I 2015 Parisavtalet När det gäller klimatförändringar lovade nästan alla länder på jorden att hålla den globala temperaturen "väl under" 2C över de förindustriella nivåerna och att "sträva efter att begränsa temperaturökningen ytterligare till 1.5C".

Men vid den tiden hade forskare bara modellerat energisystem och koldioxidreducerande vägar för att uppnå 2C-målet. Få studier hade undersökt hur världen kunde begränsa uppvärmningen till 1.5C.

Nu kommer ett papper Natur klimatförändringar presenterar resultaten från en ny modellövning med sex olika "integrerade bedömningsmodeller" (IAM) för att begränsa den globala temperaturen år 2100 till under 1.5C.

Resultaten tyder på att 1.5C är uppnåeligt om de globala utsläppen toppar under de närmaste åren och enorma mängder kol sugs ut ur atmosfären under andra halvan av århundradet genom en föreslagen teknik som kallas bioenergi med avskiljning och lagring av kol (BECCS).

Definiera 1.5C-målet

En utmaning med målet att begränsa uppvärmningen till 1.5C över förindustriella nivåer är att så var det inte klart definierat i texten till Parisavtalet. Till exempel är forskare oense om exakt vad förindustriella temperaturer var och hur man bäst definierar dem, såväl som vilken datauppsättning som ska användas.

Det finns inte heller en tydlig konsensus om målet ska vara att sikta på att ha jämna odds på att världen ska nå 1.5 C uppvärmning år 2100, eller försöka undvika att temperaturer överstiger 1.5 C genom att sikta på en ännu lägre uppvärmningsmängd. Därför att osäkerheter i klimatkänslighet innebär att vi skulle kunna ha allt mellan 1.5 C och 4.5 C uppvärmning per fördubbling av CO2-utsläpp, tenderar forskare att planera för att undvika det värsta fallet där klimatkänsligheten hamnar i den högre delen av intervallet.

När det gäller 2C-målet har Parisavtalets språk "väl under" tolkats som att det säkerställer att det inte finns mer än 33 % chans att överskrida 2C – och därför en 66 % chans att stanna under det. Men 1.5C-målet skulle kunna tolkas som antingen siktar på en 50% chans att hålla sig under 1.5C, eller en 66% chans liknande 2C-målet. Detta kan låta som en liten skillnad, men det har stor inverkan på resulterande koldioxidbudget och lätt att nå målet.

I sin nya uppsats väljer ett team av 23 energiforskare den striktare tolkningen av målet, som siktar på en 66 % chans att undvika mer än 1.5 C uppvärmning år 2100. De tillåter dock att temperaturer överstiger 1.5 C under kursen århundradet så länge de faller tillbaka till under 1.5C år 2100. Detta är känt som ett "overshoot"-scenario.

1.5C endast möjligt i vissa framtida vägar

För att bedöma livskraftiga vägar för att begränsa uppvärmningen till 1.5C använder forskarna den nya Delade socioekonomiska banor (SSP) som utvecklats som förberedelse för nästa utvärderingsrapport från den mellanstatliga panelen för klimatförändringar (IPCC) som kommer i början av nästa decennium. Dessa SSP:er – som Carbon Brief kommer att utforska mer på djupet under de kommande veckorna – presenterar fem möjliga framtida världar som skiljer sig åt i deras befolkning, ekonomisk tillväxt, energiefterfrågan, jämlikhet och andra faktorer.

Varje värld kan ha flera olika klimatbanor, även om vissa kommer att ha mycket lättare att minska utsläppen än andra. Den nya klimatbanan förknippad med att undvika mer än 1.5 C uppvärmning år 2100 kallas Representative Concentration Pathway 1.9 ("RCP1.9"), vilket är en värld där strålningskraften från växthusgaser är begränsad till högst 1.9 watt per kvadratmeter kvadrat. (W/m2) över förindustriella nivåer. Detta är lägre än intervallet av RCP:er som tidigare använts av klimatmodellerare, som gick från 2.6 upp till 8.5W/m2.

