Vědecký a širší zájem o vztah mezi atmosférickou teplotou ( T ) a koncentrací oxidu uhličitého ([CO 2 ]) je obrovský. Podle běžně předpokládané kauzální souvislosti způsobuje zvýšení [CO 2 ] zvýšení T . Nedávný vývoj však tento předpoklad zpochybňuje tím, že ukazuje, že tento vztah je typu slepice nebo vejce , nebo dokonce jednosměrný, ale opačný, než je běžně předpokládaný vztah.
Tento vývoj zahrnuje pokročilý teoretický rámec pro testování kauzality založený na stochastickém hodnocení potenciálně kauzálního spojení mezi dvěma procesy prostřednictvím pojmu funkce impulsní odezvy. S využitím na jedné straně tohoto rámce a jeho dalším rozšiřováním a na druhé straně nejdelší dostupné moderní časové řady globálně zprůměrovaných T a [CO 2 ] jsme osvětlili potenciální kauzalitu mezi těmito dvěma procesy. Všechny důkazy vyplývající z analýz naznačují jednosměrnou, potenciálně kauzální souvislost s T jako příčinou a [CO 2 ] jako důsledkem. Toto spojení není zastoupeno v klimatických modelech, jejichž výstupy jsou také zkoumány pomocí stejného rámce, což vede k opačnému spojení, než je odkaz nalezený při použití skutečných měření.
Klíčová slova:
kauzalita ; kauzální systémy ; stochastika ; funkce impulsní odezvy ; geofyzika ; hydrologie ; klima
Grafický Abstrakt
Věda je generována a věnována svobodnému bádání: myšlence, že jakákoli hypotéza, bez ohledu na to, jak podivná, si zaslouží, aby byla zvážena na základě své podstaty. Potlačování nepohodlných myšlenek může být běžné v náboženství a politice, ale není to cesta k poznání; nemá místo ve vědeckém úsilí. Dopředu nevíme, kdo objeví zásadní nové poznatky.
první strana
nastavení
O slepicích, vejcích, teplotách a CO 2 : Příčinné souvislosti v zemské atmosféře
podle
Demetris Koutsoyiannis
1
Katedra vodních zdrojů a environmentálního inženýrství, School of Civil Engineering, Národní technická univerzita v Aténách, 15778 Zographou, Řecko
2
Katedra stavebního a environmentálního inženýrství, Inženýrská fakulta, Imperial College London, Londýn SW7 2BX, UK
3
Meteorologická laboratoř, Ústav konstrukce a geoinženýrství, Fakulta environmentálního inženýrství a strojního inženýrství, Poznaňská univerzita zemědělských věd, 60-637 Poznaň, Polsko
*
Autor, kterému má být korespondence adresována.
Sci 2023 , 5 (3), 35; https://doi.org/10.3390/sci5030035
Příspěvek přijat: 17. března 2023 / Upraveno: 24. května 2023 / Přijato: 5. září 2023 / Zveřejněno: 13. září 2023
(Tento článek patří do Special Issue Feature Papers—Multidisciplinary Sciences 2023 )
Stažení keyboard_arrow_down
Abstraktní
Vědecký a širší zájem o vztah mezi atmosférickou teplotou ( T ) a koncentrací oxidu uhličitého ([CO 2 ]) je obrovský. Podle běžně předpokládané kauzální souvislosti způsobuje zvýšení [CO 2 ] zvýšení T . Nedávný vývoj však tento předpoklad zpochybňuje tím, že ukazuje, že tento vztah je typu slepice nebo vejce , nebo dokonce jednosměrný, ale opačný, než je běžně předpokládaný vztah. Tento vývoj zahrnuje pokročilý teoretický rámec pro testování kauzality založený na stochastickém hodnocení potenciálně kauzálního spojení mezi dvěma procesy prostřednictvím pojmu funkce impulsní odezvy. S využitím na jedné straně tohoto rámce a jeho dalším rozšiřováním a na druhé straně nejdelší dostupné moderní časové řady globálně zprůměrovaných T a [CO 2 ] jsme osvětlili potenciální kauzalitu mezi těmito dvěma procesy. Všechny důkazy vyplývající z analýz naznačují jednosměrnou, potenciálně kauzální souvislost s T jako příčinou a [CO 2 ] jako důsledkem. Toto spojení není zastoupeno v klimatických modelech, jejichž výstupy jsou také zkoumány pomocí stejného rámce, což vede k opačnému spojení, než je odkaz nalezený při použití skutečných měření.
