Fra hav til stigende hav – klimaændringer i Amerika

Så klimaet bliver varmere. Og hvad så?

Klimaændringer har et PR-problem i Amerika. I årtier, vi kaldte det 'global opvarmning' ' en uskadeligt klingende sætning, der påkalder sig en blid stigning i verdensomspændende temperaturer, som at skrue op for termostaten i et hus.

"Folk spurgte, så klimaet bliver varmere. Hvem bekymrer sig?" sagde Michael B. McElroy, Gilbert Butler professor i miljøstudier ved Harvard University. "Og forskerne er delvist skyld i det på grund af, hvordan vi har beskrevet klimaændringer."

Det har været svært at få amerikanerne bekymret for en temperaturstigning på en grad over en periode på 100 år, især når de fleste af billederne forbundet med global opvarmning – smuldrende iskapper eller en ensom isbjørn, der polstres hen over et smeltet landskab – føles så fjerne.

Men klimaforandringerne er her. At afbøde virkningerne af global opvarmning – bedre beskrevet som irreversible ændringer af klimastrukturen – handler om mere end at redde planeten på længere sigt; det handler om at redde menneskeliv på kort sigt.

Fra voldsomme storme og katastrofale oversvømmelser til rekordstor tørke og dødbringende skovbrande, Amerikanerne lever hver dag med konsekvenserne af et ændret klima. Stadig, flertallet af amerikanerne troede ikke, at klimaændringer ville skade dem personligt, ifølge en undersøgelse fra Yale University. Denne forbindelse - mellem klimaændringer og menneskers sundhed - har været, for en stor del, mangler fra offentlige samtaler og politisk debat i Amerika i dag.

Forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) udforsker denne sammenhæng mellem menneskers sundhed og et klima i forandring. Blandt deres resultater:I Pennsylvania, dage med farligt høje ozonniveauer på overfladen kan stige med 100 procent i de kommende årtier, øger risikoen for astma og andre luftvejssygdomme hos børn. Skovebrande i Washington kan kvæle tæt befolkede områder i dagevis med tykke, skadelig røg. Alvorlige storme i Texas, Oklahoma, Nebraska, Iowa, Dakotas og tilstødende stater kunne nedbryde beskyttende ozon i stratosfæren, afsløre mennesker, husdyr og afgrøder til skadelig ultraviolet stråling.

Det østlige USA:Varmen stiger

Hvis verden ville reducere alle sine CO2 -emissioner i morgen, temperaturerne er allerede steget nok til at forårsage mere alvorlige og længerevarende hedebølger. Ekstrem varme har alvorlig indvirkning på menneskers sundhed. Afhængig af fugtighedsniveauer, langvarig udsættelse for 100 graders dage kan føre til hedeslag og dehydrering, såvel som kardiovaskulære, respiratoriske, og cerebrovaskulære sygdomme.

I det seneste årti, ekstreme hedebølger i USA har dræbt hundredvis af mennesker, for det meste ældre og fattige i byområder, og kostede titusindvis af milliarder i skade. nordlige byer, som Chicago, New York, Philadelphia og Boston, som er mindre parate til at håndtere for høje temperaturer, vil sandsynligvis stå over for hovedparten af ​​den offentlige sundhedsbyrde af hedebølger i de kommende år.

Med ringe evne til at stoppe fremtidige hedebølger, den bedste mulighed for at afbøde skaden er forberedelse. At forbedre vores evne til præcist at forudsige hedebølger kan redde liv.

De fleste nuværende modeller kan ikke forudsige mere end omkring 10 dage, og sæsonbestemte modeller har begrænset evne til at forudsige ekstreme begivenheder. I 2012 for eksempel, National Weather Service's Climate Prediction Center forudsagde normale sommertemperaturer i det nordøstlige og midtvestlige USA i stedet, regionerne oplevede tre separate, rekordstore varmebegivenheder i juni og juli, der resulterede i mere end 100 dødsfald.

