Vipppunkter i klimatsystemet

Möjliga tippelement i klimatsystemet

Inom klimatvetenskapen är en tipppunkt en kritisk tröskel som, när den passeras, leder till stora och ofta oåterkalleliga förändringar i klimatsystemet . Om vändpunkter korsas kommer de sannolikt att få allvarliga konsekvenser för det mänskliga samhället. Tippbeteende finns i hela klimatsystemet, i ekosystem, inlandsisar och cirkulationen av havet och atmosfären.

Tipping points är ofta, men inte nödvändigtvis, abrupt. Till exempel, med en genomsnittlig global uppvärmning någonstans mellan 0,8 °C (1,4 °F) och 3 °C (5,4 °F), Grönlands inlandsis en tipppunkt och är dömd, men dess smältning skulle ske under årtusenden.

Vipppunkter är möjliga vid dagens globala uppvärmning på drygt 1 °C (1,8 °F) över förindustriell tid, och mycket troligt över 2 °C (3,6 °F) av global uppvärmning. Det geologiska protokollet visar många plötsliga förändringar som tyder på att tipppunkter kan ha korsats i antiken. Det är möjligt att vissa tipppunkter är nära att korsas eller redan har korsats, som de i Västantarktis och Grönlands inlandsisar , Amazonas regnskog och varmvattenskorallrev . En fara är att om tipppunkten i ett system korsas kan detta orsaka en kaskad av andra tipppunkter, vilket leder till allvarliga, potentiellt katastrofala , effekter.

Definition

Positiv vändpunkt i samhället

Den sjätte rapporten från FN:s mellanstatliga panel för klimatförändringar (IPCC), som släpptes 2021, definierar en tipppunkt som en "kritisk tröskel bortom vilken ett system omorganiseras, ofta abrupt och/eller oåterkalleligt". Det kan orsakas av en liten störning som orsakar en oproportionerligt stor förändring i systemet. Det kan också förknippas med självförstärkande återkopplingar , vilket kan leda till förändringar i klimatsystemet som är irreversibla på en mänsklig tidsskala. För en viss klimatkomponent kan övergången från ett tillstånd till ett nytt stabilt tillstånd ta många decennier eller århundraden.

2019 IPCC:s särskilda rapport om havet och kryosfären i ett förändrat klimat definierar en tipppunkt som: "En nivå av förändring i systemegenskaper bortom vilken ett system omorganiseras, ofta på ett icke-linjärt sätt, och inte återgår till det ursprungliga tillståndet. även om drivkrafterna för förändringen dämpas. För klimatsystemet syftar termen på en kritisk tröskel vid vilken globalt eller regionalt klimat förändras från ett stabilt tillstånd till ett annat stabilt tillstånd."

I ekosystem och i sociala system kan en tipppunkt utlösa ett regimskifte , en större systemomorganisation till en ny stabil stat. Sådana regimskiften behöver inte vara skadliga. I samband med klimatkrisen används vändpunktsmetaforen ibland i positiv bemärkelse, till exempel för att hänvisa till förändringar i den allmänna opinionen till förmån för åtgärder för att mildra klimatförändringarna, eller potentialen för mindre politiska förändringar för att snabbt påskynda övergången till en grön ekonomi.

Geologisk rekord

Smältvattenpuls 1A var en period av abrupt havsnivåhöjning för cirka 14 000 år sedan. Det kan vara ett exempel på en tipppunkt.

Det geologiska registret visar att det har skett abrupta förändringar i klimatsystemet som tyder på uråldriga tipppunkter. Till exempel Dansgaard–Oeschger-händelserna under den senaste istiden perioder av abrupt uppvärmning (inom decennier) på Grönland och Europa, som kan ha involverat de abrupta förändringarna i stora havsströmmar. Under deglaciationen i tidig holocen var havsnivåhöjningen inte jämn, utan steg abrupt under smältvattenpulser . Monsunen i Nordafrika såg plötsliga förändringar på decadala tidsskalor under den afrikanska fuktiga perioden . Denna period, som sträckte sig från 15 000 till 5 000 år sedan, slutade också plötsligt i ett torrare tillstånd.

Tippelement

Forskare har identifierat många element i klimatsystemet som kan ha vändpunkter. i början av 2000-talet började IPCC överväga möjligheten till tipppunkter. Vid den tiden drog IPCC slutsatsen att de bara skulle vara sannolika i händelse av en global uppvärmning på 4 °C (7,2 °F) eller mer över förindustriell tid. Från och med 2021 anses tipppunkter ha betydande sannolikhet vid dagens uppvärmningsnivå på drygt 1 °C (1,8 °F), med hög sannolikhet över 2 °C (3,6 °F) för global uppvärmning, och det är möjligt att vissa tippar punkter är nära att korsas eller redan har korsats, som inlandsisarna i Västantarktis och Grönland, varmvattenkorallrev och Amazonas regnskog.

Från och med september 2022 identifierades nio centrala tippelement och sju regionala tippelement. Av dessa beräknas ett regionalt och tre kärnklimatelement sannolikt passera en tipppunkt om den globala uppvärmningen når 1,5 °C (2,7 °F), nämligen Grönlands inlandsis kollaps, västantarktiska inlandsisen kollaps, tropiska korallrev dör av, och den boreala permafrosten tinar abrupt. Ytterligare två tipppunkter förutspås vara troliga om uppvärmningen fortsätter att närma sig 2 °C (3,6 °F): Abrupt förlust av Barents havsis och Labradorhavets subpolära gyre kollapsar.