Klíčová slova:
kauzalita ; kauzální systémy ; stochastika ; funkce impulsní odezvy ; geofyzika ; hydrologie ; klima
Grafický Abstrakt
Věda je generována a věnována svobodnému bádání: myšlence, že jakákoli hypotéza, bez ohledu na to, jak podivná, si zaslouží, aby byla zvážena na základě své podstaty. Potlačování nepohodlných myšlenek může být běžné v náboženství a politice, ale není to cesta k poznání; nemá místo ve vědeckém úsilí. Dopředu nevíme, kdo objeví zásadní nové poznatky.
Carl Sagan [ 1 ]
1. Úvod
Nedávná studie (2020) [ 2 ] zkoumající údaje z měření teploty ( T ) a atmosférické koncentrace oxidu uhličitého ([CO 2 ]) zpochybnila konvenční a dobře zavedenou moudrost, že zvýšení [CO 2 ] způsobuje zvýšení teploty. . Studie zkoumala, zda je běžně předpokládaný kauzální řetězec podporován daty, nebo alternativně, zda je věrohodnější kauzální vztah slepice nebo vejce (HOE). Fráze „ slepice nebo vejce “ (původně v řečtině ὄρνις ἢ ᾠὸν ) poprvé použil ve filozofickém kontextu Plutarchos [ 3 ] k popisu situací, kdy není jasné, která ze dvou vzájemně souvisejících událostí nebo procesů je příčinou a která účinek.
Studie zkoumala případ, kdy příčinná souvislost není mezi dvěma událostmi, ale mezi dvěma procesy, reprezentovanými jako stochastické procesy. Označení těchto procesů jako ???? ̲ ( ???? ) ????_???? a ???? ̲ ( ???? ) ????_???? (kde se řídíme holandskou notační konvencí podtrhávání stochastických proměnných), v typickém kauzálním systému, označovaném jako ???? → ???? ????→???? , dřívější realizace ???? ̲ ( ???? ) ????_???? ovlivnit současnou realizaci ???? ̲ ( ???? ) ????_???? . V kauzálním systému HOE dřívější realizace ???? ̲ ( ???? ) ????_???? ovlivnit současnou realizaci ???? ̲ ( ???? ) ????_???? , ale i dřívější realizace ???? ̲ ( ???? ) ????_???? ovlivnit současnou realizaci ???? ̲ ( ???? ) ????_???? .
Pokud jde o své aplikace, studie použila údaje o globální teplotě ze satelitů (University of Alabama v Huntsville-UAH) a pozemních údajů (CRUTEM.4.6.0.0 globální teplota T 2 m země) a [CO 2 ] na několika místech ( Mauna Loa, HI, USA; Jižní pól; Inovativním prvkem této studie bylo, že vysvětlila důvody, proč použití původních datových řad T a [CO 2 ] přineslo falešné výsledky, a navrhla místo toho použít jejich změny (rozdíly v čase). Poznamenáváme, že rozlišování se velmi běžně používá v ekonomické literatuře (např. [ 4 , 5 ]). Zejména pro [CO 2 ] navrhla vzít logaritmus před diferencováním (něco připomínající techniky používané v ekonomii [ 5 ]), a tak časové řady, které byly korelovány, byly Δ ???? ???????? a Δ l n [ C O 2 ] ????ln[CO2] , kde se rozdíly berou za 12 měsíců. Studiem zpožděných korelací těchto dvou, studie tvrdila, že ačkoli existují oba směry kauzality, výsledky podporují hypotézu, že dominantním směrem je T → CO 2 . Změny [CO 2 ] následují po změnách T přibližně o šest měsíců v měsíčním měřítku nebo o jeden rok v ročním měřítku. Studie se naopak pokusila interpretovat tento mechanismus odkazem na biochemické reakce, protože při vyšších teplotách se zvyšuje dýchání půdy, a tím i emise CO 2 .
V následné (2022) studii o dvou pracích Koutsoyiannis et al. [ 6 , 7 ] vyvinul úplnější teoretický rámec tím, že přehodnotil kauzalitu v celém znalostním stromu, od filozofie po vědu a vědeckou a technologickou aplikaci. Přezkoumáním různých přístupů ke kauzalitě studie lokalizovala několik problémů při identifikaci kauzálních vazeb. Studie tedy rozvinula teoretické pozadí stochastického přístupu ke kauzalitě s cílem formulovat nezbytné podmínky, které jsou provozně užitečné při identifikaci nebo falšování tvrzení o kauzalitě. Vyvinula také účinný algoritmus použitelný pro rozsáhlé otevřené systémy, které nejsou ani řiditelné, ani opakovatelné. Navržený rámec byl ilustrován a předveden v řadě případových studií, z nichž některé byly řízené syntetické příklady a jiné reálné příklady vycházející ze zajímavých vědeckých problémů v geofyzice a zejména hydrologii a klimatologii. Vztah globálně průměrné teploty s koncentrací [CO 2 ] (opět z hlediska rozdílů Δ ???? ???????? a Δ l n [ C O 2 ] ????ln[CO2] více než 12 měsíců) byl zahrnut do třiceti prezentovaných případových studií. Stručně řečeno, související analýzy poukázaly na následující (cituji z [ 7 ]):
Je zřejmé, že výsledky […] naznačují (jednosměrný) potenciálně kauzální systém s T jako příčinou a [CO 2 ] jako důsledkem. Proto obecný názor, že zvýšení [CO 2 ] způsobuje zvýšení T, lze vyloučit, protože porušuje nezbytnou podmínku pro tento směr kauzality.
