气候、物质、生命和经济中时间尺度的多样性

因此，我们可以说，从长远来看，地球系统可以处理人为的温度强迫。然而，“非常长的运行时间”有多长？其他已知的反馈机制又如何？最近对海洋热量的测量表明，实际上，大约93%的辐射能量不平衡（由于人为排放）随着海洋热含量（OHC）的增加而累积在海洋中，参见【3】和【4】报告了最近完成的3000个深水温度计全球网格的测量结果，以及可能有争议的【5】使用海洋变暖排放OA和CO，这可以与人类生态学家任务和COsinks的直接影响隔离开来，以独立估计1991年后OHC随时间的变化。这意味着，除其他外，目前我们只看到地球表面气候变化问题的7%。2.1.3. 不同类型的模型可信度和不确定性。很明显，不准确或无法访问的数据是产出变量未来路径以及不同可持续性转化方式和水平的影响的主要不确定性来源之一。在数学建模和仿真中，这种不确定性被称为任意性。原则上，正如J.Behrens[6，p.286]所强调的那样，传感器网络和研究方面的高投资可以减少这种影响，但正如前面第2.3.2小节所解释的，这种影响很难完全消除。与此相反，上述模型的不确定性很难降低，因为可能存在许多不同的特征时间尺度，例如，一个用于日/年尺度上的辐射强迫，另一个用于世纪或千年尺度上的各种反馈回路。只是有不同的政权，而且还不清楚哪个政权占主导地位以及统治多长时间。

这种不确定性被称为认知的，因为正如贝伦斯提醒我们的那样，“模型的不确定性是通过将自然简化为自然规律来理解自然的过程中固有的。”这对于气候变化建模来说尤其如此，波普尔的错误定位方法论要求无法满足：根本没有对决定性的大气、陆地和海洋过程及其在相关尺度上的相互作用进行实验或观测。我们只有一些具有不同来源参数的数学模型。一些参数是（i）可靠的世界常数，直接源自物理第一原理；有些是（ii）在实验室中可测量的；但有些是（iii）从某种程度上可用的数据序列到选定的不确定方程组的估计。对于（i）和（ii），这种情况是多尺度建模和仿真的典型情况。偏差来自（iii）。6 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSENFig。2、具有多个时间刻度的地球温度，改编自[7]，摘自https://commons。维基媒体。org/wiki/File：所有古生物。svg，根据知识共享属性共享3.0未导入许可证进行许可https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/To举个例子：1996年，美国和俄罗斯达成了一项协议（非正式协议，但自那以后，除印度、巴基斯坦和朝鲜外，所有核大国都遵守该协议），以停止所有核试爆。根据核工程师M.F.Horstemeyer[8，第1.3节，第4f页]的证词，他们可以这样做，因为即使是最抽象的核武器多尺度模拟及其方程，气候、物质、寿命和经济7和常数的时间尺度多可用性也可以对照之前的大规模试验观测进行检查，另见下文第6节的注释。像C。

萨根和地质学家及地球物理学家主张使用丰富的行星和古生物学数据来检查行星气候变化的方程式和常数；显然，到目前为止，地球气候建模还没有实质性进展。当然，回顾地球历史的早期可能有助于想象2030年、2050年或2100年人类世温室气体持续过度排放的可能结果，正如K.Burke及其合作者在[9，摘要]中所解释的那样：“过去的地球系统状态为未来几十年的暖化世界提供了可能的模型系统（我们的重点）。其中包括始新世早期（约50 Ma）、上新世中期（3.3–3.0 Ma）、末次间冰期（129–116 ka）、中全新世（6 ka）、前工业时代（约1850 CE）和20世纪的气候状态。”另请参见图2。尽管对在科学文献中传播反乌托邦观点持所有可取的保留意见，但在过去和未来气候之间进行对比肯定是值得的。然而，我们同意美国国家大气研究中心的项目科学家F.Lehner对Burke的研究发表的评论【10】，即许多不确定性使得重建和理解水气候变化具有挑战性，即使是在过去1000年中。

