コンピューターモデルが気候について何を言っているか知りたいですか?サイコロを振って...
地球の未来を予測する場合、1 秒間に 100 万回の操作が可能なコンピューターをどの程度信頼しますか?それは素晴らしい仕事のための素晴らしいマシンですが、英国の気候専門家は、気象庁のハドリー気候予測研究センターでの運用の準備が整っているコンピューティングの巨人が、今日世界が直面している最も差し迫った問題のいくつかに答えることに近づくと信じています. .私たちの惑星は、今後数十年でどれくらい熱くなるのでしょうか?地球温暖化の最悪の影響はどこで感じられるでしょうか?そして、最も危険にさらされている人々を守るために何ができるでしょうか?
ハドレー センターのスーパーコンピューターは、これまでに考案された中で最も洗練された地球の気候シミュレーションを使用して、これらの問題への攻撃を来年開始します。その数百万行のコンピュータ コードは、地球の大気、陸塊、海洋、氷冠の数学的モデルを構成し、空気中のほこりのレベルや地上の植物の状態に至るまでです。
現在の気候条件に関するデータが与えられたスーパーコンピューターは、人工汚染の予測される将来のレベルなど、さまざまなシナリオの下で今日の気候がどのように変化するかを計算します。この結果は気候科学者によって切望されており、気候災害を回避する方法について世界の政府へのアドバイスの基礎となるでしょう。しかし、これらのコンピューター モデルの結果はどの程度信頼できるのでしょうか?私たちの生活全体に影響を与える政策決定に直面している政府は、彼らを信頼できるでしょうか?
気候モデラーは、ハドレー センター マシンや日本の地球シミュレータのようなスーパーコンピューターの能力でさえ、気候の複雑さを完全に正当化するには不十分であることを認めています。それでも、コンピューティング能力がさらに向上すれば、信頼できる気候予測という目標に近づくことができると確信しています。
「この次世代の気候モデルには、詳細な化学と、植物、土壌、海洋生物学との相互作用が含まれます」と、ハドレー センターの気候予測責任者であるヴィッキー ポープ博士は述べています。 「これらのモデルを実行するのに十分な計算能力を得ることができるのは、新しいスーパーコンピューターの導入だけです。」
しかし、一部の専門家によると、これまで以上のコンピューティング能力を求める動きは、現在の気候モデルのはるかに基本的な問題を見落としている.彼らは、モデルがまだ粗すぎて信頼性が低く、地球の気候に深刻な影響を与える可能性のある微妙な影響が欠けていると主張しています.
そして証拠として、これらの批評家は、気候モデルが言っていることと現実との間の懸念すべき不一致の最近の発見を指摘しています.バージニア大学の Fred Singer 博士は、「モデルは観察結果と一致しないように見えます」と述べ、モデルは「注意して見る必要がある」と付け加えています。
では、誰が正しいのでしょうか?地球の未来が危機に瀕しているため、これは学術的な論争ではありません。これらのスーパーコンピューター シミュレーションの結果は、すべての人の生活に大きな影響を与える可能性があります。
世界中のメディアの関心を集めたのは今だけかもしれませんが、気候モデルは 50 年以上前から存在しており、1950 年代に最初の商用コンピューターが利用可能になって以来、科学者が取り組んでいます。しかし、それでもなお、計算能力の不足と、モデルに欠けている重要な要素についての懸念という同じ 2 つの問題が研究を悩ませていました。
用語集
気候学
通常は数年にわたる長期的な気象パターンの研究。現在の状況とその原因を分析して、将来の予測を立てるために使用されます
気候モデル
実際のデータに基づくコンピュータによるシミュレーションで、地球の特定の場所の気温と天気がさまざまな大気の影響によってどのように影響を受けるかを示すことを目的としています
シンプルに、ばかげて
単純すぎるモデルを使用することの危険性は、早い段階で明らかになりました。 1971 年、NASA の 2 人の科学者が、気候研究の中心であり続けている問題、つまり地球温暖化に対する塵と煙の粒子の役割について先駆的な研究を行いました。技術的にエアロゾルとして知られているこれらの小さな粒子には、多くの発生源があります。砂漠や火山などの自然のものもあれば、石炭発電所のような人工のものもあります。 NASA の研究では、これらのエアロゾルが太陽の熱をより多く宇宙に反射することで、二酸化炭素による地球温暖化をどのように減少させるかを調べました。
今後50年間の人工エアロゾルレベルの推定値を使用して、研究者は驚くべき発見をしました.反射効果は地球温暖化を止める力を持っていました.彼らは、気温が 3.5°C 低下する可能性があり、地球を新たな氷河期に突入させる可能性さえあると警告しました。
研究者たちは、自分たちのシナリオが避けられないと主張したことはありませんが、新しい氷河期のアイデアは、1970 年代にメディアで大きく取り上げられました。気候学者が正反対の可能性がはるかに高いと信じるようになったという事実は、当然のことながら、気候モデルに対する皮肉を引き起こしました.しかし実際には、この研究は常に気候学者から、彼らが構築し続けてきたはるかに洗練されたモデルの大まかなプロトタイプにすぎないと見なされていました.たとえば、NASA のモデルは、エアロゾルが特定の地域 (工業化されたヨーロッパなど) に集中する傾向があるという事実を考慮に入れていませんでしたが、温室効果ガスは地球上により均等に広がっています。エアロゾルの生成率と、それらすべてに冷却効果があるかどうかも疑問視されました.
