Om istider, klimatförändringar och återkopplingar

Ju mer man lär mig om klimatvetenskap desto mer fascinerande framstår området - det är i alla fall min erfarenhet. Till det allra mest spännande hör paleoklimatologin, dvs läran om klimatet under tidigare skeden av jordens historia. Tänka sig att så sent som för 14 000 år sedan var så gott som hela Sverige täckt av en mestadels kilometertjock inlandsis!

Förutom att vara intressant av egen kraft - det vill säga utan någon nyttoaspekt i åtanke - visar det sig att paleoklimatologin har mycket att tillföra i diskussionen kring den nutida globala uppvärmningen och dess orsaker. Avsikten med denna bloggpost är att gå igenom några av paleoklimatologins mest intressanta resultat. Längs vägen skall jag passa på att diskutera tre av de invändningar mot teorin om antropogen global uppvärmning som oftast dyker upp i media och bloggosfär:

Invändning I. (nybörjarnivå)
Istider kom och gick långt innan vi hade bilar eller kolkraftverk, vilka alltså knappast kan ha något med klimatförändringar att göra.

Invändning II. (fortsättningsnivå)
I sin film An Inconvenient Truth gör Al Gore stor sak av ett diagram över hur koldioxidhalt och temperatur följs åt genom gångna istidscykler, vilket han anför som stöd för idén att höjd koldioxidhalt leder till uppvärmning. Men detta är ju rent båg, ty kikar man närmare på diagrammet så ser man att det är temperaturen som initierar övergångarna mellan kallt och varmt klimat och koldioxiden som följer efter. Gore gör alltså en elementär sammanblandning mellan orsak och verkan.

Invändning III. (avancerad nivå)
Den direkta värmande effekten av våra växthusgasutsläpp är inte särskilt omfattande. Anledningen till att uppvärmningen under kommande århundrade blir så kraftig i de scenarier som IPCC och andra företrädare för klimatvetenskapens mittfåra målar upp är att kraftiga positiva återkopplingar tämligen godtyckligt har stipulerats. Men återkopplingarna kan lika gärna bli mycket mindre eller kanske rentav summera sig till ett negativt värde, och i så fall blir det inte mycket kvar av den förutspådda uppvärmningen.

1. Istiderna

Spencer Weart (författare till den lysande boken The Discovery of Global Warming) berättar:

Påståendet lät helt otroligt, men evidensen talade sitt tydliga språk. Den nedskrapade berggrunden, de egendomligt placerade flyttblocken och de bisarra grusavlagringarna som stod att finna överallt i norra Europa och norra USA - alla såg de ut precis som spåren efter glaciärer, bara mycket, mycket större. Mot senare delen av 1800-talet hade forskarna, efter heta diskussioner, kommit att börja enas om det otroliga. För länge sedan (om än ganska nyss på en geologisk tidsskala, och stenåldersmänniskor hade faktiskt varit med) hade regionerna i norr legat begravda under flera kilometer tjocka kontinentala istäcken. Istiden vittnade om enorma klimatförändringar.

Inte långt senare började man till råga på allt inse att inte bara en utan en hel serie istider ägt rum, i något som liknar ett cykliskt förlopp. Att förklara detta spektakulära fenomen måste naturligtvis stå högt på agendan för varje klimatvetenskap värd namnet.

2. Istidernas orsaker

Weart fortsätter sin historik över studiet av istidscykler med att nämna några av de teorier som fördes fram över vilka mekanismer som kan ha satt igång respektive avslutat istiderna. Bland annat spekulerades om ifall solen kan ha varierat i styrka, eller om stora geologiska händelser kunde ha ändrat på mönstret av havsströmmar. Ingen av teorierna kunde dock erbjuda tillstymmelse till förklaring av den cyklicitet som istiderna tycktes uppvisa. Utom en, nämligen den som utvecklades först av James Croll (1821-1890) och vidare av Milutin Milankovitch (1879-1958), och som handlade om långsamma variationer i hur jorden rör sig kring solen.

