Så klimatet blir varmare. Vem bryr sig?

Klimatförändringar har ett PR-problem i Amerika. I årtionden, vi kallade det "global uppvärmning, ' en ofarligt klingande fras som åberopar en mild ökning av världens temperaturer, som att skruva upp termostaten i ett hus.

"Folk frågade, så klimatet blir varmare. Vem bryr sig?" sa Michael B. McElroy, Gilbert Butler professor i miljöstudier vid Harvard University. "Och forskarna är delvis skyldiga till det på grund av hur vi har beskrivit klimatförändringar."

Det har varit svårt att få amerikaner att oroa sig för en temperaturökning på en grad under en 100-årsperiod, särskilt när de flesta bilderna som är förknippade med global uppvärmning - sönderfallande isark eller en ensam isbjörn som paddlar över ett smält landskap - känns så avlägsna.

Men klimatförändringarna är här. Att mildra effekterna av den globala uppvärmningen – bättre beskrivet som oåterkalleliga förändringar av klimatstrukturen – handlar om mer än att rädda planeten på längre sikt; det handlar om att rädda människoliv på kort sikt.

Från svåra stormar och katastrofala översvämningar till rekordstora torka och dödliga skogsbränder, Amerikaner lever med konsekvenserna av ett förändrat klimat varje dag. Fortfarande, majoriteten av amerikanerna trodde inte att klimatförändringarna skulle skada dem personligen, enligt en studie från Yale University. Det sambandet – mellan klimatförändringar och människors hälsa – har varit, till stor del, saknas från offentliga samtal och politisk debatt i Amerika idag.

Forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) undersöker sambandet mellan människors hälsa och ett förändrat klimat. Bland deras fynd:I Pennsylvania, dagar med farligt höga ytozonnivåer kan öka med 100 procent under de kommande decennierna, öka risken för astma och andra luftvägssjukdomar hos barn. Skogsbränder i Washington kan kväva tätbefolkade områden i dagar med tjocka, skadlig rök. Svåra stormar i Texas, Oklahoma, Nebraska, Iowa, Dakotas och angränsande stater kan tömma skyddande ozon i stratosfären, avslöjar människor, boskap och grödor till skadlig ultraviolett strålning.

Östra USA:Värmen stiger

Om världen skulle minska alla sina koldioxidutsläpp i morgon, temperaturerna har redan stigit tillräckligt för att orsaka mer allvarliga och långvariga värmeböljor. Extrem värme har allvarliga effekter på människors hälsa. Beroende på luftfuktighetsnivåer, långvarig exponering för 100-plus gradersdagar kan leda till värmeslag och uttorkning, såväl som kardiovaskulära, andningsorgan, och cerebrovaskulära sjukdomar.

Under det senaste decenniet, extrema värmeböljor i USA har dödat hundratals människor, mestadels äldre och fattiga i stadsområden, och kostade tiotals miljarder i skador. städer i norr, som Chicago, New York, Philadelphia och Boston, som är mindre beredda att hantera alltför höga temperaturer, kommer sannolikt att möta mest belastning av folkhälsobördan av värmeböljor under de kommande åren.

Med liten förmåga att stoppa framtida värmeböljor, det bästa alternativet för att mildra skador är förberedelser. Att förbättra vår förmåga att exakt förutsäga värmeböljor kan rädda liv.

De flesta nuvarande modeller kan inte förutsäga mer än cirka 10 dagar och säsongsmodeller har begränsad förmåga att förutsäga extrema händelser. Under 2012, till exempel, National Weather Service's Climate Prediction Center förutspådde normala sommartemperaturer i nordöstra och mellanvästra USA istället, regionerna upplevde tre separata, rekordstora värmehändelser i juni och juli som resulterade i mer än 100 dödsfall.

Peter Huybers, Professor i geo- och planetvetenskap vid institutionen för geo- och planetvetenskap och för miljövetenskap och teknik vid SEAS, arbetar med att förstå och förutsäga dessa dödliga temperaturspikar. Huybers och hans labb identifierade havsytans temperaturmönster som kan förutsäga ökade odds för extrema värmeböljor i östra USA upp till 50 dagar i förväg. Dessa mönster – som ett fingeravtryck på Stilla havets yta – föregår konsekvent värmeböljor i östra USA.

Huybers-teamet fann att bristen på nederbörd, som är känt för att bidra till värmeböljor, är också associerat med detta fingeravtryck – känt som Pacific Extreme Pattern. Även om det inte garanterar att en värmebölja kommer att slå till, att se det här mönstret ökar avsevärt sannolikheten för att något händer.

