CO2 (koldioxid) omsättningen i atmosfären

Denna artikel bygger på ett föredrag av professor Murry Salby professor i klimatvetenskap vid Macquarie Universitetet. Jag har lagt in vissa egna kommentarer i texten.

Du kan titta på föredraget (ca. 30 min + 30 min frågor) på adressen

http://www.youtube.com/watch?v=YrI03ts–9I&feature=player_embedded

Den faktor som bestämmer inverkan från CO2 på en eventuell uppvärmning förorsakad av CO2 är den absoluta concentrationen CO2 i atmosfären, inte de mänskliga CO2 utsläppens storlek. Detta är en självklarhet.

Förändringarna i CO2 concentrationen är en följd av en kombination av förändringar i totala utsläpp i atmosfären, mänskliga och naturliga samt av förändringar i hur CO2 tas upp av koldioxidsänkor t.ex. världshaven.

Hur stor är kontributionen från naturliga källor och hur stor är den mänskliga andelen?

Fig. 1 Bilden visar hur CO2 concentrationen i atmosfären har ökat sedan 1830. Detta är en uppskattning men det är inte självklart att den är sann. Se Becks artikel i slutet av denna text (pdf).

De fyrkantiga punkterna är tagna från borrkärnor i is från Antarktis och trianglarna från mätningar på Mauna Loa från ungefär 1960 till vår tid. Förändringar i koldioxidhalten i atmosfären är en följd av förändringar i alla koldioxidkällor och sänkor. Det är inte självklart att den förändring vi ser i fig 1 är endast en följd av mänskliga koldioxidutsläpp. Mera om detta senare.

Fig. 2 Bilden visar förändringen i C02 i atmosfären (grön kurva) samt förhållandet mellan kolisotopen ¹³C och ¹²C.

På jorden har ungefär 99% av kolatomerna atomvikten 12 och ungefär 1% har atomvikten 13. Det visar sig att växtligheten genom fotosyntes använder ¹²C effektivare än ¹³C. Kombinationen av dessa två kurvor utgör bevis som pekar på observerbara mänskliga utsläpp av CO2. Fossila bränslen innehåller något lägre andel ¹³C än andra källor eftersom fotosyntesen fungerar som ett filter vilket leder till att förbränning av fossila bränslen sänker andelen ¹³C i koldioxiden i atmosfären.

De naturliga koldioxidkällorna är relativt dåligt kända och mängden koldioxid dessa källor ger ifrån sig beror av flera olika faktorer t.ex. molnighet, markens fuktighet samt på temperaturen.

De totala mänskliga utsläppen har uppskattats till ca 5 Gigaton per år. Detta kan jämföras med coldioxidemission på ca. 90 Gigaton från haven och ca. 60 Gigaton från växtlighet.

Observera att man helatiden poängterar ungefär eftersom alla mekanismer inte är kända. Detta betyder att även små förändringar i jordens tillstånd kan få till stånd betydande förändringar i CO2 halten i atmosfären, helt enkelt för att de naturliga källorna är så ofantligt mycket större än de mänskliga utsläppen. Om de naturliga källorna ger ifrån sig koldioxid som i likhet med mänskliga utsläpp är utarmat på ¹³C är det mycket svårt att skilja på naturliga och mänskliga utsläpp. I praktiken är endast de mänskliga utsläppen någorlunda väl kända eftersom man bokför hur mycket olja, kol etc. mänskligheten utvinner. Resten av utsläppen ren dimma d.v.s. grova uppskattningar.

Fig. 3 Kolomsättningen på jorden. Den mänskliga andelen är ca. 3%. Uppskattningen av de naturliga källorna är mycket grov och källorna dåligt kända.

Fig. 4 Satellitmätning av koldioxidhalten i atmosfären.

Man vet att koldioxiden i atmosfären är relativt väl blandad genom det globala vädret. Vind, stormar, lågtryck och högtryck blandar mycket effektivt atmosfären och jämnar ut olikheter på olika delar av jordklotet. Koldioxidhalten i atmosfären mäts idag från satellit. Satellitmätningar har gjorts under mindre än tio år. Resultaten är mycket intressanta och samtidigt oväntade. Då vi betraktar Fig. 4 lägger man märke till en mycket intressant detalj. De högsta koldioxidhalterna i atmosfären förekommer inte där man skulle vänta sig dem d.v.s. nära kända stora mänskliga utsläppskällor (Europa, USA och Kina) utan på områden med mycket liten ekonomisk aktivitet t.ex. ekvatorialafrika och ekvatorialsydamerika. Då vi söker områden med de lägsta koncentrationerna (blått) finner vi kalla områden i norr exempelvis Norden och Canada samt höga (kalla) bergsområden. Hur är det möjligt att de högsta CO2 concentrationerna d.v.s. där stora utsläppskällor finns ligger på områden där människan släpper ut väldigt lite koldioxid? Observera dock att skillnaderna mellan olika områden är relativt små d.v.s. kring 5% vilket betyder att atmosfären är relativt väl blandad.

