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.
Trăim într-un mediu foarte complex, de complexitate și dinamism și tipare doveditoare din imagini din satelit, din video-uri. Se pot observa chiar pe fereastră. Extrem de complexe, dar într-un fel familiare, tiparele oarecum se repetă, dar niciodată nu sunt identice. E o mare provocare să le înțelegi. Tiparele care se observă au toate dimensiunile posibile, dar se pot reduce la un singur element, zicând: „Hai să facem o climă mai mică.” Nu pot folosi rezultatul normal al reducerii pentru a obține lucruri tot mai mici pe care să le studiez în laborator și să spun: „Acum înțeleg asta.” E totul sau nimic.
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.
Scara la care sunt date aceste tipare variază enorm, circa 14 ordine de mărime, de la particulele microscopice din care se formează norii, la dimensiunea întregii planete; de la 10 la puterea -6, la 10 la puterea 8, 14 ordine de mărime spațială. În timp, de la milisecunde la milenii, din nou, circa 14 ordine de mărime.
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.
Ce înseamnă asta? Ei bine, dacă ne gândim cum se calculează acești parametri, se poate lua ceea ce se poate vedea, ok, să împărțim într-o mulțime de părți mici, și iată rezultatul fizicii, corect? Mă gândesc la un model climatic, care se întinde de-a lungul a cinci ordine de mărime, de la planete la câțiva kilometri, și la o scală a timpului de la câteva minute la 10 zile, să zicem o lună. Ne interesează mai mult de atât. Ne interesează clima. Asta înseamnă ani, milenii, și trebuie să mergem la scară mai mică. Lucrurile pe care nu le putem rezolva, procese la scară foarte mică, trebuie cumva aproximate. Imensă provocare. Modelele climatice din anii '90 se bazau pe o perioadă și mai mică, doar de trei ordine de mărime. Modelele climatice din 2010, cele cu care lucrăm în prezent, patru ordine de mărime. Mai avem 14, și capacitatea de simulare crește cu circa un ordin de mărime în fiecare deceniu. Un ordin de mărime în plus în spațiu semnifică de 10.000 de ori mai multe calcule. Continuăm să adăugăm lucruri noi, noi întrebări pentru aceste modele.
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.
Deci, cum arată un model climatic? Să zicem că acesta e un model climatic vechi, o cartelă perforată, o singură linie de coduri Fortran. Nu se mai folosesc cartele perforate. Noi încă folosim Fortran. Ideile ultramoderne precum C nu au avut impact prea mare asupra comunității de modelare a climei.
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.
Și atunci cum să facem? Cum transformăm complexitatea pe care ați văzut-o într-o singură linie de coduri? Facem asta pas cu pas. Iată o imagine a mării înghețate fotografiată în timpul unui zbor deasupra Arcticii. Putem studia toate ecuațiile posibile care descriu îngroșarea gheții, topirea ei sau schimbarea formei. Putem studia ciclicitatea. Putem studia ritmul de transformare a zăpezii în gheață și îl putem codifica. Putem cuprinde asta într-un cod. Aceste modele sunt de circa un milion de linii de cod în prezent, și cresc cu zeci de mii de linii de cod în fiecare an.
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.
Deci poți studia acest component, dar poți studia și celelalte componente. Ce se întâmplă când cerul e înnorat? Ce se întâmplă când se formează norii, când norii se împrăștie, când plouă? Asta e o altă componentă. Ce se întâmplă când radiația solară ce trece prin atmosferă este absorbită și reflectată? Putem coda fiecare dintre aceste mici componente. Dar mai sunt și alte componente: vânturile care schimbă curenții oceanici. Putem discuta despre rolul vegetației în transportarea apei din sol înapoi în atmosferă. Și fiecare dintre aceste elemente diferite le putem cuprinde într-un sistem unic. Fiecare dintre aceste componente sunt adăugate întregului.
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.
Și rezultă ceva de genul acesta. O reprezentare frumoasă a ceea ce se întâmplă într-un sistem climatic, în care fiecare dintre acele modele emergente studiate, vârtejurile din Oceanul de Sud, ciclonul tropical din Golful Mexican, și încă două care o să apară în Pacific în orice moment, acele râuri de apă atmosferică, toate acestea sunt proprietăți emergente care apar în urma interacțiunii tuturor proceselor la scară mică pe care le-am menționat. Nu există cod care spune: „Să fie valuri în Oceanul de Sud.” Nu există cod care spune: „Să fie două cicloane tropicale care se învârt unul în jurul celuilalt.” Toate acestea sunt proprietăți emergente.
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.
Foarte bine. Minunat. Dar ce vrem să știm cu adevărat e ce se întâmplă cu aceste proprietăți emergente atunci când sistemul se clatină? Când ceva se schimbă, ce se întâmplă cu aceste proprietăți? Și există o mulțime de modalități de a perturba sistemul. Există mici devieri ale orbitei terestre de sute de mii de ani, care schimbă clima. Există schimbări în ciclurile solare, la fiecare 11 ani sau mai mult, care schimbă clima. Vulcanele mari erup și schimbă clima. Schimbări în cantitatea de biomasă arsă, de fum, de particule de aerosol. Toți acești factori schimbă clima. Găurile de ozon au schimbat clima. Despăduririle schimbă clima prin alterarea proprietăților suprafeței terestre și a modului de evaporare și de circulație a apei în sistem. Dârele de condens ale avioanelor schimbă clima formând nori în locuri unde nu erau înainte și, desigur, gazele de seră afectează sistemul.
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.