Globala centrala tippelement
Föreslaget klimattippelement (och tipppunkt)	Tröskelvärde ( °C)			Tidskala (år)			Maximal påverkan ( °C)
Föreslaget klimattippelement (och tipppunkt)	Beräknad	Minimum	Maximal	Beräknad	Minimum	Maximal	Global	Regional
Grönlands inlandsis (kollaps)	1.5	0,8	3.0	10k	1k	15k	0,13	0,5 till 3,0
Västantarktiska istäcket (kollaps)	1.5	1.0	3.0	2k	500	13k	0,05	1.0
Labrador-Irminger Seas/SPG konvektion (kollaps)	1.8	1.1	3.8	10	5	50	-0,5	-3,0
Östra Antarktiska subglaciala bassänger (kollaps)	3.0	2.0	6,0	2k	500	10k	0,05	?
Amazonas regnskog (död)	3.5	2.0	6,0	100	50	200	0,1 (delvis) 0,2 (totalt)	0,4 till 2,0
Boreal permafrost (kollaps)	4.0	3.0	6,0	50	10	300	0,2 - 0,4	~
Atlantic Meridional vältande cirkulation (kollaps)	4	1.4	8	50	15	300	-0,5	-4 till -10
Arctic Winter Sea Ice (kollaps)	6.3	4.5	8.7	20	10	100	0,6	0,6 till 1,2
Östra Antarktiska istäcket (kollaps)	7.5	5.0	10,0	?	10k	?	0,6	2.0

Regionala påverkansdippelement
Föreslaget klimattippelement (och tipppunkt)	Tröskelvärde ( °C)			Tidskala (år)			Maximal påverkan ( °C)
Föreslaget klimattippelement (och tipppunkt)	Beräknad	Minimum	Maximal	Beräknad	Minimum	Maximal	Global	Regional
Korallrev på låg latitud (dieoff)	1.5	1.0	2.0	10	~	~	~	~
Boreal permafrost (abrupt upptining)	1.5	1.0	2.3	200	100	300	0,04 per °C med 2100; 0,11 per °C med 2300	~
Barents havsis (abrupt förlust)	1.6	1.5	1.7	25	?	?	~	+
Bergglaciärer (förlust)	2.0	1.5	3.0	200	50	1k	0,08	+
Sahel och W.African Monsoon (grönning)	2.8	2	3.5	50	10	500	~	+
Boreal Forest (södra dieoff)	4.0	1.5	5.0	100	50	?	netto -0,18	-0,5 till -2
Boreal Forest (expansion i norr)	4.0	1.5	7.2	100	40	?	netto +0,14	0,5-1,0

Grönlands inlandsis sönderfaller

Dessa grafer indikerar övergången till ett dynamiskt tillstånd av ihållande massförlust efter den utbredda reträtten av GIS 2000–2005.

Grönlandsisen är den näst största inlandsisen i världen och är tre gånger så stor som den amerikanska delstaten Texas . Den rymmer tillräckligt med vatten, som om den smälter helt kan höja havsnivån globalt med 7,2 meter (24 fot). På grund av den globala uppvärmningen smälter inlandsisen i en accelererande hastighet och ökar den globala havsnivån med nästan 1 mm varje år. Ungefär hälften av isförlusten sker genom ytsmältning, och resten sker vid inlandsisens bas där inlandsisen berör havet, genom att kalvs (bryts av) från dess kanter.

Grönlands inlandsis har en tipppunkt på grund av smält- höjdsfeedbacken . Ytsmältning minskar höjden på inlandsisen. Eftersom luften på lägre höjd är varmare utsätts inlandsisen för varmare temperaturer, vilket påskyndar dess smältning. En analys från 2021 av subglacialt sediment på botten av en 1,4 kilometer (0,87 mi) Grönlands iskärna finner att Grönlands inlandsis smälte bort minst en gång under de senaste miljoner åren, och antyder därför starkt att dess tipppunkt ligger under 2,5 °C (4,5 °F) maximal temperaturökning under de förindustriella förhållanden som observerades under den perioden. Det finns vissa bevis på att Grönlands inlandsis håller på att förlora stabilitet och närmar sig en tipppunkt.

Västantarktis istäcksupplösning

En topografisk och batymetrisk karta över Antarktis utan dess inlandsisar, med antagande om konstanta havsnivåer och ingen post-glacial återhämtning

The West Antarctic Ice Sheet (WAIS) är ett stort inlandsis i Antarktis; på platser som är mer än 4 kilometer (2,5 mi) tjocka. Den ligger på berggrunden mestadels under havsytan. Som sådan är den i kontakt med värmen från havet vilket gör den sårbar för snabb och oåterkallelig isförlust. En tipppunkt kan nås om uttunning eller kollaps av WAIS:s ishyllor utlöser en återkopplingsslinga som leder till snabb och oåterkallelig förlust av dess is i havet. Om inlandsisen smälter helt skulle den bidra med cirka 3,3 meter (11 fot) havsnivåhöjning.

Isförlusten från WAIS accelererar. Paleo -rekordet tyder på att WAIS under de senaste hundra tusen åren i stort sett försvunnit som svar på liknande nivåer av uppvärmning och CO ₂ -utsläppsscenarier som projiceras för de närmaste århundradena.

Liksom med de andra inlandsisarna finns det en motverkande negativ återkoppling - större uppvärmning förstärker även klimatförändringarnas effekter på vattnets kretslopp, vilket resulterar i en ökad nederbörd över inlandsisen i form av snö under vintern, vilket skulle frysa till. på ytan, och denna ökning av ytmassbalansen ( SMB) motverkar en del av isförlusten. I IPCC:s femte utvärderingsrapport föreslogs att denna effekt potentiellt skulle kunna övermanna ökad isförlust under de högre nivåerna av uppvärmning och resultera i en liten nettoökning av is, men vid tiden för IPCC:s sjätte utvärderingsrapport hade förbättrad modellering visat att glaciärupplösningen skulle konsekvent accelerera i en snabbare takt.

North Subpolar Gyre

Modellerad 2000-talets uppvärmning under det "mellanliggande" klimatförändringsscenariot (överst). Den potentiella kollapsen av det subpolära gyret i detta scenario (mitten). Kollapsen av hela AMOC (nederst).

Vissa klimatmodeller indikerar att den djupa konvektionen i Labrador - Irmingerhavet kan kollapsa under vissa globala uppvärmningsscenarier , som sedan skulle kollapsa hela cirkulationen i det norra subpolära gyret . Det anses osannolikt att återhämta sig även om temperaturen återgår till en lägre nivå, vilket gör det till ett exempel på en klimatvändpunkt. Detta skulle resultera i snabb nedkylning, med konsekvenser för ekonomiska sektorer, jordbruksindustri, vattenresurser och energihushållning i Västeuropa och USA:s östkust. Frajka-Williams et al. 2017 påpekade att de senaste förändringarna i kylningen av det subpolära gyret, varma temperaturer i subtroperna och kalla anomalier över tropikerna, ökade den rumsliga fördelningen av meridionalgradienten i havsytans temperaturer, vilket inte fångas upp av AMO- indexet .