今日のモデルは、エアロゾルについてより洗練された見方をしています。それらには、太陽光を反射して宇宙に戻すことによる冷却効果などの直接的な影響だけでなく、間接的な影響も含まれます。その中でも主なものは、エアロゾルが雲を形成するための「種」として機能する方法であり、地球温暖化への影響はより複雑です。
教皇によれば、雲は冷却効果と温暖化効果の両方を生み出すことができます。 「曇りの日は、太陽からの熱が地表に届きにくくなり、涼しく感じます」と彼女は説明します。 「一方、曇りの夜は、日中に発生した熱が閉じ込められ、地表付近の温度は比較的暖かいままです。」
雲がどのように地球温暖化を助けたり妨げたりするかを解明することは、おそらく今日の気候モデルが直面している最大の課題です。しかし、空に浮かぶ白いフワフワした物体をシミュレートしようとすると、今日のスーパーコンピューターでさえも屈服します。 「雲の大きさは約数百メートルですが、現在の最良の気候モデルの空間解像度 [または縮尺] は 100 km で、これは 1000 倍も大きいのです」と気候専門家であるユタ大学の Thomas Reichler 教授は指摘します。 「これは、個々の雲と気候変動に対するその反応が、現在のモデルでは十分にシミュレートされていないことを意味します。」
そのため、雲の気候への影響は高さ、厚さ、および熱特性に依存し、これらはすべて個々のサイズに依存するため、雲を詳細にモデル化することが重要です。しかし、雲を詳細にモデル化する計算能力がなければ、気候学者は温度や湿度などの基本的な特徴だけを捉えることを余儀なくされています。これにより、雲が将来の気候に与える影響について、少なくともある程度の手がかりが得られることが期待されます。地球"
新しい研究によると、現在のコンピューター モデルは、雲と地球温暖化の関係を誇張している可能性があります。 1980 年以降、ヨーロッパ 3 の平均気温は 1°C 上昇しました。これは、温室効果ガスの増加だけが原因だとすると、予想をはるかに上回る速さです。考えられる説明の 1 つは、ヨーロッパ上空で雲を形成するエアロゾルのレベルが大幅に低下したクリーン エアー キャンペーンにより、より多くの太陽光が地上に到達するようになったことです。
雲の難問
この理論をテストするために、スイスの大気気候科学研究所のクリスチャン・ラックストゥールが率いるチームは、ヨーロッパのさまざまな場所でエアロゾルのレベルを測定しました。そして結果は、汚染レベルの低下が実際に気温の比較的急速な上昇の原因であることを確認しているようです.しかし、チームはまた、地面に到達する太陽光のレベルが雲の存在によってほとんど影響を受けないことも発見しました。言い換えれば、観測された温暖化のほとんどは、エアロゾルの減少に直接起因しているように見えます。多くのコンピューター モデルで想定されているように、雲形成におけるエアロゾルの役割によるものではありません。
一部の研究者はさらに踏み込んで、雲と気温の関係は根本的に誤解されている可能性があると主張しています。 6 月に発表された研究では、アラバマ大学ハンツビル校の研究者は、雲は気温の上昇を引き起こすのではなく、気温の上昇に反応する (雲量が増加する) 傾向があると主張しました。チームメンバーのロイ・スペンサー博士によると、彼らの研究は、現在の多くのモデルの予測に反して、雲が実際に地球温暖化を減らし、一般的にあらゆる種類の気候変動のブレーキとして機能する可能性があることを示唆しています. 「私たちの仕事は、原因と結果が本当に重要であることを私に確信させました」と彼は言います. 「残念ながら、その過程で、地球温暖化問題全体を把握するのがはるかに難しくなります。」
しかし、雲は地球の特徴の 1 つに過ぎず、その機微が気候予測に大きな課題をもたらします。新しい気象庁スーパーコンピューター用に設計されている気候モデルには、植生の影響が含まれます。一部の研究者は、水分が植物の根をどのように移動するかなどの詳細でさえ、気候予測に大きな影響を与える可能性があると警告しています.
