Koden bakom klimatet

Vintern kryper närmare. Får vi någon snö? Den förra vintern var mild men snörik i stora delar av Sverige, med en köldknäpp i februari som kändes i hela landet. Vintern dessförinnan var ljummen och torr, och sedan kom våren mycket tidigare än den brukar. Den ena vintersäsongen kan skilja sig ganska mycket från den andra, men det finns en långsiktig trend: klimatförändringar orsakade av människan lägger sig ovanpå de naturliga variationerna och får vintrarna här i Sverige att i medeltal bli allt kortare, mildare och mer nederbördsrika.

Världen är redan ungefär en grad varmare jämfört med det som kallas ”förindustriell nivå”, ett genomsnitt för perioden 1850–1900. Det kan jämföras med ambitionen i Parisavtalet från 2015, där världens länder enades om målet att begränsa uppvärmningen till en och en halv grad och att absolut inte överskrida två graders uppvärmning. Världen måste handla mycket snabbt och mycket kraftfullt om detta ska vara möjligt, skriver FN:s klimatpanel IPCC i sin senaste rapport som släpptes under hösten 2018.

I rapporten betonas att de negativa effekterna av klimatförändringarna blir mycket allvarligare om vi skulle närma oss två graders uppvärmning än om vi lyckas bromsa temperaturökningen vid den lägre nivån. Oavsett hur det går är det tydligt att samhället måste anpassas till en varmare värld.

Vid SMHI i Norrköping finns forskningsenheten Rossby Centre, som grundades 1997 med uppgiften att göra beräkningar kring klimatet och simulera hur det kommer att förändras i framtiden. Erik Kjellström är professor i klimatologi vid Rossby Centre och arbetar med att förbättra de lokala klimatberäkningarna och göra dem användbara som en grund för arbetet med klimatanpassningar.

– Vi kan hjälpa län och kommuner och företag att se hur de kan använda våra data. Bland annat kan det vara att man måste parera för ändrad vattentillgång. Efter den här torra sommaren har jordbruket seglat upp som ett område, säger Erik Kjellström.

Inom klimatforskningen knyts det praktiska och lokala ihop med det som händer globalt. Men hur är det möjligt att göra en pålitlig modell för något så komplext som jordens framtida klimat? För att förstå det ska vi ta ett steg tillbaka och börja med att titta på energin som når oss från solen.

Sedd utifrån rymden är vår planet blå och grön, marmorerad av vita stråk av moln och is. Här finns förutsättningarna för liv, inrymda i havet och i atmosfären. Vad det betyder blir tydligt om vi jämför med månen, som trots att den ligger på samma avstånd från solen är karg och ogästvänlig, eftersom den saknar atmosfär och hav.

När solen skiner på månens yta kan den bli upp mot 120 grader varm. Det yttersta markskiktet värms upp, ända tills månen har vridit sig så att en solbelyst plats åter hamnar i skuggan. Då strålar värmen genast ut i rymden igen. Under månens två veckor långa nätter går temperaturen på ytan ned mot 100–150 minusgrader – en skillnad på nästan 300 grader mellan dag och natt alltså.

Sådana extremer slipper vi på jorden, trots att lika mycket solljus faller in per kvadratmeter här som på månen. Hela skillnaden hänger på atmosfären och havet. Luft och vatten dämpar temperatursvängningarna. En del av solens strålar når aldrig marken på jorden, eftersom de reflekteras högre upp i atmosfären. Därför värms ytan inte lika kraftigt som på månen. På natten är jorden trögare åt andra hållet. Vatten har ett inneboende motstånd mot att ändra sin temperatur – det både värms och svalnar sakta (hög värmekapacitivitet på fysikspråk). Värmestrålningen från mark och hav går heller inte direkt ut i rymdens tomhet, utan absorberas till en viss del av växthusgaser i atmosfären eller reflekteras mot undersidan av moln.

Växthuseffekten är nyckeln till jordens behagliga livsbetingelser. Utan den skulle jordens yta vara i genomsnitt ungefär 33 grader kallare.

Men numera ser vi hur växthuseffekten förstärks av utsläpp från mänskliga aktiviteter. 2013 steg halten av koldioxid i atmosfären för första gången över 400 ppm (parts per million, det vill säga miljondelar). Det finns analyser av luftbubblor från isen på Grönland som visar att det inte har funnits så mycket koldioxid i luften på hundratusentals år.

– De senaste 10 000 åren har halten av koldioxid i luften hållit sig inom spannet 260–280 ppm. Både naturen och vår civilisation är anpassad till det, säger klimatforskaren Gustav Strandberg, som också jobbar på Rossby Centre.