En studie från 2021 fann att denna kollaps inträffar i endast fyra CMIP6- modeller av 35 analyserade. Men bara 11 modeller av 35 kan simulera nordatlantisk ström med hög grad av noggrannhet, och detta inkluderar alla fyra modeller som simulerar kollaps av det subpolära gyret. Som ett resultat uppskattade studien risken för en abrupt nedkylningshändelse över Europa orsakad av kollapsen av strömmen till 36,4 %, vilket är lägre än den 45,5 % chans som uppskattades av den tidigare generationens modeller År 2022, föreslog en tidning att tidigare störning av subpolär gyre var kopplad till den lilla istiden .

Östra Antarktis istäcksupplösning

Östra Antarktiska istäcket är det största och tjockaste inlandsisen på jorden, med en maximal tjocklek på 4 800 meter (3,0 mi). En fullständig upplösning skulle höja den globala havsnivån med 53,3 meter (175 fot), men detta kanske inte inträffar förrän en global uppvärmning på 10 °C (18 °F), medan förlusten av två tredjedelar av dess volym kan kräva minst 6 °C (11 °F) uppvärmning för att utlösa. Dess smältning skulle också ske över en längre tidsskala än förlusten av någon annan is på planeten, vilket tar inte mindre än 10 000 år att slutföra. Emellertid kan de subglaciala bassängdelarna av det östra Antarktiska istäcket vara känsliga för tippning vid lägre uppvärmningsnivåer. Wilkesbassängen är särskilt oroande, eftersom den innehåller tillräckligt med is för att höja havsnivån med cirka 3–4 meter (10–13 fot) .

Från och med 2022 har 20% av Amazonas regnskog "förvandlats" (avskogats) och ytterligare 6% har blivit "högt försämrad", vilket får Amazon Watch att varna för att Amazonien är mitt i en kris.

Amazonas regnskog dör ner

Amazonas regnskog är den största tropiska regnskogen i världen. Det är dubbelt så stort som Indien och sträcker sig över nio länder i Sydamerika. Den producerar ungefär hälften av sin egen nederbörd genom att återvinna fukt genom avdunstning och transpiration när luften rör sig över skogen. När skog går förlorad genom klimatförändringar (torka och bränder) eller avskogning kommer det att bli mindre regn och fler träd kommer att dö. Så småningom kan stora delar av regnskogen dö ut och förvandlas till ett torrt savannlandskap . År 2022 rapporterade en studie att regnskogen har tappat motståndskraft sedan början av 2000-talet. Resiliens mäts genom återhämtningstid från kortvariga störningar . Denna försenade återgång till jämvikt i regnskogen kallas kritisk nedgång . Den observerade förlusten av motståndskraft förstärker teorin om att regnskogen närmar sig en kritisk övergång .

Permafrost tinar

Markkollaps orsakad av plötslig upptining av permafrost i Herschel Island , Kanada, 2013

Perennt frusen mark, eller permafrost , täcker stora delar av marken – främst i Sibirien , Alaska , norra Kanada och den tibetanska platån – och kan vara upp till en kilometer tjock. Undervattenspermafrost upp till 100 meter tjock förekommer också på havsbotten under en del av Ishavet. Denna frusna mark innehåller enorma mängder kol från växter och djur som dog och bröts ner under tusentals år. Forskare tror att det finns nästan dubbelt så mycket kol i permafrost än vad som finns i jordens atmosfär. När klimatet värms upp och permafrosten börjar tina släpps koldioxid och metan ut i atmosfären. Med högre temperaturer blir mikrober aktiva och bryter ner det biologiska materialet i permafrosten. Detta kan ske snabbt, eller under längre tidsperioder, och förlusten skulle vara oåterkallelig. Eftersom CO ₂ och metan båda är växthusgaser fungerar de som en självförstärkande feedback på permafrostsmältan.

Atlantic Meridional vältande cirkulation

Den norra delen av Atlantic Meridional Overturning Circulation

Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), även känd som Golfströmssystemet, är ett stort system av havsströmmar . Det drivs av skillnader i vattentätheten; kallare och saltare vatten är tyngre än varmare sötvatten. AMOC fungerar som ett transportband som skickar varmt ytvatten från tropikerna norrut och för kallt sötvatten tillbaka söderut. När varmt vatten rinner norrut avdunstar en del vilket ökar salthalten. Den kyler även när den utsätts för svalare luft. Kallt, salt vatten är tätare och börjar sakta sjunka. Flera kilometer under ytan börjar kallt, tätt vatten röra sig söderut. Ökad nederbörd och issmältning på grund av global uppvärmning späder ut det salta ytvattnet och uppvärmningen minskar dess densitet ytterligare. Det lättare vattnet har mindre förmåga att sjunka, vilket saktar ner cirkulationen.

Teori, förenklade modeller och rekonstruktioner av plötsliga förändringar i det förflutna tyder på att AMOC har en tipppunkt. Om sötvattentillförseln från smältande glaciärer når en viss tröskel kan den kollapsa till ett tillstånd av minskat flöde. Även efter att smältningen upphör kan det hända att AMOC inte återgår till sitt nuvarande tillstånd. Det är osannolikt att AMOC kommer att tippa under 2000-talet, men det kan göra det före 2300 om utsläppen av växthusgaser är mycket höga. En försvagning på 24 % till 39 % förväntas beroende på utsläppen av växthusgaser, även utan tippbeteende. Om AMOC stänger av kan ett nytt stabilt tillstånd uppstå som varar i tusentals år, vilket möjligen utlöser andra tipppunkter.

År 2021 uppskattade en studie som använde en "primitiv" havmodell med ändlig skillnad att AMOC-kollaps kunde åberopas av en tillräckligt snabb ökning av issmältningen även om den aldrig nådde de gemensamma tröskelvärdena för tippning som erhålls från långsammare förändring. Således antydde det att AMOC-kollapsen är mer sannolikt än vad som vanligtvis uppskattas av de komplexa och storskaliga klimatmodellerna. En annan studie från 2021 fann tidiga varningssignaler i en uppsättning AMOC-index, vilket tyder på att AMOC kan vara nära att tippa. Det motsagdes dock av en annan studie som publicerades i samma tidskrift året efter, som fann en "i stort sett stabil" AMOC som hittills inte hade påverkats av klimatförändringar utöver sin egen naturliga variation. Ytterligare två studier publicerade 2022 har också föreslagit att de modelleringsmetoder som vanligtvis används för att utvärdera AMOC verkar överskatta risken för dess kollaps.

