Estamos mudando o sistema da Terra a uma velocidade sem precedentes, sem conhecer as consequências em detalhes. Cada vez mais detalhado, modelos baseados na física estão melhorando continuamente, mas ainda falta uma compreensão profunda das incertezas persistentes. Os dois principais desafios têm sido obter a quantidade necessária de detalhes nos modelos e prever com precisão como o dióxido de carbono antropogênico perturba o clima intrínseco, variabilidade natural. Um caminho para superar esses dois obstáculos agora é traçado em uma revisão abrangente publicada em Resenhas de Física Moderna por Michael Ghil e Valerio Lucarini do projeto de ciências climáticas EU Horizon 2020 TiPES.

"Propomos ideias para realizar simulações climáticas muito mais eficazes do que permite a abordagem tradicional de depender exclusivamente de modelos cada vez maiores. E mostramos como extrair muito mais informações com um poder preditivo muito maior desses modelos. Achamos que isso é valioso, maneira original e muito mais eficaz do que muitas coisas que estão sendo feitas, "diz Valerio Lucarini, professor de matemática e estatística na Universidade de Reading, Reino Unido e no CEN, o Instituto de Meteorologia, Universidade de Hamburgo, Alemanha.

Essa abordagem é necessária com urgência, porque os modelos climáticos atuais geralmente falham em realizar duas tarefas importantes. Primeiro, eles não podem reduzir a incerteza na determinação da temperatura global média na superfície após uma duplicação do dióxido de carbono (CO ₂ ) na atmosfera. Este número é chamado de sensibilidade climática de equilíbrio, e em 1979, foi calculado para 1,5 a 4 graus Celsius. Desde então, a incerteza cresceu. Hoje é de 1,5 a 6 graus, apesar de décadas de aprimoramento dos modelos numéricos e enormes ganhos em poder computacional no mesmo período.

Segundo, modelos climáticos lutam para prever pontos de inflexão, que ocorrem quando um subsistema, ou seja, uma corrente marítima, um manto de gelo, uma paisagem, um ecossistema muda repentina e irrevogavelmente de um estado para outro. Esses tipos de eventos estão bem documentados em registros históricos e representam uma grande ameaça para as sociedades modernas. Ainda, eles não são previstos pelos modelos climáticos de ponta nos quais as avaliações do IPCC se baseiam.

Essas dificuldades são baseadas no fato de que a metodologia matemática usada na maioria dos cálculos climáticos de alta resolução não reproduz adequadamente o comportamento deterministicamente caótico, nem as incertezas associadas na presença de forçantes dependentes do tempo.

O comportamento caótico é intrínseco ao sistema terrestre, tantos físicos, químico, os processos geológicos e biológicos variam em escalas de tempo de microssegundos a milhões de anos, incluindo a formação de nuvens, sedimentação, intemperismo, correntes oceânicas, padrões de vento, umidade, fotossíntese etc. Além disso, o sistema é forçado principalmente pela radiação solar, que varia naturalmente ao longo do tempo, mas também por mudanças antropogênicas na atmosfera. Assim, o sistema terrestre é altamente complexo, deterministicamente caótico, perturbado estocasticamente e nunca em equilíbrio.

"O que estamos fazendo é essencialmente estender o caos determinístico a uma estrutura matemática muito mais geral, que fornece as ferramentas para determinar a resposta do sistema climático a todos os tipos de forças, determinística, bem como estocástica, "explica Michael Ghil, professor da Ecole Normale Supérieure e da PSL University em Paris, França e na Universidade da Califórnia, Los Angeles, NÓS..

As ideias fundamentais não são tão novas. A teoria foi desenvolvida décadas atrás, mas é uma teoria matemática muito difícil que exige cooperação multidisciplinar entre especialistas para ser implementada em modelos climáticos. Essas abordagens interdisciplinares têm emergido lentamente, envolvendo a comunidade científica do clima, bem como especialistas em matemática aplicada, física teórica e teoria dos sistemas dinâmicos. Os autores esperam que o artigo de revisão acelere essa tendência, pois descreve as ferramentas matemáticas necessárias para esse trabalho.

"Apresentamos uma compreensão autoconsistente da mudança climática e da variabilidade climática em uma estrutura coerente e bem definida. Acho que é um passo importante para resolver o problema. Porque, antes de mais nada, é preciso colocá-lo corretamente. Portanto, a ideia é - se usamos as ferramentas conceituais que discutimos extensivamente em nosso artigo, podemos esperar ajudar a ciência do clima e a modelagem climática a dar um salto adiante, "diz Valerio Lucarini.