기후 시스템의 티핑 포인트
Tipping points in the climate system기후 과학에서 티핑 포인트는 기후 시스템에 [1]크고 종종 돌이킬 수 없는 변화를 가져오는 임계 임계값입니다.티핑포인트를 넘으면 인류사회에 [2][3]심각한 영향을 미칠 가능성이 높다.기울기 행동은 기후 시스템, 생태계, 빙상, 해양과 [3]대기의 순환에서 발견됩니다.
티핑 포인트는 종종 갑작스럽지만 반드시 그렇지는 않습니다.예를 들어 평균 지구 온난화가 1-4°C 사이일 경우 그린란드 빙상은 티핑포인트를 통과하여 파멸하지만 녹는 현상은 수천 [4]년에 걸쳐 발생할 것이다.티핑 포인트에는 여러 가지 유형이 있습니다. 어떤 유형은 환경 변화의 크기로 인해, 다른 유형은 비율로 인해, 그리고 세 번째 범주는 시스템의 내부 가변성 또는 "소음"[5]으로 인해 교차될 수 있습니다.
티핑 포인트는 오늘날의 지구 온난화에서 산업화 이전 시기보다 불과 1°C 이상, 그리고 2°C 이상의 [3]지구 온난화에서 가능하다.지질학적 기록은 [6]고대에 고비를 넘겼을 수도 있다는 것을 암시하는 많은 갑작스러운 변화를 보여준다.서남극과 그린란드 빙상, 아마존 열대우림,[7] 온수 산호초와 같이 일부 티핑포인트가 거의 교차했거나 이미 교차했을 가능성이 있다.위험은 한 시스템의 티핑 포인트가 교차할 경우 다른 티핑 포인트의 캐스케이드가 발생하여 심각한 영향을 [8]미칠 수 있다는 것입니다.
정의.
2021년에 발표된 유엔 정부간기후변화패널(IPCC)의 여섯 번째 보고서는 티핑포인트를 "시스템이 종종 갑작스럽게 또는 돌이킬 [9]수 없을 정도로 재구성되는 임계 임계값"으로 정의한다.이는 시스템에 불균형적으로 큰 변화를 일으키는 작은 장애로 인해 발생할 수 있습니다."티핑 포인트"에 대한 한 세트의 정의도 자체 강화 피드백을 필요로 하는데, 이는 인간의 시간 [10]척도로는 되돌릴 수 없는 기후 시스템의 변화를 초래할 수 있다.어떤 특정한 기후 요소에 대해서도, 한 주에서 새로운 안정된 상태로의 이행에는 수십 년 또는 수 [10]세기가 걸릴 수 있습니다.생태계와 사회 시스템에서, 티핑 포인트는 정권 교체, 새로운 안정적인 [11]상태로의 주요 시스템 재편을 촉발할 수 있습니다.
변화하는 기후의 해양과 극저온권에 관한 2019 IPCC 특별보고서는 티핑포인트를 다음과 같이 정의한다. "시스템 성질의 변화 수준을 넘어서는 시스템은 종종 비선형 방식으로 재구성되며, 변화의 동인이 완화되더라도 초기 상태로 돌아가지 않는다.기후 시스템의 경우, 이 용어는 지구 또는 지역 기후가 하나의 안정된 상태에서 [12]다른 안정된 상태로 변화하는 임계 임계값을 의미한다.
지질 기록
지질학적 기록은 기후 시스템에 고대의 티핑포인트를 나타내는 갑작스러운 변화가 있었다는 것을 보여준다.예를 들어, 마지막 빙하기 동안 단스고르-오슈거 사건은 그린란드와 유럽에서 급격한 온난화 기간(수십 년 이내)이었으며, 이는 주요 해류의 급격한 변화를 수반했을 수 있다.홀로세 초기 탈빙기에는 해수면 상승이 원활하지 않았지만 녹은 물 펄스가 일어나는 동안 급격히 상승하였다.북아프리카의 몬순은 아프리카의 습한 기간 동안 10년 동안의 급격한 시간 변화를 보였다.15,000년에서 5,000년 전의 이 기간도 갑자기 건조한 상태로 [6]끝났다.