"Vår teknik kunde förutsäga tidigare värmeböljor, inklusive de dödliga värmeböljorna 2012, och var skicklig när den tillämpades på tidigare händelser mellan 1950 och 1980, " sade Huybers. "Men, Tekniken förutsäger inte Dust Bowl-åren på 1930-talet, påminner oss om att andra miljöfaktorer också måste vara viktiga."

Huybers och hans kollegor fortsätter att undersöka detta samband, skjuter horisonten på att förutsäga sommarvärmevågor i östra USA

Med mer tid att förbereda, elbolag kan se till att de har tillräckligt med elalternativ för att hantera en ökning i efterfrågan; bönder skulle kunna ändra bevattningstaktik för att förhindra skördförlust; stadsplanerare kan sätta upp kylutrymmen för äldre eller de utan luftkonditionering och intensifiera program för att spåra hemlösa och hembundna, kroniskt sjuka äldre amerikaner.

När luften värms på grund av globala klimatförändringar, Nordöstra stads- och förortsområden kan också se en ökning av marknära ozon - den otäcka kemiska föreningen som utgör majoriteten av smog, speciellt på sommaren.

Marknära ozon skapas av kemiska reaktioner som involverar kväveoxider (NOx), flyktiga organiska föreningar (VOC) och solljus. Fabriker, kraftverk och bilar producerar det mesta av NOx i USA.

Ozon är välkänt för att orsaka allvarliga luftvägssjukdomar och är särskilt farligt för barn, seniorer, och personer som lider av astma.

"Även kortvarig exponering för ozon under några timmar eller dagar har kopplats till allvarliga hälsoeffekter, sade Loretta J. Mickley, Senior forskare i kemi-klimatinteraktioner i Atmospheric Chemistry Modeling Group. "Höga nivåer av ozon kan förvärra kronisk lungsjukdom och öka dödligheten."

Forskare har länge vetat att temperatur och ozon är sammanlänkade - ju varmare temperatur, desto högre ozonnivåer. Dock, forskare har också fastställt att om temperaturen stiger över mitten av 90-talet Fahrenheit, detta förhållande kan gå sönder. Så, frågan är:hur kommer stigande globala temperaturer att påverka svårighetsgraden och frekvensen av dagar med farligt höga nivåer av markozon, känd som ozonepisoder?

Mickley och hennes team reder ut det komplexa förhållandet mellan ozon och stigande temperaturer i USA.

2016, doktoranden Lu Shen och Mickley fann att om lokala och globala utsläpp fortsätter okontrollerat och temperaturen stiger som beräknat, USA kan se en 70- till 100-procentig ökning av farliga ozonepisoder, beroende på region.

Nordost, Kalifornien och delar av sydvästra, skulle påverkas mest, att uppleva upp till nio extra dagar per år av ohälsosamma ozonnivåer under de kommande 50 åren. Resten av landet kan uppleva upp till tre extra dagar av ohälsosamt ozon.

Vad betyder det för hälsan i USA? Sjukhusinläggningar och akutmottagningsbesök skulle öka, fall av kroniska andningssjukdomar, såsom astma och kronisk bronkit, skulle öka, och fler människor kan dö av luftvägssjukdomar.

"Vi behöver ambitiösa utsläppskontroller för att kompensera potentialen för mer än en veckas ytterligare dagar med ohälsosamma ozonnivåer, " sa Mickley.

De goda nyheterna är, vi har redan sett den kraftfulla effekt som reglering har på ozonnivåerna i USA mellan 1990 och 2016, ozonnivåerna minskade avsevärt, särskilt på östkusten, tack vare Clean Air Act och dess ändringar, som riktade sig mot ozonprekursorer.

De dåliga nyheterna är att höga temperaturer kan häva den trenden.

Mickley och hennes team utvecklar också verktyg för att förutsäga när och var amerikaner löper störst risk för ökade nivåer av ozon på kort sikt.

Forskarna fann att höga nivåer av ozon sommartid i östra USA är korrelerade med storskaliga meteorologiska mönster på våren, inklusive havsytans temperaturer. Teamet använde detta förhållande för att förutsäga genomsnittliga ozonnivåer sommartid en säsong i förväg.

"Ett förutsägelseverktyg kan fungera som ett tidigt varningssystem för samhällen som är mest utsatta för dagar med hög ozon, ", sade Mickley. "Lokala samhällen kan mobilisera resurser och planera protokoll för att hjälpa sina medborgare som är mest utsatta, inklusive barn och seniorer, under avsnitt i den kommande ozonsäsongen. Sådana protokoll kan inkludera råd för människor att stanna inomhus."

