Влияние углекислого газа на изменение температуры Земли.

Введение

Изменение температуры Земли, вызванное изменениями концентрации углекислого газа в атмосфере.

Климатическая чувствительность – ключевой показатель в климатологии, описывающий, насколько потеплеет поверхность Земли при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере. Его формальное определение: «Изменение температуры поверхности в ответ на изменение концентрации углекислого газа (CO2) в атмосфере или другого радиационного воздействия». Эта концепция помогает ученым понять степень и масштаб последствий изменения климата. Поверхность Земли нагревается как прямое следствие увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере, так и увеличения концентрации других парниковых газов, таких как оксид азота и метан. Повышение температуры оказывает вторичное воздействие на климатическую систему. Эти вторичные эффекты называются климатическими обратными связями. К самоусиливающимся обратным связям относятся, например, таяние отражающего солнечный свет льда, а также увеличение испаропотока. Последний эффект увеличивает среднее содержание водяного пара в атмосфере, который сам по себе является парниковым газом. Ученые не знают точно, насколько сильны эти климатические обратные связи. Поэтому трудно предсказать точную величину потепления, которая произойдет при заданном увеличении концентрации парниковых газов. Если климатическая чувствительность окажется на верхней границе научных оценок, достижение цели Парижского соглашения по ограничению глобального потепления станет затруднительным. Концептуальная основа аналогична применяемой при оценке влияния экономических внешних эффектов.

Радиационное воздействие

Радиационные воздействия обычно количественно оцениваются в ваттах на квадратный метр (Вт/м²) и усредняются по верхней границе атмосферы Земли. В контексте вклада в долгосрочную климатическую чувствительность в период с 1750 по 2020 год, увеличение концентрации парниковых газов на 50% характеризуется воздействием около +2,1 Вт/м². В контексте краткосрочных вкладов в энергетический дисбаланс Земли (то есть скорость её нагрева/охлаждения), рассматриваемые временные интервалы могут быть столь же короткими, как интервал между измерениями или выборками данных моделирования, и, следовательно, вероятно, будут сопровождаться меньшими значениями воздействия. Воздействия, полученные в результате таких исследований, также анализировались и представлялись в масштабе десятилетий. Радиационное воздействие приводит к долгосрочным изменениям глобальной температуры. Ряд факторов вносят вклад в радиационное воздействие: увеличение нисходящего излучения в результате парникового эффекта, изменчивость солнечной радиации, связанная с изменениями орбиты планеты, изменения солнечной освещенности, прямое и косвенное воздействие аэрозолей (например, изменения альбедо из-за облачного покрова) и изменения в землепользовании (обезлесение или потеря отражающей ледяной поверхности). В современных исследованиях радиационное воздействие парниковых газов хорошо изучено, однако по состоянию на 2019 год для аэрозолей сохраняются значительные неопределенности.

Ключевые номера

Уровень углекислого газа вырос с 280 частей на миллион (ppm) в 18 веке, когда люди в эпоху промышленной революции начали сжигать значительное количество ископаемого топлива, такого как уголь, до более чем 415 ppm к 2020 году. Углекислый газ, являясь парниковым газом, препятствует уходу тепловой энергии из атмосферы Земли. К 2016 году атмосферный уровень углекислого газа увеличился на 45% по сравнению с доиндустриальным уровнем, а вызванное его ростом радиационное воздействие уже было более чем на 50% выше, чем в доиндустриальные времена, из-за нелинейных эффектов. Между началом промышленной революции в 18 веке и 2020 годом температура Земли повысилась чуть более чем на один градус Цельсия (около двух градусов по Фаренгейту).

Социальное значение

Поскольку экономика мер по смягчению последствий изменения климата во многом зависит от того, как быстро необходимо достичь углеродной нейтральности, оценки чувствительности климата могут иметь важные экономические и политические последствия. Одно исследование показывает, что сокращение вдвое неопределенности значения временного отклика климатической системы (ТКР) может сэкономить триллионы долларов. Более высокая чувствительность климата означает более резкое повышение температуры, что делает более целесообразным принятие значительных мер по борьбе с изменением климата. Если чувствительность климата окажется на верхнем пределе оценок ученых, то цель Парижского соглашения по ограничению глобального потепления значительно ниже 2 °C не будет достигнута, и повышение температуры превысит этот предел, по крайней мере, временно. Одно исследование оценило, что выбросы невозможно будет сократить достаточно быстро, чтобы достичь цели в 2 °C, если равновесная чувствительность климата (долгосрочный показатель) окажется выше. Чем более чувствительна климатическая система к изменениям концентрации парниковых газов, тем выше вероятность того, что на протяжении десятилетий температура будет значительно выше или ниже долгосрочного среднего значения.