팁 요소
과학자들은 기후 시스템에서 티핑포인트가 있을 [13][10]수 있는 많은 요소들을 찾아냈다.IPCC는 2000년대 초에 티핑포인트의 가능성을 검토하기 시작했다.당시 IPCC는 이러한 현상이 산업화 이전 시간보다 4°C 이상 높은 지구 온난화의 경우에만 발생할 수 있다고 결론지었다.현재 티핑 포인트는 지구 [3]온난화의 2°C보다 높은 확률로 1°C를 약간 넘는 오늘날의 온난화 수준에서 상당한 확률을 갖는 것으로 간주되고 있다.서남극과 그린란드의 빙상, 온수 산호초, 아마존 열대 [14][15]우림처럼 일부 티핑포인트가 거의 교차했거나 이미 교차했을 가능성이 있다.
대서양 자오선 반전 순환
걸프 스트림 시스템으로도 알려진 대서양 연안 전복 순환(AMOC)은 거대한 [16][17]해류 시스템이다.그것은 물의 밀도 차이에 의해 움직인다; 더 차갑고 더 짠 물은 더 따뜻한 [17]민물보다 무겁다.AMOC는 컨베이어 벨트의 역할을 하며, 열대 북쪽에서 따뜻한 지표수를 보내고 차가운 민물을 [16]남쪽으로 운반합니다.따뜻한 물이 북쪽으로 흐르면서 일부는 증발하여 염도를 높인다.또한 차가운 공기에 노출될 때 차가워진다.차갑고 짠 물은 더 밀도가 높고 천천히 가라앉기 시작한다.수면 아래로 수 킬로미터 내려가면 차갑고 밀도가 높은 물이 [17]남쪽으로 이동하기 시작합니다.지구 온난화로 인한 강우량 증가와 얼음의 녹음은 염분 지표수를 희석시키고, 온난화는 지표수의 밀도를 더욱 감소시킨다.물이 가벼우면 가라앉지 않고 [10]순환이 느려진다.
이론, 단순화된 모델, 그리고 과거의 갑작스러운 변화에 대한 재구성은 AMOC가 티핑포인트를 가지고 있음을 시사한다.녹는 빙하에서 유입되는 담수가 일정 문턱에 도달하면 흐름 감소 상태로 붕괴될 수 있다.용융이 멈춘 후에도 AMOC는 현재 상태로 돌아가지 않을 수 있습니다.AMOC가 21세기에 [18]무너질 가능성은 낮지만 온실 가스 배출량이 매우 높으면 2300년 이전에 무너질 수도 있다.온실 배출량에 따라 팁을 주지 않아도 24~39%[19]의 약세가 예상된다.AMOC가 폐쇄되면 수천 년 동안 지속되는 새로운 안정 상태가 나타나 다른 분기점을 [10]촉발할 수 있습니다.
2021년 연구에서는 AMOC 지수 집합에서 조기 경고 신호가 발견되어 AMOC가 [20]기울기에 가까울 수 있음을 시사했다.
서남극 빙상 붕괴
서남극 빙상은 남극 대륙에 있는 큰 빙상으로 두께가 4킬로미터가 넘는 곳에 있다.그것은 대부분 해수면 [21]아래의 암반 위에 있다.따라서, 그것은 빠르고 돌이킬 수 없는 얼음 손실에 취약하게 만드는 바다의 열과 접촉한다.WAIS의 빙붕이 얇아지거나 붕괴되면 피드백 루프가 발생하여 얼음이 바다로 빠르고 돌이킬 수 없는 손실로 이어질 경우 티핑 포인트에 도달할 수 있다.만약 완전히 녹으면, 빙상은 [10]해수면 상승의 약 3.3미터에 기여하게 될 것이다.
