Comprender la variabilidad caótica del clima y su respuesta al cambio climático podría ayudar a los científicos a pronosticar mejor los cambios que aún eluden incluso los modelos más sofisticados.

Un marco matemático propuesto en la revista Reseñas de Física moderna tiene como objetivo incorporar coherentemente la interacción entre la variabilidad climática normal, debido a innumerables procesos que ocurren constantemente en la tierra de la Tierra, océanos y ambiente, e influencias antropogénicas y naturales, algo que todavía se aborda de manera insatisfactoria en las predicciones climáticas actuales.

Esto podría permitir predicciones más precisas de los impactos más extremos de las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por el hombre y los eventos naturales. como los puntos de inflexión asociados con el derretimiento del hielo marino o cambios de temperatura irreversibles.

El estudio fue dirigido por el profesor Valerio Lucarini de la Universidad de Reading y su colega el profesor Michael Ghil de la Ecole Normale Supérieure de París. Francia, y la Universidad de California en los EE. UU., y ha recibido el apoyo del proyecto de ciencia climática de la UE Horizonte 2020 TiPES (Puntos de inflexión en el sistema terrestre). TiPES está coordinado y dirigido por el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, Dinamarca.

La Tierra está cambiando a una velocidad sin precedentes, sin embargo, todavía existe una gran incertidumbre sobre las consecuencias. Cada vez más detallado, los modelos basados ​​en la física están mejorando constantemente, pero todavía falta una comprensión profunda de las incertidumbres persistentes.

El nuevo marco propone un camino para superar los dos desafíos principales para aumentar esta comprensión: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.

"Proponemos ideas para realizar simulaciones climáticas mucho más efectivas que el enfoque tradicional de confiar exclusivamente en modelos cada vez más grandes, "dijo el profesor Valerio Lucarini, del Departamento de Matemáticas y Estadística de la Universidad de Reading, y el Instituto Meteorológico CEN de la Universidad de Hamburgo, Alemania.

"Mostramos cómo extraer mucha más información con un poder predictivo mucho mayor de esos modelos. Creemos que es un valioso, de una forma original y mucho más eficaz que muchas de las cosas que se están haciendo ".

Fallos del modelo

Los autores argumentan que se necesita con urgencia un nuevo enfoque porque los modelos climáticos actuales generalmente no logran realizar 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 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 ha crecido la incertidumbre. 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 o 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, los modelos climáticos de alta gama en los que se basan las evaluaciones del IPCC no los predicen con suficiente precisión.

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 bien el comportamiento caótico determinista ni las incertidumbres asociadas en presencia de forzamientos deterministas y estocásticos dependientes del tiempo.

Un mundo caótico

El comportamiento caótico es intrínseco al sistema de la Tierra como físico muy diferente, químico, procesos geológicos y biológicos como la formación de nubes, sedimentación, meteorización, corrientes oceánicas, patrones de viento, humedad, la fotosíntesis, etc. varían en escalas de tiempo desde microsegundos hasta millones de años. 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.

El profesor Ghil dijo:"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 ".

Las ideas fundamentales del enfoque propuesto no son del todo nuevas, como se desarrolló la teoría matemática hace décadas. Sin embargo, el mérito del artículo es hacer que la teoría sea accesible y utilizable para la investigación climática y proporcionar herramientas utilizables para mejorar y probar modelos climáticos. Estos enfoques interdisciplinarios que involucran a la comunidad de la ciencia del clima, así como a expertos en matemáticas aplicadas, La física teórica y la teoría de sistemas dinámicos han ido surgiendo con demasiada lentitud hasta ahora.

Los autores esperan que el artículo de revisión acelere esta tendencia, ya que describe las herramientas matemáticas necesarias para dicho trabajo.

El profesor Lucarini dijo:"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 antes que nada tienes que posarlo correctamente. Entonces la idea es, si usamos las herramientas conceptuales que discutimos extensamente en nuestro artículo, podríamos esperar ayudar a que la ciencia climática y los modelos climáticos den un salto adelante ".

La nueva revisión sigue de cerca a otro artículo de la revista. No linealidad .

Este artículo analizó el uso de matemáticas complejas para mejorar la comprensión de los puntos de inflexión en el sistema de la Tierra a través del concepto de estados de melancolía, y predecir mejor los cambios en los sistemas que pueden alterar radicalmente su estado. Estos incluyen ecológicos, biológico, sistemas sociales y de otro tipo.