非常に複雑な状況下で、将来の気候に関するコンピューター予測を信頼できるでしょうか? 「地球温暖化に関する私たちの知識が完全に気候モデルから導き出されたものであるとしたら、私はおそらくもっと懐疑的になるでしょう」とライヒラーは言います。 「しかし、私たちの知識のほとんどは、実際には比較的単純で確立された理論と物理法則に由来しています。」
「私たちの仕事は、原因と結果が本当に重要であると確信しています。地球温暖化問題全体を把握することははるかに困難です"
Reichler によると、コンピューター モデルの主な役割は、大雑把な結論を埋めることです。たとえば、気候変動が特定の地域に及ぼす影響についての洞察を提供することです。 .そして、モデルの信頼性が高まっているように見える、と彼は言います。今年初めに発表された研究では、ライヒラーと彼の同僚であるジュンス キム博士は、世界中の研究センターで使用されている 50 以上の気候モデルをテストしました。課題は単純でした。1990 年代後半までの気候条件に関する 20 年間のデータを与えられた場合、モデルは今日の気候をどの程度正確に予測できるでしょうか?
結果は印象的で、最良のモデルは実際に観測されたものに非常に近い予測を生成しました。 「今では、気候変動のモデルベースの予測に、以前よりもはるかに自信を持てるようになりました」と Reichler 氏は言います。
誰もが同意するわけではありません。 20 を超える主要な気候モデルに関する最近の研究では、1970 年代後半以降に観測された地球の気温変化の基本的な特徴を再現できていないことが示唆されています。
アラバマ大学のジョン・クリスティ博士によると、このモデルは、下層大気 (いわゆる対流圏) が地表よりも温暖化するはずであり、熱帯地方で最大の影響が見られると予測しています。 「しかし、実際の気候データを見ると、熱帯対流圏での温暖化の加速は見られません」とクリスティ博士は言います。 「熱帯地方で見られる温暖化傾向は、モデルの予測の半分以下です。」
一部の気候学者によると、犯人は気候モデルではなく、比較に使用された観測データであり、それ自体がエラーの影響を受けやすい.議論は続くように見えるが、ほとんどの専門家は、気候モデルから出てくる大きなメッセージに疑いの余地はないと主張している. 地球は温暖化しており、人間の行動がその主な原因である. Reichler 氏は次のように述べています。「幅広い証拠に基づいて、地球温暖化の現実と深刻さ、そして行動の必要性に疑いの余地はありません。」
Robert Matthews は、アストン大学の科学の客員読者です
振り返りの問題
月の光を測定して気候モデルを改善する方法
三日月の暗い半分を照らす幽霊のような輝きは、気候学者にコンピュータ モデルの信頼性をテストする新しい方法を提供しています。 「アースシャイン」と呼ばれるこの現象は、太陽光が地球に反射して月に当たることによって引き起こされます。そのため、その強度は、雲量、海氷のレベル、山の降雪などの気候関連の特徴に依存します。地球に設置された望遠鏡による測定では、1999 年以降、地球表面の反射率が著しく上昇していることが示されています。これは、地球温暖化の減速と一致しています。気候科学者は、コンピューター モデルを実行して、反射率と最近の地球温暖化レベルとの間のこのリンクを再現できるかどうかを確認します。これは、説明に役立つ可能性があります。
- 地球に衝突した後、反射した太陽光は月に跳ね返り、地上の望遠鏡で観測できる地球に戻ります。
- 太陽光が地球に当たり、地表で跳ね返ります。さまざまな表面がさまざまな量の光を反射します。海は比較的ほとんど反射せず、雲と氷は多く、陸地は 2 つの間で異なります。
賛成と反対
コンピュータの気候モデルを信頼できますか?