Fig. 5 Coldioxidhalten mätt på Mauna Loa (Hawai). Observera årstidsväxlingarna som syns som en regelbunden vågrörelse på den streckade trendlinjen.

Koldioxidhalten i atmosfären har mätts med olika metoder sedan mitten av 1800-talet. Mätningarna gjordes till en början relativt sporadiskt. Sedan 1960-talet har kontinuerliga mätningar gjorts i laboratoriet vid Mauna Loa. Mauna Loa är inte helt oproblematiskt aftersom stora mängder CO2 frigörs från den närliggande vulkanen. Man anser dock att mätningarna är pålitliga.

Äldre uppskattningar av koldioxidhalten bygger på analyser av borrkärnir i is från både Antaktis (södra halvklotet) samt från Grönland (norra halvklotet).

Fig. 6 Årlig variation i CO2 koncentrationen i atmosfären. Observera hur halten ökar under vinterhalvåret på norra halvlotet för att sedan sjunka när det blir sommar. Observera att halten CO2 i början av året och i slutet av året är olika. Skillnaden motsvarar den årliga ökningen i CO2 koncentration.

Variationen i CO2 från år till år varierar rätt kraftigt. Orsakerna till variationerna är flera. Under vinterhalvåret på norra halvklotet ligger växtvärlden delvis i dvala och fotosyntesen förbrukar endast lite koldioxid. Då temperaturen sjunker kommer koldioxid att effektivt lösas i regnvatten, så länge vattnet inte är fruset (snö). Eftersom landmassorna på norra och södra halvklotet ör olika stora kommer sommaren på södra halvklotet inte att kompensera vintern på norra halvklotet.

Om vi klipper ut alla årliga cykler och justerar dem så att de har samma startpunkt så får man en bild av hur stora de årliga variationerna är.

Fig. 7 De årliga variationerna i CO2 koncentrationen sedan mätningarna inleddes på Mauna Loa.

Vissa år kan ökningen vara hundra procent högre än medeltalet, ibland ser man ingen ökning alls. Variationerna är alltså av samma storleksordning som den årliga förändringen. Eftersom variationerna är stora är det naturligtvis viktigt att förstå vad de beror på. Observera att variationerna i de årliga förändringarna är ungefär tre gånger större än medelökningen som man ser som skillnaden mellan januari till vänster i bilden och januari till höger i bilden ett år senare. Det är lätt att förstå att mycket små förändringar i de naturliga koldioxidkällorna/sänkorna helt kan dominera över den mänskliga komponenten som uppskattas till 3% av de naturliga källorna.

Det sätt en fysiker skulle mäta responsen hos systemet skulle vara att på konstgjord väg påföra en känd förändring och därefter mäta systemets respons. Problemet är att mänskligheten inte kan åstadkomma en tillräckligt stor förändring för att det skulle gå att göra mätningen. Vi kan helt enkelt inte släppa ut så mycket CO2 som det skulle behövas …

För att kunna göra experimentet måste moder natur hjälpa till. Vi har nu mätningar över mer än 30 år av olika parametrar som kan påverka CO2 emissionen. Vi kan använda data i Fig. 7 till att uppskatta variationer i CO2 de totala emissionerna. Resultatet blir då:

Fig. 8 Årlig emission av CO2 i atmosfären utgående från mätningar på Mauna Loa. Observera att förändringarna ligger nära den årliga förändring vi observerade tidigare. Vissa år är förändringen nära noll och andra år nästan tre gånger större.

Det är intressant att notera att de variationer vi ser i nettoemission inte alls ser ut som de variationer vi ser i de mänskliga utsläppen. De mänskliga utsläppen har följande utseende i Gigaton per år:

Fig. 9 De mänskliga koldioxidutsläppen.

Observera hur de mänskliga utsläppen växer mycket jämnt i proportion till befolkningstillväxten och en stigande levnadsstandard.

Observera hur fig 8 och fig. 9 or okorrelerade d.v.s. de är oberoende eller beroendet är mycket svagt. Detta betyder att nettoökningen i CO2 sker oberoende av de mänskliga utsläppen! År 1992 minskade CO2 utsläppen med 70%, vad hände då? Det visar sig att vulkanen Pinatubo 1991 fick ett mycket stort utbrott som mätbart sänkte den globala temperaturen. Resultatet var att mängden koldioxid som tillfördes atmosfären sjönk med 70% procent trots att de mänskliga utsläppen inte förändrades.

Åren 1997-98 ökade de globala CO2 utsläppen 200% vilket sammanfaller med en ytterst kraftig El Ninjo i stilla havet vilket höjde den globala temperaturen. De mänskliga utsläppen var igen i princip oförändrade.