Типы

В зависимости от временного масштаба, существует два основных способа определения чувствительности климата: краткосрочный переходный климатический отклик (TCR) и долгосрочная равновесная чувствительность климата (ECS), оба из которых учитывают потепление, вызванное усиливающимися обратными связями. Это не отдельные категории, а скорее перекрывающиеся области. Чувствительность к увеличению концентрации в атмосфере измеряется величиной изменения температуры при удвоении этой концентрации и, следовательно, выражается в единицах °C/(Вт/м²). Чувствительность климата примерно одинакова независимо от причины радиационного воздействия (например, парниковых газов или изменений солнечной активности). Когда чувствительность климата выражается как изменение температуры при концентрации, вдвое превышающей доиндустриальный уровень, ее единицы измерения – градусы Цельсия (°C).

Временные меры по борьбе с изменением климата

Переходный климатический отклик (TCR) определяется как "изменение глобальной средней температуры поверхности, усредненное за 20-летний период, центрированное во времени, соответствующем удвоению концентрации атмосферного углекислого газа, в симуляции климатической модели", в которой концентрация в атмосфере увеличивается на 1% в год. Переходный отклик ниже равновесной климатической чувствительности, поскольку более медленные механизмы обратной связи, усиливающие повышение температуры, требуют больше времени для полной реакции на увеличение концентрации в атмосфере. Например, глубоководному океану требуются столетия, чтобы достичь нового стационарного состояния после воздействия, в течение которого он продолжает выступать в качестве теплоотвода, охлаждающего верхние слои океана. Оценка литературы МГЭИК предполагает, что TCR, вероятно, лежит в пределах от … до … . Связанным показателем является переходный климатический отклик на кумулятивные выбросы углерода (TCRE), который представляет собой глобальное среднее изменение температуры поверхности после выброса 1000 ГтС. Таким образом, он включает в себя не только температурные механизмы обратной связи, связанные с внешними факторами, но и цикл углерода и механизмы обратной связи в цикле углерода.

Эквилибрированная чувствительность к климату

Чувствительность климатической системы к изменению концентрации парниковых газов (ECS) – это долгосрочное повышение температуры (равновесное глобальное среднее значение температуры воздуха вблизи поверхности), которое ожидается в результате удвоения концентрации парниковых газов в атмосфере (ΔT2×). Это прогноз нового равновесного глобального среднего значения температуры воздуха вблизи поверхности после прекращения роста концентрации и проявления большинства обратных связей. Достижение равновесной температуры может занять столетия или даже тысячелетия после удвоения концентрации. ECS выше, чем TCR, из-за способности океанов смягчать изменения температуры в краткосрочной перспективе. Комплексная оценка подразумевает, что моделирование всего периода времени, в течение которого значимые обратные связи продолжают изменять глобальную температуру в модели, например, полное выравнивание температуры океана, требует запуска компьютерной модели на тысячи лет. Однако существуют менее ресурсоемкие методы. В Шестом оценочном докладе МГЭИК (AR6) указано, что существует высокая степень достоверности того, что ECS находится в диапазоне от 2,5 °C до 4 °C, при наилучшей оценке в 3 °C. Длительные временные масштабы, связанные с ECS, делают эту характеристику, возможно, менее значимой для разработки климатической политики.

Эффективная чувствительность к изменению климата

Общим приближением к ECS является эффективная чувствительность климата равновесия – оценка равновесной чувствительности климата, основанная на данных климатической системы из моделей или реальных наблюдений, которые еще не достигли равновесия. Оценки исходят из предположения, что чистый эффект усиления обратных связей, измеренный после определенного периода потепления, останется постоянным в дальнейшем. Однако это не всегда так, поскольку обратные связи могут изменяться со временем.