Peter Huybers, Professor i Jord- og Planetvidenskab ved Institut for Jord- og Planetvidenskab og for Miljøvidenskab og Teknik ved SEAS, arbejder på at forstå og forudsige disse dødelige temperaturstigninger. Huybers og hans laboratorium identificerede havoverfladetemperaturmønstre, der kan forudsige øgede odds for ekstreme hedebølger i det østlige USA op til 50 dage i forvejen. Disse mønstre - som et fingeraftryk på overfladen af ​​Stillehavet - går konsekvent forud for hedebølger i det østlige USA

Huybers-holdet fandt, at mangel på nedbør, som er kendt for at bidrage til hedebølger, er også forbundet med dette fingeraftryk - kendt som Pacific Extreme Pattern. Selvom det ikke garanterer, at en hedebølge vil ramme, at se dette mønster øger risikoen for, at der sker en markant.

"Vores teknik var i stand til at forudsige tidligere hedebølger, inklusive de dødelige hedebølger i 2012, og var dygtig, når den blev anvendt på tidligere begivenheder mellem 1950 og 1980, sagde Huybers. Teknikken forudsiger ikke Dust Bowl-årene i 1930'erne, minder os om, at andre miljøfaktorer også skal være vigtige."

Huybers og hans kolleger fortsætter med at forske i denne forbindelse, skubber horisonten på at forudsige sommer hedebølger i det østlige USA

Med mere tid til at forberede, forsyningsselskaber kunne sikre, at de har nok strømmuligheder til at håndtere en stigning i efterspørgslen; landmænd kunne ændre kunstvandingstaktik for at forhindre tab af afgrøde; byplanlæggere kunne oprette kølerum for ældre eller dem uden klimaanlæg og optrappe programmer til at spore hjemløse og hjemgående, kronisk syge ældre amerikanere.

Da luften varmes på grund af de globale klimaændringer, Nordøstlige by- og forstæder kan også se en stigning i ozon ved jordoverfladen - den grimme kemiske forbindelse, der udgør størstedelen af ​​smog, især om sommeren.

Jordnær ozon dannes ved kemiske reaktioner, der involverer nitrogenoxider (NOx), flygtige organiske forbindelser (VOC) og sollys. Fabrikker, kraftværker og biler producerer det meste af NOx i USA.

Ozon er velkendt for at forårsage alvorlige luftvejssygdomme og er især farligt for børn, seniorer, og mennesker, der lider af astma.

"Selv kortvarig eksponering for ozon over et par timer eller dage har været forbundet med alvorlige sundhedsmæssige virkninger, " sagde Loretta J. Mickley, Seniorforsker i kemi-klimainteraktioner i Atmospheric Chemistry Modeling Group. "Høje niveauer af ozon kan forværre kronisk lungesygdom og øge dødsraten."

Forskere har længe vidst, at temperatur og ozon er forbundet - jo varmere temperatur, jo højere ozonniveauer. Imidlertid, forskere har også fastslået, at hvis temperaturerne stiger over midten af ​​90'erne Fahrenheit, dette forhold kan gå i stykker. Så, Spørgsmålet er:hvordan vil stigende globale temperaturer påvirke sværhedsgraden og hyppigheden af ​​dage med farligt høje niveauer af jordozon, kendt som ozon-episoder?

Mickley og hendes team er ved at opklare det komplekse forhold mellem ozon og stigende temperaturer i USA.

I 2016 kandidatstuderende Lu Shen og Mickley fandt ud af, at hvis lokale og globale emissioner fortsætter ukontrolleret, og temperaturerne stiger som forventet, USA kunne se en stigning på 70 til 100 procent i farlige ozonepisoder, afhængigt af regionen.

Nordøst, Californien og dele af det sydvestlige, ville blive mest berørt, oplever op til ni ekstra dage om året med usunde ozonniveauer i de næste 50 år. Resten af ​​landet kan opleve op til tre ekstra dage med usund ozon.