De sex IAM:erna hittar alla genomförbara 1.5C-scenarier i SSP1, som är en väg som fokuserar på "inkluderande och hållbar utveckling". Fyra av de sex modellerna hittar vägar i SSP2, som är ett scenario mitt i vägen där trender till stor del följer historiska mönster. Inga modeller visar livskraftiga 1.5C-vägar i SSP3, som är en värld av "regional rivalitet" och "återuppväckande nationalism" med lite internationellt samarbete.

Slutligen har endast en av modellerna en 1.5C-väg i SSP4, vilket är en värld av "hög ojämlikhet", medan två modeller har livskraftiga vägar i SSP5, en värld av "snabb ekonomisk tillväxt" och "energiintensiv livsstil".

Utsläppen måste toppa snabbt

För att begränsa uppvärmningen till under 1.5C kräver alla modeller som forskarna undersökt att de globala utsläppen toppar 2020 och minskar brant därefter. Efter 2050 måste världen minska netto CO2-utsläppen till noll och utsläppen måste bli allt mer negativa under andra hälften av 21-talet.

Även med dessa snabba minskningar överskrider alla scenarier fortfarande en uppvärmning på 1.5 C på 2040-talet, innan de sjunker till cirka 1.3-1.4 C över förindustriella nivåer år 2100. Modeller med snabbare sänkningar – vanligtvis förknippade med SSP1 – har mindre temperaturöverskridande än de med mer gradvisa minskningar.

Figuren nedan visar både CO2-utsläpp (vänster) och global uppvärmning över förindustriell (höger) över alla 1.5C-modeller som undersöktes. Linjerna är färgade baserat på den använda SSP.

CO2-utsläpp i gigaton (Gt) CO2 (vänster) och global genomsnittlig yttemperatur i förhållande till förindustriell (höger) över alla RCP1.9/1.5C-scenarier som ingår i Rogelj et al 2018. Data tillgängliga i IIASA SSP-databas. Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

Modellerna visar en återstående 1.5C "kol budget” från 2018 till 2100 på mellan -175 och 400 gigaton CO2 (GtCO2). Detta intervall är överensstämmer med uppskattningar från IPCC:s 5:e utvärderingsrapport.

Det breda utbudet är till stor del ett resultat av skillnader i utsläpp av icke-CO2 växthusgaser, såsom metan och dikväveoxid, som varierar med en faktor på mellan två och tre mellan modellerna år 2100. Vissa modeller med högre icke-CO2-utsläpp har en återstående kolbudget på mindre än noll, vilket kräver att mer CO2 tas bort från atmosfären än vad som tillförts i slutet av århundradet. I dessa simuleringar har kolbudgeten för 1.5C redan förbrukats.

Den centrala uppskattningen över modellerna är att den återstående koldioxidbudgeten 2018-2100 är cirka 230 GtCO2. Med den nuvarande utsläppstakten skulle detta ta ungefär sex år tills hela 1.5C-budgeten är förbrukad, med ett intervall på noll till 11 år för alla modeller.

Att ersätta fossila bränslen med förnybara energikällor

Studien utforskar de olika sätten som globala energibehov kan tillgodoses, samtidigt som de minskar utsläppen av växthusgaser för att nå 1.5C-målet. Att begränsa uppvärmningen till under 1.5C kräver att världen snabbt fasar ut alla typer av fossila bränslen – eller åtminstone de utan medföljande avskiljning och lagring av koldioxid (CCS). Samtidigt måste världen snabbt öka användningen av noll- och nettonegativa kolenergikällor – saker som BECCS som genererar energi samtidigt som de faktiskt tar bort CO2 från atmosfären.

Figuren nedan visar användningen av förnybara energikällor (vänster), nettonegativa BECCS (mitten) och kol utan CCS (höger) över alla 1.5C-modeller. Färgerna visar vilka SSP:er som modellsimuleringarna använder.

Global primärenergianvändning i exajoule (EJ) för icke-biomassa förnybara energikällor (vänster), BECCS (mitten) och kol utan CCS (höger) över alla RCP1.9/1.5C scenarier. Anpassad från figur 2 in Rogelj et al 2018.

