Publicación invitada: Investigar cómo las erupciones volcánicas pueden afectar las proyecciones climáticas

Las erupciones volcánicas plantean un desafío fundamental para los científicos y sus modelos climáticos.

Es bien sabido que las erupciones explosivas pueden Causa enfriamiento repentino en la superficie de la Tierra y que múltiples erupciones dan forma a la variabilidad climática durante décadas y siglos.

Cuando el dióxido de azufre se inyecta en la estratosfera durante una erupción, forma aerosoles que impiden la luz solar para llegar a la superficie de la tierra.

A diferencia de las influencias humanas en el cambio climático, que ocurren lentamente y se pueden tener en cuenta en los modelos climáticos bajo una gama de escenarios socioeconómicosLa naturaleza esporádica de las erupciones volcánicas plantea un desafío para las proyecciones climáticas.

Actualmente, los científicos no pueden pronosticar la aparición de erupciones volcánicas, incluso cuándo y dónde ocurrirán y cuánto azufre emitirán.

¿Cómo, entonces, tener en cuenta el impacto climático de las erupciones volcánicas cuando se proyectan en el futuro?

En un estudio reciente, publicado en Comunicaciones Tierra y medio ambienteMostramos que las erupciones volcánicas hacen una contribución sustancial a la incertidumbre en las proyecciones de las temperaturas globales.

Nuestros hallazgos sugieren que, cuando las erupciones volcánicas esporádicas se incluyen en las proyecciones climáticas, la violación del límite de calentamiento de 1.5c del acuerdo de París se retrasa ligeramente, pero también veremos más décadas con tasas rápidas de calentamiento y enfriamiento.

Forzamiento volcánico en proyecciones climáticas

Los científicos climáticos se refieren a la influencia que las erupciones volcánicas tienen en el clima, en gran medida a través de la liberación de gas de dióxido de azufre en la atmósfera, como «forzamiento volcánico».

Actual modelos climáticos Aplique un valor de forzamiento volcánico constante al ejecutar proyecciones futuras. Este valor se calcula en función del promedio histórico de forzamientos desde 1850 hasta la actualidad.

Este es el caso con el Proyecto de intercomparación de modelo acoplado (CMIP), el esfuerzo de modelado internacional que alimenta el Informes de evaluación influyentes desde Panel intergubernamental sobre cambio climático (IPCC).

Sin embargo, este enfoque tiene limitaciones significativas.

Para empezar, el forzamiento promedio históricamente no captura la naturaleza episódica de las erupciones.

Las erupciones volcánicas de gran magnitud ocurren esporádicamente, a veces se agrupan en décadas y otras veces que dejan las brechas del siglo entre los eventos.

Mientras tanto, el período de referencia de 1850 hasta la actualidad ha visto un frecuencia relativamente baja de erupciones de gran magnitud Eso emitió más de 3 teragramas (TG) de dióxido de azufre (SO2), en comparación con los registros multimilenales.

Finalmente, las reconstrucciones de forzamiento volcánico utilizadas en generaciones anteriores de modelos climáticos CMIP no incluyeron erupciones de magnitud pequeña a moderada que emitieron menos de 3TG de SO2.

Esto se debe a que estas erupciones fueron en gran medida no detectadas antes de que la era del satélite comenzara en 1980. Sin embargo, estas erupciones más pequeñas pero más frecuentes contribuir al 30-50% de forzamiento volcánico a largo plazo.

Tomando un nuevo enfoque

Tradicionalmente, los científicos del clima han reconocido Tres fuentes principales de incertidumbre en las proyecciones climáticas: variabilidad interna, incertidumbre del modelo e incertidumbre del escenario.

Aquí, la variabilidad «interna» se refiere a fluctuaciones naturales que se generan dentro del sistema climático, como El Niño; La incertidumbre del modelo se refiere a las diferencias en los resultados entre múltiples modelos climáticos; y la incertidumbre del escenario se refiere al diferentes formas en que el mundo podría desarrollarse En las próximas décadas.

Nuestros resultados muestran que las erupciones volcánicas deben considerarse específicamente como una cuarta fuente significativa de incertidumbre en las proyecciones climáticas.

Para explorar cómo cambian las proyecciones climáticas al tener en cuenta la incertidumbre del forzamiento volcánico, nuestro estudio utiliza un probabilístico enfoque que se basa en una metodología de 2017 desarrollada por Bethke et al.

Para hacer esto, desarrollamos «estocástico escenarios forzados ” – esencialmente, 1,000 plauses plausibles diferentes de actividad volcánica que se extienden hasta el final del siglo.

Estos escenarios se basan en la actividad volcánica pasada registrada en núcleos de hielo Volviendo 11,500 años, junto con mediciones satelitales y evidencia geológica. Cada escenario representa diferentes combinaciones de magnitudes de erupción, ubicación, tiempo y frecuencia.

(En matemáticas, los sistemas «estocásticos» implican aleatoriedad o incertidumbre del resultado, haciéndolos impredecibles. Esto contrasta con los sistemas «deterministas», que se caracterizan por tener resultados que son completamente predecibles en función de las condiciones iniciales y un conjunto de reglas o ecuaciones).