Hvad betyder det for sundheden i USA? Hospitalsindlæggelser og skadestuebesøg ville stige, tilfælde af kroniske luftvejslidelser, såsom astma og kronisk bronkitis, ville stige, og flere mennesker kan dø af luftvejssygdomme.

"Vi har brug for ambitiøse emissionskontrol for at opveje potentialet for mere end en uges ekstra dage med usunde ozonniveauer, " sagde Mickley.

Den gode nyhed er, vi har allerede set den kraftige effekt regulering har på ozonniveauer i USA mellem 1990 og 2016, ozonniveauet faldt markant, især på østkysten, takket være Clean Air Act og dens ændringer, som var rettet mod ozonprækursorer.

Den dårlige nyhed er, at høje temperaturer kan ophæve denne tendens.

Mickley og hendes team udvikler også værktøjer til at forudsige, hvornår og hvor amerikanere er mest udsatte for øgede niveauer af ozon på kort sigt.

Forskerne fandt ud af, at høje niveauer af ozon om sommeren i det østlige USA er korreleret med store meteorologiske mønstre om foråret, inklusive havoverfladetemperaturer. Holdet brugte dette forhold til at forudsige gennemsnitlige ozonniveauer om sommeren en sæson i forvejen.

"Et forudsigelsesværktøj kunne fungere som et tidligt varslingssystem til samfund, der er mest udsat for dage med højt ozon, " sagde Mickley. "Lokalsamfund kunne mobilisere ressourcer og planlægge protokoller for at hjælpe de mest udsatte borgere, herunder børn og ældre, under episoder i den kommende ozonsæson. Sådanne protokoller kunne omfatte råd til folk om at blive indendørs."

Brygger storme i Midtvesten

Når temperaturen stiger, og mere vanddamp fordamper til atmosfæren, storme vil blive hyppigere og mere intense - især i Midtvesten.

Oversvømmelser og skader forbundet med disse storme er en trussel mod livet og levebrødet for de 60 millioner mennesker, der bor i de midtvestlige stater, især landmænd, der er afhængige af forudsigelige nedbørsmønstre. Men intensiteten af ​​disse storme, kombineret med faktorer, der er unikke for Great Plains -regionen, kan også beskadige det beskyttende ozonlag, der beskytter livet på Jorden mod skadelig ultraviolet stråling.

James G. Anderson, Philip S. Weld professor i atmosfærisk kemi ved SEAS og Institut for Jord- og Planetvidenskab, studerer dette fænomen. I 2012 hans hold opdagede, at under intense sommerstorme over Midtvesten, vanddamp fra disse storme sprøjtes dybt ind i stratosfæren. Ved at studere ozontab over Arktis om vinteren, Anderson og hans samarbejdspartnere konstaterede, at kombinationer af både temperatur og vanddamp omdanner stabile former for klor og brom til frie radikaler, der er i stand til at omdanne ozonmolekyler til oxygen, implicerer stormindsprøjtet vanddamp i tabet af ozon over USA om sommeren.

Ved at bruge avancerede radarteknikker, Anderson og hans team, herunder forskere ved Texas A&M og University of Oklahoma, fandt for nylig ud af, at tusindvis af storme hver sommer trænger ind i stratosfæren for at give brændstof til disse reaktioner - langt flere end tidligere antaget.

"I stedet for store, ozontab på kontinental skala, der opstår over polarområderne om vinteren, disse radarobservationer og vores nye høje nøjagtighed, Temperaturmålinger med høj rumlig opløsning viste, at strukturen af ​​ozontab i det centrale USA er meget lokaliseret over adskillige regioner, " sagde Anderson.