Den snabba ökningen av koldioxidhalten och temperaturen som vi ser just nu har skett på lite drygt ett århundrade. Det är knappt ens en blinkning på en geologisk tidsskala.

– När förändringen tar lång tid hinner miljön anpassa sig. Men om det går så fort som det gör nu hinner inte alla arter med, säger Erik Kjellström.

Den första forskare som räknade på hur förändringar av atmosfärens koldioxidhalt påverkar jordens temperatur var den svenske kemisten och fysikern Svante Arrhenius. Han publicerade ett arbete om detta 1896, som kan betraktas som den första modelleringen av klimatet. I senare texter spekulerade han om hur människans förbränning av fossila bränslen skulle kunna ”förbättra” klimatet. Han hade inte tillgång till de rön vi har i dag om de problem temperaturhöjningen för med sig.

Svante Arrhenius gjorde sina många och mödosamma beräkningar för hand. I dag görs de med superdatorer och har blivit betydligt mer detaljerade och avancerade.

Det finns fler saker än jordens medeltemperatur som är intressanta att studera för att förstå klimatet. Hur varmt och kallt är det på olika delar av jorden? Hur varma somrar och hur snöiga vintrar kan vi vänta oss i vår del av världen? Med fler detaljer ökar möjligheten att förstå hur olika framtida ökningar av koldioxiden i atmosfären kan påverka naturen, jordbruket och ekonomin.

För att skapa en avancerad modell som kan ge sådan information måste forskarna först identifiera de processer som spelar in, och fånga dem i hundratusentals rader programkod som kan manglas genom en superdator. Det finns många sådana modeller, och de förbättras ständigt.

Hela atmosfären och havet delas in i ett mönster av rutor. I globala klimatmodeller är rutorna stora, ofta ett par hundra kilometer i fyrkant. En global modell används sedan som ram för mer detaljerade beräkningar i en regional klimatmodell, som täcker en mindre del av världen med mindre rutor.

Rutorna är i sin tur indelade i skivor i höjdled (se grafik). I varje sådan volym ska ett antal ekvationer lösas. Ekvationerna beskriver rörelser och krafter, och kommer från klassisk fysik. Den allmänna gaslagen relaterar tryck och volym till temperatur. Newtons andra lag ger ekvationen för hur kraft ändrar en rörelse. Från termodynamikens första huvudsats kommer energiprincipen, som säger att energi inte kan skapas eller förstöras. Kontinuitetsekvationen ser till att mängden materia är konstant, även när vatten och luft strömmar och förflyttas.

Men världen innehåller också fenomen som spelar en viktig roll, som inte kan beräknas direkt med ekvationerna. Det handlar till exempel om hur mycket solljus som strålar in, och hur mycket som reflekteras från moln. En stor del av forskarnas arbete med klimatmodeller går ut på att förbättra hur sådana fenomen ska hanteras realistiskt i datorkoden. Detta skulle vara mycket mindre komplicerat om exempelvis moln alltid var lika stora som beräkningsrutorna Men det är de sällan. Ett mindre moln kan få olika effekt beroende på var det dyker upp i ett område som täcks av en ruta. Det gäller att tänka ut hur detta moln ska hanteras, så att det ger en rättvisande genomsnittseffekt i just den ruta det handlar om. Det här förfarandet kallas parametrisering (se grafik på nästa uppslag).

När allting är uppställt låter forskarna datorn räkna. Ekvationerna ska lösas i varje ruta, och för många olika tidpunkter. Ju mindre rutorna är, desto kortare tid tar det för det som händer i en ruta att påverka vad som händer i nästa. Tidsstegen måste alltså anpassas till rutornas storlek.

– Om man har 50 kilometer ruta brukar man ha en halvtimmes tidssteg, i vår regionala modell. Så det blir väldigt många beräkningar, säger Erik Kjellström.

Forskarna vid Rossby Centre använder en superdator som finns i Linköping. En regional klimatmodell med 50 kilometers upplösning tar ungefär fem dagar att köra. En global klimatmodell har större rutor, men också många fler, och kan kräva ungefär en månad av beräkningar.

Därefter gäller det att tolka och analysera resultaten. Alla som har följt långtidsprognoserna för vädret vet att de ofta stämmer ganska dåligt ett par veckor framåt i tiden. Det är därför inte så meningsfullt att titta på de finkorniga detaljerna i klimatmodellernas resultat när man räknar genom flera decennier.

– I modellen kan man se temperaturen den 6 september år 2088 klockan tre på eftermiddagen. Men så kommer det naturligtvis inte att bli. Det vi däremot kan säga är hur höstarna kommer att vara i slutet på seklet, säger Gustav Strandberg.

Klimatforskarna brukar säga att klimatet är ett genomsnitt av vädret över ungefär 30 år. Det går att få fram många olika sorters information genom att ta fasta på olika saker.