I de flesta modeller ökar den totala energianvändningen faktiskt mellan 2018 och 2100, med mellan -22 % och +83 %, med en central ökning på 22 %.

Men modellerna visar också att energieffektivitet är ganska viktigt på kort sikt – åtminstone medan den mesta energin kommer från fossila bränslen. Detta är särskilt viktigt inom transport- och byggnadssektorerna, där snabb avkolning är svårare än i kraftproduktion.

Modellerna visar att uppskattningsvis 60-80 % av all energi kommer från förnybara energikällor globalt år 2050. Vissa modeller visar också en mycket större roll för kärnkraft, även om andra inte gör det.

För att begränsa uppvärmningen till 1.5C, minskar kolanvändningen utan kolavskiljning med cirka 80 % till 2040, med olja som på liknande sätt till största delen fasas ut till 2060. Detta skulle kräva att de flesta bensin- eller dieselfordon fasas ut till 2060, med elektriska eller andra låg- alternativa bränslefordon som utgör den stora majoriteten av försäljningen långt före detta datum. Framtida naturgasanvändning är mer blandad i modellerna, med vissa visar ökningar och vissa minskar i mitten av seklet.

Utsläppen måste bli negativa

Negativa utsläpp behövs under senare hälften av seklet för att dra ut den extra koldioxiden ur atmosfären. Detta beror på att utsläppen inte kan falla tillräckligt snabbt i modellerna för att undvika att överskrida den tillåtna kolbudgeten för att undvika 2C uppvärmning.

De flesta av modellerna släpper ut ungefär 50-200 % mer CO2 än den tillåtna kolbudgeten under seklets lopp, innan den extra koldioxiden dras tillbaka.

Modellerna förutsätter en utbredd användning av BECCS med start mellan 2030 och 2040 och sedan snabbt skalas upp. År 2050 har många modeller BECCS som producerar mer än 100 exajoule (EJ), ungefär samma mängd energi globalt som kol ger idag. År 2100 kommer BECCS att vara cirka 200EJ jämfört med 300EJ för all förnybar energi som inte är biomassa.

Figuren nedan visar mängden CO2 som binds av CCS (både från BECCS och fossila bränslen) över alla modeller. Kolavskiljningen ökar efter 2020 och kan vara 20 GtCO2 eller högre i slutet av seklet, vilket är ungefär hälften av de globala CO2-utsläppen 2018.

Årlig CO2 som binds genom kolavskiljning och lagring i gigaton (Gt) CO2 per år och SSP över alla RCP1.9/1.5C-scenarier. Anpassad från figur 3 in Rogelj et al 2018.

Modellerna ger uppskattningar av globala skogstäckeförändringar mellan -2% och 26% mellan idag och 2100, med de flesta modeller som visar betydande ökningar i skogstäcke. Både BECCS och skogsplantering kräver mycket mark. De flesta modeller visar en nedgång i globala scenarier för åkermark som är ungefär lika med den areal som för närvarande används för jordbruk i hela Europeiska unionen.

De flesta modeller som används i studien inkluderar dock inte beskogning som ett explicit begränsningsalternativ, så beskogning och andra "naturliga" negativa utsläppstekniker skulle kunna spela en större roll i framtiden. De specifika tekniker som används för framtida negativa utsläpp kan vara annorlunda och något mindre beroende av BECCS, men icke-BECCS-metoder är till stor del uteslutna från modellerna på grund av kvarstående osäkerheter i kostnad och effektivitet i stor skala.

På samma sätt skiljer sig mängden BECCS som används ganska mycket mellan modeller och SSP:er, med SSP1 som kräver minst negativa utsläpp och SSP5 kräver mest på grund av dess långsammare utsläppsminskningar och högre totala energianvändning.

Dr Joeri Rogelj, tidningens huvudförfattare från International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) i Österrike, säger till Carbon Brief:

"Detta indikerar att ett fokus på hållbara livsstilar som begränsar energibehovet kraftigt kan minska beroendet av BECCS."