WAIS로 인한 얼음 손실이 [22]가속화되고 있다.고생대 기록에 따르면 지난 수십만 년 동안 WAIS는 다음 몇 [23]세기 동안 비슷한 수준의 온난화와 CO2 배출 시나리오에 대응하여 대부분 사라졌다.2021년 남극의 빙산 골목에 있는 해저 퇴적물에 대한 연구는 과거에 여러 번 기울어진 적이 있다는 것을 보여주었습니다; 그리고 기울어진 것은 갑작스럽고 완전한 빙상 후퇴가 [24]10년 정도 걸릴 수 있습니다.
그린란드 빙상 붕괴
그린란드 빙상은 세계에서 두 번째로 큰 빙상으로 미국 텍사스 주의 [25]3배 크기이다.그것은 충분한 물을 담고 있어서 완전히 녹으면 전 세계적으로 해수면을 7.2미터 [26]상승시킬 수 있다.지구 온난화로 인해,[27] 빙상은 매년 지구 해수면에 거의 1mm를 더하면서, 빠른 속도로 녹고 있다.얼음 손실의 약 절반은 표면 융해에 의해 발생하며, 나머지는 [28]빙상이 바다에 접하는 빙상의 가장자리에서 빙산을 분리함으로써 발생한다.
그린란드 빙상은 녹은 고도 피드백 때문에 티핑포인트를 가지고 있다.표면이 녹으면 빙상의 높이가 줄어듭니다.낮은 고도에 있는 공기가 따뜻해짐에 따라, 빙상은 따뜻한 온도에 노출되어 [29]용융을 가속화한다.그린란드 빙상이 기울어지는 역치는 1~4°C의 지구 온난화이며, 이를 초과하면 완전한 얼음 손실이 불가피해진다.녹는 것은 수천 년에 걸쳐 일어날 것이고 녹는 속도는 지구 [4]온난화의 양에 달려 있다.그린란드 빙상이 안정을 잃고 있고,[29] 정점에 가까워지고 있다는 증거가 있다.
아마존 열대우림 다이백
아마존 열대우림은 세계에서 가장 큰 열대우림이다.그것은 인도보다 두 배 더 크고 남아메리카의 9개국에 걸쳐 있다.그것은 [10]공기가 숲을 가로질러 이동할 때 증발과 증발을 통해 수분을 재활용함으로써 자체 강우량의 약 절반을 생산한다.기후 변화(가뭄과 화재)나 삼림 벌채로 숲이 없어지면, 비가 덜 내리고 더 많은 나무들이 죽을 것이다.결국, 열대우림의 많은 부분이 사라지고 건조한 사바나 [30]지형이 될 수도 있다.2022년에, 한 연구는 열대우림이 2000년대 초부터 회복력을 잃고 있다고 보고했다.복원력은 단기적인 섭동으로부터의 복구 시간으로 측정됩니다.이 지연된 열대우림의 균형 복귀는 임계 속도 저하라고 불린다.관찰된 복원력 상실은 열대우림이 임계 [31][32]전환에 가까워지고 있다는 이론을 강화한다.
영구 동토층
영구 동토층 또는 영구 동토층은 주로 시베리아, 알래스카, 캐나다 북부, 티베트 고원에 있는 많은 부분을 덮고 있으며 두께는 [33][10]1킬로미터까지 될 수 있다.최대 100미터 두께의 해저 영구 동토층도 북극해의 [34]일부 해저에서 발생한다.이 얼어붙은 땅에는 수천 년 동안 죽거나 부패한 식물과 동물들로부터 나온 엄청난 양의 탄소가 있다.과학자들은 영구 동토층에 지구 대기에 존재하는 [34]탄소보다 거의 두 배 많은 탄소가 있다고 믿는다.기후가 따뜻해지고 영구 동토가 녹기 시작하면 이산화탄소와 메탄이 대기 중으로 방출된다.온도가 높아지면 미생물은 활동하게 되고 영구 동토층에서 생물학적 물질을 분해한다.이는 빠르게 또는 더 긴 시간 간격으로 발생할 수 있으며 손실은 되돌릴 수 없습니다.이산화탄소와 메탄은 둘 다 온실 가스이기 때문에2 영구 동토층 [35][36]용해에 대한 자기 강화 피드백 역할을 한다.
