Estamos cambiando el sistema de la Tierra a una velocidad sin precedentes sin conocer las consecuencias en detalle. Cada vez más detallado, los modelos basados ​​en la física están mejorando constantemente, pero aún falta una comprensión profunda de las incertidumbres persistentes. Los dos desafíos principales han sido obtener la cantidad necesaria de detalles en los modelos y predecir con precisión cómo el dióxido de carbono antropogénico perturba los factores intrínsecos del clima, variabilidad natural. Un camino para superar estos dos obstáculos se presenta ahora en una revisión exhaustiva publicada en Reseñas de Física moderna por Michael Ghil y Valerio Lucarini del proyecto de ciencia climática de la UE Horizonte 2020 TiPES.

"Proponemos ideas para realizar simulaciones climáticas mucho más efectivas que lo que permite el enfoque tradicional de depender exclusivamente de modelos cada vez más grandes. Y mostramos cómo extraer mucha más información con un poder predictivo mucho mayor de esos modelos. Creemos que es valioso, forma original y mucho más eficaz que muchas cosas que se están haciendo, "dice Valerio Lucarini, profesor de matemáticas y estadística en la Universidad de Reading, Reino Unido y en CEN, el Instituto de Meteorología, Universidad de Hamburgo, Alemania.

Se necesita urgentemente un enfoque de este tipo, porque los modelos climáticos actuales generalmente fallan en la realización de dos tareas importantes. Primero, no pueden reducir la incertidumbre en la determinación de la temperatura global media en la superficie después de duplicar el dióxido de carbono (CO ₂ ) en la atmósfera. Este número se llama sensibilidad climática de equilibrio, y en 1979, se calculó entre 1,5 y 4 grados Celsius. Desde entonces, la incertidumbre ha crecido. Hoy es de 1,5 a 6 grados a pesar de décadas de mejora de los modelos numéricos y enormes ganancias en el poder computacional durante el mismo período.

Segundo, los modelos climáticos luchan por predecir los puntos de inflexión, que ocurren cuando un subsistema, es decir, una corriente marina, una capa de hielo, un paisaje, un ecosistema cambia repentina e irrevocablemente de un estado a otro. Este tipo de eventos están bien documentados en registros históricos y representan una gran amenaza para las sociedades modernas. Todavía, no están previstos por los modelos climáticos de alto nivel en los que se basan las evaluaciones del IPCC.

Estas dificultades se basan en el hecho de que la metodología matemática utilizada en la mayoría de los cálculos climáticos de alta resolución no reproduce adecuadamente el comportamiento determinísticamente caótico ni las incertidumbres asociadas en presencia de forzamiento dependiente del tiempo.

El comportamiento caótico es intrínseco al sistema de la Tierra, tantos físicos, químico, Los procesos geológicos y biológicos varían en escalas de tiempo desde microsegundos hasta millones de años, incluida la formación de nubes, sedimentación, meteorización, corrientes oceánicas, patrones de viento, humedad, fotosíntesis, etc. Aparte de eso, el sistema es forzado principalmente por la radiación solar, que varía naturalmente con el tiempo, sino también por cambios antropogénicos en la atmósfera. Por lo tanto, el sistema de la Tierra es muy complejo, determinísticamente caótico, estocásticamente perturbado y nunca en equilibrio.

"Lo que estamos haciendo es esencialmente extender el caos determinista a un marco matemático mucho más general, que proporciona las herramientas para determinar la respuesta del sistema climático a todo tipo de forzamientos, tanto determinista como estocástica, "explica Michael Ghil, profesor de la Ecole Normale Supérieure y de la Universidad PSL de París, Francia y en la Universidad de California, Los Angeles, NOSOTROS..

Las ideas fundamentales no son tan nuevas. La teoría se desarrolló hace décadas, pero es una teoría matemática muy difícil que requiere la cooperación multidisciplinaria entre expertos para ser implementada en modelos climáticos. Estos enfoques interdisciplinarios han ido surgiendo lentamente, la participación de la comunidad científica del clima y de expertos en matemáticas aplicadas, física teórica y teoría de sistemas dinámicos. Los autores esperan que el artículo de revisión acelere esta tendencia, ya que describe las herramientas matemáticas necesarias para dicho trabajo.

"Presentamos una comprensión autoconsistente del cambio climático y la variabilidad climática en un marco coherente bien definido. Creo que es un paso importante para resolver el problema. Porque, en primer lugar, hay que plantearlo correctamente. Así que la idea es:si utilizamos las herramientas conceptuales que discutimos extensamente en nuestro artículo, podríamos esperar ayudar a la ciencia climática y la modelización climática a dar un salto adelante, "dice Valerio Lucarini.