چگونه مدل‌های اقلیم آنقدر دقیق شدند که جایزه نوبل به آن‌ها رسید

ماه گذشته، مجله تایم دو دانشمند اقلیم، «فردریک اوتو» (Friederike Otto) و «گیرت یان فن الدنبورگ» (Geert Jan van Oldenborg) از پروژه جهانی انتساب آب و هوا را در فهرست ۱۰۰ انسان تاثیرگذار سال ۲۰۲۱ قرار داد. همچنین «کاترین هایهو» (Katharine Hayhoe) از دانشگاه تکنولوژی تگزاس میزبان برنامه محبوب جیمی کیمل در شبکه CBS بود. چند هفته قبل، سازندگان پیشتاز مدل‌های اقلیمی، «سیوکورو مانابه» (Syukuro Manabe) و «کلاوس هاسلمن» (Klaus Hasselman) جایزه نوبل فیزیک را در کنار فیزیکدان نظری، «جیورجیو پاریسی» (Giorgio Parisi) تصاحب کردند، به گفته «تورس هانس هانسون» (Thors Hans Hansson)، رییس کمیته فیزیک نوبل، به پاس این که «دانش ما درباره اقلیم بر بنیانی علمی و بر پایه آنالیز سخت‌گیرانه مشاهدات استوار است.»

سازندگان مدل‌های علمی متخصصانی از حوزه‌های علوم زمین یا علوم سیاره‌ای و اغلب با مهارت‌هایی در حوزه‌های فیزیک کاربردی، ریاضیات یا علوم کامپیوتر هستند که از علوم فیزیک و شیمی برای ساخت معادلات، ورود آن‌ها به ابر کامپیوترها و استفاده از آن‌ها برای شبیه‌سازی اقلیم زمین یا سیارات دیگر استفاده می‌کنند. انکارکنندگان تغییر اقلیم برای مدت‌ها مدل‌ها را پاشنه آشیل علم اقلیم می‌دیدند. این مدل‌های ضرورتا پیشگویانه غیر معتبر در نظر گرفته می‌شدند و ورودی‌های ناقص آن‌ها به نتایجی غیر قابل اتکا منجر می‌شد.

یک مقاله سال ۱۹۹۰ در نشنال جئوگرافیک مساله را این‌گونه بیان می‌کند: «منتقدان می‌گویند که مدل‌سازی در ابتدای راه خود است و حتی نمی‌تواند جزئیات اقلیم فعلی خود ما را نیز بازسازی کند. سازندگان مدل توافق دارند که پیش‌بینی‌ها ضرورتا با هر بار اصلاح مدل‌ها تغییر می‌کنند.»

با این حال تحلیل‌های چند دهه اخیر دریافته‌اند که بسیاری از مدل‌های اولیه در پیش‌بینی افزایش دمای جهانی دقت قابل توجهی داشته‌اند. حالا که قدرت پردازش کامپیوترها افزایش یافته و اصلاحات بیشتری بر ورودی‌های مدل اعمال می‌شوند، سازندگان مدل‌ها اعتماد بیشتری نسبت به کارشان دارند.

مقاله ۱۹۹۰ در نقل قولی از مانابه ــ که عموما به عنوان پدر مدل‌سازی اقلیمی مدرن در نظر گرفته می‌شود ــ عنوان کرده بود که در برخی از مدل‌های اولیه «انواع و اقسام اتفاقات دیوانه‌وار رخ می‌دادند ... برای مثال سطح اقیانوس‌های گرمسیری از یخ پوشیده می‌شد.» اما در یک مقاله تاریخ‌ساز در سال ۱۹۷۰، مانابه استدلال می‌کند که دمای جهانی در بازه ۱۹۷۰ تا ۲۰۰۰ به اندازه ۰٫۵۷ سلسیوس تغییر می‌کند. گرمای واقعی ثبت‌شده عدد بسیار نزدیک ۰٫۵۴ درجه سلسیوس بود.