산호초 소멸
전 세계 약 5억 명의 사람들이 식량, 수입, 관광, 해안 [37]보호를 위해 산호초에 의존하고 있다.1980년대 이후, 이것은 특히 아열대 [38]지역에서 산호의 대량 표백을 촉발하는 해수면 온도 상승에 의해 위협받고 있다.평균보다 1°C 높은 지속적인 해수 온도 상승은 [39]표백의 원인이 되기에 충분하다.산호는 열 스트레스를 받으면 조직 안에 사는 색깔 있는 작은 해조류를 쫓아내는데, 이로 인해 해조류가 하얗게 변하게 됩니다.동물원으로 알려진 이 조류는 산호들과 공생 관계를 가지고 있어서 산호들이 없으면 산호는 서서히 [40]죽는다.이 동물원이 사라진 후 산호는 해조류가 우세한 생태계로 전환되기 쉬우므로 [41]산호가 우세한 생태계로 되돌아가기는 매우 어렵다.IPCC는 기온이 산업화 이전 시대보다 1.5°C까지 상승할 때 현재 존재하는 산호초의 70~90%가 사라질 것이며, 만약 전 세계가 2°C 정도 따뜻해지면 산호초는 매우 [42]희귀해질 것으로 추정한다.
엘니뇨-남부 진동
엘니뇨-남부발진(ENSO)이 기울기 요소일 가능성은 논의되었지만 여전히 [43]불확실하다.보통 강한 바람은 남아메리카에서 호주까지 남태평양을 가로질러 서쪽으로 분다.2년에서 7년마다, 기압 변화로 바람이 약해지고 태평양 한가운데 있는 공기와 물이 따뜻해지면서 지구상의 바람의 움직임 패턴에 변화를 일으킨다.이것은 엘니뇨로 알려져 있으며 일반적으로 인도, 인도네시아, 브라질의 가뭄과 페루의 홍수로 이어진다.2015/2016년, 이것은 6천만 [44]명 이상의 사람들에게 식량 부족을 야기했다.엘니뇨에 의한 가뭄은 [45]아마존에서 산불 발생 가능성을 높일 수 있다.
팁 임계값은 지구 온난화의 3.5~[46]7°C로 추정된다.기울어진 후, 시스템은 다른 상태 간에 진동하는 것이 아니라 보다 영구적인 엘니뇨 상태가 될 것이다.이것은 지구의 과거 플리오센에서 일어난 일이지만 바다의 배치는 지금과는 [43]상당히 달랐다.지금까지 ENSO 행동의 [45]변화를 나타내는 결정적인 증거는 없다.
기타 팁 요소
서남극 빙상처럼, 동남극 빙상의 일부는 기울어지기 쉬운데, [1]특히 윌크스 분지는 해수면을 약 3~4미터 상승시키기에 충분한 얼음을 보유하고 있다.또 다른 잠재적 기울기 요소로는 인도 여름 [47]몬순과 한대 [48]숲이 있습니다.
북극 해빙은 한때 잠재적 기울기 요소로 확인되었습니다.여름에는 햇빛을 반사하는 해빙이 없어지면 바다가 드러나 따뜻해진다해저의 바다가 너무 따뜻해지면 지구온난화가 역전돼도 해빙이 회복되지 않을 것이라는 가설이 나왔다.이제 모델링을 통해 북극해는 북극 겨울 동안 여전히 차가워진다는 것을 알 수 있다.따라서 손실은 돌이킬 [49][50]수 있는 것처럼 보여 티핑포인트를 나타내지 않는다.
수학 이론
기후에서의 티핑 포인트 행동은 수학적 용어로 설명할 수 있다.세 가지 유형의 티핑 포인트가 식별되었다. 즉, 바이퍼레이션, 소음 유발 및 비율 [51][5]의존이다.
분기 유도 팁
분기에 의한 기울기는 기후의 특정 파라미터(예: 환경조건의 변화 또는 강제)가 임계수준을 지나 분기가 발생하고 안정된 상태가 안정성을 잃거나 단순히 [5][52]사라질 때 발생한다.AMOC(Atlantic Meridional Overturning Circulation)는 분기 유도 팁을 나타낼 수 있는 팁 요소의 한 예입니다.이 시스템의 분기 매개 변수(물의 염도와 온도)에 대한 느린 변화는 순환을 [53][54]붕괴로 이끌 수 있습니다.