– Vi tittar inte bara på medelvärden, utan också på variabiliteten. Hur ofta temperaturen är över 12 grader, hur ofta det regnar mer än 40 millimeter, och så vidare, säger Erik Kjellström.

För att kontrollera om modellen stämmer är det första testet att se om den lyckas återskapa det klimat vi faktiskt har haft hittills. Forskarna kan då sätta startpunkten till exempel 50 eller 100 år tillbaka i tiden. Sedan körs beräkningarna fram till nu.

– Kan man se att upp- och nedgångarna i temperatur och annat är så stora som de ska vara, då visar det att modellen gör det vi förväntar oss, säger Gustav Strandberg.

Om det inte stämmer måste forskarna fundera på vad som saknas och vad som kan förbättras. Helst vill de testa samma modell på flera olika perioder, berättar Gustav Strandberg.

– Man kan köra den senaste istiden, eller vad som helst. Ju fler olika typer av klimat som modellen klarar av, desto mer säker kan man vara på att den här modellen också klarar framtidens klimat.

De allra bästa resultaten får forskarna sedan när de kombinerar flera olika modeller. De vill hellre räkna tio gånger med lägre upplösning och kombinera resultaten än att göra en enda mycket mer detaljerad beräkning. Det beror på att varje dubbling av upplösningen kräver åtta gånger mer datorresurser, utan att det ger en motsvarande förbättring av resultatets pålitlighet.

Klimatmodellerna har förfinats genom decennierna, både tack vare hårt arbete med att förstå alla detaljer och att datorernas kapacitet har ökat. Samtidigt får forskarna allt bättre mätdata från den verkliga världen att jämföra med.

Resultaten av forskningen har gett många tydliga och robusta resultat för vad som händer med jorden som helhet. Vi vet nu att vi kan förvänta oss att årstidernas växlingar förskjuts, och att vegetationszonerna drar sig norröver. När glaciärisar smälter stiger havsytan. Ju mer energi atmosfären innehåller, desto mer extremt blir vädret. En varmare atmosfär kan innehålla mer vattenånga, vilket till exempel ger kraftigare skyfall.

Samtidigt finns många saker som forskarna vill förstå bättre. Gustav Strandberg sysslar med forskning om hur växtligheten påverkar klimatet. I klimatmodellerna är växtligheten ofta konstant, men det leder till att modellerna missar vad som händer när växtligheten ändras.

Typen av växtlighet i ett område påverkar till exempel hur solljus reflekteras, eller hur vatten rinner och avdunstar. Samhällsplanering och det dagliga livet för vanliga människor handlar om det lokala och vad som händer på platsen där man bor. Därför är det viktigt att förstå också de lokala variationerna.

– Om vi använder mer biobränsle ska det göra att utsläppen av växthusgaser minskar. Men om man hugger ner skog för att odla energigrödor kan man lokalt få en motsatt effekt på klimatet, säger Gustav Strandberg.

Resultaten från all klimatmodellering blir till underlag för effektstudier, till exempel för vattentillgång på olika platser. Oavsett hur klimatarbetet går finns det redan förändringar som måste hanteras. Klimatanpassningar kan handla om att bygga vägar som ska klara stigande vattennivåer, att sköta jord- och skogsbruk på ett sätt som blir mindre känsligt för såväl torka som översvämningar eller att bygga hus som inte blir så varma på sommaren.

Kommer världen att klara av att nå målen i Parisavtalet? Gustav Strandberg visar en graf som han själv har gjort, baserad på de klimatscenarier som används av IPCC. Han har markerat hur utvecklingen har sett ut de senaste åren. Det är en kort tid i sammanhanget. Men Gustav Strandberg menar ändå att den nuvarande trenden pekar på att temperaturökningen inte kommer att bromsa vid vare sig 1,5 eller 2 grader, utan att vi snarare kommer att nå 3,5 grader till 2100.

Tre och en halv grader skulle innebära betydligt större skador på ekosystemen, och därmed på samhället och ekonomin, än de två grader som IPCC varnar för i den senaste rapporten.

Har du klimatångest?

– Nja … nej. Egentligen inte. Våra modeller visar att den viktigaste faktorn för vad som kommer att hända med klimatet är framtida utsläpp. Det finns ett utrymme för handling. Om man inte vill att allting bara ska krascha måste man göra något annat än att ge upp, fokusera på möjligheterna.

– Sedan är det svårt att veta vad man kan vänta sig för teknikskiften de närmaste åren. Det kan ju till exempel bli en solenergirevolution, och det kan gå jättesnabbt. På några år kan det hända jättemycket. Men vi måste samtidigt minska våra utsläpp av växthusgaser.