Fiecare dintre acești perturbatori ne oferă o șansă pentru a evalua dacă înțelegem ceva anume despre acest sistem. Deci putem merge să vedem care este calitatea modelului. Folosesc cuvântul „callitate” intenționat: Modelele nu-s corecte sau greșite: sunt toate greșite. Toate sunt aproximări. Întrebarea pe care trebuie să ne-o punem e dacă modelul furnizează mai multă informație decât am fi avut altfel. Dacă da, atunci acesta e de calitate. Acesta e impactul găurii de ozon asupra presiunii la nivelul mării, presiunea mică, presiunea mare, în jurul oceanelor de sud, în jurul Antarcticii. Astea sunt date înregistrate. Acestea sunt date modelate. E o potrivire bună fiindcă noi înțelegem fizica ce controlează temperatura din stratosferă și efectul ei asupra vânturilor din jurul oceanelor de sud.
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.
Am putea să examinăm alte exemple. Prin erupția vulcanului Pinatubo în 1991, o cantitate enormă de aerosol, particule mici, a ajuns în stratosferă. Asta a schimbat echilibrul termic al întregii planete. A intrat mai puțină energie termică decât înainte, ceea ce a răcit planeta, și acele linii roșii și verzi, reprezintă diferențele dintre ce ne așteptam să se întâmple și ce s-a întâmplat cu adevărat. Modelele sunt pline de calități, nu doar la nivel global, ci și în ceea ce privește tendințele regionale.
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.
Aș mai putea analiza o mulțime exemple: capacitatea ciclurilor solare de a modifica ozonul din stratosferă; consecințele schimbărilor orbitale studiate de peste 6.000 de ani. Le putem studia și pe acestea, modelele sunt de calitate. Modelele sunt de calitate și în cazul calotelor de gheață de acum 20.000 de ani. Modelele sunt valide când vine vorba de tendințele din secolul XX de-a lungul deceniilor. Modelele sunt utile în modelarea revărsărilor lacurilor în nordul Oceanului Atlantic de acum 8.000 de ani. Se obține o bună potrivire a datelor.
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?
Fiecare dintre aceste ținte, fiecare dintre aceste evaluări ne conduce către lărgirea gradului de cuprindere a acestor modele și ne conduce tot mai mult la situații complexe despre care ne putem pune tot mai multe întrebări interesante, cum ar fi: cum interacționează praful din Sahara, pe care îl putem vedea în portocaliu, cu ciclonii tropicali din Atlantic? Cum interacționează aerosolurile organice provenite din arderea biomasei, pe care le vedeți în punctele roșii, cu norii și tendințele precipitațiilor? Cum afectează poluarea ce se vede în smocurile albe de poluare sulfuroasă în Europa, temperatura și lumina solară de la suprafața terestră?
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.
Putem analiza acestea la nivel mondial. Putem analiza poluarea din China. Putem analiza impactul furtunilor asupra particulelor de sare de mare din atmosferă. Putem analiza combinația simultană a tuturor acestor lucruri și ne putem pune multe întrebări interesante. Cum se împacă climatul cu poluarea atmosferică? Putem schimba lucruri care afectează poluarea atmosferică și climatul în același timp? Răspunsul este da.
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.
Deci asta este istoria secolului XX. Primul este modelul. Vremea e puțin diferită de ceea ce s-a întâmplat efectiv. Al doilea sunt observațiile. Trecem prin anii '30. E variabilitatea, se întâmplă lucruri, dar totul e oarecum în agitație. Pe măsură ce ne apropiem de anii '70, lucrurile încep să se schimbe. Încep să se asemene mai mult și, pe la începutul anilor 2000, se văd deja tiparele încălzirii globale, atât în observații, cât și în model.
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.
Știm ce s-a întâmplat de-a lungul secolului XX. Nu-i așa? Știm că s-a făcut mai cald. Știm unde s-a făcut mai cald. Și dacă întrebăm modelele de ce s-a întâmplat asta, și spunem: păi, da, în principal e din cauza dioxidului de carbon pe care îl eliminăm în atmosferă. Avem o potrivire foarte bună până la data curentă.
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.
Dar există un motiv principal pentru care studiem modele și asta e din cauza acestei frazei. „Dacă am avea observații în viitor, cu siguranță ne-am încrede în ele mai mult decât în modele, dar, din păcate... ...observații în viitor nu-s accesibile în acest moment.”
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.
Deci, când privim spre viitor, este o diferență. Viitorul e necunoscut, viitorul e nesigur și există opțiuni. Iată opțiunile pe care le avem. Putem lucra pentru a diminua emisiile de CO2 din atmosferă. Acesta e cel mai important. Am putea depune mai mult efort pentru a le scădea cu adevărat astfel încât, până la sfârșitul secolului, să nu fie mai mult decât în prezent. Sau putem să-l lăsăm în voia sorții și să continuăm cu atitudinea specifică afacerilor. Diferența dintre aceste opțiuni nu se poate afla prin analiza modelelor.
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.
Există o frază răsunătoare pe care a spus-o Sherwood Rowland, cel care a câștigat premiul Nobel pentru Chimie care a dus la epuizarea ozonului. La acceptarea Premiului Nobel, el a întrebat: „Ce rost are să avem o știință suficient de dezvoltată pentru a face previziuni dacă, în final, tot ce vrem să facem e să stăm și să așteptăm ca acestea să devină realitate?" Modelele sunt valide, dar ce facem cu informațiile obținute din aceste modele depinde în totalitate de voi.
Thank you.
Vă mulțumesc!
(Applause)
(Aplauze)