Чувствительность земной системы

По определению, климатическая чувствительность равновесия не включает обратные связи, проявляющиеся в течение тысячелетий, такие как долгосрочные изменения альбедо Земли из-за изменений в ледяных щитах и растительности. Она учитывает медленный отклик на потепление глубоких океанов, который также занимает тысячелетия, и поэтому климатическая чувствительность равновесия не отражает фактическое будущее потепление, которое произойдет при стабилизации концентрации углекислого газа на уровне, вдвое превышающем доиндустриальный. Чувствительность системы Земли (ESS) включает в себя эффекты этих более медленных обратных связей, например, изменение альбедо Земли в результате таяния крупных континентальных ледяных щитов, которые покрывали значительную часть Северного полушария во время последнего ледникового максимума и до сих пор покрывают Гренландию и Антарктиду. Изменения альбедо, вызванные изменениями в растительности, а также изменения в океанической циркуляции, также учитываются. Более длительные обратные связи делают ESS больше, чем климатическая чувствительность равновесия, возможно, в два раза больше. Для оценки ESS используются данные из геологической истории Земли. Различия между современными и древними климатическими условиями означают, что оценки будущей ESS обладают высокой неопределенностью. В отличие от климатической чувствительности равновесия и TCR, углеродный цикл не входит в определение ESS, но в него включены все остальные элементы климатической системы.

Чувствительность к характеру форсирования

Различные факторы принуждения, такие как парниковые газы и аэрозоли, могут быть сопоставлены с использованием их радиационного воздействия – начального радиационного дисбаланса, усредненного по всей планете. Климатическая чувствительность – это величина потепления, вызванного единицей радиационного воздействия. В первом приближении, причина радиационного дисбаланса не имеет значения, будь то парниковые газы или что-либо другое. Однако радиационное воздействие от источников, отличных от солнечной активности, может вызвать несколько большее или меньшее потепление поверхности, чем сопоставимое радиационное воздействие от солнечной активности, поскольку величина обратной связи различается. Факторы принуждения, которые изначально нагревают Северное полушарие, сушу или полярные регионы, более эффективно изменяют температуру, чем эквивалентные факторы принуждения от солнечной активности, которая распределена по планете более равномерно. Это связано с тем, что в этих регионах наблюдается больше самоусиливающейся обратной связи, например, обратная связь лед-альбедо. Ряд исследований показывает, что антропогенные аэрозоли более эффективны, чем солнечная активность, в изменении глобальной температуры, а вулканическое воздействие – менее эффективно. Если климатическая чувствительность к воздействию солнечной активности оценивается на основе исторических данных о температуре и факторах принуждения (вызванных смесью аэрозолей и парниковых газов), и этот эффект не учитывается, то климатическая чувствительность занижается.

Государственная зависимость

Чувствительность климата определяется как краткосрочное или долгосрочное изменение температуры, возникающее в результате удвоения концентрации парниковых газов, но есть свидетельства того, что чувствительность климатической системы Земли не является постоянной. Например, на планете есть полярный лед и высокогорные ледники. Пока лед не растает полностью, усиливающаяся обратная связь альбедо льда делает систему в целом более чувствительной. На протяжении истории Земли считается, что в различные периоды снег и лед покрывали почти всю планету. В большинстве моделей «Снежной Земли» части тропиков по крайней мере периодически были свободны ото льда. По мере продвижения или отступления льда чувствительность климата должна была быть очень высокой, поскольку большие изменения площади ледяного покрова приводили к сильной обратной связи альбедо льда. Считается, что вулканические изменения в атмосферном составе обеспечили радиационное воздействие, необходимое для выхода из состояния «снежного кома». На протяжении четвертичного периода (последние 2,58 миллиона лет) климат колебался между ледниковыми периодами, самым последним из которых является Последний ледниковый максимум, и межледниковыми периодами, самым последним из которых является нынешний голоцен, однако чувствительность климата этого периода трудно определить. Термальный максимум палеоцена-эоцена, около 55,5 миллионов лет назад, был необычно теплым и, возможно, характеризовался повышенной чувствительностью климата. Чувствительность климата может измениться, если будут пройдены критические точки невозврата. Маловероятно, что критические точки невозврата вызовут краткосрочные изменения чувствительности климата. Если критическая точка невозврата будет пройдена, ожидается, что чувствительность климата изменится в масштабе времени подсистемы, достигшей этой точки. Особенно если существует несколько взаимодействующих критических точек невозврата, переход климата в новое состояние может быть труднообратимым. Два наиболее распространенных определения чувствительности климата конкретизируют состояние климата: ECS и TCR определены для удвоения концентрации парниковых газов относительно доиндустриального уровня. Из-за потенциальных изменений чувствительности климата климатическая система может нагреться в разной степени после второго удвоения концентрации парниковых газов, чем после первого. Влияние любого изменения чувствительности климата, как ожидается, будет небольшим или незначительным в течение первого столетия после выброса дополнительных парниковых газов в атмосферу. Несмотря на значительный прогресс в понимании климатической системы Земли, оценки продолжали сообщать о схожих диапазонах неопределенности для чувствительности климата в течение некоторого времени после отчета Чарни 1979 года. В докладе МГЭИК 1990 года о первой оценке было установлено, что равновесная чувствительность климата к удвоению концентрации парниковых газов лежит в пределах , с «наилучшей оценкой в свете современных знаний» равной . В отчете использовались модели с упрощенными представлениями динамики океана. В дополнительном отчете МГЭИК 1992 года, в котором использовались модели полной циркуляции океана, не было «убедительных оснований для изменения» оценки 1990 года; а во Втором оценочном докладе МГЭИК говорилось: «Не появилось серьезных причин для изменения [этих оценок]». В этих отчетах большая часть неопределенности в отношении чувствительности климата была связана с недостаточными знаниями о процессах в облаках. Третий оценочный доклад МГЭИК 2001 года также сохранил этот вероятный диапазон. Авторы Четвертого оценочного доклада МГЭИК 2007 года заявили, что уверенность в оценках равновесной чувствительности климата значительно возросла с момента третьего оценочного доклада. Авторы МГЭИК пришли к выводу, что ECS, скорее всего, будет больше и, вероятно, будет лежать в диапазоне , с наиболее вероятным значением около . МГЭИК заявила, что фундаментальные физические причины и ограничения данных не позволяют исключить более высокую чувствительность климата, но оценки чувствительности климата в вероятном диапазоне лучше согласуются с наблюдениями и данными о климате прошлого. В отчете также говорится, что ECS крайне маловероятно будет меньше (высокая степень уверенности) и очень маловероятно будет больше (средняя степень уверенности). Эти значения были оценены путем объединения имеющихся данных с экспертными оценками.