Disse reaktioner, afhængig af stratosfærens temperatur, kunne udløse et 12- til 17-procentigt fald i ozon i den nedre stratosfære en uge efter en storm. Dette svarer til et fald på 2 til 3 procent i stratosfærisk ozon i området med øget vanddamp. Selv et fald på 1 procent i stratosfærisk ozon kan føre til en stigning på 3 procent i hudkræft hos mennesker-der er kun tre og en halv million nye tilfælde af hudkræft, der diagnosticeres hvert år i USA alene. Da ultraviolet stråling også forringer fotosyntesens molekylære kemi, en sådan ændring kan også have en stor effekt på landbruget i Midtvesten.

"Dette handler ikke kun om menneskers sundhed, det handler om afgrødeudbytte, husdyr, og evnen til at fungere i længere perioder udenfor om sommeren, " sagde Anderson.

Anderson og hans laboratorium udvikler nye platforme til at observere dette fænomen i aktion. Centralt i denne indsats er en forskningsplatform kaldet StratoCruiser, en supertryksballon designet til at indsamle data ved et gennemsnit på 75, 000 fod – langt ind i stratosfæren.

Drevet af en række solceller, StratoCruiser vil flyve over det centrale USA i fire til seks uger, indsamling af data om, hvordan vanddamp, der sprøjtes ind i stratosfæren, ændrer partiklernes egenskaber og igangsætter rækken af ​​kemiske reaktioner, der ødelægger ozon.

Anderson og hans team udvikler sanseinstrumenter, der er robuste nok til at modstå vind og regn fra intense konvektionsstorme, men alligevel lette nok til at tillade instrumentpakken, ophængt på en Kevlar filament under ballonen, at prøve luft mellem 40, 000 fod og 75, 000 fod.

Instrumenterne skal arbejde ved temperaturer fra minus 120 grader til plus 90 grader Fahrenheit, modstå det lave tryk i den øvre atmosfære, magte sig selv og operere autonomt i løbet af seks ugers mission.

SEAS-studerende i Andersons Engineering Problem Solving and Design Project (ES 96) spiller en vigtig rolle i løsningen af ​​disse designudfordringer. Elevholdet, der designede et spektrometer, der måler saltsyre (HCl) i atmosfæren, blev tildelt $200, 000 fra NASA's undergraduate Student Instrument Project-stipendium. Det nye instrument vil blive lanceret af NASA efteråret 2017 fra Ft. Sumner, Ny mexico.

Et andet ES 96-projekt for studerende involverer at designe og bygge en ny klasse af instrumenter til at måle frie radikaler og andre reaktive arter fra solcelledrevne stratosfæriske fly. Disse instrumenter, som vil indsamle data over USA kontinuerligt i tre måneder, vil give mulighed for at forudsige mængden af ​​UV-stråling, der forventes for specifikke regioner i Great Plains-staterne om sommeren. Det soldrevne stratosfæriske fly kan også sejle rundt om kloden for at opnå observationer relateret til klimastrukturens reaktion på stigende niveauer af kuldioxid og metan.

Et af de største spørgsmål, Anderson og andre ønsker at besvare, er, hvorvidt processen med ozonnedbrydning er reversibel.

Anderson ved, hvordan velkommunikeret videnskab kan anspore til handling mod klimaændringer. Det var hans forskning i slutningen af ​​1980'erne, der endelig beviste sammenhængen mellem chlorfluorcarboner (CFC'er) fra aerosoldåser, klimaanlæg og køleskabe og det antarktiske ozonhul. Opdagelsen var det vigtigste skridt mod offentlig accept af forbindelsen, som i sidste ende førte til udfasningen af ​​CFC'er i henhold til 197-landes Montreal-protokollen, der blev underskrevet i 1987.

"Vi så magten ved regulering og lovgivning, da globale magter gik sammen og besluttede at forbyde CFC'er, " sagde Anderson. "Derefter, vi troede, at vi havde løst problemet med ozonnedbrydning. Nu, klimaforandringerne kunne gøre det meget værre, end vi troede. Hvis vi fortsætter på dette kursus, fald i ozon og tilhørende stigninger i UV-dosering kan være irreversible."