En intressant konsekvens av 1.5C-målet är en minskad användning av fossila bränslen i kombination med CCS, jämfört med vad som finns i 2C-scenarier. Detta beror på att fossila bränslen med CCS fortfarande resulterar i metanutsläpp från kolbrytning eller gashantering, samt CO2-utsläpp på grund av ofullständig avskiljning och läckage. Dessa extra utsläpp kan bli för viktiga för att tillåta i stor skala i en 1.5C-värld.

Mycket svårare att nå 1.5C än 2C

Förutom att undersöka detaljerna om vad som krävs för att begränsa uppvärmningen till 1.5 C, jämför tidningen det också med befintliga 2C-scenarier inom ett antal olika kategorier. Figuren nedan visar skillnaden mellan 1.5C och 2C scenarier över både ekonomiska och CO2-reduktionsmått. Varje streckad linje representerar en 100 % ökning av kostnad eller ansträngning i en 1.5C-värld jämfört med en 2C-värld.

Relativa ökningar i kostnads- och CO2-reduktionsmått för 1.5C-scenarier jämfört med 2C-scenarier för olika SSP:er. Varje streckad linje representerar en 100 % ökning av kostnaden eller minskningsbeloppet, upp till en 500 % ökning. Taget från figur 4 in Rogelj et al 2018.

De största ökningarna sker i koldioxidpriserna, som måste vara mellan 200 % och 400 % högre, och i kostnaderna på kort sikt, som är 200 % till över 300 % högre. Dessa ökningar av kortsiktiga kostnader drivs av de strängare utsläppsminskningarna på kort sikt som behövs. Långsiktiga kostnader förväntas också bli cirka 200 % högre.

För CO2-reduktionsmått kräver en 1.5C-värld ungefär två till tre gånger större minskningar av CO2 från byggnader och transporter än i en 2C-värld. Dessa sektorer är svårare att koldioxidutlösa än kraftproduktion eftersom de involverar direkt förbränning av fossila bränslen som är mindre lätta att ersätta.

Svårt, men möjligt?

De nya scenarierna i denna studie är viktiga eftersom de visar att det finns möjliga banor och tekniska vägar som kan begränsa uppvärmningen till under 1.5 C år 2100. Alla modeller som ingår överskrider dock 1.5 Cs uppvärmning i mitten av seklet. De flesta är också beroende av enorma mängder fortfarande obevisad negativa utsläpp senare under århundradet för att möjliggöra en mer genomförbart gradvis minskning av utsläppen på kort sikt.

As Dr Glen Peters, en seniorforskare vid CICERO Centrum för internationell klimatforskning i Norge som inte var involverad i studien, säger Carbon Brief:

"Att begränsa temperaturen till 1.5 C närmar sig vad modeller kan leverera, med endast vissa socioekonomiska, tekniska och resursantaganden som är tillgängliga för 1.5 C-vägar. Hur man förvandlar modellens resultat till en livskraftig samhällsförvandling förblir elefanten i rummet. 1.5C-scenarierna kräver radikala minskningar av oförminskad användning av fossila bränslen, snabb expansion av icke-fossila energikällor och avlägsnande av koldioxid i planetarisk skala. Att misslyckas med att uppfylla någon av dessa grundläggande byggstenar kommer att göra 1.5C snabbt omöjligt."

Notera: Till publiceringen av studien finns en nyligen uppdaterad SSP-emissioner och scenariodatabas, som inkluderar data för alla SSP-scenarier.

Rogelj, J. et al. (2018) Scenarier för att begränsa global medeltemperaturökning under 1.5C, Nature Climate Change,

doi:10.1038/s41558-018-0091-3

Denna artikel publicerades ursprungligen på Carbon Brief

Om författaren

Zeke Hausfather täcker forskning inom klimatvetenskap och energi med ett amerikanskt fokus. Zeke har magisterexamen i miljövetenskap från Yale University och Vrije Universiteit Amsterdam och fullgör doktorsexamen i klimatvetenskap vid University of California, Berkeley. Han har tillbringat de senaste 10-åren som datavetenskapare och entreprenör inom cleantech-sektorn.

Relaterade böcker:

at InnerSelf Market och Amazon