Vid tillräckligt höga koncentrationer av koldioxid (CO2) i atmosfären, Jorden kan nå en tipppunkt där marina stratusmoln blir instabila och försvinner, utlöser en topp i den globala uppvärmningen, enligt en ny modellstudie.

Denna händelse – som kan höja yttemperaturen med cirka 8 Kelvin (14 grader Fahrenheit) globalt – kan inträffa vid CO2-koncentrationer över 1, 200 delar per miljon (ppm), enligt studien, som kommer att publiceras av Naturgeovetenskap den 25 februari. Som referens, den nuvarande koncentrationen är runt 410 ppm och stiger. Om världen fortsätter att bränna fossila bränslen i nuvarande takt, Jordens CO2-nivå kan stiga över 1, 200 ppm under nästa århundrade.

"Jag tror och hoppas att tekniska förändringar kommer att bromsa koldioxidutsläppen så att vi faktiskt inte når så höga CO2-koncentrationer. Men våra resultat visar att det finns farliga klimatförändringströsklar som vi inte varit medvetna om, " säger Caltechs Tapio Schneider, Theodore Y. Wu professor i miljövetenskap och teknik och senior forskare vid Jet Propulsion Laboratory, som Caltech förvaltar för NASA. Schneider, huvudförfattaren till studien, noterar att 1, 200-ppm-tröskeln är en grov uppskattning snarare än ett fast antal.

Studien kan hjälpa till att lösa ett långvarigt mysterium inom paleoklimatologi. Geologiska register indikerar att under eocenen (för cirka 50 miljoner år sedan), Arktis var frostfritt och hem för krokodiler. Dock, enligt befintliga klimatmodeller, CO2-nivåerna skulle behöva stiga över 4, 000 ppm för att värma planeten tillräckligt för att Arktis ska vara så varmt. Detta är mer än dubbelt så högt som den sannolika CO2-koncentrationen under denna tidsperiod. Dock, en uppvärmningspik orsakad av förlusten av stratusmolndäck kan förklara utseendet på eocenens växthusklimat.

Stratus molndäck täcker cirka 20 procent av subtropiska oceaner och är vanliga i de östra delarna av dessa hav – till exempel, utanför Kaliforniens eller Perus kuster. Molnen kyler och skuggar jorden när de reflekterar solljuset som träffar dem tillbaka ut i rymden. Det gör dem viktiga för att reglera jordens yttemperatur. Problemet är att de turbulenta luftrörelserna som upprätthåller dessa moln är för små för att kunna lösas i globala klimatmodeller.

För att kringgå oförmågan att lösa molnen i global skala, Schneider och hans medförfattare, Colleen Kaul och Kyle Pressel från Pacific Northwest National Laboratory, skapade en småskalig modell av ett representativt atmosfäriskt avsnitt ovanför ett subtropiskt hav, simulerar molnen och deras turbulenta rörelser över denna havsfläck på superdatorer. De observerade instabilitet i molndäcken följt av en ökning i uppvärmningen när CO2-nivåerna översteg 1, 200 ppm. Forskarna fann också att när molndäcken försvann, de dök inte upp igen förrän CO2-nivåerna sjönk till nivåer väsentligt under där instabiliteten först inträffade.

"Denna forskning pekar på en blind fläck i klimatmodellering, säger Schneider, som för närvarande leder ett konsortium som heter Climate Modeling Alliance (CliMA) i ett försök att bygga en ny klimatmodell. CliMA kommer att använda dataassimilering och maskininlärningsverktyg för att smälta samman jordobservationer och högupplösta simuleringar till en modell som representerar moln och andra viktiga småskaliga funktioner bättre än befintliga modeller. En användning av den nya modellen kommer att vara att mer exakt bestämma CO2-nivån vid vilken molndäckens instabilitet uppstår.