Climate sensitivity has been defined as the short or long term temperature change resulting from any doubling of , but there is evidence that the sensitivity of Earth's climate system is not constant. For instance, the planet has polar ice and high altitude glaciers. Until the world's ice has completely melted, an exacerbating ice–albedo feedback loop makes the system more sensitive overall. Throughout Earth's history, multiple periods are thought to have snow and ice cover almost the entire globe. In most models of "Snowball Earth", parts of the tropics were at least intermittently free of ice cover. As the ice advanced or retreated, climate sensitivity must have been very high, as the large changes in area of ice cover would have made for a very strong ice–albedo feedback. Volcanic atmospheric composition changes are thought to have provided the radiative forcing needed to escape the snowball state. Throughout the Quaternary period (the most recent 2.58 million years), climate has oscillated between glacial periods, the most recent one being the Last Glacial Maximum, and interglacial periods, the most recent one being the current Holocene, but the period's climate sensitivity is difficult to determine. The Paleocene–Eocene Thermal Maximum, about 55.5 million years ago, was unusually warm and may have been characterized by above average climate sensitivity. Climate sensitivity may further change if tipping points are crossed. It is unlikely that tipping points will cause short term changes in climate sensitivity. If a tipping point is crossed, climate sensitivity is expected to change at the time scale of the subsystem that hits its tipping point. Especially if there are multiple interacting tipping points, the transition of climate to a new state may be difficult to reverse. The two most common definitions of climate sensitivity specify the climate state: the ECS and the TCR are defined for a doubling with respect to the levels in the pre industrial era. Because of potential changes in climate sensitivity, the climate system may warm by a different amount after a second doubling of from after a first doubling. The effect of any change in climate sensitivity is expected to be small or negligible in the first century after additional is released into the atmosphere.]] Despite considerable progress in the understanding of Earth's climate system, assessments continued to report similar uncertainty ranges for climate sensitivity for some time after the 1979 Charney report. The 1990 IPCC First Assessment Report estimated that equilibrium climate sensitivity to a doubling of lay between , with a "best guess in the light of current knowledge" of The report used models with simplified representations of ocean dynamics. The IPCC supplementary report, 1992, which used full ocean circulation models, saw "no compelling reason to warrant changing" the 1990 estimate; and the IPCC Second Assessment Report stated, "No strong reasons have emerged to change [these estimates]," In the reports, much of the uncertainty around climate sensitivity was attributed to insufficient knowledge of cloud processes. The 2001 IPCC Third Assessment Report also retained this likely range. Authors of the 2007 IPCC Fourth Assessment Report stated that confidence in estimates of equilibrium climate sensitivity had increased substantially since the Third Annual Report. The IPCC authors concluded that ECS is very likely to be greater than and likely to lie in the range , with a most likely value of about The IPCC stated that fundamental physical reasons and data limitations prevent a climate sensitivity higher than from being ruled out, but the climate sensitivity estimates in the likely range agreed better with observations and the proxy climate data. The report also stated that ECS is extremely unlikely to be less than (high confidence), and it is very unlikely to be greater than (medium confidence). Those values were estimated by combining the available data with expert judgement.