많은 형태의 분기는 이력(hysteresis)[55]을 나타내는데, 이는 시스템 상태에 대한 이력 의존이다.예를 들어, 과거에 얼마나 따뜻했느냐에 따라, 같은 농도의 온실 가스나 [56]온도에서 극지방의 얼음의 양이 달라질 수 있다.
조기 경고 신호
분기 때문에 발생하는 티핑 포인트의 경우, 시스템이 티핑 임계값 접근 시 섭동에 대한 탄력성이 떨어지기 때문에 티핑 포인트에 가까워지고 있는지 여부를 감지할 수 있다.이러한 시스템은 메모리(상승 자기 상관) 및 분산과 함께 심각한 속도 저하를 표시합니다.팁 시스템의 특성에 따라, 팁이 근접할 [57][58]수 있다는 것을 나타내는 이상 분포의 비대칭성과 함께 관련 변수의 시계열 왜곡 및 꼬임(커토시스)에 변화가 감지될 수도 있다.갑작스러운 변경은 티핑 포인트에 대한 조기 경고 신호(EWS)가 아닙니다. 갑작스러운 [59][60]변경은 제어 매개변수로 되돌릴 수 있는 경우에도 발생할 수 있기 때문입니다.
이러한 EWS는 종종 퇴적물, 만년설 및 나무 고리와 같은 고생대 기록의 시계열을 사용하여 개발 및 테스트되며, 여기서 과거의 기울기 예가 [57][61]관찰된다.예를 들어 AMOC [61]붕괴의 경우 분산과 자기 상관의 증가가 팁의 전조인지 내부 변동에 의한 것인지 항상 말할 수 있는 것은 아니다.고대의 품질 제한은 EWS의 [61]발전을 더욱 복잡하게 한다.캘리포니아 [62]숲의 가뭄으로 인한 기울기와 서남극의 [60]파인 아일랜드 빙하가 녹는 것을 감지하기 위해 개발되었습니다.조기 경고 신호(녹는 속도 시계열의 자기 상관 및 분산 증가)를 사용하여 그린란드 빙상이 현재 복원력을 상실하고 있으며, 이는 [63]빙상의 모델링된 조기 경고 신호와 일치한다.
인간이 초래하는 기후 시스템의 변화는 조기 경고 신호가 명확해지기에는 너무 빠를 수 있으며, 특히 [64]관성이 있는 시스템에서는 더욱 그렇다.
소음에 의한 팁
소음 유도 팁은 시스템의 무작위 변동 또는 내부 변동으로 인해 한 상태에서 다른 상태로 전환되는 것이다.노이즈로 인한 전환에서는 분기 시 발생하는 조기 경고 신호가 나타나지 않습니다.이는 기본 잠재력이 변경되지 않기 때문에 예측할 수 없음을 의미합니다.이러한 사건은 예측할 수 없기 때문에 종종 'x년 중 1회'[65] 사건으로 설명된다.마지막 빙하기 동안 단스가르-오슈거 사건이 한 예이며, 500년 [66]동안 25번의 급격한 기후 변동이 발생한다.
요금에 의한 팁
환율에 의한 팁은 환경의 변화가 시스템을 안정된 [5]상태로 되돌리는 힘보다 빠를 때 발생합니다.예를 들어, 이탄지에서는 수년 동안 비교적 안정된 상태를 유지한 후, 속도 유도 경사로 인해 "이탄지에서 대기로 토양 탄소가 폭발적으로 방출됨" (때로는 "복합 폭탄 불안정"[67][68]이라고도 함)이 발생할 수 있습니다.AMOC는 속도 유도 기울기를 나타낼 수도 있습니다. 즉, 얼음이 녹는 속도가 너무 빠르게 증가하면 시스템이 [69]분기되는 임계치에 도달하기 전에 얼음이 붕괴될 수 있습니다.