De flesta av oss har väl lärt oss i småskolan att jorden rör sig i cirkelbana runt solen, och senare (t.ex. i gymnasiet) att cirkelbanan blott är en approximation av en bana som i själva verket är elliptisk. Även ellipsen är emellertid en approximation, som den verkliga jordbanan avviker ifrån till följd av att även andra himlakroppar än solen utövar gravitationell påverkan på jorden. Dels har vi månen: jorden och månen wobblar tillsammans kring deras gemensamma tyngdpunkt, även om denna (på grund av att jorden väger så mycket mer än månen) ligger drygt 170 mil under jordytan. Därtill påverkas jordbanan av övriga planeter, framför allt Venus (i kraft av av dess relativa närhet) och Jupiter (i kraft av dess storlek).

Det hela kan förefalla omåttligt komplicerat, men vad Croll och senare Milankovitch insåg var att systemet likväl medger analys och att ett antal långsamma periodiska förändringar i jordens rörelse kan identifieras. De tre främsta av dessa periodiciteter rör jordbanans ellipticitet, jordaxelns lutning i förhållande till jordbanans plan, och jordaxelns orientering i förhållande till "fixstjärnesfären". Den första av dessa har en huvudsaklig periodicitet om 413 000 år (men med ett par ytterligare svängningskomponenter i storleksordningen 100 000 år), medan de båda andra varierar i perioder om cirka 41 000 respektive 26 000 år.


Dessa periodiciteter har kommit att gå under benämningen Milankovitchcykler. Vad som gör dem extra spännande är att studier av istidsdata tyder på en stark samvariation mellan istidssvängningar och Milankovitchcykler. Croll var först med att föreslå ett sådant samband, baserat på att den infallande solstrålningen på jorden varierade med Milankovitchcyklernas ändringar i jordbanan, vilka därmed skulle kunna ge upphov till klimatförändringar.

Croll hade emellertid svårt att övertyga sina samtida kollegor. Det var först sedan metoderna för datering av istidscykler förbättrats, i kombination med att Milankovitch under 1920- och 1930-talet förbättrat de celest-mekaniska¹ beräkningar som ligger till grund för teorin, som den vann större genomslag. Dess stöd i vetenskapssamhället kom dock att gå lite upp och ned i takt med nya empiriska fynd, men från och med 1970-talet har vi haft tillgång till datamängder som visar på ett så bestickande samband mellan Milankovitchcykler och istidscykler att de knappast kan förklaras bort. Numera innehar därför Milankovitchteorin för istidscyklerna en totalt dominerande ställning i paleoklimatologin. För en närmare redogörelse för det vetenskapshistoriska förloppet vill jag åter hänvisa till Spencer Wearts läsvärda historik.

Sammanfattningsvis kan sägas att vi idag känner oss i stort sett säkra på vad som triggade övergångarna från istider till interglacialer² och vice versa, nämligen variationer i inkommande solstrålning. Ytligt sett kan detta resultat se ut att ge extra näring åt det jag ovan kallar Invändning I: att klimatförändringar måste ha haft - och därför fortfarande ha - andra orsaker än antropogena. Första halvan i denna tankegång är givetvis riktig. Den andra halvan är däremot en non sequitur³ - vi kan inte automatiskt dra slutsatsen att de faktorer som i det förflutna triggat klimatförändringar också måste ligga till grund för 1900-talets temperaturuppgång.^4,5

3. Istiderna och koldioxiden

I sin film An Inconvenient Truth argumenterar Al Gore för koldioxidens framträdande roll som bov i dramat kring den globala uppvärmningen genom att jämföra två tidsserier: den ena om hur medeltemperaturen gått upp och ned under de senaste istidscyklerna, och den andra om hur atmosfärens koldioxidhalt varierat under samma tidsperiod. Liknande diagram jämförs på samma vis på många håll i såväl den vetenskapliga som den populärvetenskapliga litteraturen om klimatet. Men låt oss, i enlighet med den klimatskeptiska traditionen att närhelst det är möjligt utse just Al Gore till syndabock, fokusera på just honom.