Исторические оценки

Сванте Аррениус в 19 веке был первым человеком, который количественно оценил глобальное потепление как следствие удвоения концентрации в своей первой работе по этому вопросу, он подсчитал, что глобальная температура повысится примерно на, если количество вдвое. В последующей работе он пересмотрел эту оценку на. Аррениус использовал наблюдения Сэмюэля Пирпонта Лэнгли за излучением, испускаемым полной луной, чтобы оценить количество излучения, которое было поглощено водяным паром, и, чтобы учесть обратную связь водяного пара, он предположил, что относительная влажность останется неизменной при глобальном потеплении. Первый расчет чувствительности климата, который использовал подробные измерения спектров поглощения, а также первый расчет с использованием компьютера для численной интеграции радиационного переноса через атмосферу, был выполнен Сюкуро Манабе и Ричардом Ветэральдом в 1967 году. Предполагая постоянную влажность, они рассчитали чувствительность равновесного климата в 2,3 °C на удвоение , которую они округлили до 2 °C, значение, наиболее часто цитируемое из их работы, в резюме статьи. Эта работа была названа "возможно, величайшим климатическим научным документом всех времен" и "самым влиятельным исследованием климата всех времен". Комитет по антропогенному глобальному потеплению, созванный в 1979 году Национальной академией наук США под председательством Джуля Чарни, оценил чувствительность климата к равновесию на уровне +/- 0,7 °C. Оценка Манабе и Ветэральда, оценка Джеймса Э. Хансена на уровне +/- 0,7 °C и модель Чарни были единственными моделями, доступными в 1979 году. Согласно Манабе, выступая в 2004 году, "Чарни выбрал 0,5 °C в качестве разумного предела погрешности, вычел его из числа Манабе и добавил к Хансену, что привело к диапазону вероятной чувствительности климата, который появляется в каждой оценке парниковых газов с 2008 года". В 2008 году климатолог Стефан Рахмсторф сказал: "В то время [когда она была опубликована], диапазон [оценки отчета Чарни] [неопределенности] был на очень шаткой почве. С тех пор многие климатические исследовательские центры по всему миру разработали множество значительно улучшенных моделей". Радиационное воздействие часто моделируется, потому что спутники наблюдения за Землей, измеряющие его, существовали только в течение части промышленной эпохи (только с конца 1950-х годов). Оценки чувствительности к изменению климата, рассчитанные с использованием этих глобальных энергетических ограничений, неизменно были ниже, чем оценки, рассчитанные с использованием других методов, в пределах или ниже. Оценки временного климатического ответа (TCR), которые были рассчитаны на основе моделей и данных наблюдений, могут быть согласованы, если принять во внимание, что в полярных регионах, которые нагреваются быстрее, чем Земля в целом, проводится меньше измерений температуры. Если при оценке модели используются только регионы, для которых имеются измерения, различия в оценках TCR незначительны. Очень простая климатическая модель может оценить чувствительность климата из данных индустриальной эпохи, если известна эффективная теплоемкость климатической системы, и временная шкала оценивается с использованием автокорреляции измеренной температуры, можно получить оценку чувствительности климата. Однако на практике одновременное определение временной шкалы и теплоемкости затруднительно. Были предприняты попытки использовать 11-летний солнечный цикл для ограничения преходящей реакции климата. Солнечная радиация примерно на 0,9 Вт/м2 выше во время солнечного максимума, чем во время солнечного минимума, и этот эффект можно наблюдать в измеренных средних глобальных температурах с 1959 по 2004 год. К сожалению, солнечные минимумы в этот период совпали с извержениями вулканов, которые оказывают охлаждающее воздействие на глобальную температуру. Поскольку извержения вызвали более значительное и менее точно количественно определяемое снижение радиационного воздействия, чем уменьшенная солнечная облученность, сомнительно, можно ли сделать полезные количественные выводы из наблюдаемых колебаний температуры. Наблюдения за вулканическими извержениями также использовались для оценки чувствительности климата, но поскольку аэрозоли от одного извержения в атмосфере сохраняются не более двух лет, климатическая система никогда не может приблизиться к равновесию, и охлаждение меньше, чем если бы аэрозоли оставались в атмосфере дольше. Поэтому вулканические извержения дают информацию только о нижней границе преходящей чувствительности климата.