Arktisk havsis

Genomsnittlig dekadalomfattning och area av havsisen i Ishavet sedan starten av satellitobservationer.

Årlig trend i den arktiska havsisens utbredning och område för tidsperioden 2011-2022.

Arktisk havsis identifierades en gång som ett potentiellt tippelement. Förlusten av solljusreflekterande havsis under sommaren exponerar det (mörka) havet, som skulle värma. Arktiskt havsistäcke kommer sannolikt att smälta helt under även relativt låga nivåer av uppvärmning, och det antogs att detta så småningom skulle kunna överföra tillräckligt med värme till havet för att förhindra havsisåterhämtning även om den globala uppvärmningen vänds. Modellering visar nu att denna värmeöverföring under den arktiska sommaren inte övervinner nedkylningen och bildandet av ny is under den arktiska vintern . Som sådan är förlusten av arktisk is under sommaren inte en tipppunkt så länge som den arktiska vintern förblir tillräckligt sval för att möjliggöra bildandet av ny arktisk havsis. Men om de högre nivåerna av uppvärmning förhindrar bildandet av ny arktisk is även under vintern, kan denna förändring bli irreversibel. Följaktligen ingår Arctic Winter Sea Ice som en potentiell tipppunkt i en bedömning 2022.

Dessutom hävdade samma bedömning att medan resten av isen i Ishavet kan återhämta sig från en total sommarförlust under vintern, kanske istäcket i Barents hav inte förändras under vintern ens under 2 °C (3,6 °F) av uppvärmning. Detta beror på att Barents hav redan är den snabbast värmande delen av Arktis: 2021-2022 fann man att medan uppvärmningen inom polcirkeln redan har varit nästan fyra gånger snabbare än det globala genomsnittet sedan 1979, värmdes Barents hav upp till sju gånger snabbare än det globala genomsnittet. Denna vändpunkt är viktig på grund av den decennielånga historien om forskning om kopplingarna mellan tillståndet i Barents- Kara havs is och vädermönstren på andra håll i Eurasien .

Korallrevet dör ut

Blekt korall med normal korall i bakgrunden

Omkring 500 miljoner människor runt om i världen är beroende av korallrev för mat, inkomst, turism och kustskydd. Sedan 1980-talet hotas detta av ökningen av havsytans temperaturer som utlöser massblekning av koraller , särskilt i subtropiska regioner . En ihållande havstemperaturökning på 1 °C (1,8 °F) över genomsnittet är tillräckligt för att orsaka blekning. Under värmestress driver koraller ut de små färgglada algerna som lever i deras vävnader, vilket gör att de blir vita. Algerna, kända som zooxanthellae , har ett symbiotiskt förhållande med koraller så att utan dem dör korallerna långsamt. Efter att dessa zooxantheller har försvunnit är korallerna sårbara för en övergång mot ett tångdominerat ekosystem , vilket gör det mycket svårt att växla tillbaka till ett koralldominerat ekosystem. IPCC uppskattar att när temperaturen har stigit till 1,5 °C (2,7 °F) över förindustriell tid, kommer mellan 70 % och 90 % av korallreven som finns idag att försvinna ; och att om världen värms upp med 2 °C (3,6 °F), kommer de att bli extremt sällsynta.

Bergglaciärer

Prognostiserade förluster av bergsglaciärer under 2000-talet, för olika mängder av global uppvärmning.

Bergsglaciärer är det största förvaret av landbunden is efter Grönlands och Antarktis inlandsisar, och de håller också på att smälta som ett resultat av klimatförändringar . En glaciärs tipppunkt är när den går in i ett ojämviktstillstånd med klimatet och kommer att smälta bort om inte temperaturerna sjunker. Exempel inkluderar glaciärer i North Cascade Range , där 67 % av de observerade glaciärerna till och med 2005 var i obalans och inte kommer att överleva det nuvarande klimatets fortsättning, eller de franska Alperna , där glaciärerna Argentière och Mer de Glace förväntas försvinna. helt i slutet av 2000-talet om nuvarande klimattrender kvarstår. Sammantaget beräknades 2023 att 49 % av världens glaciärer skulle gå förlorade år 2100 vid 1,5 °C (2,7 °F) av den globala uppvärmningen, och 83 % av glaciärerna skulle gå förlorade vid 4 °C (7,2 °F). Detta skulle uppgå till en fjärdedel respektive nästan hälften av bergsglaciärens *massa* förlust, eftersom endast de största, mest motståndskraftiga glaciärerna skulle överleva århundradet. Denna isförlust skulle också bidra med ~ 9 cm ( 3 + 1 ⁄ 2 tum) och ~15 cm (6 tum) till havsnivåhöjningen, medan den nuvarande sannolika banan på 2,7 °C (4,9 °F) skulle resultera i SLR-bidraget på ~ 11 cm ( 4 + 1 ⁄ 2 tum) år 2100.

Den absolut största mängden glaciäris finns i Hindu Kush Himalaya -regionen, som i dagligt tal är känd som jordens "tredje pol" som resultatet. Man tror att en tredjedel av den isen kommer att vara förlorad år 2100 även om uppvärmningen begränsas till 1,5 °C (2,7 °F), medan "mellanliggande" och "allvarliga" klimatförändringsscenarier (RCP 4.5 och 8.5) är sannolikt att leda till förluster av 50 % och >67 % av regionens glaciärer under samma tidsram. Glaciärsmältningen förväntas påskynda regionala flodflöden tills mängden smältvatten når en topp runt 2060, och sedan gå in i en oåterkallelig nedgång. Eftersom den regionala nederbörden kommer att fortsätta att öka även när bidraget från glaciärens smältvatten minskar, förväntas de årliga flodflödena endast minska i de västra bassängerna där bidraget från monsunen är lågt : dock skulle bevattning och vattenkraftproduktion fortfarande behöva anpassa sig till större variationer mellan år och lägre före-monsunflöden i regionens alla floder.