Mätningar visar att förändringarna i koldioxidhaten i atmosfären är kopplade till förändringar i global temperatur och fuktighet. Det går att uppskatta dessa parametrar på följande sätt. Satellitmätningar ger en pålitlig bild av den globala temperaturen utan störningar från t.ex. markbebyggelse som lokalt kan störa markmätstationer. Klimatmodeller kopplade till mätningar kan uppskatta förändringar i fuktigheten. Då man ritar upp förändring i ytförhållanden till de totala emissionerna får man:

Fig. 10 Korrelation mellan temperatur/fuktighet och CO2 emission. Observera att korrelationen är mycket god.

Om vi nu tittar på hur koldioxidemissionen varierar i förhållande till markytan och lägger till variationerna i ¹³C som vi såg i början av presentationen så får vi igen ett mycket intressant resultat:

Fig. 11 Variationen i ¹³C är i motfas i förhållande till ökningen av CO2 i atmosfären och i motfas till variationerna i jordens ytskikt.

Bilden indikerar tydligt att förändringarna vi ser i CO2 koncentration i atmosfären inte är en följd av mänskliga utsläpp utan en följd av naturliga processer! Jämför med fig. 2 som visar att den mänskliga signaturen är den sjunkande andelen 13C medan fig. 11 tydligt visar att den atmosfäriska CO2 koncentrationen beror av andra än mänskliga faktorer. Man bör komma ihåg att t.ex. små temperaturvariationer i havet, eller stora mängder koldioxidrikt bottenvatten som värms upp vid ytan kan avge ofantliga mängder koldioxid som har en större andel ¹³C än i de mänskliga utsläppen. De blå kurvorna är som första approximation endast temperatur.

Ur ovanstående mätningar d.v.s. förändring i totalkoncentrationen CO2 kombinerat med variationen i 13C kan man uppskatta hur stor del av förändringen i CO2 koncentration som kommer från naturliga källor Resultatet blir:

Fig. 12 Den cirkulationsberoende förändringen i CO2 koncentration. I huvudsak beroende av temperaturen.

Hur överensstämmer detta med mätningar från Mauna Loa? Vi kombinerar den naturliga komponenten i fig. 12 med mätvärden av CO2 från Mauna Load. Resultatet blir:

Fig. 13 Ökningen i CO2 från naturliga källor tillsammans med mätningar från Mauna Loa. Den nedre bilden visar förändring i ¹³C beroende av cirkulatioskomponenten (temperatur).

Vi ser att den mänskliga komponenten utgående från ¹³C är försvinnande liten och att atmosfärens CO2 koncentration helt domineras ov de stora naturliga CO2 källorna d.v.s. havet och markytan.

Varför är det viktigt att känna till hur CO2 halten beror av olika källor

Sedan slutet av 1980-talet då IPCC grundades för att studera hur människan påverkar klimatet. Observera att IPCCs uppgift inte var att först undersöka om människan påverkar klimatet, man ansåg detta vara självklart eller också var det ett politiskt val.

Den enda betydande faktor för klimatpåverkan från mänskligt håll är halten av den såkallade växthusgasen koldioxid i atmosfären.

• Om man entydigt kan visa att den ökande halten koldioxid i atmosfären leder till en farlig temperaturökning
• Om den ökande halten koldioxid i atmosfären i huvudsak är en följd av mänskliga utsläpp
• Om koldioxidhalten idag är signifikant högre än under tidigare tidsepoker

Vi kan idag se att kopplingen mellan koldioxidhalt och temperatur är mycket svag och eventuellt i praktiken nonexistent.  Detta är lätt att se eftersom koldioxidhalten har stigit kontinuerligt under många år medan samtidigt temperaturen inte har stigit. Om temperaturen är kraftigt beroende av koldioxidhalten bör en uppvärmningsplatå eller långsamt sjunkande temperatur under 15 – 20 år inte vara möjlig, men exakt detta är vad vi ser. Man kan tydligt se att koldioxidhalten med fördröjning följer temperaturen under tidigare tidsepoker. Fördröjningen är av storleksordningen 800 – 1000 år. Är den ökningen av koldioxidhalten vi ser idag delvis en följd av den medeltida värmeperiod som gjorde det möjligt för vikingarna att kolonisera Grönland?

Om kopplingen mellan å ena sidan de mänskliga utsläppen av koldioxid i atmosfären och den observerade koldioxidkoncentrationen är svag och dessutom kopplingen mellan koldioxidhalten och temperaturen är svag så är det självklart att inga av de åtgärder man på politisk väg tagit till för att hindra en temperaturstegring kommer att kunna ge mätbara resultat. Mätbara resultat betyder att den förändring klimatåtgärderna är så små att de helt drunknar i normal variation. Om åtgärderna inte är mätbara så betyder detta automatiskt att alla de hundratals miljarder man satsat på klimatet entydigt är bortkastade. Vore det inte då bättre att satsa pengarna på att bygga infrastruktur i utvecklingsländerna samt på goda rena energisystem i industriländerna. Vindkraft och solkraft är på grund av deras opålitlighet inte goda alternativ.

En god sammanfattning gällande mätning av koldioxidhalten i atmosfären finns här.

Publikation gällande CO2 mätningar