はい
Vicky Pope 博士、Met Office Hadley Centre
「気候モデルは、天候と気候の挙動を定義する確立された物理法則に基づいて、複雑な数学的方程式を解きます。モデルは、さまざまな方法で試行およびテストされています。まず、それらは最近の過去の気候を再現するために使用されます。第二に、それらは、より限定された古代の気候について私たちが知っていることを再現するために使用されます.気象庁ハドリー センターのコンピューター モデルは、毎日の天気予報を生成するために、より地域的な詳細と共に使用されるという点で独特です。変化が増えました。ここ数年の最大の進歩は、雲、海、海氷、気候が地球上の生命とどのように相互作用するかを表現することであり、さらなる進歩が必要です。結果として得られる気候予測は、近年明らかに改善されています。さらなる改善が必要であり、達成可能です。」
いいえ
アラバマ大学ジョン クリスティ教授
「気候システムには非常に多くの複雑で十分に理解されていないプロセスがあり、長期的な予測は常に疑わしいものです。たとえば、気候が温暖化または寒冷化したときに気候がどのように反応するかについての私たちの理解には、大きな未知数があります。これは、雲と雨に直接関係しています。この 2 つのことは、気候モデルではうまく模倣できません。最近の観測結果は、一般に信じられているほど気候が CO2 の増加に敏感ではないことを示しています。なぜなら、雲は明らかに気候がうまくいかないように反応するからです。気候システムに関する私たちの無知は驚くべきものです。たとえば、すべての気候要因の相互作用を判断できるデータを提供する地球規模の観測システムはありません。これは、気候モデルを改善しようとする場合の基本的な要件です。気候の影響とその理由を理解することは、より信頼性の高いコンピューター モデルにつながります。」
モデルが予測する英国の将来の天気
温度変化
2020 年 温室効果ガスの排出量が比較的高いままである場合、英国全体の年間気温は、今後 10 年間で約 0.5°C 上昇する可能性があります。
2080 2080 年までに、最も人口密度の高いイングランド南東部の気温が 3.5°C も上昇し、顕著な地域差が現れる可能性があります。
雨
2020 年 温室効果ガスの排出量が比較的多いと仮定すると、コンピュータ モデルは、2020 年までに英国の広い地域で年間降水量が 10% 減少し、干ばつのリスクが高まると予測しています。
2080 英国の大部分は、イングランド、ウェールズ、アイルランドでより乾燥した夏を経て、2080 年までに干ばつのリスクが高くなる可能性があります。ただし、東部地域では
冬により多くの雨が降ることも予想されます。
気候変動要因
現実世界を再現して将来の天気を予測するスーパーコンピューター
気候の未来を予測することは、あらゆる科学の中で最も困難な問題の 1 つであり、そのためには驚異的な計算能力が必要です。コンピュータ モデルは、山、海、大気を含む地球の表面全体を数十億の「セル」に数学的にスライスおよびダイシングすることによって機能します。これらのセルはすべて、物理学と化学の法則に従って相互に作用します。
その影響を研究するには、エクセターの気象庁本部に現在設置されているマシンのような巨大なコンピューティングが必要です。空調された建物に設置されたスーパーコンピューターは、複数のプロセッサーを相互に接続したもので、その合計電力は家庭用コンピューター 100,000 台分に相当します。マシンが 2011 年にフルパワーに達すると、1 秒あたり 100 万回の操作のピーク速度が可能になります。しかし、これでも、各国の気候変動に関する信頼できる予測に必要な詳細レベルを提供するには不十分です。そのため、今年初め、気候科学者は、ハドレー センターにある気象庁の新しいマシンよりも数千倍高速な「ハイパーコンピューター」を作成するための国際的な取り組みを呼びかけました。
あなたの家庭用 PC でも気候予測を行うことができます
気候モデリングを試すのにスーパーコンピューターは必要ありません。世界中の何千もの他の PC とチームを組めば、あなたの PC で十分です。 2003 年以来、約 150,000 人の PC 所有者が、世界で最も強力な気候モデルを作成するためにオックスフォード大学の Myles Allen 博士によって設立された Climateprediction.net プロジェクトに参加しています。 PC が何もせずに座っているときに、PC のコンピューティング能力を活用することで機能します。これまでのところ、実行時間は 3,500 万年に相当し、気候の専門家が多数の「もしも」シナリオを調査できるようになっています。このプロジェクトは、開始時の条件がわずかに変化しただけでも、2°C 未満から 11°C 以上の範囲で、将来の地球の気温上昇の予測が劇的に異なる可能性があることを示しています。
詳細
何千台ものコンピューターの力をプールしている気候モデル www.climateprediction.net
Reicher と Kim が気候モデルの有効性について報告しています www.bit.ly/1q4sRI
気候モデルと熱帯の気温傾向の比較研究www.bit.ly/3rkuoT
気象庁が運営するコンピュータ モデル www.bit.ly/Woj0f
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