[…] jinými slovy, zvýšení koncentrace CO 2 způsobilo zvýšení teploty . Ačkoli tento závěr může znít na první pohled kontraintuitivně, protože odporuje běžnému vnímání […], ve skutečnosti je rozumný. Nárůst teploty začal na konci období malého ledu, na počátku devatenáctého století, kdy byly lidské emise CO 2 zanedbatelné […].
Cílem této studie [ 6 , 7 ] však bylo spíše formulovat obecnou metodologii pro detekci kauzality – zejména její nezbytné podmínky – než podrobně studovat konkrétní systém. V případových studiích proto nebylo provedeno žádné podrobné modelování, včetně hydrologických a klimatických aplikací. Vzhledem k enormnímu zájmu o vztah T -[CO 2 ] však půjdeme hlouběji do tohoto.
Konkrétně se tento dokument po shrnutí metodiky ( oddíl 2 ) a použitých dat ( oddíl 3 ) zaměřuje na druhý vztah s následujícími cíli:
Rozšířit časový rámec vyšetřování dopředu a dozadu využitím nejdelších dostupných datových řad ( oddíl 4 ).
Prověřit, zda sezónnost, jak se odráží v různých fázích časových řad [CO 2 ] v různých zeměpisných šířkách, hraje nějakou roli, která by mohla změnit nebo případně zvrátit zjištěný kauzální vztah ( část 5 ).
Navrhnout a aplikovat metodu pro zkoumání vlivu časového měřítka při zjišťování kauzality ( oddíl 6 ).
Rozšířit metodologii pro jednoznačné případy, kdy typ kauzality, HOE nebo jednosměrný, není zcela jasný ( oddíl 7 ).
Využít metodologii při definování typu analýzy dat, která by bez ohledu na zjištění kauzality sama o sobě mohla objasnit výkonnost modelování porovnáním pozorovaných dat s výsledky modelu ( část 8 ).
Diskutovat možná rozšíření rozsahu metodiky, tj. od detekce možné kauzality k vytvoření podrobnějšího modelu stochastického typu ( část 9 ).
Poskytnout logickou podporu pro zjištění revizí uhlíkové bilance v atmosféře ( Dodatek A.1 ) a zkoumáním dalších procesů, které mohly způsobit zvýšení teploty ( Dodatek A.2 , Dodatek A.3 a Dodatek A.4 ).
2. Shrnutí stochastického přístupu ke kauzalitě
Metodika v [ 6 , 7 ] je založena na funkci impulsní odezvy (IRF) mezi dvěma procesy ???? ̲ ( ???? ) , ???? ̲ ( ???? ) ????_(????), ????_(????) , označený jako ???? ( ℎ ) ????(ℎ) kde ℎ ℎ označuje časovou prodlevu na základě konvoluce
???? ̲ ( ???? ) = ∫ − ∞ ∞ ???? ( ℎ ) ???? ̲ ( ???? − ℎ ) d ℎ + ???? ̲ ( ???? ) ????_????=∫−∞∞????(ℎ)????_(????−ℎ)dℎ+????_(????)
(1)
kde ???? ̲ ( ???? ) ????_(????) je další stochastický proces představující část, která není vysvětlena kauzální souvislostí. Chcete-li vidět, že funkce ???? ( ℎ ) ????(ℎ) je funkce impulsní odezvy (IRF) systému ( ???? ̲ ( ???? ) , ???? ̲ ( ???? ) ????_????,????_???? ), jsme si stanovili ???? ̲ ( ???? ) ≡ 0 ????_????≡0 a ???? ̲ ( ???? ) = δ ( ???? ) ????_????=????(????) (Diracova delta funkce, představující impuls s nekonečnou amplitudou at ???? = 0 ????=0 a dosažení hodnoty 0 pro ???? ≠ 0 ????≠0 ), a snadno získáme ???? ̲ ( ???? ) = ???? ( ???? ) ????_????=????(????) .
Na druhou stranu, pokud nastavíme ???? ( ℎ ) = ???? δ ( ℎ − ℎ 0 ) ????ℎ=???? ????(ℎ−ℎ0) (s konstantou ???? ???? a