Svante Arrhenius in the 19th century was the first person to quantify global warming as a consequence of a doubling of the concentration of In his first paper on the matter, he estimated that global temperature would rise by around if the quantity of was doubled. In later work, he revised that estimate to Arrhenius used Samuel Pierpont Langley's observations of radiation emitted by the full moon to estimate the amount of radiation that was absorbed by water vapour and by To account for water vapour feedback, he assumed that relative humidity would stay the same under global warming. The first calculation of climate sensitivity that used detailed measurements of absorption spectra, as well as the first calculation to use a computer for numerical integration of the radiative transfer through the atmosphere, was performed by Syukuro Manabe and Richard Wetherald in 1967. Assuming constant humidity, they computed an equilibrium climate sensitivity of 2.3 °C per doubling of , which they rounded to 2 °C, the value most often quoted from their work, in the abstract of the paper. The work has been called "arguably the greatest climate science paper of all time" and "the most influential study of climate of all time." A committee on anthropogenic global warming, convened in 1979 by the United States National Academy of Sciences and chaired by Jule Charney, estimated equilibrium climate sensitivity to be , plus or minus The Manabe and Wetherald estimate , James E. Hansen's estimate of , and Charney's model were the only models available in 1979. According to Manabe, speaking in 2004, "Charney chose 0.5 °C as a reasonable margin of error, subtracted it from Manabe's number, and added it to Hansen's, giving rise to the range of likely climate sensitivity that has appeared in every greenhouse assessment since " In 2008, climatologist Stefan Rahmstorf said: "At that time [it was published], the [Charney report estimate's] range [of uncertainty] was on very shaky ground. Since then, many vastly improved models have been developed by a number of climate research centers around the world." Radiative forcing is often modelled because Earth observation satellites measuring it has existed during only part of the Industrial Age (only since the late 1950's). Estimates of climate sensitivity calculated by using these global energy constraints have consistently been lower than those calculated by using other methods, around or lower. Estimates of transient climate response (TCR) that have been calculated from models and observational data can be reconciled if it is taken into account that fewer temperature measurements are taken in the polar regions, which warm more quickly than the Earth as a whole. If only regions for which measurements are available are used in evaluating the model, the differences in TCR estimates are negligible. A very simple climate model could estimate climate sensitivity from Industrial Age data if the effective heat capacity of the climate system is known, and the timescale is estimated using autocorrelation of the measured temperature, an estimate of climate sensitivity can be derived. In practice, however, the simultaneous determination of the time scale and heat capacity is difficult. Attempts have been made to use the 11 year solar cycle to constrain the transient climate response. Solar irradiance is about 0.9 W/m2 higher during a solar maximum than during a solar minimum, and those effect can be observed in measured average global temperatures from 1959 to 2004. Unfortunately, the solar minima in the period coincided with volcanic eruptions, which have a cooling effect on the global temperature. Because the eruptions caused a larger and less well quantified decrease in radiative forcing than the reduced solar irradiance, it is questionable whether useful quantitative conclusions can be derived from the observed temperature variations. Observations of volcanic eruptions have also been used to try to estimate climate sensitivity, but as the aerosols from a single eruption last at most a couple of years in the atmosphere, the climate system can never come close to equilibrium, and there is less cooling than there would be if the aerosols stayed in the atmosphere for longer. Therefore, volcanic eruptions give information only about a lower bound on transient climate sensitivity.

