เป็นทางการ: โลกกำลังร้อนขึ้นและขึ้นอยู่กับเรา ในเดือนนี้ นักวิทยาศาสตร์จากกว่า 60 ประเทศในคณะกรรมการระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (IPCC) ได้เผยแพร่ส่วนแรกของรายงานล่าสุดเกี่ยวกับภาวะโลกร้อน ในรายงาน คณะผู้อภิปรายสรุปว่า เป็นไปได้มากว่าอุณหภูมิโลกที่เพิ่มขึ้น 0.5 °C ส่วนใหญ่ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมาเกิดจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่มนุษย์สร้างขึ้น
และวิทยาศาสตร์
ชี้ให้เห็นว่ามีการเปลี่ยนแปลงที่มากขึ้นรออยู่: ภายในปี 2100 ภาวะโลกร้อนที่เกิดจากมนุษย์อาจเปรียบได้กับภาวะโลกร้อนประมาณ 6 °C นับตั้งแต่ยุคน้ำแข็งครั้งสุดท้าย ผลที่ตามมาของภาวะโลกร้อนอาจเป็นหายนะได้ ในขณะที่โลกยังคงร้อนขึ้น ความถี่ของน้ำท่วมและภัยแล้งมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้น
แหล่งน้ำและระบบนิเวศจะถูกคุกคาม การปฏิบัติทางการเกษตรจะต้องเปลี่ยนไป และผู้คนนับล้านอาจต้องพลัดถิ่นเมื่อระดับน้ำทะเลสูงขึ้น เศรษฐกิจโลกอาจได้รับผลกระทบอย่างรุนแรงเช่นกัน ล่าสุด ซึ่งได้รับมอบหมายจากรัฐบาลสหราชอาณาจักรให้ประเมินผลกระทบทางเศรษฐกิจ
จากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เตือนว่า 5-20% ของผลิตภัณฑ์มวลรวมภายในประเทศของโลกอาจสูญเสียไป เว้นแต่จะลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจำนวนมากในเร็วๆ นี้ แต่เราจะคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้อย่างไร และเหตุใดเราจึงควรเชื่อถือการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้
ภูมิอากาศเป็นระบบที่ซับซ้อนอย่างมาก ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์และเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นบรรยากาศ ผืนดิน และมหาสมุทร ความหวังที่ดีที่สุดของเราในการทำความเข้าใจว่าสภาพอากาศเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปและเราอาจส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศอย่างไรนั้น
ขึ้นอยู่กับแบบจำลองสภาพอากาศทางคอมพิวเตอร์ที่พัฒนาขึ้นในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา แบบจำลองภูมิอากาศน่าจะเป็นสิ่งที่ซับซ้อนที่สุดในบรรดาวิทยาศาสตร์และได้พิสูจน์คุณค่าแล้วด้วยความสำเร็จที่น่าตกใจในการจำลองภูมิอากาศในอดีตของโลก แม้ว่าจะเป็นสาขาสหสาขาวิชาชีพ
แต่การสร้างแบบ
จำลองสภาพภูมิอากาศมีรากฐานมาจากฟิสิกส์ของกลศาสตร์ของไหลและอุณหพลศาสตร์ และนักฟิสิกส์ทั่วโลกกำลังร่วมมือกันเพื่อปรับปรุงแบบจำลองเหล่านี้โดยนำเสนอกระบวนการทางกายภาพในระบบภูมิอากาศได้ดียิ่งขึ้น ไม่ใช่ความคิดใหม่นานมาแล้วก่อนที่ความกลัวเรื่องการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
จะเกิดขึ้น นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่าก๊าซที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในชั้นบรรยากาศทำให้โลกอุ่นขึ้นโดยการดักจับรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมา แท้จริงแล้ว หากปราศจาก “ปรากฏการณ์เรือนกระจก” ตามธรรมชาตินี้ ซึ่งทำให้โลกอุ่นขึ้นกว่าปกติประมาณ 30 °C สิ่งมีชีวิตก็อาจไม่มีวันวิวัฒนาการได้
นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ เป็นคนแรกที่อธิบายปรากฏการณ์เรือนกระจกในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 และอีกไม่กี่ทศวรรษต่อมา ก็ตระหนักว่าก๊าซเช่นคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำเป็นสาเหตุหลัก แทนที่จะเป็นองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศที่มีอยู่อย่างเช่นไนโตรเจน และออกซิเจน
แต่เนื่องจากการคาดการณ์สภาพอากาศไม่น่าเชื่อถือเป็นเวลามากกว่าสองสามวันข้างหน้า เราจะหวังว่าจะทำนายสภาพอากาศ เช่น หลายสิบหรือหลายร้อยปีในอนาคตได้อย่างไร คำตอบส่วนหนึ่งอยู่ที่สภาพอากาศซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยของสภาพอากาศเมื่อเวลาผ่านไป เราไม่จำเป็นต้องทำนายลำดับที่แน่นอน
ของสภาพอากาศเพื่อทำนายสภาพอากาศในอนาคต เช่นเดียวกับในอุณหพลศาสตร์ เราไม่จำเป็นต้องทำนายเส้นทางของทุกโมเลกุลเพื่อหาปริมาณคุณสมบัติเฉลี่ยของก๊าซ ในทศวรรษที่ 1960 นักวิจัยประจำอยู่ที่ห้องปฏิบัติการ ในพรินซ์ตัน สหรัฐอเมริกา ได้สร้างแบบจำลองการพยากรณ์อากาศ
เพื่อจำลอง
ผลกระทบของการปล่อย CO 2 ที่เกิดจากมนุษย์ ต่อสภาพอากาศของโลก การวัด รัฐฮาวาย เริ่มตั้งแต่ปี 1957 ได้แสดงหลักฐานชัดเจนว่าความเข้มข้นของ CO 2ในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้น แบบจำลองของพรินซ์ตันทำนายว่าการเพิ่มปริมาณ CO 2ในชั้นบรรยากาศเป็นสองเท่าจะทำให้ชั้นบรรยากาศ
โทรโพสเฟียร์อุ่นขึ้น ซึ่งเป็นระดับต่ำสุดของชั้นบรรยากาศ แต่ยังทำให้ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ที่อยู่สูงขึ้นไปเย็นลงด้วย ในขณะเดียวกันก็สร้างความอบอุ่นให้กับชั้นบรรยากาศมากที่สุด ซึ่งสอดคล้องกับการคำนวณในช่วงต้นของคัลเลนดาร์ น็อตและสลักเกลียวของแบบจำลองสภาพอากาศ
ระบบภูมิอากาศประกอบด้วยห้าองค์ประกอบ: บรรยากาศ; มหาสมุทร; ชีวมณฑล; ไครโอสเฟียร์ (น้ำแข็งและหิมะ) และธรณีสเฟียร์ (หินและดิน) ส่วนประกอบเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ในระดับที่แตกต่างกันทั้งในอวกาศและเวลา ทำให้ภูมิอากาศมีความแปรปรวนทางธรรมชาติอย่างมาก และอิทธิพลจากมนุษย์
เช่น การปล่อยก๊าซเรือนกระจกยิ่งเพิ่มความซับซ้อนเข้าไปอีก (รูปที่ 1) การคาดการณ์สภาพอากาศ ณ เวลาใดเวลาหนึ่งในอนาคตจึงขึ้นอยู่กับความสามารถของเราในการรวมกระบวนการหลักไว้ในแบบจำลองสภาพภูมิอากาศของเราให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หัวใจของแบบจำลองสภาพภูมิอากาศ
และการพยากรณ์อากาศอยู่ที่สมการเนเวียร์-สโตกส์ ซึ่งเป็นชุดของสมการเชิงอนุพันธ์ที่ช่วยให้เราสามารถจำลองไดนามิกของบรรยากาศในลักษณะของไหลที่อัดตัวได้อย่างต่อเนื่อง ด้วยการเปลี่ยนสมการให้เป็นกรอบอ้างอิงแบบหมุนในพิกัดทรงกลม (โลก) เราจึงได้สมการพื้นฐานของการเคลื่อนที่
สำหรับ “พัสดุ” ของอากาศในแต่ละทิศทางตะวันออก-ตะวันตก เหนือ-ใต้ และแนวตั้ง สมการเพิ่มเติมอธิบายคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของบรรยากาศ น่าเสียดายที่ไม่มีวิธีแก้ปัญหาเชิงวิเคราะห์สำหรับสมการเนเวียร์-สโตกส์ อันที่จริงแล้ว การค้นหาหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในวิชาคณิตศาสตร์
