Matematiska modeller ger oss

en bild av jordens framtida klimat

I en klimatmodell sammanställs de fysikaliska lagar som styr energi- och rörelsebalansen. Termodynamikens, mekanikens och strålningens lagar formuleras som matematiska samband så att tidsutvecklingen av temperatur, vindar, fuktighet och havsströmmar kan beräknas. Skillnaden i soluppvärmning mellan ekvator och pol driver cirkulationen. Klimatsystemet eftersträvar en jämvikt så att uppvärmningsskillnader balanseras av cirkulationens värmetransport.

Rent tekniskt går det till så att atmosfären och havet delas in i ett tredimensionellt rutnät. I varje knutpunkt fås värden av temperatur, vind och fuktighet som bestäms av klimatsystemets tillståndsändringar. Tillståndsändringarna beror i sin tur på det rådande klimattillståndet. Till exempel ger en temperaturskillnad mellan två olika punkter upphov till en tryckskillnad som driver en ändring av vindhastigheten. Strömningen leder till en utjämning av temperaturskillnaden, men samtidigt också en omfördelning av massan som ger upphov till nya tryckskillnader. På detta sätt varierar systemets tillstånd i tid och rum, värme utväxlas och strömningsmönstret ändras.

Genom att simulera klimatsystemets variationer över en längre tid kan vi beräkna medelvärdet av till exempel temperaturen och på så sätt bestämma modellens temperaturklimat. Ändras de yttre förutsättningarna, till exempel genom en föreskriven ändring av modellatmosfärens koldioxidhalt, svarar modellen genom att uppnå ett nytt klimattillstånd med en något högre temperatur vid jordytan. Samtidigt ändras också andra delar av klimatsystemet, som luftfuktigheten och molnigheten. Ändringar i dessa variabler påverkar också temperaturklimatet. Till exempel ger en ökad luftfuktighet en ökad växthuseffekt som kan förstärka uppvärmningen vid jordytan. Med hjälp av klimatmodeller kan vi beräkna nettoeffekten av dessa återkopplingar.

Naturliga klimatsvängningar

Ett annat exempel på naturliga klimatsvängningar är de temperaturändringar som uppkommer på grund av vulkanutbrott eller ändringar i solstrålningen. Kraftiga vulkanutbrott kan kasta ut en stor mängd små partiklar högt upp i atmosfären. Dessa partiklar, som kan ligga kvar under flera års tid, reflekterar solens strålar tillbaka mot världsrymden och verkar avkylande på klimatet.

Under de senaste fyrtio åren har flera vulkanutbrott inträffat som märkbart påverkat den globala medeltemperaturen. Ett exempel är Pinatubo i början av 1990-talet som verkade avkylande på den globala medeltemperaturen under flera år. Även ändringar i solstrålningen påverkar klimatet, men under de cirka 35 år som det har gjorts noggranna mätningar av solens utstrålning har vi inte observerat någon ändring som märkbart skulle kunna påverka klimatet.

Förklaring av klimatändringar i historien

Resultatet av sådana simuleringar visas i figur 1a (figuren publiceras enbart i den tryckta versionen av Tvärsnitt). De blå kurvorna anger resultatet från olika simuleringar med olika utgångstillstånd och olika modellformuleringar av processer som är ofullständigt kända. Det viktigaste exemplet på en klimatprocess som vi fortfarande har begränsad kunskap om är ändringar av molnigheten i samband med klimatvariationer.

I figur 1a visas också medelvärdet av alla simuleringar samt den observerade temperaturutvecklingen (svart kurva). En genomgående trend är en viss uppvärmning under början av 1900-talet, men från mitten av 1900-talet och framåt borde jordens klimat ha blivit kallare om bara naturliga klimatsvängningar ligger bakom temperaturändringarna. Observationerna överensstämmer inte med simuleringarna under sista hälften av 1900-talet. I figur 1a har också markerats större vulkanutbrott i slutet av 1900-talet och efter varje vulkanutbrott ser vi en tydlig avkylningseffekt.