Vesten brænder

Alene i 2016 mere end 67, 000 skovbrande brændte over 5,5 millioner acres i USA, et areal svarende til størrelsen af ​​New Jersey. Hvis den globale opvarmning fortsætter i takt, modellerne forudsiger, at i 2050 vil naturbrandsæsonen i det vestlige USA være omkring tre uger længere, dobbelt så røget, og vil brænde mere område. I de kommende årtier, det område, der blev brændt i august, kan stige med 65 procent i det nordvestlige Stillehav; kunne næsten fordobles i Eastern Rocky Mountains/Great Plains; og firdoblet i Rocky Mountains Forest-regionen.

Men naturbrande truer mere end jord og hjem. Røgen, de producerer, indeholder partikler, der kan forurene luften flere hundrede kilometer væk. Efterhånden som skovbrande øges i frekvens og intensitet, flere og flere samfund er i risiko for langvarig eksponering for skadelige niveauer af røg, herunder tæt befolkede områder som Californiens San Francisco, Alameda, og Contra Costa amter, og King County i Washington.

Mickley og Atmospheric Chemistry Modeling Group udvikler værktøjer til at forudsige, hvordan skovbrande vil påvirke luftkvaliteten. Arbejdet er en del af et samarbejde med Yale University.

Mellem 2004 og 2009 omkring 57 millioner mennesker i det vestlige USA oplevede en røgbølge, et udtryk Mickley og hendes kolleger opfandt for at beskrive to eller flere på hinanden følgende dage med usunde niveauer af røg fra brande. Mellem 2046 og 2051, teamet vurderede, at mere end 82 millioner mennesker sandsynligvis vil blive påvirket af røgbølger, mest i det nordlige Californien, Western Oregon og Great Plains, hvor der er rigeligt med brændsel.

Overalt i det vestlige USA, klimaændringer vil sandsynligvis få røgbølgerne til at blive længere, mere intens, og hyppigere. Omkring 13 millioner flere børn og ældre - som har højere risiko for luftvejssygdomme - vil blive påvirket af røgbølger sammenlignet med i dag.

Mickley og hendes team har udviklet en model til at forudsige, på amtsplan, områder med størst risiko for røgbølger. Modellen vil tillade lokale regeringer eller U.S. Forest Service at prioritere disse områder i brandbekæmpelsesindsatser, såsom at rydde ud af tørre kratt eller udføre kontrollerede forbrændinger.

"Uanset hvad der antænder en skovbrand, enten ved lynnedslag eller menneskelig skødesløshed, spredningen af ​​en brand bestemmes af tilgængeligheden af ​​tør, let brændbart brændstof, " sagde Mickley. "Vi ser i øjeblikket, og vi vil fortsætte med at se i de kommende årtier, varmere temperaturer øger forsyningen af ​​sådant brændstof. De massive brande i 2016 er sandsynligvis en indikation af, hvad der kommer."

Forurening kender ingen grænser

Det er ikke kun det kontinentale USA, der står over for sundhedsmæssige konsekvenser af globale klimaændringer. Alaska, Hawaii og mange amerikanske territorier er i frontlinjen af ​​klimaændringer.

I 2016 en DC-8 fyldt med videnskabelige instrumenter tog fart fra Palmdale, Californien, stiger op gennem en tyk himmel med skovbrandsrøg og smog fra det nærliggende Los Angeles.

Det var en passende start på den første del af Atmospheric Tomography Mission (ATom), ledet af Steven C. Wofsy, Abbott Lawrence Rotch, professor i atmosfærisk og miljøvidenskab ved SEAS og Institut for Jord- og Planetvidenskab. Siden 2016 har ATom-missionen har foretaget to ture rundt i verden – pol til pol – ved at tage atmosfæriske målinger for at forstå, hvordan forurening og drivhusgasser bevæger sig gennem atmosfæren.