یک مقاله توسط «زیک هاوسفادر» (Zeke Hausfather) از دانشگاه کالیفرنیا، برکرلی و «هنری دریک» (Henri Drake) و «تریستان ابوت» (Tristan Abbott) از دانشگاه MIT و «گوین اشمیت» (Gavin Schmidt) از انستیتوی مطالعات فضایی گادرد (Goddard Institute for Space Studies)، که به آنالیز ۱۷ مدل متعلق به دهه ۱۹۷۰ پرداخته بود، به این نتیجه رسید که ۱۴ تا از آن‌ها به درستی رابطه بین دمای جهانی و افزایش گازهای گلخانه‌ای را پیش‌بینی کرده بودند. (تخمین‌های دوتا بسیار زیاد و یکی بسیار پایین بود.) دلیل این امر این است که فیزیک بنیادی این مدل‌ها قابل اتکا بود.

به گفته «دانا نوچیتلی» (Dana Nuccitelli)، نویسنده کتاب اقلیم‌شناسی در برابر شبه علم: بر ملا کردن پیش‌بینی‌های نادرست انکارکنندگان گرمایش جهانی (Climatology versus Pseudoscience: Exposing the Failed Predictions of Global Warming Skeptics)، «ما برای دهه‌ها این دانش پایه را داشتیم که اگر مقدار مشخصی کربن دی اکسید را به اتمسفر اضافه کنید، افزایش دمای مشخصی به وجود می‌آید. این پیش‌بینی‌های دهه ۱۹۷۰ دقت قابل‌توجهی داشتند، اما همچنین از مدل‌هایی بسیار ساده‌سازی شده استفاده می‌کردند؛ بخشی به دلیل سطح دانش ما از سیستم‌های اقلیمی و بخشی نیز به دلیل محدودیت‌های پردازشی آن زمان. حقیقت این است که مدل‌های اقلیم راه زیادی را پیموده‌اند.»

هرچه بیشتر چیزها تغییر می‌کنند ...

هایهو می‌گوید در دنیای مدل‌سازی اقلیم «چیزی که در تمام این سال‌ها تغییر نکرده این فرض کلی است که در اثر آزاد کردن دی اکسید کربن در اتمسفر توسط ما، زمین چقدر گرم‌تر می‌شود. چیزی که تغییر کرده فهم ما در مقیاس‌های زمانی و فضایی بسیار کوچک‌تر است. فهم ما از چرخه‌های بازخورد در سیستم اقلیم؛ برای مثال فهم ما از این که شمالگان دقیقا چقدر حساس است.»

به گفته او، ما با افزایش دانش‌مان توانسته‌ایم تا به‌روزترین ابزار علم اقلیم را توسعه دهیم ــ انتساب وقایع انفرادی، تخصصی که اوتو و فن اولدنبرگ به خاطر آن در فهرست تایم قرار گرفتند، که برای اولین بار ما را قادر ساخته تا بین تغییر اقلیم و وقایع آب و هوایی ویژه، نظیر موج‌های گرما در ایالات متحده یا مقدار آب بارش توفند هاروی، پیوندی قوی برقرار سازیم.

هایهو می‌گوید: «ما نمی‌توانستیم بدون مدل‌ها چنین کاری انجام دهیم، چون به مدل‌ها برای شبیه‌سازی دنیایی بدون انسان‌ها نیاز داریم. و باید زمین بدون اناسن را با زمینی که روی آن زندگی می‌کنیم و در اتمسفر آن کربن منتشر می‌کنیم مقایسه کنیم. و با این مقایسه می‌فهمیم که چگونه تغییر اقلیم انسان‌ساز مدت زمان، شدت و حتی آسیب‌های مرتبط با یک واقعه ویژه را تغییر داده است.»

در کار هایهو، مدل‌سازی شامل هزاران خط کد است. به گفته او بخش اعظم کار یافتن اشتباهات موجود در مدل است تا تضمین شود که مدل واقعیت را منعکس می‌کند: «اگر این اصل رعایت نشود، باید جستجوی خود را دقیق‌تر کنیم، چون چیزی وجود دارد که آن را نفهمیده‌ایم.»