Bryggande stormar i mellanvästern

När temperaturen ökar och mer vattenånga avdunstar i atmosfären, stormar kommer att bli mer frekventa och intensivare – särskilt i mellanvästern.

Översvämningar och skador i samband med dessa stormar är ett hot mot livet och försörjningen för de 60 miljoner människor som bor i delstaterna i Mellanvästern, särskilt bönder som förlitar sig på förutsägbara nederbördsmönster. Men intensiteten av dessa stormar, kombinerat med faktorer som är unika för Great Plains-regionen, kan också skada det skyddande ozonskiktet som skyddar livet på jorden från skadlig ultraviolett strålning.

James G. Anderson, Philip S. Weld professor i atmosfärisk kemi vid SEAS och Institutionen för jord- och planetvetenskap, studerar detta fenomen. Under 2012, hans team upptäckte att under intensiva sommarstormar över Mellanvästern, vattenånga från dessa stormar injiceras djupt in i stratosfären. Genom att studera ozonförlusten över Arktis på vintern, Anderson och hans medarbetare konstaterade att kombinationer av både temperatur och vattenånga omvandlar stabila former av klor och brom till fria radikaler som kan omvandla ozonmolekyler till syre, som implicerar storminjicerad vattenånga i förlusten av ozon över USA på sommaren.

Genom att använda avancerade radartekniker, Anderson och hans team, inklusive forskare vid Texas A&M och University of Oklahoma, fann nyligen att tusentals stormar varje sommar penetrerar stratosfären för att ge bränsle för dessa reaktioner - mycket fler än man tidigare trott.

"Istället för stora, ozonförlust på kontinental skala som sker över polarområdena på vintern, dessa radarobservationer och vår nya höga noggrannhet, Temperaturmätningar med hög rumslig upplösning fann att strukturen av ozonförlust i centrala USA är mycket lokaliserad över många regioner, sa Andersson.

Dessa reaktioner, beroende på stratosfärens temperatur, kan utlösa en minskning av ozon på 12 till 17 procent i den nedre stratosfären en vecka efter en storm. Detta motsvarar en 2- till 3-procentig minskning av stratosfäriskt ozon i området för ökad vattenånga. Även en minskning på 1 procent av stratosfäriskt ozon kan leda till en 3-procentig ökning av hudcancer hos människor – det finns tre och en halv miljon nya fall av hudcancer som diagnostiseras varje år bara i USA. Eftersom ultraviolett strålning också försämrar fotosyntesens molekylära kemi, En sådan förändring kan också ha en stor effekt på jordbruket i Mellanvästern.

"Det här handlar inte bara om människors hälsa, det här handlar om skördar, boskap, och förmågan att fungera under längre perioder utomhus på sommaren, sa Andersson.

Anderson och hans labb utvecklar nya plattformar för att observera detta fenomen i aktion. Centralt i det arbetet är en forskningsplattform som heter StratoCruiser, en supertrycksballong utformad för att samla in data vid i genomsnitt 75, 000 fot — långt in i stratosfären.

Drivs av en rad solceller, StratoCruiser kommer att flyga ovanför centrala USA i fyra till sex veckor, att samla in data om hur vattenånga som injiceras i stratosfären förändrar partiklarnas egenskaper och initierar serien av kemiska reaktioner som förstör ozon.

Anderson och hans team utvecklar avkänningsinstrument som är tillräckligt robusta för att tåla vindar och regn från intensiva konvektiva stormar men ändå lätta nog att tillåta instrumentpaketet, upphängd på en Kevlar-filament under ballongen, att prova luft mellan 40, 000 fot och 75, 000 fot.

Instrumenten måste fungera vid temperaturer från minus 120 grader till plus 90 grader Fahrenheit, motstå det låga trycket i den övre atmosfären, driva sig själva och operera självständigt under det sex veckor långa uppdraget.

SEAS-studenter i Andersons Engineering Problem Solving and Design Project (ES 96) spelar en viktig roll för att lösa dessa designutmaningar. Studentteamet som designade en spektrometer som mäter saltsyra (HCl) i atmosfären tilldelades 200 $, 000 från NASA:s anslag för studentinstrumentprojekt. Det nya instrumentet kommer att lanseras av NASA hösten 2017 från Ft. Sumner, New Mexico.

