Av alla varelser på jorden, människor manipulerar sin miljö mest. Men, hur långt kan vi driva det innan något drastiskt händer?

Forskare efterlyser en bättre förståelse av tidigare extrema klimatförändringar i ett försök att förutse framtida förändringar.

Ange geoarkeologen och antropologen C. Michael Barton vid Arizona State University. School of Human Evolution and Social Change forskare, tillsammans med Foundation Professor Sander van der Leeuw och ett internationellt och tvärvetenskapligt team, publicerade sin analys denna vecka i tidskriften Naturgeovetenskap . Tidningen beskriver tidigare plötsliga klimatförändringar, vad som ledde fram till "tipping points" för dessa händelser, och vad som följde.

"Vi har fört in en massa kemikalier i atmosfären och förändrat värmen i atmosfären under lång tid, och verkligen intensivt i 150 år, " sade Barton. "Och, saker går fortfarande på. Temperaturerna stiger sakta globalt, men vi har inte sett en stor, dramatisk förändring. Dock, komplexa system är potentiellt sårbara om du trycker för mycket."

Barton studerar jordens många system – speciellt vattnets kretslopp och landskap – och hur människor förändrar dessa system.

"Folk tenderar att titta på hur långt du kan driva saker innan allt plötsligt förändras, " Sa Barton. "Och det är vad som anses vändpunkten."

System finns överallt

För en komplex systemspecialist som Barton, nästan allt kan ses som system eller cykler. Ett träd växer och dör, och sönderfallet återför näringsämnen till jorden. Vatten cirkulerar genom jorden i olika former som regn, avrinning och avdunstning.

Några av jordens huvudsystem inkluderar hydrosfären (vatten), atmosfären (luft) och kryosfären (is). Alla dessa system är anslutna. Denna forskning om tipping points tittar på historien om dessa system för att kvantifiera små förändringar som kan leda till en abrupt, massiv förändring, samtidigt som man mäter hur en plötslig förändring kan utlösa plötsliga förändringar i andra system.

Uppsatsen utforskar tidigare forskning med sedimentkärnor i Alaskabukten, dammrekord i Nordafrika och iskärnor från Grönland. Alla dessa förhistoriska data ger jordsystemmodellerare och forskare en bättre uppfattning om hur jorden verkligen såg ut för hundratusentals år sedan.

Forskare har också i stor utsträckning studerat jordens hav. Detta inkluderar de nuvarande nivåerna av salt och syre, förändringar i cirkulationsmönster, och inflöden av färskvatten från smältande inlandsisar. Aktuella havsförhållanden kan jämföras med historiska data som samlats in från havsbottens sammansättning, att dra slutsatser om tidigare havsströmmar.

Stora förändringar har skett tidigare

Författarna noterar tidigare fall av extrema klimathändelser som inträffade så snabbt att människor antingen hade svårt att anpassa sig, eller inte kunde anpassa sig, till den nya miljön.

Till exempel, ca 1, 500 år sedan, plötslig kylning inträffade i Europa, leder till förändringar i vegetationen. Författarna noterar att nedkylningen kan ha orsakats av ett naturfenomen - vulkanutbrott. Växtligheten och jordbruksförändringarna var så extrema att människor upplevde svält och samhällelig omorganisation. Denna tidpunkt korrelerar med omvandlingen av det östra romerska riket.

Författarna noterar hur klimathändelser för århundraden sedan utlöste drastiska förändringar eller till och med kollaps i forntida civilisationer på grund av oförutsedda samhälleliga sårbarheter.

Ett exempel är den antika staden Angkor, som låg i nuvarande Sydostasien. Människorna som bodde i Angkor förändrade det naturliga vattnets kretslopp genom att avleda vatten för att odla grödor. När staden växte, vattensystemet i den regionen blev så ansträngt att det passerade en tipppunkt. Systemet kunde inte hantera mer intensiva torka och översvämningar, och staden Angkor kollapsade.

Många okända kvarstår

Arizonabor vet att de senaste åren har varit torrare och varmare än vanligt. Barton sa att det ännu inte är klart om vi har passerat en vändpunkt i sydvästra regionen.

Det är normalt att se små fluktuationer i nederbörd och temperatur år till år. Men nya studier av forntida klimat får Barton att undra om de torrare vädermönstren har blivit det nya normala för våra liv.

Barton noterade också att forskare fortfarande inte vet varför vissa vädersystem förändras. Till exempel, tidigare monsunregn har skiftat utan förvarning och av okänd anledning. Detta kan vara katastrofalt för mänskliga befolkningar, eftersom de som är beroende av monsunen upplever intensiv torka, medan andra inte har infrastrukturen för att hantera inflödet av vatten.

Det finns fortfarande luckor inom detta forskningsområde. Mer rådata behöver samlas in och kvantifieras, och vissa befintliga data saknar den precision och kvalitet som behövs för att skapa testmodeller och simulera framtida plötsliga förändringar.

Forskarna efterlyser också mer analys av samspelet mellan miljösystem och mänskliga samhällen under perioder av klimatförändringar.

Slutligen, förbättringar i jordsystemmodeller kommer att hjälpa forskare att kunna simulera möjliga plötsliga förändringar som människor kan se inom en snar framtid. Nuvarande modeller är mycket bra på att simulera mer gradvisa klimatförändringar, men kan ännu inte simulera väldokumenterade tidigare plötsliga förändringar.

Författarna hoppas att denna artikel ökar medvetenheten om området, och att fler människor kommer att förstå hur en analys av det förflutna på lång sikt kan hjälpa oss i en nära framtid.

Till exempel, en del av forskning om tipppunkter är att identifiera tidiga varningssignaler. Dessa är mindre fluktuationer i ett system innan en abrupt förändring. Författarna säger att dessa varningssignaler finns, men när hela världen är i fokus, det kan vara utmanande att spåra hur små förändringar i ett system kan varna för en abrupt förändring i ett annat.

Det finns bevis på tidigare varningssignaler. Till exempel, det var onormala förändringar i klimatet i norra Stilla havet och runt Grönland före den stora avsmältningen av jordens senaste istid.

"Alla komponenter kan verkligen förändras, riktigt snabbt, " Sa Barton. "Hela systemet kan hamna i ett annat tillstånd... Hur vet vi när vi kommer för nära?"

Författarna lämnar läsaren med denna sista tanke:"Som människor, vi försöker förutse framtiden. Vi är nu väl medvetna om att komplexa system, inklusive de kopplade sociala och ekologiska systemen som nu dominerar vår planet, kan genomgå plötsliga förändringar... Om vi ​​inte kan modellera abrupt förändring i det förflutna, vi kan inte hoppas på att förutsäga dem i framtiden."

Tidningen "Tidigare abrupta förändringar, tipppunkter och kaskadeffekter i jordsystemet" publicerades den 29 juli och är medförfattare av mer än 30 forskare från hela världen, inklusive Barton och van der Leeuw.