Om vi också tar med en ökning av koldioxidhalten i atmosfären och andra effekter som har samband med människans aktiviteter, får vi de resultat som visas i figur 1b (figuren publiceras enbart i den tryckta versionen av Tvärsnitt). Även i detta fall har en stor mängd simuleringar gjorts för att återspegla den osäkerhet som beror på naturliga klimatsvängningar och osäkerheter i modellernas processbeskrivningar. Uppvärmningstrenden i början av 1900-talet fångas på ett sätt som liknar det som erhölls i figur 1a, men uppvärmningen under slutet av 1900-talet ser helt annorlunda ut i figur 1b. Simuleringarna som gjorts med både en ökad koldioxidhalt och naturliga klimatvariationer ger i medeltal resultat som mycket bättre överensstämmer med observationerna än de simuleringar som bara tagit hänsyn till naturlig variabilitet. Därmed kan vi säga att ökningen av atmosfärens koldioxidhalt mycket sannolikt har orsakat huvuddelen av klimatuppvärmningen i slutet av 1900-talet. Detta hindrar inte att en del av uppvärmningen också kan bero på naturliga variationer, till exempel El Niño-händelsen i mitten av 1990-talet, men det är osannolikt att enbart naturliga variationer kan förklara den uppvärmning vi sett.

Framtida klimat

Hur snabbt koldioxidhalten ökar beror på hur människan agerar. Lyckas vi stoppa en fortsatt ökning av utsläppen och så småningom också påbörja en minskning kan vi hoppas på att koldioxidhalten i atmosfären stabiliseras på en nivå som begränsar den globala uppvärmningen. En fortsatt uppvärmning är dock med stor sannolikhet oundviklig. Med hjälp av klimatmodeller kan vi beräkna hur stor uppvärmningen blir under olika scenarier för koldioxidutsläpp. Givetvis innehåller dessa beräkningar osäkerheter, både på grund av osäkerheter i utsläppsnivåerna och på grund av osäkerheter i klimatmodellberäkningarna av temperatur, fuktighet, moln, vind etcetera.

I figur 2 (figuren publiceras enbart i den tryckta versionen av Tvärsnitt) visas resultat av beräkningar av framtida temperaturklimat. Den översta röda kurvan illustrerar vad som händer om utsläppen av koldioxid fortsätter att öka i samma takt som hittills. Då kan den globala medeltemperaturen öka med cirka fyra grader de närmaste hundra åren. Det är en lika stor ökning som temperaturskillnaden mellan dagens klimat och slutet av förra istiden, vilken inträffade för drygt tiotusen år sedan! I figur 2 visas också resultat från simuleringar där vi antar att utsläppen så småningom begränsas och koldioxidhalten stabiliseras på en nivå som ger en global uppvärmning kring två grader de närmaste hundra åren. Uppvärmningen är nu mer begränsad, men ändå mer än dubbelt så kraftig som den varit de senaste hundra åren.

Uppvärmningen är inte likformigt fördelad över jorden. Det arktiska området värms upp mer än dubbelt så kraftigt som resten av jorden och landområden värms upp betydligt mer än havsområden. Den arktiska uppvärmningen hänger samman med en fortsatt isavsmältning i Arktis, medan haven värms upp långsammare på grund av sin värmetröghet.

Om utsläppen av koldioxid fortsätter att öka i samma takt som idag under de närmaste hundra åren kommer Arktis troligen att vara nästan isfritt under sommarsäsongen. Globalt sett kan havsnivån stiga med runt en halvmeter. Den stigande havsnivån beror dels på den termiska expansionen av havsvattnet, dels på avsmältning av landisar.

För Sveriges del skulle ett sådant här uppvärmningsscenario innebära att Stockholm får samma temperaturklimat som Paris har idag. Vi skulle få ökade nederbördsmängder, särskilt i väster och norr, och snösäsongen skulle bli avsevärt kortare i den mellersta delen av landet. Delar av Medelhavsområdet skulle få ett ökenliknande klimat, medan andra kustområden skulle drabbas av stigande havsnivåer. Bangladesh till exempel skulle till stora delar översvämmas.

Vad vi slutligen kan konstatera är att även om uppvärmningen i den industrialiserade delen av världen blir kraftig, har dessa länder bättre möjligheter att anpassa sig till klimatförändringar än utvecklingsländer som redan idag lever under marginella förhållanden. Uppvärmningen drabbar därför dessa länder hårdast, både vad gäller temperaturökningar, stigning av havsytans nivå och avsmältning av bergsglaciärer. De senare är mycket viktiga för vattenförsörjningen i stora delar av södra Asien.