Åskväder kommer att bli mer intensiva i troperna och subtroperna detta århundrade som ett resultat av klimatförändringar, enligt ny forskning.

Åskväder är bland naturens mest spektakulära fenomen, producerar blixtar, ösregn, och ibland respektingivande molnformationer. Men de har också en rad viktiga effekter på människor och ekosystem.

Till exempel, blixtnedslag från åskväder är en viktig utlösare för skogsbränder globalt, medan hagelstormen som drabbade Sydney i april 1999 fortfarande är Australiens dyraste naturkatastrof någonsin.

Med tanke på skadorna orsakade av åskväder i Australien och runt om i världen, det är viktigt att fråga sig om de kommer att växa i frekvens och intensitet när planeten värms upp.

Våra främsta verktyg för att besvara sådana frågor är globala klimatmodeller – matematiska beskrivningar av jordsystemet som försöker redogöra för de viktiga fysiska processer som styr klimatet. Men globala klimatmodeller är inte tillräckligt finskaliga för att simulera enskilda åskväder, som vanligtvis bara är några kilometer tvärs över.

Men modellerna kan berätta om ingredienserna som ökar eller minskar kraften i åskväder.

Bryr upp en storm

Åskväder representerar det dramatiska frigörandet av energi som lagras i atmosfären. Ett mått på denna lagrade energi kallas "konvektiv tillgänglig potentiell energi", eller CAPE. Ju högre CAPE, desto mer energi finns tillgänglig för att driva uppströmmar i moln. Snabba uppgångar flyttar ispartiklar i kylan, övre områden av ett åskväder snabbt uppåt och nedåt genom stormen. Detta hjälper till att separera negativt och positivt laddade partiklar i molnet och leder så småningom till blixtnedslag.

För att skapa åskväder som orsakar skadlig vind eller hagel, kallas ofta för kraftiga åskväder, en andra faktor krävs också. Detta kallas "vertikal vindskjuvning", och det är ett mått på förändringarna i vindhastighet och riktning när du stiger genom atmosfären. Vertikal vindskjuvning hjälper till att organisera åskväder så att deras upp- och neddrag blir fysiskt åtskilda. Detta förhindrar neddraget från att skära av energikällan för åskvädret, låter stormen hålla i sig längre.

Genom att uppskatta effekten av klimatförändringar på dessa miljöegenskaper, vi kan uppskatta de sannolika effekterna av klimatförändringar på svåra åskväder.

Stormig prognos

Min undersökning, utförs med amerikanska kollegor och publiceras idag i Proceedings of the National Academy of Sciences, gör just det. Vi undersökte förändringar i energin tillgänglig för åskväder över tropikerna och subtroperna i 12 globala klimatmodeller under ett "business as usual"-scenario för utsläpp av växthusgaser.

I varje modell, dagar med höga värden av CAPE blev vanligare, och CAPE-värdena steg som svar på den globala uppvärmningen. Detta var fallet för nästan alla regioner i tropikerna och subtroperna.

Dessa simuleringar förutsäger att detta århundrade kommer att medföra en markant ökning av frekvensen av förhållanden som gynnar kraftiga åskväder, om inte utsläppen av växthusgaser kan minskas avsevärt.

Tidigare studier har gjort liknande förutsägelser för svåra åskväder i östra Australien och USA. Men vår är den första som studerar tropikerna och subtropen som helhet, en region som kännetecknas av några av de kraftigaste åskväderna på jorden.

Vad driver den ökade energin?

Olika klimatmodeller, konstruerade av olika forskargrupper runt om i världen, alla är överens om att den globala uppvärmningen kommer att öka energin tillgänglig för åskväder – en förutsägelse som understryks av vår nya forskning. Men vi måste förstå varför detta händer, för att vara säker på att effekten är verklig och inte en produkt av felaktiga modellantaganden.

Jag och mina kollegor har tidigare föreslagit att höga halter av CAPE kan utvecklas i tropikerna som ett resultat av den turbulenta blandningen som uppstår när moln drar in luft från sin omgivning. Denna blandning förhindrar att atmosfären försvinner den tillgängliga energin för snabbt. Istället, energin byggs upp längre och frigörs vid mindre frekventa men mer intensiva stormar.

När klimatet blir varmare, mängden vattenånga som krävs för molnbildning ökar. Detta är resultatet av ett välkänt termodynamiskt förhållande som kallas Clausius-Clapeyron-relationen. I ett varmare klimat betyder det att skillnaden i luftfuktigheten mellan molnen och deras omgivning blir större. Som ett resultat, blandningsmekanismen blir mer effektiv för att bygga upp den tillgängliga energin. Detta, Vi argumenterar, svarar för ökningen av CAPE i våra modellsimuleringar.

I vår nya studie, vi testade denna idé i en global klimatmodell genom att på konstgjord väg öka styrkan i blandningen mellan moln och deras omgivning. Som förväntat, denna förändring resulterade i en stor ökning av energin som är tillgänglig för åskväder i vår modell.

En annan förutsägelse av vår hypotes är att dagar med både höga värden på CAPE och kraftig nederbörd tenderar att inträffa när atmosfären är minst fuktig i sina mellannivåer (på några kilometers höjder). Använda riktiga data från väderballonger, vi bekräftade att detta är fallet över tropikerna och subtroperna.

Vad detta betyder för framtida åskväder

Modellerna förutspår att den tillgängliga energin för åskväder kommer att öka när jorden värms upp. Men hur mycket intensivare blir stormar egentligen som ett resultat?

Svaret på den frågan är för närvarande osäkert, och svara på det är nästa jobb för mig, och andra forskare runt om i världen.

Men det är klart att genom våra fortsatta utsläpp av växthusgaser, vi ökar det tillgängliga bränslet för de kraftigaste åskvädarna. Exakt hur mycket starkare våra framtida åskväder i slutändan kommer att bli återstår att se.