések. Azt a kérdést kell feltenni, hogy a modell ad-e valami pluszt ahhoz képest, amit egyébként is tudunk. Ha igen, akkor a modell ügyes. Ez itt az ózonlyuk hatása a tengerszinti nyomáson, tehát alacsony nyomás,magas nyomás, a déli óceánokon, az Antarktisz körül. Ezek a mért adatok. Ezek a modellezett adatok. Elég jó az egyezés, mert jól értjük a sztratoszféra hőmérsékletét meghatározó fizikai hátteret, és hogy hogyan hat ez a déli óceán fölött fújó szelekre.
We can look at other examples. The eruption of Mount Pinatubo in 1991 put an enormous amount of aerosols, small particles, into the stratosphere. That changed the radiation balance of the whole planet. There was less energy coming in than there was before, so that cooled the planet, and those red lines and those green lines, those are the differences between what we expected and what actually happened. The models are skillful, not just in the global mean, but also in the regional patterns.
De nézhetünk más példákat is. A Mount Pinatubo kitörése 1991-ben hatalmas mennyiségű aeroszolt, apró részecskéket bocsátott a sztratoszférába. Ez az egész bolygó sugárzási egyensúlyát felborította. Kevesebb energia jutott be, mint korábban, ezért a bolygó lehűlt, ezek a vörös és zöld vonalak, ezek mutatják az eltérést a várt és a tényleges érték között. A modellek ügyesek nemcsak globális értelemben, de a regionális minták tekintetében is.
I could go through a dozen more examples: the skill associated with solar cycles, changing the ozone in the stratosphere; the skill associated with orbital changes over 6,000 years. We can look at that too, and the models are skillful. The models are skillful in response to the ice sheets 20,000 years ago. The models are skillful when it comes to the 20th-century trends over the decades. Models are successful at modeling lake outbursts into the North Atlantic 8,000 years ago. And we can get a good match to the data.
Tucatnyi más példát is hozhatnék: az ügyességet a napciklusok modellezésében, a sztratoszféra ózonszintjének változásában, a földpálya változásának modellezése az elmúlt 6.000 év távlatában. Ezeket nézve is látjuk, hogy a modellek ügyesek. Ügyesen modellezik a jégtáblák 20.000 év előtti állapotát. A modellek ügyesek a 20.század évtizedeken átnyúló trendjeinek tekintetében. A modellek sikeresen szimulálják a 8.000 évvel ezelőtti, nagy észak-atlanti tókitöréseket. Az adatok rendkívül jól illeszkednek.
Each of these different targets, each of these different evaluations, leads us to add more scope to these models, and leads us to more and more complex situations that we can ask more and more interesting questions, like, how does dust from the Sahara, that you can see in the orange, interact with tropical cyclones in the Atlantic? How do organic aerosols from biomass burning, which you can see in the red dots, intersect with clouds and rainfall patterns? How does pollution, which you can see in the white wisps of sulfate pollution in Europe, how does that affect the temperatures at the surface and the sunlight that you get at the surface?
Minden ilyen célterület, minden egyes ilyen egyenlet hozzásegít bennünket a modellek kiterjesztéséhez, megnyitva a lehetőséget, hogy egyre több és több komplex helyzetre vonatkozóan tehessünk fel kérdéseket. Például: Hogyan hat a Szahara pora, a képen sárgával jelölve, az Atlanti térség trópusi ciklonjaira? Hogyan hatnak a biomassza égéséből származó szerves aeroszolok, a képen látható piros pontok, a felhő- és esőzési mintákra? Hogyan befolyásolja a légszennyezés, például a kis fehér felhősávként látható szulfátszennyezés Európában, milyen hatással van a felszín hőmérsékletére, és a felszínre jutó napfényre?
We can look at this across the world. We can look at the pollution from China. We can look at the impacts of storms on sea salt particles in the atmosphere. We can see the combination of all of these different things happening all at once, and we can ask much more interesting questions. How do air pollution and climate coexist? Can we change things that affect air pollution and climate at the same time? The answer is yes.
