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.
Żyjemy w bardzo złożonym środowisku: złożoność i dynamizm, powtarzające się zjawiska, widoczne na filmach i zdjęciach satelitarnych widoczne są także za oknem. Zjawiska te nieskończenie złożone, są jednak znajome. Choć powtarzają się, nigdy nie są identyczne. Zrozumieć je to wielkie wyzwanie. Zjawiska, które widzicie są przedstawione w bardzo różnych skalach, ale nie można ich rozpatrywać po kawałku: "Zajmę się tylko małym wycinkiem klimatu". Nie mogę użyć standardowych uproszczeń, aby wyodrębnić najmniejszą część do badania w laboratorium i powiedzieć: "To już rozumiem". Badamy wszystko albo nic.
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.
Różne skale, które pokazują dane zjawiska, różnią się ogromnie rzędem wielkości. Generalnie mamy 14 rzędów wielkości, od małych mikroskopijnych cząsteczek, które sieją chmury, do tych wielkości planet. Skale od 10^ -6 do 10^8. 14 przestrzennych wielkości. Wartości od milisekundy do tysiącleci i znowu 14 rzędów wielkości.
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.
Ale co to właściwie oznacza? Jeśli zastanawiacie się, jak to się oblicza, spójrzcie na slajd. Podzielę to na wiele małych części, które są efektem działania praw fizyki. Mamy tu model pogodowy, który obejmuje 5 rzędów wielkości, od wielkości planety do kilku kilometrów. W skali czasowej od kilku minut do 10 dni, może miesiąca. Interesuje nas coś więcej. Interesuje nas klimat na przestrzeni lat i tysiącleci, musimy brać pod uwagę mniejsze skale. To, czego nie możemy obliczyć, procesy nie mieszczące się na skali, musimy jakoś oszacować. To ogromne wyzwanie. Modele klimatyczne z lat 90. pokazywały jeszcze mniejszy wycinek, który obejmował tylko 3 rzędy wielkości. Modele klimatyczne z naszej dekady, to na czym teraz pracujemy, obejmują 4 rzędy wielkości. Zostało jeszcze 14, a ciągle zwiększamy naszą zdolność do szacowania jednego rzędu wielkości co 10 lat. Jeden taki dodatkowy rząd to 10 tys. więcej obliczeń, do których ciągle dodajemy nowe dane, zadajemy kolejne pytania. Jak taki model klimatyczny wygląda?
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.
To jest stary model klimatyczny, perforowana karta z jedną linijką programu w języku Fortran. Takich kart już nie używamy. Natomiast Fortran jest nadal w użyciu. Nowe idee jak C nie mają aż takiego wpływu na twórców modeli klimatycznych. Ale jak tworzymy modele?
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.
Jak przekładamy tę złożoność danych na linijkę kodu? Skupiamy się na pierwszym elemencie. Widzicie zdjęcie morskiego lodu, zrobione nad Arktyką. Możemy analizować różne czynniki: co powoduje przyrost lodu, jego topnienie czy zmianę kształtu. Śledzić zmiany. Możemy sprawdzić wartości, zmiany śniegu w lód i zakodować to. Możemy to zawrzeć w kodzie. Obecne modele tworzą miliony linii kodu, powiększane o dziesiątki tysięcy linijek każdego roku.
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.
Spójrzmy na ten element układanki lub na jakikolwiek inny. Co się dzieje z chmurami, gdy się formują, rozpraszają, gdy spada z nich deszcz? Analizując inny element układanki, co dzieje się, gdy promieniowanie słoneczne przechodzi przez atmosferę, jest absorbowane i odbijane? Te wszystkie zjawiska możemy zakodować. Układanka ma wiele elementów: wiatry wpływające na prądy oceaniczne, rola roślin w transportowaniu wody z gleby z powrotem do atmosfery. Każde z tych różnych zjawisk możemy zakodować i umieścić w systemie. Każdy element jest częścią układanki.
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.
Otrzymamy wtedy coś takiego. Piękny obraz tego, co dzieje się z klimatem i gdzie te wszystkie zjawiska jak: jak wiry na Oceanie Południowym, tropikalny cyklon w Zatoce Meksykańskiej, a dwa dodatkowe pojawią nad Pacyfikiem lada chwila, rzeki atmosferycznej wody; te wszystkie elementy układanki współdziałające ze sobą, pokazując zjawiska, o których wspomniałem. Nie ma programu, który mówi: "Pokaż prądy na Ocenie Południowym" lub takiego, który pokaże obraz dwóch cyklonów wirujących wokół siebie. To właściwości bieżące. Wszystko to jest wspaniałe.
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.