Ett annat ES 96-projekt för studenter handlar om att designa och bygga en ny klass av instrument för att mäta fria radikaler och andra reaktiva arter från soldrivna stratosfärflygplan. Dessa instrument, som kommer att samla in data över USA kontinuerligt i tre månader, kommer att ge möjlighet att förutsäga mängden UV-strålning som projiceras för specifika regioner i Great Plains-staterna under sommaren. Det soldrivna stratosfärflygplanet kan också gå runt jorden för att få observationer relaterade till klimatstrukturens svar på ökande halter av koldioxid och metan.

En av de största frågorna Anderson och andra vill svara på är huruvida processen med ozonnedbrytning är reversibel eller inte.

Anderson vet hur välkommunicerad vetenskap kan stimulera åtgärder mot klimatförändringar. Det var hans forskning i slutet av 1980-talet som slutligen bevisade kopplingen mellan klorfluorkolväten (CFC) från aerosolburkar, luftkonditioneringsapparater och kylskåp och det antarktiska ozonhålet. Upptäckten var nyckelsteget mot allmänhetens acceptans av anslutningen, vilket i slutändan ledde till utfasningen av CFC enligt Montrealprotokollet från 197 länder som undertecknades 1987.

"Vi såg kraften i reglering och lagstiftning när globala makter gick samman och beslutade att förbjuda CFC, " sade Anderson. "Efter det, vi trodde att vi hade löst problemet med ozonnedbrytning. Nu, det kan göras mycket värre än vi trodde av klimatförändringarna. Om vi ​​fortsätter på den här kursen, minskningar av ozon och tillhörande ökningar av UV-dosering kan vara irreversibla."

Väst brinner

Bara under 2016 mer än 67, 000 skogsbränder brände över 5,5 miljoner hektar i USA, ett område som motsvarar storleken på New Jersey. Om den globala uppvärmningen fortsätter i takt, modellerna förutspår att 2050 kommer skogsbränderna i västra USA att vara cirka tre veckor längre, dubbelt så rökig, och kommer att bränna mer område. Under de kommande decennierna, det område som brändes i augusti skulle kunna öka med 65 procent i Pacific Northwest; kunde nästan fördubblas i Eastern Rocky Mountains/Great Plains; och fyrdubbla i Rocky Mountains Forest-regionen.

Men skogsbränder hotar mer än mark och hem. Röken de producerar innehåller partiklar som kan förorena luften hundratals kilometer bort. När skogsbränder ökar i frekvens och intensitet, fler och fler samhällen riskerar långvarig exponering för skadliga röknivåer, inklusive tätbefolkade områden som Kaliforniens San Francisco, Alameda, och Contra Costa län, och King County i Washington.

Mickley och Atmospheric Chemistry Modeling Group utvecklar verktyg för att förutsäga hur skogsbränder kommer att påverka luftkvaliteten. Arbetet är en del av ett samarbete med Yale University.

Mellan 2004 och 2009, cirka 57 miljoner människor i västra USA upplevde en rökvåg, en term som Mickley och hennes kollegor myntade för att beskriva två eller flera dagar i följd av ohälsosamma nivåer av rök från bränder. Mellan 2046 och 2051, teamet uppskattade att mer än 82 miljoner människor sannolikt kommer att påverkas av rökvågor, mestadels i norra Kalifornien, Western Oregon och Great Plains, där det finns gott om eldbränsle.

Över hela västra USA, klimatförändringar kommer sannolikt att göra att rökvågorna blir längre, mer intensiv, och oftare. Omkring 13 miljoner fler barn och äldre – som löper högre risk för luftvägssjukdomar – kommer att drabbas av rökvågor jämfört med idag.

Mickley och hennes team har utvecklat en modell för att förutsäga, på länsnivå, områden med störst risk för rökvågor. Modellen skulle göra det möjligt för lokala myndigheter eller U.S. Forest Service att prioritera dessa områden i brandbekämpningsinsatser som att rensa ut torrt undervegetation eller utföra kontrollerade brännskador.

"Oavsett vad som tänder en löpeld, antingen genom blixtnedslag eller mänsklig slarv, spridningen av en brand bestäms av tillgången på torra, lättantändligt bränsle, ", sa Mickley. "Vi ser för närvarande och vi kommer att fortsätta att se under kommande decennier, varmare temperaturer ökar tillgången på sådant bränsle. De massiva bränderna 2016 är sannolikt en indikation på vad som komma skall."

Föroreningar känner inga gränser

Det är inte bara det kontinentala USA som står inför hälsokonsekvenser av de globala klimatförändringarna. Alaska, Hawaii och många amerikanska territorier står i frontlinjen för klimatförändringarna.

2016, en DC-8 laddad med vetenskapliga instrument lyfte från Palmdale, Kalifornien, stiger upp genom en himmel tjock av skogsbrandsrök och smog från närliggande Los Angeles.

Det var en passande start på den första delen av Atmospheric Tomography Mission (ATom), ledd av Steven C. Wofsy, Abbott Lawrence Rotch professor i atmosfärs- och miljövetenskap vid SEAS och Institutionen för jord- och planetvetenskap. Sedan 2016, ATom-uppdraget har gjort två resor runt om i världen - pol till pol - med atmosfäriska mätningar för att förstå hur föroreningar och växthusgaser rör sig genom atmosfären.

ATom-uppdraget, i samarbete med NASA, kommer att flyga totalt fyra resor runt om i världen. De data som samlas in kommer att bidra till att förbättra noggrannheten hos de miljömodeller som ligger till grund för klimatpolitiken.

Den första delen gav forskargruppen en nykter syn på klimatförändringarnas omfattning i Amerika och amerikanska territorier. Flera timmar efter att ha lämnat den brännande hettan och skogsbränderna i Kalifornien, laget flög över Alaska, där stora mörka vattenpölar störde det som borde ha varit ett sammanhängande skikt av vitt, polarisarna.

"Kontrasten mellan miljöerna kunde inte ha varit mer dramatisk än, båda platserna upplevde enorma effekter från det uppvärmande klimatet, sa Wofsy.

Och även om inga större bränder brann i norra Alaska när ATom-teamet genomförde sitt första uppdrag, forskarna registrerade höga nivåer av föroreningar från skogsbränder som brinner hundratals kilometer bort, i Sibiriens skogar.

"Föroreningar kan transporteras var som helst, " sa Roisin Commane, forskarassistent inom miljövetenskap och teknik vid SEAS och medlem av ATom-teamet. "Vi såg föroreningar tusentals miles från stranden, i vad som borde ha varit någon av världens renaste luft. Vi såg föroreningar från Asien transporteras över Stilla havet och föroreningar från USA över Atlanten. Föroreningar har inga gränser."

Ingenjörshopp

Dessa konsekvenser av den globala uppvärmningen i USA känner inte heller några gränser – det påverkar unga och gamla amerikaner, Urbanister på östkusten och bönder i Mellanvästern.

Förutom att leda ansträngningar för att förstå de system som bidrar till en värmande planet, forskare vid SEAS utvecklar också nya verktyg och tekniker för att hjälpa till att vända, eller åtminstone långsamt, processen. Det inkluderar projekt som syftar till att generera ren kraft och lagra den i långvariga batterier.

Eric Mazur, Balkanski-professorn i fysik och tillämpad fysik, har forskat på egenskaperna hos strukturer i nanoskala i kisel, som har lovande tillämpningar för att förbättra kapaciteten hos solceller. Jennifer Lewis, Hansjörg Wyss professor i biologiskt inspirerad teknik, har hjälpt till att utveckla material för kolavskiljning och -bindning.

Professorerna Michael Aziz, Gene och Tracy Sykes professor i material och energiteknik; och Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot professor i kemi och professor i materialvetenskap, utvecklas giftfria, långvariga och kostnadseffektiva flödesbatterier för att lagra ström från intermittenta energikällor, som vind och sol.

SEAS-studenter engagerar sig också i arbetet på Harvards campus.

I en ES96-klass, SEAS-studenter arbetade med universitetets Office for Sustainability för att utvärdera metoder för motståndskraft mot klimatförändringar och utveckla strategier för att förbättra integriteten hos elnätet, svala byggnader under extrem värme, och minimera skador från översvämningar.

"Medan vi kan ha dysfunktion i Washington, delar av USA gör allvarliga saker om klimatförändringarna, ", sade McElroy. "Kalifornien och New England är lysande exempel. Borgmästare i stora amerikanska städer har varit ledande när det gäller att ta itu med dessa frågor. Så, på den optimistiska sidan, det finns tecken på att människor kan träffas och få saker gjorda."

Det är viktigt att inte tappa den optimismen, sa Wofsy.

Han och ATom-teamet såg något annat på den första flygningen från Kalifornien:sol- och vindkraftsparker som genererar kolfri elektricitet.

"Den här synen var mycket mer hoppfull, " sa Wofsy. "Om vi ​​använder våra sinnen och resurser på problemet, vi kan göra betydande framsteg för att bromsa ökningen av koldioxid i atmosfären. Men det är en generationsutmaning."