Sahel-grönning

Grönare av Sahel mellan 1982 och 1999

Vissa simuleringar av global uppvärmning och ökade koldioxidkoncentrationer har visat på en betydande ökning av nederbörden i Sahel/Sahara. Detta och den ökade växttillväxten direkt inducerad av koldioxid skulle kunna leda till en expansion av vegetationen till dagens öken, även om den skulle vara mindre omfattande än under mitten av holocen och kanske åtföljd av en nordlig förskjutning av öknen, dvs en uttorkning av nordligaste Afrika. En sådan nederbördsökning kan också minska mängden damm med ursprung i norra Afrika, med effekter på orkanaktiviteten i Atlanten och ökade hot om orkanangrepp i Karibien , Mexikanska golfen och USA :s östkust .

Den särskilda rapporten om global uppvärmning på 1,5 °C och IPCC:s femte utvärderingsrapport visar att den globala uppvärmningen sannolikt kommer att resultera i ökad nederbörd över större delen av Östafrika, delar av Centralafrika och den huvudsakliga våta säsongen i Västafrika, även om det råder betydande osäkerhet relaterade till dessa prognoser, särskilt för Västafrika. Dessutom kan slutet av 1900-talets uttorkningstrenden bero på den globala uppvärmningen. Å andra sidan kan Västafrika och delar av Östafrika bli torrare under givna årstider och månader. För närvarande håller Sahel på att bli grönare men nederbörden har inte helt återhämtat sig till nivåer som nåddes i mitten av 1900-talet.

Klimatmodeller har gett tvetydiga resultat om effekterna av antropogen global uppvärmning på nederbörden i Sahara/Sahel. Människoorsakade klimatförändringar sker genom andra mekanismer än den naturliga klimatförändringen som ledde till AHP, i synnerhet genom ökade inter-hemisfäriska temperaturgradienter. Den direkta effekten av värme på växter kan vara skadlig. Icke-linjära ökningar av vegetationstäcket är också möjliga, med flera klimatmodeller som visar plötsliga ökningar när den globala temperaturen stiger med 2–4 °C (3,6–7,2 °F). En studie från 2003 visade att vegetationsintrång i Sahara kan inträffa inom decennier efter kraftiga ökningar av koldioxid i atmosfären , men att de inte täcker mer än cirka 45 % av Sahara. Den klimatstudien visade också att vegetationsexpansion endast kan ske om bete eller andra störningar av vegetationstillväxten inte hindrar det. Å andra sidan kan ökad bevattning och andra åtgärder för att öka vegetationstillväxten, såsom den stora gröna muren, förbättra den. En studie från 2022 visade att även om ökade koncentrationer av växthusgaser i sig inte är tillräckliga för att starta en AHP om återkopplingar av växthusgaser och vegetation ignoreras, sänker de tröskeln för omloppsändringar för att inducera grönare Sahara.

Borealt skogsbioomskifte

Under den sista fjärdedelen av 1900-talet upplevde latitudzonen som ockuperades av taiga några av de största temperaturökningarna på jorden. Vintertemperaturerna har ökat mer än sommartemperaturerna. På sommaren har den dagliga lågtemperaturen ökat mer än den dagliga höga temperaturen. Det har antagits att de boreala miljöerna endast har ett fåtal tillstånd som är stabila på lång sikt - en trädlös tundra / stäpp , en skog med >75% trädtäcke och en öppen skogsmark med ~20% och ~45% trädtäcke. Således skulle fortsatta klimatförändringar kunna tvinga åtminstone några av de nuvarande taigaskogarna in i en av de två skogsstaterna eller till och med till en trädlös stäpp - men det skulle också kunna flytta tundraområden till skogsmarker eller skogsstater när de värms upp och blir mer lämpad för trädtillväxt.

Svaret från sex trädarter som är vanliga i Quebecs skogar på 2 °C (3,6 °F) och 4 °C (7,2 °F) uppvärmning under olika nederbördsnivåer.

Dessa trender upptäcktes först i de kanadensiska boreala skogarna i början av 2010-talet, och sommaruppvärmningen hade också visat sig öka vattenstressen och minska trädtillväxten i torra områden i den södra boreala skogen i centrala Alaska och delar av avlägsna östra Ryssland. I Sibirien omvandlas taigan från övervägande nålfällande lärkträd till vintergröna barrträd som svar på ett värmande klimat. Efterföljande forskning i Kanada fann att även i skogarna där biomassatrenderna inte förändrades, har det skett en betydande förändring mot lövträden med högre torktolerans under de senaste 65 åren, och en Landsat-analys av 100 000 ostörda platser visade att områden med lågt trädtäcke blev grönare som svar på uppvärmningen, men träddödligheten (brynning) blev den dominerande reaktionen när andelen befintligt trädtäcke ökade. En studie från 2018 av de sju trädarterna som dominerar i de östra kanadensiska skogarna fann att medan enbart 2 °C (3,6 °F) uppvärmning ökar deras tillväxt med cirka 13 % i genomsnitt, är vattentillgången mycket viktigare än temperatur och ytterligare uppvärmning till 4 °C (7,2 °F) skulle resultera i avsevärda minskningar om det inte motsvaras av ökningar i nederbörd.

En tidning från 2021 hade bekräftat att de boreala skogarna är mycket starkare påverkade av klimatförändringar än de andra skogstyperna i Kanada och förutspådde att de flesta av de östra kanadensiska boreala skogarna skulle nå en tipppunkt runt 2080 enligt RCP 8.5-scenariot, vilket representerar största potentiella ökningen av antropogena utsläpp. En annan studie från 2021 beräknade att under det "måttliga" SSP2-4.5 -scenariot skulle boreala skogar uppleva en 15 % global ökning av biomassa i slutet av århundradet, men detta skulle mer än kompenseras av minskningen av biomassan med 41 % i tropikerna. År 2022 hade resultaten av ett 5-årigt uppvärmningsexperiment i Nordamerika visat att ungdjuren av trädslag som för närvarande dominerar de södra marginalerna av de boreala skogarna klarar sig sämst som svar på till och med 1,5 °C (2,7 °F) eller 3,1 °C (5,6 °F) av uppvärmning och den tillhörande minskningen av nederbörd. Även om de tempererade arter som skulle dra nytta av sådana förhållanden också finns i de sydboreala skogarna, är de både sällsynta och har långsammare tillväxthastigheter.

Cuvette Centrale torvmark

Karta över Cuvette Centrales läge i Kongobäckenet . Tre grafer visar utvecklingen av dess torvmarks kolinnehåll under de senaste 20 000 åren, rekonstruerad från tre torvkärnor.

2017 upptäcktes det att 40 % av våtmarkerna Cuvette Centrale är belagda med ett tätt lager av torv , som innehåller cirka 30 petagram (miljarder ton) kol . Detta motsvarar 28 % av allt kol från tropisk torv, och det motsvarar också kol som finns i alla skogar i Kongobäckenet . Med andra ord, medan denna torvmark bara täcker 4 % av Kongobäckenområdet, är dess kolinnehåll likvärdigt med alla träd över de andra 96 %. Då uppskattades det också att om all torv brann skulle atmosfären absorbera motsvarande 20 års nuvarande koldioxidutsläpp i USA , eller tre år av alla antropogena CO ₂ -utsläpp.

Detta hot föranledde undertecknandet av Brazzaville-deklarationen i mars 2018: ett avtal mellan Demokratiska republiken Kongo , Republiken Kongo och Indonesien (ett land med längre erfarenhet av att förvalta sina egna tropiska torvmarker) som syftar till att främja bättre förvaltning och bevarande av denna region. Men 2022 års forskning av samma lag som ursprungligen upptäckte denna torvmark reviderade inte bara dess yta (från den ursprungliga uppskattningen på 145.500 kvadratkilometer (56.178 kvadratkilometer) till 167.600 167.600 kvadratkilometer (64.711 kvadratkilometer) och djup (från 2 m) (6,6 fot) till (1,7 m (5,6 fot)) men noterade också att endast 8 % av detta torvkol för närvarande täcks av de befintliga skyddade områdena . Som jämförelse är 26 % av dess torv belägen i de områden som är öppna för avverkning , gruvdrift eller palmoljeplantager , och nästan hela detta område är öppet för utforskning av fossila bränslen .

Även i frånvaro av lokal störning från dessa aktiviteter är detta område det mest sårbara lagret av tropisk torvkol i världen, eftersom dess klimat redan är mycket torrare än i de andra tropiska torvmarkerna i Sydostasien och Amazonas regnskog . Dessutom indikerade ytterligare forskning från 2022 att de geologiskt senaste förhållandena för mellan 7 500 år sedan och 2 000 år sedan redan var tillräckligt torra för att orsaka betydande utsläpp av torv från detta område, och antydde att vi sannolikt kommer att återskapa dessa förhållanden inom en snar framtid under fortsatta klimatförändringar . I det här fallet skulle Cuvette Centrale fungera som en av tipppunkterna i klimatsystemet: för närvarande finns det inte tillräckligt med forskning för att beskriva exakt när det skulle kunna åta sig att tippa.

Ekvatoriala stratocumulusmoln

Under 2019 använde en studie en stor virvelsimuleringsmodell för att uppskatta att ekvatoriska stratocumulusmoln kunde bryta upp och spridas när CO2 -nivåerna stiger över 1 200 ppm (nästan tre gånger högre än de nuvarande nivåerna och över 4 gånger högre än de förindustriella nivåerna). Studien uppskattade att detta skulle orsaka en ytuppvärmning på cirka 8 °C (14 °F) globalt och 10 °C (18 °F) i subtroperna, vilket skulle vara utöver minst 4 °C (7,2 °F) redan orsakat av sådana CO2-koncentrationer. Dessutom skulle stratocumulusmoln inte reformeras förrän CO2-koncentrationerna sjunker till en mycket lägre nivå. Det föreslogs att detta fynd skulle kunna hjälpa till att förklara tidigare episoder av ovanligt snabb uppvärmning, såsom Paleocen-Eocen Termiskt Maximum År 2020, avslöjade ytterligare arbete från samma författare att i deras stora virvelsimulering kan denna tipppunkt inte stoppas med solenergiteknik : i ett hypotetiskt scenario där mycket höga CO2-utsläpp fortsätter under lång tid men kompenseras med omfattande solenergigeoteknik, uppbrytningen av stratocumulusmoln försenas helt enkelt tills CO2-koncentrationen når 1 700 ppm, då det fortfarande skulle orsaka omkring 5 °C ( 9,0 °F) av oundviklig uppvärmning.

Men eftersom stora virvelsimuleringsmodeller är enklare och mindre skala än de allmänna cirkulationsmodellerna som används för klimatprojektioner, med begränsad representation av atmosfäriska processer som sättningar , anses detta fynd för närvarande vara spekulativt. Andra forskare säger att modellen som används i den studien orealistiskt extrapolerar beteendet hos små molnområden till alla molndäck, och att den inte kan simulera något annat än en snabb övergång, och vissa jämför det med "en ratt med två inställningar". Dessutom skulle CO2-koncentrationerna bara nå 1 200 ppm om världen följer Representative Concentration Pathway 8.5, som representerar det högsta möjliga scenariot för utsläpp av växthusgaser och innebär en massiv utbyggnad av kolinfrastruktur . I så fall skulle 1 200 ppm passeras strax efter 2100.

Tidigare ansett tippelement

Möjligheten att El Niño–Southern Oscillation ( ENSO) är ett tippande element hade uppmärksammats tidigare. Normalt blåser starka vindar västerut över södra Stilla havet från Sydamerika till Australien . Vartannat till vart sjunde år försvagas vindarna på grund av tryckförändringar och luften och vattnet mitt i Stilla havet värms upp, vilket orsakar förändringar i vindens rörelsemönster runt om i världen. Detta är känt som El Niño och leder vanligtvis till torka i Indien , Indonesien och Brasilien , och ökade översvämningar i Peru . Under 2015/2016 orsakade detta livsmedelsbrist som drabbade över 60 miljoner människor. El Niño-inducerad torka kan öka sannolikheten för skogsbränder i Amazonas . Tröskeln för tippning uppskattades vara mellan 3,5 °C (6,3 °F) och 7 °C (13 °F) av global uppvärmning 2016. Efter tippning skulle systemet vara i ett mer permanent El Niño-tillstånd, snarare än att oscillera mellan olika stater. Detta har hänt i jordens förflutna, under Pliocen , men havets layout var väsentligt annorlunda än nu. Hittills finns det inga definitiva bevis som indikerar förändringar i ENSO:s beteende, och IPCC:s sjätte utvärderingsrapport drog slutsatsen att det är "nästan säkert att ENSO kommer att förbli det dominerande sättet för interårsvariabilitet i en varmare värld." Följaktligen inkluderar 2022 års bedömning det inte längre i listan över sannolika drickselement.