Используя данные из прошлого Земли

Историческую чувствительность климата можно оценить, используя реконструкции прошлых температур и уровней Земли. Палеоклиматологи изучали различные геологические периоды, такие как теплый плиоцен (5,3–2,6 миллиона лет назад) и более холодный плейстоцен (2,6 миллиона–11 700 лет назад), и искали периоды, которые в какой-то мере аналогичны или дают информацию о современном изменении климата. Климат в более ранние периоды истории Земли сложнее изучать, поскольку доступно меньше данных. Например, прошлые концентрации можно определить по воздуху, заключенному в ледяных кернах, но по состоянию на 2020 год возраст самого старого непрерывного ледяного керна составляет менее миллиона лет. Недавние периоды, такие как Последний ледниковый максимум (LGM) (около 21 000 лет назад) и Средний голоцен (около 6000 лет назад), часто изучаются, особенно когда становится доступно больше информации о них. Оценка чувствительности 2007 года, основанная на данных за последние 420 миллионов лет, согласуется с чувствительностью современных климатических моделей и другими определениями. Термальный максимум палеоцена-эоцена (около 55,5 миллиона лет назад), период продолжительностью 20 000 лет, в течение которого огромное количество углерода поступило в атмосферу и средняя глобальная температура увеличилась примерно на , также предоставляет хорошую возможность изучить климатическую систему в теплом состоянии. Исследования последних 800 000 лет показали, что чувствительность климата была выше в ледниковые периоды, чем в межледниковые. Как следует из названия, Последний ледниковый максимум был намного холоднее, чем сегодня, и имеются хорошие данные о концентрациях в атмосфере и радиационном воздействии за этот период. Орбитальное воздействие в этот период отличалось от современного, но мало влияло на среднегодовые температуры. Оценку чувствительности климата к Последнему ледниковому максимуму можно провести несколькими различными способами. В другом подходе используется модель средней сложности для моделирования условий в течение этого периода. Запускаются несколько версий этой модели, с разными значениями для неопределенных параметров, так что каждая версия имеет разную ECS. Результаты, которые наилучшим образом воспроизводят наблюдаемое охлаждение LGM, вероятно, дают наиболее реалистичные значения ECS.

Historical climate sensitivity can be estimated by using reconstructions of Earth's past temperatures and levels. Paleoclimatologists have studied different geological periods, such as the warm Pliocene (5.3 to 2.6 million years ago) and the colder Pleistocene (2.6 million to 11,700 years ago), and sought periods that are in some way analogous to or informative about current climate change. Climates further back in Earth's history are more difficult to study because fewer data are available about them. For instance, past concentrations can be derived from air trapped in ice cores, but as of 2020, the oldest continuous ice core is less than one million years old. Recent periods, such as the Last Glacial Maximum (LGM) (about 21,000 years ago) and the Mid Holocene (about 6,000 years ago), are often studied, especially when more information about them becomes available. A 2007 estimate of sensitivity made using data from the most recent 420 million years is consistent with sensitivities of current climate models and with other determinations. The Paleocene–Eocene Thermal Maximum (about 55.5 million years ago), a 20,000 year period during which massive amount of carbon entered the atmosphere and average global temperatures increased by approximately , also provides a good opportunity to study the climate system when it was in a warm state. Studies of the last 800,000 years have concluded that climate sensitivity was greater in glacial periods than in interglacial periods. As the name suggests, the Last Glacial Maximum was much colder than today, and good data on atmospheric concentrations and radiative forcing from that period are available. The period's orbital forcing was different from today's but had little effect on mean annual temperatures. Estimating climate sensitivity from the Last Glacial Maximum can be done by several different ways. In a different approach, a model of intermediate complexity is used to simulate conditions during the period. Several versions of this single model are run, with different values chosen for uncertain parameters, such that each version has a different ECS. Outcomes that best simulate the LGM's observed cooling probably produce the most realistic ECS values.