Ezt világviszonylatban is megnézhetjük. Vizsgálhatjuk a kínai eredetű légszennyezést. A viharok hatását a tengerisó-részecskék mennyiségére a légkörben. Megnézhetjük, mi történik, ha mindezek a dolgok egy időben történnek, és még sokkal érdekesebb kérdéseket is feltehetünk. Mi az összefüggés a légszennyezés és az éghajlat között? Tudunk-e úgy változtatni dolgokat, hogy egyszerre hassanak a légszennyezésre és az éghajlatra? A válasz: igen.
So this is a history of the 20th century. The first one is the model. The weather is a little bit different to what actually happened. The second one are the observations. And we're going through the 1930s. There's variability, there are things going on, but it's all kind of in the noise. As you get towards the 1970s, things are going to start to change. They're going to start to look more similar, and by the time you get to the 2000s, you're already seeing the patterns of global warming, both in the observations and in the model.
Ez hát a 20. század története. Az első egy modell. Az időjárás kissé eltér attól, ami valójában történt. A másikon a megfigyelések láthatók. Menjünk végig a 30-as éveken. Van egy változékonyság, vannak történések, de ezek mindenféle zajok. A 70-es évekhez közeledve a dolgok kezdenek megváltozni. Kezdenek hasonlítani, és mire elérjük a 2000-es éveket, már látjuk a globális felmelegedés mintáit, a megfigyelésekben és a modellen egyaránt.
We know what happened over the 20th century. Right? We know that it's gotten warmer. We know where it's gotten warmer. And if you ask the models why did that happen, and you say, okay, well, yes, basically it's because of the carbon dioxide we put into the atmosphere. We have a very good match up until the present day.
Tudjuk, mi történt a 20. században. ugye? Tudjuk, hogy felmelegedés kezdődött. Tudjuk, hogy kezdett melegebb lenni. És ha megkérdezzük a modellt, hogy mi ennek az oka, és ha azt mondják, hogy nos hát, alapvetően a légkörbe került széndioxid miatt. Akkor egészen a mai napig nagyon jó egyezést látunk.
But there's one key reason why we look at models, and that's because of this phrase here. Because if we had observations of the future, we obviously would trust them more than models, But unfortunately, observations of the future are not available at this time.
Van azonban egy fontos oka annak, hogy modelleket nézegetünk, mégpedig ez a mondat itt. Mert ha lennének a jövőre vonatkozó megfigyeléseink, akkor nyilván azokra támaszkodnánk. Sajnos azonban, jelenleg nem rendelkezünk ilyenekkel.
So when we go out into the future, there's a difference. The future is unknown, the future is uncertain, and there are choices. Here are the choices that we have. We can do some work to mitigate the emissions of carbon dioxide into the atmosphere. That's the top one. We can do more work to really bring it down so that by the end of the century, it's not much more than there is now. Or we can just leave it to fate and continue on with a business-as-usual type of attitude. The differences between these choices can't be answered by looking at models.
Ezért van tehát eltérés amikor jövőbeli időponthoz érünk. A jövő ismeretlen, a jövő bizonytalan, és vannak választási lehetőségek. Itt vannak a választási lehetőségeink. Tehetünk valamit a légkörbe bocsátott széndioxid-mennyiség csökkentésének érdekében. Ez a legfontosabb. Tovább dolgozhatunk a csökkentésén, hogy az évszázad végére ne legyen sokkal több, mint jelenleg. Vagy hagyhatjuk, hogy továbbra is úgy történjenek a dolgok, ahogy jelenleg is történnek. E két választás közötti különbségek nem válaszolhatók meg a modellek alapján.
There's a great phrase that Sherwood Rowland, who won the Nobel Prize for the chemistry that led to ozone depletion, when he was accepting his Nobel Prize, he asked this question: "What is the use of having developed a science well enough to make predictions if, in the end, all we're willing to do is stand around and wait for them to come true?" The models are skillful, but what we do with the information from those models is totally up to you.
Sherwood Rowland, aki kémiai Nobel-díjat kapott az ózonlyuk kialakulásának magyarázatáért, a Nobel-díj átvételekor ezt a kérdést tette fel: "Mi haszna a fejlett, előrejelzésre képes tudománynak, ha végül mindig csak várunk arra, hogy az előrejelzései valóra váljanak?" A modellek ügyesek, de hogy mire használjuk a belőlük nyert információt, az csak rajtunk áll.
Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)