Den indiska sommarmonsunen är en annan del av klimatsystemet som ansågs vara misstänkt för irreversibel kollaps i den tidigare forskningen. Nyare forskning har dock visat att uppvärmningen tenderar att stärka den indiska monsunen, och den förväntas förstärkas i framtiden.

Metanhydratavlagringar i Arktis ansågs en gång vara känsliga för en snabb dissociation som skulle ha en stor inverkan på globala temperaturer, i ett dramatiskt scenario som kallas en clathrate gun-hypotes . Senare forskning fann att det tar årtusenden för metanhydrater att svara på uppvärmningen, medan metanutsläpp från havsbotten sällan överförs från vattenpelaren till atmosfären. IPCC:s sjätte utvärderingsrapport säger "Det är mycket osannolikt att gasklatrater (mestadels metan) i djupare terrestra permafrost och undervattensklatrater kommer att leda till en detekterbar avvikelse från utsläppsbanan under detta århundrade".

Matematisk teori

Illustration av tre typer av tipppunkter; (a), (b) buller-, (c), (d) bifurkations- och (e), (f) hastighetsinducerad. (a), (c), (e) exempel på tidsserier (färgade linjer) genom vändpunkten med svarta heldragna linjer som indikerar stabila klimattillstånd (t.ex. låg eller hög nederbörd) och streckade linjer representerar gränsen mellan stabila tillstånd. (b), (d), (f) stabilitetslandskap ger förståelse för de olika typerna av tipppunkter. Dalarna representerar olika klimattillstånd som systemet kan uppta med kullar som skiljer de stabila tillstånden åt.

Vipppunktsbeteende i klimatet kan beskrivas i matematiska termer. Tre typer av tipppunkter har identifierats - bifurkation , bullerinducerad och hastighetsberoende .

Bifurkationsinducerad tippning

Bifurkationsinducerad tippning inträffar när en viss parameter i klimatet (till exempel en förändring i miljöförhållanden eller forcering ), passerar en kritisk nivå – vid vilken tidpunkt en bifurkation äger rum – och det som var ett stabilt tillstånd förlorar sin stabilitet eller helt enkelt försvinner. Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) är ett exempel på ett tippelement som kan visa bifurkationsinducerad tippning. Långsamma förändringar av bifurkationsparametrarna i detta system – vattnets salthalt och temperatur – kan pressa cirkulationen mot kollaps.

Många typer av bifurkationer visar hysteres , vilket är beroendet av ett systems tillstånd av dess historia. Till exempel, beroende på hur varmt det var förr, kan det finnas olika mängder is på polerna vid samma koncentration av växthusgaser eller temperatur.

Tidiga varningssignaler

För tipppunkter som uppstår på grund av en bifurkation kan det vara möjligt att detektera om ett system närmar sig en tipppunkt, eftersom det blir mindre motståndskraftigt mot störningar när det närmar sig tipptröskeln. Dessa system visar en kritisk nedgång , med ett ökat minne (stigande autokorrelation ) och varians . Beroende på tippsystemets karaktär kan det finnas andra typer av tidiga varningssignaler. Plötslig ändring är inte en tidig varningssignal (EWS) för tipppunkter, eftersom abrupt ändring också kan inträffa om ändringarna är reversibla till styrparametern.

Dessa EWS är ofta utvecklade och testade med hjälp av tidsserier från paleo-registret, som sediment, iskappor och trädringar, där tidigare exempel på tippning kan observeras. Det är inte alltid möjligt att säga om ökad varians och autokorrelation är en föregångare till tippning, eller orsakad av intern variabilitet, till exempel vid kollaps av AMOC. Kvalitetsbegränsningar för paleodata komplicerar ytterligare utvecklingen av EWS. De har utvecklats för att upptäcka tippning på grund av torka i skogar i Kalifornien, och smältning av Pine Island Glacier i Västantarktis, bland andra system. Med hjälp av tidiga varningssignaler (ökad autokorrelation och varians i smälthastighetens tidsserier) har det föreslagits att Grönlands inlandsis för närvarande tappar motståndskraft, i överensstämmelse med modellerade tidiga varningssignaler från inlandsisen.

Människoinducerade förändringar i klimatsystemet kan vara för snabba för att tidiga varningssignaler ska bli tydliga, särskilt i system med tröghet.

Buller-inducerad tippning

Bullerinducerad tippning är övergången från ett tillstånd till ett annat på grund av slumpmässiga fluktuationer eller interna variationer i systemet. Brus-inducerade övergångar visar inte några av de tidiga varningssignalerna som uppstår med bifurkationer. Detta innebär att de är oförutsägbara eftersom den underliggande potentialen inte förändras. Eftersom de är oförutsägbara beskrivs sådana händelser ofta som en "ett-på-x-år"-händelse. Ett exempel är Dansgaard–Oeschger-händelserna under den senaste istiden , med 25 förekomster av plötsliga klimatfluktuationer under en 500-årsperiod.

Beloppsinducerad dricks

Hastighetsinducerad tippning inträffar när en förändring i miljön är snabbare än kraften som återställer systemet till dess stabila tillstånd. I torvmarker , till exempel, efter år av relativ stabilitet, kan hastighetsinducerad tippning leda till ett " explosivt utsläpp av markkol från torvmarker till atmosfären" - ibland känt som "kompostbombsinstabilitet". AMOC kan också visa hastighetsinducerad tippning: om issmältningshastigheten ökar för snabbt kan den kollapsa, även innan issmältningen når det kritiska värdet där systemet skulle genomgå en bifurkation.

Cascading tippoints

En föreslagen tippkaskad med fyra tippelement.