Использование климатических моделей

Файл:Частотное распределение чувствительности климата, основанное на результатах моделирования (NASA). Каждая модель моделирования имеет различные оценки процессов, которые ученые недостаточно хорошо понимают. Небольшое число моделей дают оценки потепления менее, чем или значительно больше, чем, что указывает на то, что при удвоении концентрации углекислого газа вероятность значительного или очень значительного повышения температуры выше, чем вероятность небольшого повышения. Модели с более низким разрешением (большие ячейки модели и длинные временные шаги) требуют меньшей вычислительной мощности, но не могут имитировать атмосферу с такой же степенью детализации. Модель не может имитировать процессы, масштаб которых меньше размера ячеек модели или продолжительность которых меньше одного временного шага. Поэтому эффекты процессов меньшего масштаба и более короткой продолжительности должны оцениваться другими методами. Физические законы, используемые в моделях, также могут быть упрощены для ускорения вычислений. Биосфера должна быть включена в климатические модели. Влияние биосферы оценивается на основе данных о среднем поведении типичной растительной совокупности в данной области при моделируемых условиях. Таким образом, чувствительность климата является эмерджентным свойством этих моделей. Она не задается заранее, а вытекает из взаимодействия всех моделируемых процессов. Модель тестируется с использованием наблюдений, данных палеоклимата или и того, и другого, чтобы проверить, насколько точно она их воспроизводит. Если это не так, то ищутся неточности в физической модели и параметризациях, и модель модифицируется. Для моделей, используемых для оценки чувствительности климата, ищутся конкретные тестовые метрики, которые напрямую и физически связаны с чувствительностью климата. Примеры таких метрик включают глобальные закономерности потепления, способность модели воспроизводить наблюдаемую относительную влажность в тропиках и субтропиках, закономерности теплового излучения и изменчивость температуры относительно долгосрочного исторического потепления. Ансамблевые климатические модели, разработанные в различных учреждениях, как правило, дают ограниченные оценки ECS, которые немного выше. Модели с ECS немного выше, чем, лучше воспроизводят вышеупомянутые ситуации, чем модели с меньшей чувствительностью климата. Существует множество проектов и групп, которые сравнивают и анализируют результаты нескольких моделей. Например, проект по сопоставлению связанных моделей (CMIP) работает с 1990-х годов. В рамках подготовки к шестому оценочному докладу МГЭИК 2021 года научные группы по всему миру разработали новое поколение климатических моделей. Средняя оценочная чувствительность климата увеличилась в CMIP6 по сравнению с предыдущим поколением, при этом значения варьируются в пределах 27 глобальных климатических моделей и превышают в 10 из них. Причина увеличения равновесной чувствительности климата (ECS) заключается главным образом в улучшенном моделировании облаков. Считается, что повышение температуры вызывает более резкое уменьшение количества низких облаков, а уменьшение количества низких облаков означает, что планета поглощает больше солнечного света и меньше отражает в космос. Однако модели с самыми высокими значениями ECS не согласуются с наблюдаемым потеплением.

[[File:Frequency distribution of climate sensitivity, based on model simulations (NASA). png|thumb|443x443px|alt=Histogram of equilibrium climate sensitivity as derived for different plausible assumptions|Frequency distribution of equilibrium climate sensitivity based on simulations of the doubling of |CO2. Each model simulation has different estimates for processes, which scientists do not sufficiently understand. Few of the simulations result in less than of warming or significantly more than suggests that if carbon dioxide concentrations double, the probability of large or very large increases in temperature is greater than the probability of small increases. A lower model resolution (large model cells and long time steps) takes less computing power but cannot simulate the atmosphere in as much detail. A model cannot simulate processes smaller than the model cells or shorter term than a single time step. The effects of the smaller scale and shorter term processes must therefore be estimated by using other methods. Physical laws contained in the models may also be simplified to speed up calculations. The biosphere must be included in climate models. The effects of the biosphere are estimated by using data on the average behaviour of the average plant assemblage of an area under the modelled conditions. Climate sensitivity is therefore an emergent property of these models. It is not prescribed, but it follows from the interaction of all the modelled processes. A model is tested using observations, paleoclimate data, or both to see if it replicates them accurately. If it does not, inaccuracies in the physical model and parametrizations are sought, and the model is modified. For models used to estimate climate sensitivity, specific test metrics that are directly and physically linked to climate sensitivity are sought. Examples of such metrics are the global patterns of warming, the ability of a model to reproduce observed relative humidity in the tropics and subtropics, patterns of heat radiation, and the variability of temperature around long term historical warming. Ensemble climate models developed at different institutions tend to produce constrained estimates of ECS that are slightly higher than The models with ECS slightly above simulate the above situations better than models with a lower climate sensitivity. Many projects and groups exist to compare and to analyse the results of multiple models. For instance, the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) has been running since the 1990s. In preparation for the 2021 IPCC Sixth Assessment Report, a new generation of climate models have been developed by scientific groups around the world. The average estimated climate sensitivity has increased in Coupled Model Intercomparison Project
Phase 6 (CMIP6) compared to the previous generation, with values spanning across 27 global climate models and exceeding in 10 of them. The cause of the increased equilibrium climate sensitivity (ECS) lies mainly in improved modelling of clouds. Temperature rises are now believed to cause sharper decreases in the number of low clouds, and fewer low clouds means more sunlight is absorbed by the planet and less reflected to space. Models with the highest ECS values, however, are not consistent with observed warming.