계단식 티핑 포인트
온도 조절 시스템의 한 부분에서 임계값을 초과하면 다른 팁 요소가 새로운 상태로 기울어질 수 있습니다.이러한 역치의 시퀀스는 계단식 티핑 포인트라고 불리며 도미노 [70]효과의 한 예입니다.서남극 대륙과 그린란드에서의 얼음 손실은 해양 순환을 크게 변화시킬 것이다.이 과정의 결과로 북반구 고위도의 지속적인 온난화는 영구 동토층 열화 및 한대 숲의 [1]다이백과 같은 해당 지역의 기울기 요소를 활성화시킬 수 있다.영구 동토층은 현재 대기 중에 돌고 있는 [71]탄소의 양보다 약 두 배나 많은 탄소를 함유하고 있기 때문에 위협이 증가하고 있다.그린란드에서의 얼음 손실은 해수면 상승으로 서남극의 빙상을 불안정하게 할 수 있으며, 특히 서남극 대륙이 따뜻한 바닷물과 [72]접촉하기 쉽기 때문에 그린란드가 먼저 녹는다면 더욱 그러하다.
기후 모델의 컴퓨터 시뮬레이션 300만 개를 사용한 2021년 연구에서는 온도 상승이 2015년 [72][73]파리 협정에 의해 설정된 상한인 2°C로 제한되더라도 시뮬레이션의 거의 1/3이 도미노 효과를 낳았다.연구의 저자들은 티핑포인트의 과학이 너무 복잡해서 티핑포인트가 어떻게 전개될지에 대한 불확실성이 크다고 말했지만, 그럼에도 불구하고 티핑포인트의 계단식 가능성은 "문명에 대한 실존적 위협"[74]을 나타낸다고 주장했다.
영향
티핑 포인트는 매우 심각한 [1]영향을 미칠 수 있습니다.그것들은 기후 변화의 현재 위험한 영향을 악화시키거나 새로운 영향을 일으킬 수 있다.인도 몬순에 대한 혼란과 같은 잠재적 티핑포인트가 갑자기 발생하며 수억 명의 식량 안보에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.만년설이 녹는 것과 같은 다른 영향은 더 긴 기간에 걸쳐 발생할 수 있다.그린란드와 서남극 대륙의 융해로 인한 해수면 상승 10미터는 많은 도시들을 내륙으로 이동시켜야 할 것이다.대서양 역전류의 붕괴는 유럽을 근본적으로 변화시키고 북대서양의 [3]해수면 1미터 상승으로 이어질 것이다.이러한 영향은 계단식 티핑 [75]포인트의 경우 동시에 발생할 수 있습니다.지난 3만 년 동안의 갑작스러운 변화를 검토한 결과, 티핑포인트가 기후, 생태 및 사회 시스템에 큰 연쇄적 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났습니다.예를 들어, 아프리카의 습기가 갑자기 끝나면서 사막화와 정권 교체는 북아프리카의 목축 사회 후퇴와 이집트의 왕조 [61]교체로 이어졌다.
2021년 메타 연구에서 티핑 포인트의 잠재적 경제적 영향에 대한 연구 결과는 전지구적 위험을 증가시키는 것으로 나타났습니다. 중간 추정치는 탄소의 사회적 비용을 약 25% 증가시키고 티핑 포인트가 두 배 이상 증가할 확률은 10%였습니다.탄소의 사회적 비용은 탄소 [76]배출로 인한 경제적 피해를 반영한다.
폭주하는 온실 효과
폭주하는 온실효과는 너무 극단적이어서 바다가 증발하고[77] 수증기가 우주로 빠져나간다. 이는 [78]금성에서 일어난 돌이킬 수 없는 기후상태이다.급증하는 온실효과는 사실상 [79]사람들에 의해 야기될 가능성이 없다.지구의 금성 같은 조건들은 태양이 수십 퍼센트 밝아질 때까지 일어날 것 같지 않은 큰 장기간의 힘을 필요로 하는데, 이것은 몇 십억 [80]년이 걸릴 것이다.
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외부 링크