Att passera en tröskel i en del av klimatsystemet kan utlösa ett annat tippelement att tippa in i ett nytt tillstånd. Sådana sekvenser av trösklar kallas kaskadkopplande tipppunkter, ett exempel på en dominoeffekt . Isförlust i Västantarktis och Grönland kommer att avsevärt förändra havscirkulationen . Ihållande uppvärmning av de nordliga höga breddgraderna som ett resultat av denna process kan aktivera tippelement i den regionen, såsom permafrostnedbrytning och boreal skogsdöd . Upptining av permafrost är en hotmultiplikator eftersom den innehåller ungefär dubbelt så mycket kol som den mängd som för närvarande cirkulerar i atmosfären. Förlust av is på Grönland destabiliserar sannolikt Västantarktis istäcke via havsnivåhöjning, och vice versa, särskilt om Grönland skulle smälta först eftersom Västantarktis är särskilt sårbart för kontakt med varmt havsvatten.

En studie från 2021 med tre miljoner datorsimuleringar av en klimatmodell visade att nästan en tredjedel av dessa simuleringar resulterade i dominoeffekter, även när temperaturökningarna var begränsade till 2 °C (3,6 °F) – den övre gränsen som fastställdes i Parisavtalet år 2015. Författarna till studien sa att vetenskapen om tipping points är så komplex att det finns stor osäkerhet om hur de kan utvecklas, men hävdade ändå att möjligheten att kaskadkoppla tipping points representerar "ett existentiellt hot mot civilisationen". En nätverksmodellanalys antydde att tillfälliga överskridanden av klimatförändringar – att tillfälligt höja den globala temperaturen bortom Parisavtalets mål, vilket ofta förväntas – kan avsevärt öka riskerna för klimattappningskaskader ("med upp till 72 % jämfört med scenarier som inte överskrids").

Effekter

Schematisk över några möjliga interaktioner och kaskadeffekter mellan jordens klimatsystem och mänsklighetens sociala system

Tipppunkter kan ha mycket allvarliga konsekvenser. De kan förvärra nuvarande farliga effekter av klimatförändringar eller ge upphov till nya effekter. Vissa potentiella vändpunkter skulle ske abrupt, såsom störningar i den indiska monsunen , med allvarliga effekter på livsmedelsförsörjningen för hundratals miljoner. Andra effekter skulle sannolikt äga rum över längre tidsskalor, såsom istäckarnas smältning. De 10 meter (33 fot) havsnivåhöjningen från den kombinerade smältningen av Grönland och Västantarktis skulle kräva att många städer flyttades in i landet. av 1 meters havsnivåhöjning . Atlantic Overturning Circulation skulle förändra Europa radikalt och leda till cirka i Nordatlanten Dessa effekter kan inträffa samtidigt i fall av fallande tipppunkter. En genomgång av plötsliga förändringar under de senaste 30 000 åren visade att vändpunkter kan leda till en stor uppsättning kaskadeffekter i klimat, ekologiska och sociala system. Till exempel bröt det abrupta upphörandet av den afrikanska fuktiga perioden , och ökenspridning och regimskiften ledde till att pastorala samhällen drog sig tillbaka i Nordafrika och en förändring av dynastin i Egypten .

En metaanalys från 2021 om den potentiella ekonomiska effekten av tipppunkter visade att de ökar global risk; den medelstora uppskattningen var att de ökar den sociala kostnaden för kol med cirka 25 %, med en 10-procentig chans att vipppunkter mer än fördubblar den. Den sociala kostnaden för kol speglar den ekonomiska skadan från koldioxidutsläpp. Den inkluderade en detaljerad tabell över den beräknade ytterligare påverkan från varje tipppunkt per varje ton kol under den "mellanliggande" representativa koncentrationsvägen 4.5. Eftersom den skrevs före publiceringen av IPCC:s sjätte utvärderingsrapport och 2022 års bedömning av vipppunkter, innehåller den några tipppunkter som de inte längre anser vara rimliga, som metanhydrater och den indiska sommarmonsunen, och utesluter de mer nyligen identifierade som t.ex. Labrador-Irminger cirkulation.

The Social Cost of Carbon (SCC, i 2020 amerikanska dollar) och den procentuella förändringen i SCC på grund av tipppunkter kollektivt och individuellt
Tipping point (TP)	Förväntad SCC (US$/tCO ² )	Ökning på grund av TP, %
Ingen	52,03	—
Permafrost kol	56,41	8.4
Ocean metan hydraterar	58,85	13.1
Arktisk havsis/Surface Albedo Feedback	51,14	-1.7
Amazon	52,07	0,1
Grönlands inlandsis	52,97	1.8
Västantarktiska istäcket	53,57	2.9
AMOC	51,28	-1.4
Indiska sommarmonsunen	52,70	1.3
Alla TP:er	64,80	24.5
Σ huvudeffekter, alla TP:er	—	24.5
Alla kostsamma TP:er	67,05	28,9
Σ huvudeffekter, endast kostsamma TP:er	—	27.6

År 2022 kritiserades denna bedömning hårt av en grupp forskare inklusive Steve Keen och Timothy Lenton , som övervägde dessa värden, såväl som tidningens förslag att tipppunkter aktiverade vid 6 °C (11 °F) av den globala uppvärmningen skulle minska den globala uppvärmningen konsumtionen per capita med cirka 1,4 %, vilket är en enorm underskattning. Författarna till bedömningen svarade på denna kritik genom att notera att deras bedömning bör behandlas som utgångspunkten i ekonomisk bedömning av tipppunkter snarare än det sista ordet, och eftersom det mesta av litteraturen som ingår i deras metaanalys saknar förmåga att uppskatta icke-marknadsmässiga klimatskador är deras antal sannolikt underskattade. De har också noterat att om klimatförändringar antas påverka den ekonomiska tillväxttakten snarare än basnivån för ekonomisk aktivitet (vilket de anser är osannolikt, men fortfarande en möjlighet) så blir den sociala kostnaden för kol nästan 100 gånger större, medan påverkan av vipppunkter blir cirka 3 gånger större.

Runaway växthuseffekt

En skenande växthuseffekt är en tipppunkt så extrem att haven förångas och vattenångan flyr ut i rymden, ett oåterkalleligt klimattillstånd som inträffade på Venus . En skenande växthuseffekt har praktiskt taget ingen chans att orsakas av människor.

Venusliknande förhållanden på jorden kräver en stor långsiktig kraft som sannolikt inte kommer att inträffa förrän solen lyser upp med några tiotals procent, vilket kommer att ta några miljarder år.

Se även

externa länkar

Global Systems Institute Forskning om tipppoäng vid Exeter University
Klimattipsen 2022 BBC radiodokumentär