Atom-missionen, i samarbejde med NASA, vil flyve i alt fire ture rundt i verden. De data, den indsamler, vil hjælpe med at forbedre nøjagtigheden af ​​de miljømodeller, der informerer klimapolitikker.

Det første ben gav forskerholdet et nøgternt syn på omfanget af klimaændringer i Amerika og amerikanske territorier. Flere timer efter at have forladt den brændende varme og skovbrande i Californien, holdet fløj over Alaska, hvor store mørke pøler af vand forstyrrede, hvad der skulle have været en sammenhængende plade af hvid, polar is.

"Kontrasten mellem miljøerne kunne ikke have været mere dramatisk endnu, begge steder oplevede enorme påvirkninger fra det opvarmende klima, " sagde Wofsy.

Og selvom der ikke brændte større brande i det nordlige Alaska, da ATom-holdet udførte deres første mission, forskerne registrerede høje niveauer af forurening fra skovbrande, der brændte flere hundrede kilometer væk, i Sibiriens skove.

"Forurening kan transporteres overalt, " sagde Roisin Commane, forskningsassistent i miljøvidenskab og teknik ved SEAS og medlem af ATom-teamet. "Vi så forurening tusindvis af kilometer fra kysten, i hvad der skulle have været noget af den reneste luft i verden. Vi så forurening fra Asien transporteret over Stillehavet og forurening fra USA over Atlanterhavet. Forurening har ingen grænser."

Ingeniørhåb

Disse konsekvenser af global opvarmning i USA kender heller ingen grænser - det påvirker unge og gamle amerikanere, Byboere på østkysten og landmænd i Midtvesten.

Ud over at lede indsatsen for at forstå de systemer, der bidrager til en opvarmning af planeten, forskere ved SEAS udvikler også nye værktøjer og teknologier til at hjælpe med at vende, eller i det mindste langsomt, processen. Det omfatter projekter, der har til formål at generere ren strøm og opbevare den i langtidsholdbare batterier.

Erik Mazur, Balkanski-professoren i fysik og anvendt fysik, har forsket i egenskaberne af strukturer i nanoskala i silicium, som har lovende applikationer til at forbedre solcellernes kapacitet. Jennifer Lewis, Hansjörg Wyss professor i biologisk inspireret teknik, har hjulpet med at udvikle materialer til kulstoffangst og -binding.

Professorer Michael Aziz, Gene og Tracy Sykes professor i materialer og energiteknologier; og Roy Gordon, Thomas Dudley Cabot professor i kemi og professor i materialevidenskab, udvikler ikke-giftige, langvarige og omkostningseffektive strømbatterier til lagring af strøm fra intermitterende energikilder, som vind og sol.

SEAS studerende bliver også involveret i indsatsen på Harvards campus.

I en ES96 klasse, SEAS-studerende arbejdede med universitetets Office for Sustainability for at evaluere tilgange til modstandsdygtighed over for klimaændringer og udvikle strategier til at forbedre integriteten af ​​det elektriske net, kølige bygninger under ekstrem varme, og minimere skader fra oversvømmelser.

"Mens vi kan have dysfunktion i Washington, dele af USA gør alvorlige ting ved klimaændringer, " sagde McElroy. "Californien og New England er lysende eksempler. Borgmestre i større amerikanske byer har været førende i at tackle disse problemer. Så, på den optimistiske side, der er tegn på, at folk kan tage sig sammen og få tingene gjort."

Det er vigtigt ikke at miste den optimisme, sagde Wofsy.

Han og ATom-teamet så noget andet på den første flyvning fra Californien:sol- og vindmølleparker, der genererer kulstoffri elektricitet.

"Dette syn var meget mere håbefuldt, " sagde Wofsy. "Hvis vi bruger vores sind og ressourcer på problemet, vi kan gøre betydelige fremskridt med at bremse stigningen i atmosfærisk CO2. Men det er en generationsudfordring«.