正如我们的表1所示，对我们来说，专业的观点是要意识到假设的几年（12年、30年或100年）之间的巨大时间尺度差异，以释放能够使地球系统恢复到上新世中期温度的机制，以及地球系统在之后可能需要数百万年才能恢复到与现在类似的气候。在本文的框架内，我们的主要数学结论不一定是相信现有的气候变化数学模型，因为缺乏更好的替代模型，而是o坚持既定的智慧，即我们分别非常了解基本的大气、陆地和海洋过程，o指出存在多个时间尺度，以及o为科学界和公众的心态进行相应的改变。2.2. 两种特征时间尺度的出现——教科书中的一个例子。我们总结了处理地球系统多个特征时间长度的沟通挑战（见表1），即1。处理那些在短时间内没有预期那么可怕的情况，2。防范可能引发连锁反应的情况，这种连锁反应可能会使温度在很长、很长的时间内不可阻挡地进一步升高（如笼形枪假设，见下文第2.3.2小节），以及3。扭转当前政治意图和行动之间的不平衡，现实世界的数据领先于现实世界的意图。2.2.1. 一个简单的Landau–Langevin结构失稳模型。一个简单的二维数学模型，灵感来自赫希和斯梅尔[11，p。

203f]并且很容易在实验室用Landau Langevin Diffusion演示，说明了方面（1）和（2）：在图3中，我们将图1中的当前地球系统描述为两个变量的动力系统，即全球平均温度T（水平轴，横坐标）和通用控制参数α（垂直轴，纵坐标）。我们设想该系统受到广泛的地球物理定律的制约，8 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSENFig。3、水平曲线为V（T，α）=T（T）的动力系统- 1） +α，梯度线f（T，α）=- V级（T，α）和（0，0）和（1，0）的井代表相对稳定和相对温和的当前气候，以及可能触发和相对稳定的未来热层。另请参见图5，其中有一个简单的Landau–Langevin模型和我们在http://dirac上的模拟。中国人民大学。丹麦/~urp/2018/timescales/oral/此处由单个聚合电位的水平曲线V（T，α）=T（T- 1)+ α.倾斜图8的水平曲线为V-1(). 绘制的梯度线表示动态系统（t，α）=-梯度V（T，α），鞍点位于（，0），介于（0，0）和（1，0）的两个稳定平衡之间。阈值线x左侧的轨迹=倾向于（0，0）（如t→ +∞)与我们的短期预期一致，即通过转变为可持续性，应该有可能恢复到良性气候平衡（0，0）。然而，向右的轨迹倾向于（1，0），这可能表明远离当前温度的热床，受到强烈的内部反馈机制的影响，超出了人类的控制范围。在这个简单的模型中发生的最糟糕的事情是，我们习惯了乐观的人类管理的有效短期机会，这是H。

罗斯林（Rosling）[12]，但没有注意到阈值的接近，愚蠢地滑过阈值，进入一个过程在更大的时间尺度上接管这项工作的区域，因此一开始不容易注意到，但这将是长期地球周期不可逆转的，对人类有害甚至致命。气候、物质、生命和经济的时间尺度多样性92.2.2。假设气候轨迹之间的跳跃。诚然，这只是一个简单的二维模型，用来说明两个特征时间尺度的出现。这是一个玩具模型，如图1所示，是从教育的角度设计的。然而，令人遗憾的是，一些（不一定具有代表性，也可能不够全面）对气候轨迹的地球物理调查产生的结果从质量上让我们想起了图3，参见最近的图4【13】。我们引述：目前，地球系统正处于温室-地球路径上，由人类温室气体排放和生物圈退化驱动，在~ 2.oC、 除此之外，系统遵循内在生物地球物理反馈驱动的基本不可逆路径。另一条路径通向稳定的地球，这是一条地球系统管理的路径，由人类创造的反馈引导到一个准稳定的、人类维持的吸引盆地。“稳定性”（垂直轴）在此定义为系统势能的倒数。处于高度稳定状态（deepvalley）的系统具有较低的势能，将其移出这种稳定状态需要相当大的能量。处于不稳定状态（山顶）的系统具有很高的势能，它们只需要少量的额外能量就可以将其推离山丘并朝着低势能的方向下降。图4：。

稳定性景观显示了地球系统走出全新世和全新世，走出冰川-间冰期极限循环，并在更热的人类世达到目前位置的路径。图3中的岔路口在这里显示为未来地球系统的两条不同路径（折断的箭头）。来自Steffen及其合著者【13，图2】，根据知识共享署名非商业性NoDerivatives许可证4.0（CCBY-NC-ND）发布的开放存取文章。10 B.BOOSS–BAVNBEK、R.K.PEDERSEN和U.R.PEDERSEN 2.2.3。不可逆性和滞后性方面。因此，我们的简单数学玩具模型类似于[13]中描述的系统。如上所述，它说明了手头的时间尺度问题。在一维温度系统T中，参数α取决于温室气体的人为排放水平。对于α=0，该系统具有两个相同稳定性的最小值，但温度不同，且T<T。这在图5的左面板中显示为一条完整的蓝线。对于较大的α，两个极小值中的稳定性开始变化，使得高温极小值变得更稳定（增加势垒高度以恢复到较低的温度平衡），而低温极小值变得稳定（降低势垒高度以过渡到较高的温度平衡），并最终平滑并消失，如图中的红色虚线所示。在这个玩具模型中，随机性模拟可以说明地球温度的可能发展以及相应的稳定性。地球的温度根据朗之万动力学（见第3.2小节）进行移动，温度的时间导数随稳定性的电流梯度发生小的随机跳跃，参见，例如，【14，Ex.8.26】。