Ale chcemy wiedzieć, co dzieje się z tymi właściwościami podczas zachwiań systemu. Jaki wpływ mają na nie zmiany? System można rozchwiać na wiele sposobów. Mamy odchylenia w orbicie Ziemi, które przez setki tysięcy lat zmieniały klimat. Co 11 lat są zmiany w cyklach słonecznych, które zmieniają klimat. Wybuchy wulkanów także zmieniają klimat. Zmiany w spalaniu biomasy, dym, cząstki aerozolu, to wszystko zmienia klimat. Dziura ozonowa zmienia klimat. Wycinka drzew zmienia klimat przez zmianę struktury powierzchni, wtedy woda paruje inaczej i inaczej krąży w przyrodzie. Smugi kondensacyjne też zmieniają klimat, bo z ich powodu powstają nowe chmury. Gazy cieplarniane zmieniają klimat. Te wszystkie zmienne
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.
stawiają przed nami zadanie ocenienia czy rozumiemy cokolwiek z tego systemu. Możemy teraz zastanowić się, czym jest taki przydatny model. Użyłem słowa "przydatny", bo modele są zawsze błędne. To jest zawsze tylko prognoza. Trzeba zapytać, czy dzięki modelom mamy więcej informacji niż bez nich? Jeśli tak, model jest przydatny. Tu widzimy wpływ dziury ozonowej na poziom ciśnienia wokół Antarktyki. To są dane z obserwacji. Tu widzimy dane z modeli. Mamy niezłe trafienie, bo rozumiemy prawa fizyki, kontrolujące temperaturę w stratosferze, wiemy, jak to wpływa na wiatry wokół oceanów na półkuli południowej. Przeanalizujmy inne przykłady.
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.
Wybuch wulkanu Pinatubo w 1991 roku wyrzucił ogromne ilości aerozoli, drobin i pyłów, do stratosfery. Zmieniła się równowaga promieniowania na Ziemi. Mniej ciepła dotarło do atmosfery, co schłodziło planetę. Na slajdzie czerwone i zielone linie kodów pokazują rozbieżność naszych oczekiwań z tym, co się faktycznie wydarzyło. Modele są przydatne nie tylko w wymiarze globalnym, ale także w regionalnym. Możemy przeanalizować tuzin przykładów.
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.
Wykorzystywane w badaniu cykli słonecznych zmieniających poziom ozonu w atmosferze; w badaniu zmian w ruchu orbity na przestrzeni ponad 6000 lat. To też analizujemy i modele są przydatne. Modele są przydatne przy badaniu lądolodów sprzed 20 tys. lat. Modele są przydatne, jeśli chodzi o XX-wieczne trendy na przestrzeni kolejnych dekad. Modele są przydatne w badaniu powodzi lodowcowych do Północnego Atlantyku 8000 lat temu. Możemy otrzymać naprawdę celne trafienia.
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?
Każdy z tych różnych celów, każde z tych różnych badań prowadzi nas do dodania nowych aspektów do modeli oraz do stwarzania coraz to nowych złożonych sytuacji, w których możemy zadawać coraz ciekawsze pytania. W jaki sposób pył znad Sahary, tu widzicie go na pomarańczowo, oddziałuje cyklonami nad Atlantykiem? Jak organiczne aerozole z palenia biomasy, tu pokazane jako czerwone kropki, nakładają się na ilość chmur i deszczu? Jak zanieczyszczenie powietrza, te białe siarczanowe smugi nad Europą, wpływają na temperaturę powierzchni Ziemi i ilość światła słonecznego na Ziemi?
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.
Możemy obserwować to na całej kuli ziemskiej. Możemy przyjrzeć się zanieczyszczeniu powietrza w Chinach. Możemy badać wpływ burz na cząsteczki soli morskiej w atmosferze. Widzimy zestawienie wszystkich tych zjawisk jednocześnie i możemy zadawać ciekawsze pytania. Jak zanieczyszczenie powietrza wpływa na klimat? Czy da się jednocześnie wpłynąć na klimat i zanieczyszczenie powietrza? Odpowiedź brzmi tak.
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.
To właśnie historia XX wieku. Najpierw mamy model. Model pogody zawsze różni się od rzeczywistej pogody. Następnie mamy obserwacje. Zaczynając od lat 30., obserwujemy rozbieżność modeli i faktycznych zjawisk. Przechodząc do lat 70., wygląda to inaczej. Modele i obserwacje stają są zbliżone i w latach 2000 już widać początki globalnego ocieplenia, zarówno w obserwacjach jak i modelach.
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.
Wiemy, co działo się w XX wieku, prawda? Wiemy, że robiło się coraz cieplej, i gdzie robiło się cieplej. Na pytanie "dlaczego" modele pokażą, że tak w zasadzie przyczyną jest dwutlenek węgla, który wprowadziliśmy do atmosfery. Mamy bardzo dobre trafienia aż do dnia dzisiejszego.
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.
Jest jeden zasadniczy powód, dla którego tworzymy modele. Obserwacjom przyszłości ufalibyśmy bardziej niż modelom. Niestety, przyszłość jest dla nas niedostępna.
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.
Mówiąc o przyszłości, sprawa jest inna. Przyszłość jest nieznana, niepewna, zależna od naszych wyborów, Oto nasze opcje. Można przy odrobinie wysiłku zmniejszyć emisję CO2 do atmosfery. Pokazuje to model na górze. Możemy też postarać się bardziej i drastycznie obniżyć jego poziom tak, że pod koniec wieku poziom CO2 będzie zbliżony do obecnego. Możemy zdać się na ślepy los i dalej emitować takie ilości CO2 jak obecnie. Różnica pomiędzy tymi wyborami nie wynika z analizy modeli.
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, laureat Nagrody Nobla z chemii, który badał zniszczenie warstwy ozonowej, odbierając nagrodę, zadał pytanie: jaki jest pożytek z rozwoju nauki, która pozwoli przewidywać, jeżeli potem będziemy tylko bezczynnie czekać, czy to się sprawdzi? Modele są przydatne, ale to, jak wykorzystamy informacje, zależy wyłącznie od nas. Dziękuję.
Thank you.
(Applause)
(Brawa)