با این که این مغایرت‌ها می‌توانند ناشی از نقض‌های مدل باشند، برخی اوقات آن‌ها خطاهایی را در مشاهدات منعکس می‌کنند. برای مثال، تعدادی از پژوهش‌ها در سال ۲۰۰۵ در یافتند که داده‌های ماهواره‌ای که در اتنسفر پایین گرمایشی را نشان نمی‌دادند، و از آن‌ها برای پشتیبانی از ایده‌های شکاکان گرمایش جهانی استفاده می‌شد، دچار نقض هستند. همزمان، مدل‌هایی که به داده‌های بالن‌های هواشناسی متکی بودند، واقعیت را به درستی منعکس می‌کردن.

به گفته «مایکل مان» (Michael Mann)، استاد برجسته علوم اتمسفری در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، طنز ماجرا در این است که «دانشمندان اقلیم به به خاطر پیش‌بینی‌هایشان افرادی اغراق‌کننده در نظر گرفته می‌شدند، اما در نهایت مشخص شد که پیش‌بینی‌های آن‌ها بسیار محافظه‌کارانه و دست پایین بودند و ما در حال حاضر آثار شدیدتری را مشاهده می‌کنیم.»

به گفته او، فروپاشی قریب الوقوع سیستم محرک جریان‌های اقیانوسی یکی از این مثال‌هاست. «این چیزی است که ما پیش‌بینی کردیم می‌تواند رخ دهد، اما این مساله حالا نه تنها در حال روی دادن است، بلکه بسیار زودتر از چیزی که انتظار داشتیم شروع شده.» او اشاره می‌کند که مانابه یکی از اولین کسانی بود که دهه‌ها قبل این احتمال را مطرح کرده بود. «این نشان می‌دهد چیزی که در علم اقلیم در حال روی دادن است، بدترین چیزی است که می‌تواند برای سازندگان مدل رخ دهد: این که ببینید بدترین پیش‌بینی‌های شما محقق شده‌اند.»

البته سازندگان مدل این را تصدیق می‌کنند که علم‌شان بی‌نقض نیست؛ در حال حاضر نیز انواع مختلفی از عدم قطعیت وجود دارند.

هایهو می‌گوید: «آیا ما تمام فرایندهای فیزیکی را وارد مدل‌ها کرده‌ایم؟ و در این صورت، آیا آن‌ها به درستی بازنمایی می‌شوند یا نه؟ پس با یک عدم قطعیت ثانویه به نام عدم قطعیت پارامتری روبرو هستیم.» به علاوه، به گفته او، برخی از فرایندها در چنان مقیاس کوچکی رخ می‌دهند ــ برای مثال، در بین ذرات ابرها ــ که نمی‌توان آن‌ها را به صورت مستقیم اندازه گرفت، بلکه باید استنتاج‌شان کرد. واضح است که این موضوع نیز به عدم قطعیت‌ها می‌افزاید. با این حال، بزرگ‌ترین عدم قطعیت از دید او، نه در فیزیک، بلکه در رفتار جمعی خود ما نهفته است، و در این که تا چه سطحی آمادگی افزایش سطح جهانی گازهای گلخانه‌ای را داریم.

هایهو می‌گوید: «اگر ما نمی‌دانستیم که انتشارات کربن چنین آثاری را بر خود ما دارند، و این فقط دمای جهانی نیست که افزایش می‌یابد، بلکه غذا، آب، سلامت و خانه‌های ما نیز تحت تاثیر قرار می‌گیرند، اقدامی نمی‌کردیم. به همین دلیل است که من این پژوهش‌ها را انجام می‌دهد، و به همین دلیل است که مدل‌ها اهمیت دارند؛ چون نشان می‌دهند که در حال حاضر چه اتفاقی در حال وقوع است که ما مسئول آن هستیم، و در آینده چه رخ خواهد داد. من به روزی امید دارم که از این مدل‌ها صرفا برای این استفاده کنیم که سیاره شگفت‌انگیز خود را بفهمیم، اما در حال حاضر این مدل‌ها به ما می‌گویند که «وقت عمل است!» و اگر کاری نکنیم، عواقب شدید و خطرناک خواهند بود.»