Luego simulamos las proyecciones climáticas utilizando el forzamiento volcánico estocástico e históricamente promediado entre 2015 y 2100, explorando el aumento de la temperatura bajo tres escenarios de emisiones diferentes extraídos del Caminos socioeconómicos compartidos (SSP). Estos son un escenario de baja emisión (SSP1-1.9), un escenario intermedio que está en línea con las políticas climáticas actuales (SSP2-4.5) y un escenario de emisiones muy alto (SSP5-8.5).

Para este paso, utilizamos un modelo climático simple, o «emulador«, llamado Justo.

Al simular 1,000 futuros volcánicos diferentes, encontramos que la incertidumbre climática causada por las futuras erupciones del siglo XXI podría exceder el variabilidad interna del sistema climático mismo durante el mismo período.

También encontramos que las erupciones volcánicas podrían representar más de un tercio de la incertidumbre total en las proyecciones de temperatura global hasta la década de 2030.

Puede ver estos resultados en el cuadro a continuación. Muestra la contribución a la incertidumbre total de las diferentes fuentes. Los colores representan volcanes (naranja), variabilidad interna (azul oscuro), respuesta al modelo climático (amarillo) y escenarios de futuras emisiones humanas (verde).

Lo que esto significa para el umbral de 1.5c

Nuestras simulaciones demuestran que la incorporación de posibles plazos de actividad volcánica reduce ligeramente la probabilidad de cruzar el Acuerdo de parísAspiracional Límite de temperatura de 1.5c en el corto plazo.

Encontramos que, dependiendo del escenario de emisiones, la probabilidad de superar 1.5c disminuye en un 4-10%, en comparación con las proyecciones utilizando el forzamiento volcánico constante.

Si bien esto puede sonar alentador, la actividad volcánica futura no proporciona ninguna mitigación a largo plazo del calentamiento causado por los humanos.

La erupción del Monte Tambora en 1815 ofrece una ilustración dramática de este punto. Mientras que el evento enfrió las temperaturas globales en un promedio de 0.8c, condujo a un «año sin verano«Y causó fallas de cultivos y una hambruna generalizada en Europa, América del Norte y China.

Las erupciones producen un enfriamiento temporal que dura solo unos pocos años. No alteran la tendencia de calentamiento subyacente Impulsado por emisiones humanas.

Nuestro estudio encuentra que, teniendo en cuenta una variedad de actividades volcánicas futuras, el calentamiento global aún superará los 1.5 ° C en décadas en todos los escenarios de emisiones más bajos, excepto en los más bajos.

Un alto nivel de actividad volcánica durante el siglo XXI ayudaría a compensar solo una pequeña fracción del calentamiento global, lo que significa que la reducción de emisiones sigue siendo esencial para cumplir con los objetivos climáticos a largo plazo.

Los cuadros a continuación muestran la probabilidad de escenarios superiores a 1.5 ° C utilizando forzamiento volcánico estocástico (líneas continuas) y forzamiento volcánico constante (líneas discontinuas) en tres escenarios de emisiones (arriba) y la diferencia de probabilidad entre los dos enfoques de forzamiento (abajo).

Variabilidad de la temperatura a escala de decadal

Otra idea importante de nuestra investigación es que las décadas cálidas y frías extremas se vuelven más probables una vez que se explica la variabilidad del forzamiento volcánico.

Encontramos que la posibilidad de una tendencia decadal negativa, una década en la que la temperatura global de la superficie se enfría en promedio, aumenta en un 10-18% en el escenario de emisiones intermedias.

También encontramos un aumento correspondiente en la probabilidad de décadas extremadamente cálidas, lo que refleja cómo la variabilidad de forzamiento volcánico mejora la probabilidad de enfriar y calentar los extremos.

Esto subraya cómo las erupciones volcánicas podrían introducir una variabilidad significativa en las tendencias de temperatura global durante las escalas de tiempo decadales.

Hacia mejores proyecciones climáticas

Comprender los efectos volcánicos en el clima es esencial para evaluar de manera integral los riesgos futuros para la agricultura, la infraestructura y los sistemas de energía.

Ejecutando miles de escenarios volcánicos con a gran escala Modelos de sistemas de tierra no es práctico, ya que requiere demasiada potencia informática. Por otro lado, los enfoques actuales tienen limitaciones significativas, como se describió anteriormente.

Sin embargo, hay un punto medio para futuros esfuerzos de modelado climático.

La siguiente fase de futuros experimentos de modelado climático: el Proyecto de intercomparación del modelo de escenario para CMIP7 – Puede usar una línea de base de forzamiento volcánica más representativa «promedio» que incorpora los efectos de las pequeñas erupciones a menudo perdidas en los registros históricos. Este sesgo ahora se ha abordado en el conjunto de datos de forzamiento volcánico histórico que sustentará la próxima generación de simulaciones de modelos climáticos.

Además, los equipos de modelado deben ejecutar escenarios adicionales con una actividad volcánica futura alta y baja para capturar el rango de incertidumbre volcánica en las proyecciones climáticas.

Si bien las emisiones de gases de efecto invernadero, causados ​​por humanos siguen siendo el impulsor dominante del cambio climático, tener adecuadamente la incertidumbre volcánica proporciona una imagen más completa de los posibles futuros climáticos y sus implicaciones para la sociedad.