有了这样一个系统，地球的温度可能会保持在接近当地最低温度的水平，尽管在短时间内可能会发生微小的变化。在图5的右侧面板中，显示了一个示例，其中初始温度接近最低温度稳定性。在图中表示变化的时间点，α参数开始随时间线性增加（在图中，轨迹颜色随α值变化）。这一变化意味着地球系统中大规模的人类干预导致了温度稳定性景观的变化。在模拟中，超过临界点增加α最终导致地球从低温盆地移动到高温盆地。图5中地球温度轨迹的意义在于温度的突然变化（无可否认，这只是臆测的，目前的气候学水平既不能证明也不能预测）。虽然在低温极小值附近，短时间尺度上的振荡有些不明显，甚至在α开始随时间增加时，似乎也没有特别的警报原因。然而，在这本教科书的模型中，突然间，稳定势中间的隆起被越过，温度继续不受控制地上升，直到达到高温盆地。此外，逆转人为问题，例如设置α=0，不允许稳定返回到原始状态。事实上，为了逃离高温盆地，α将变为负值，从右向左穿过隆起。回归不仅需要阻止人为导致的α增加，还需要积极的作用来产生相反的影响，从而产生负的α。

这一现象类似于弹性变形的滞后现象，从环境研究中可以看出，当压力超过给定阈值时，系统的变形/退化几乎立即发生，而在松弛状态下恢复到之前的状态则在更大的时间尺度上发生（如果有的话）。2.3. 气候变化建模中的多时间尺度。2.3.1. 对地球稳定性景观的历史洞察。地球是在45亿年前形成的。由于晚期构造，地球历史的许多细节都丢失了。然而，有地质证据表明，在气候、物质、生命和经济的时间尺度的稳定性多重性方面，气候与地球主要位于冰河期盆地（图4中的蓝色盆地）的最近地质时期的气候有很大不同11图。稳定性对温度的依赖性说明。左侧面板显示α=0时的高稳定电位（蓝色曲线）和T失去稳定性时的修正电位（红色虚线曲线）（见正文）。右侧面板显示了一个典型的Langevin模拟，最初α为零。在给定时间（注意到变化），参数α开始随时间增加。注意，在这个模型中，在大腿处跌入水池后，即使将电位从红色反转为蓝色，也不允许从大腿处返回到TLOW。景观气候演变为较短的暖期，人类最终发展为文明（图4中的红色盆地）。随着人类对气候的巨大影响，我们不禁要问：地球的气候会有多大的不同？通过简要讨论地质学中的两个例子，我们了解到地球可以有广泛不同的气候，反映出稳定景观中的几个盆地。示例A.雪球地球。

想象一下，在地球上，冰川从两极一直延伸到赤道。这一假说被称为“雪球地球”，由J.Kirschvink在一篇简短且信息丰富的论文中提出。根据不完整和不完善的岩石记录所要求的保留意见，地质学家认为地球处于一个循环中，大约在7亿年前，冰盖了地球好几次。冰的反照率效应（冰盖上的光反射，见下文第2.3.3节）是一种反馈机制，可以稳定地球处于这种寒冷状态。然而，二氧化碳也可能起到了至关重要的作用，有趣的是，这一时期以寒武纪爆发结束，在那里，多细胞生命似乎不多。这种生命的爆发表明二氧化碳的产生量增加，使地球脱离了寒冷状态——正好在温度进一步下降之前，最终会结晶并释放二氧化碳，使地球处于永久冻结状态。地质学家和古生物学家有证据表明，地球经历了温室效应加速和反照率反馈周期之间的振荡，消灭了地球上的大多数生命，从而为新型生命的发展创造了窗口，但迄今为止，每一个都有一个转折点，即对立的12 B.BOOSS–BAVNBEK，R.K.PEDERSEN，和U.R.PEDERSENTable 1气候变化的特征时间尺度：人为排放发生在活跃的自然碳循环之上，该循环将碳在大气、海洋和陆地生物圈的储层之间循环，时间尺度从亚每日到千年，同时反转笼形图（见下文），与地质储层的交换发生在更长的时间尺度上[15]。反馈机制可能会接管。