Hur vet vi att senaste tidens koldioxidökning beror på mänsklig aktivitet

Texten i detta inlägg är en översättning från RealClimate och ingår i deras FAQ.

Under senaste 150 åren har koncentrationen av koldioxid (CO₂) stigit från 280 till 380 ppm. Faktumet att detta nästan helt är orsakat av mänskliga aktiviteter är så väl belagt så att man sällan ser det ifrågasatt. Ändå är det helt relevant att fråga hur vi vet detta.

Ett sätt vi vet att ansvaret för CO₂-ökningen faller på mänskliga aktiviteter är att helt enkelt titta på historisk dokumentation av dessa aktiviteter. Sedan den industriella revolutionen har vi bränt fossila bränslen samt avverkat och bränt skogar i ett aldrig tidigare skådat tempo, dessa processer har omvandlat organisk kol till CO₂. Noggrann bokföring av mängden fossilt bränsle som har utvunnits och bränts och hur mycket avskogning som skett visar att vi har producerat betydligt mer CO₂ än vad som nu finns kvar i atmosfären. De ca 500 miljarder ton kol vi producerat är tillräckligt för att höja atmosfärens koncentration av CO₂ till nära 500 ppm. Dessa koncentrationer har inte nåtts på grund av att haven och jordytans biosfär har möjlighet att absorbera en del av den CO₂ vi producerar*. Men det är faktumet att vi producerar CO₂ snabbare än vad haven och biosfären kan ansorbera som förklarar den observerade ökningen.

(Skalan till höger visar årliga utsläppen av CO₂)

Ett annat helt oberoende sätt att veta att bränningen av fossila bränslen och avskogning är orsakerna bakom ökningen av CO₂ under senaste 150 åren är genom mätningarna av kolisotoper. Isotoper är helt enkelt olika atomer med samma kemiska egenskaper (isotop betyder "samma typ") men med olika massor. Kol består av tre olika isotoper, ¹⁴C, ¹³C och ¹²C. ¹²C är den vanligaste. ¹³C utgör ca 1% av alla kolatomer. ¹⁴C är bara ungefär 1 av tusen miljarder kolatomer.

CO₂ producerad från bränning av fossila bränslen och skogsbränning har helt annan isotopsammansättning än CO₂ i atmosfären. Detta då växter har en förkärlek för de lättare isotoperna (¹²C vs. ¹³C); alltså har de lägre ¹³C/¹²C-kvot. Då fossila bränslen ursprungligen kommer från förhistoriska växter har växter och fossila bränslen ungefär samma ¹³C/¹²C-kvot - ungefär 2% lägre än den i atmosfären. Då CO₂ från dessa källor släpps ut och blandas med atmosfären minskar medelkvoten av ¹³C/¹²C i atmosfären.
Isotopgeokemister har utvecklat tidsserier över variationen av i ¹⁴C och ¹³C koncentrationerna i atmosfäriskt CO₂. En metod som används är att mäta ¹³C/¹²C i trädens årsringar och använda detta för att dra slutsatsen för kvoten hos atomsfärens CO₂. Detta fungerar då träd tar upp kol ur atmosfären under fotosyntesen och använder det som organiskt material i ringarna, vilket ger oss en ögonblicksbild av atmosfärens sammansättning vid tidpunkten. Om atmosfärens förhållande mellan ¹³C/¹²C ökar eller minskar så händer samma med ¹³C/¹²C i årsringarna. Det är inte samma sak som att årsringarna har samma isotopiska sammansättning som atmosfären - som påpekats ovan, växter föredrar de lätta isotoperna, men så länge som föredragandet inte förändras mycket så följer årsringarna atmosfärens förändring.

Sekvenser av årsringar sträcker sig tusentals år tillbaka i tiden och har nu blivit analyserade med avseende på ¹³C/¹²C-kvoten. Då åldern för varje ring är känd exakt** kan vi göra en graf över atmosfärens ¹³C/¹²C-kvot över tiden. Vad man finner är att aldrig under de senaste tiotusen åren har ¹³C/¹²C-kvoten varit så låg som i idag. Vidare så börjar kvoten minska dramatiskt just när CO₂ börjar öka runt 1850 AD. Detta är exakt vad vi förväntar oss om ökningen av CO₂ beror på förbränning av fossila bränslen. Vidare, vi kan följa absorptionen av koldioxid i haven genom att mäta ¹³C/¹²C-kvoten i oceanernas ytvatten. Även om denna data inte är lika komplett som de från trädens årsringar (vi har endast gjort dessa mätningar under några årtionden) så observerar vi som förväntat en sänkning av ¹³C/¹²C-kvoten. Mätningar av ¹³C/¹²C på koraller och svampdjur - vars kalciumkarbonatskal återspeglar havets kemi på samma sätt som årsringarna atmosfärens - visar att denna minskning började ungefär samtidigt som i atmosfären, alltså, när mänsklig CO₂-produktion började ta ordentlig fart.

Från SCOPE 29

Förutom data från årsringar finns det även mätningar av ¹³C/¹²C-kvoter för CO₂ fångat i iskärnor. Både årsrings- och iskärnedata visar att den totala förändringen i atmosfärens ¹³C/¹²C sedan 185+ är ungefär 0,15%. Detta kan låta som väldigt lite men är i själva verket mycket stort jämfört med den naturliga variationen. Resultaten visar att hela förändringen under övergången från senaste istiden till dagens klimat för ¹³C/¹²C i atmosfären - en förändring som tog många tusen år - var ungefär 0,03%, eller ungefär en femtedel av vad som har observerats de senaste 150 åren.

Referenser för den som vill veta mer
Real Climate, How much of the recent CO2 increase is due to human activities?
Stuiver, M., Burk, R. L. and Quay, P. D. 1984. ¹²C/¹³C ratios and the transfer of biospheric carbon to the atmosphere. J. Geophys. Res. 89, 1731–1748.
Francey, R.J., Allison, C.E., Etheridge, D.M., Trudinger, C.M., Enting, I.G., Leuenberger, M., Langenfelds, R.L., Michel, E., Steele, L.P., 1999. A 1000-year high precision record of ¹³C in atmospheric CO₂. Tellus 51B, 170–193.
Quay, P.D., B. Tilbrook, C.S. Wong. Oceanic uptake of fossil fuel CO₂: carbon-13 evidence. Science 256 (1992), 74-79

Noter
* Hur mycket de kan förväntas absorbera i framtiden är en intressant och viktig vetenskaplig fråga, diskuterad mer detaljerat i kapitel 3 av IPCC-rapporten. Klart är dock att vår förmåga att producera CO₂ snabbare än hav och biosfär kan absorbera är den grundläggande orsaken till ökningen som vi observerat sedan förindustriell tid.
** Detta vetenskapsområde kallas dendrokronologi