Om vi accepterar de Milankovitchteorier om klimatet som jag redogjorde för i föregående avsnitt så var det inte koldioxiden utan astronomiska faktorer som satte igång istidscyklernas klimatförändringar. Därmed förefaller Al Gores påstående om koldioxiden som boven i dramat vara helt på tok. Saken blir knappast bättre av att om man skärskådar temperatur- och koldioxidgraferna mer i detalj, så är det temperaturen som går igång först, och koldioxiden som följer efter - inte tvärtom. Därmed ser det ut som om Al Gore fått orsakssambandet fullständigt om bakfoten: det är temperaturökningen som får koldioxidhalten att stiga och inte vice versa. Det är detta som är Invändning II ovan - ett av de allra vanligaste argumenten i hela klimatskeptikerbranschen.⁶

Detta till trots hävdar jag (samstämmigt med mainstreamfåran av klimatforskare) att de av Al Gore åberopade graferna faktiskt stödjer teorin om koldioxidens värmande roll i klimatsystemet. Låt mig förklara.

Vad gäller orsakssamband mellan koldioxidhalt och temperatur finns mekanismer i båda riktningarna. Att koldioxiden via växthuseffekten har en uppvärmande effekt torde ingen som följer klimatdiskussionen ha missat vid det här laget. Omvänt leder en ökad uppvärmning till att även haven blir varmare, något som minskar deras förmåga att binda koldioxid, vilket i sin tur tenderar att öka atmosfärens koldioxidinnehåll. Båda dessa mekanismer bygger på grundläggande fysik som vi sedan länge haft solid kunskap om alldeles oberoende av några klimathistoriska data.

Vad som händer i övergången från istid till interglacial är att en Milankovitchrelaterad ökning i infallande solstrålning kickar igång en liten uppvärmning, vilket leder till ökad koldioxidhalt, vilket leder till ytterligare uppvärmning, och så vidare i en fortsatt spiral tills den så småningom ebbar ut.⁷ När sedan interglacialen övergår till istid ser vi spiralen gå i motsatt riktning, igångsatt denna gång av en minskning i infallande solstrålning, vilket ger en nedkylning, som ökar havets koldioxidabsorbtion och därmed minskad atmosfärisk koldioxishalt, vilket i sin tur ger minskad växthuseffekt och ytterligare nedkylning, och så vidare.

Och här kommer själva klon. De förändringar i solinstrålning som jordbanans variationer ger upphov till räcker inte för att i sig förklara klimatförändringar av den storlek som istidscyklerna uppvisar. Temperaturens upp- och nedgångar är så stora att någon eller några faktorer måste ha spelat med som förstärkningsmekanism, och de tidsserier Al Gore visar i sin film pekar tydligt i riktning mot att koldioxiden spelar denna roll. I själva verket är det endast med beaktande av koldioxidens roll som klimatvetenskapen av idag förmår ge en tillfredsställande förklaring till hur amplituden i istidscyklernas temperatursvängningar kunnat bli så stor.

Dessa subtiliteter förklarade inte Al Gore i sin film, och visst kan man kritisera honom för det. Emellertid bör man då ha i åtanke att populärvetenskap är svårt, och innebär en ständig balansgång: å ena sidan bör man inte bli så teknisk och detaljerad att man tappar sin publik, och å andra sidan gäller det att inte förenkla så till den grad att det hela blir vilseledande. Men som påpekas i en läsvärd bloggpost på RealClimate, så hade, i motsats till vad Gores kritiker hävdar, en mer detaljerad redovisning från Gores sida av samspelet mellan temperatur och koldioxid snarast givit starkare stöd för hans huvudtes om faran i fortsatt ohämmade växthusgasutsläpp. Detta hoppas jag kommer att framgå av följande avslutande avsnitt.

4. Återkopplingar

Det samspel mellan temperatur och koldioxid jag diskuterade i förra avsnittet är ett exempel på vad som kallas för återkoppling: förändringen i en kvantitet A påverkar en annan kvantitet B, som i sin tur återverkar på A. Om återverkan går i samma riktning som den ursprungliga förändringen talar vi om positiv återkoppling; om den istället går i motsatt riktning talar vi om negativ återkoppling. Eftersom ökad temperatur leder till ökad koldioxidhalt som i sin tur ökar temperaturen faller alltså samspelet dessa två kvantiteter inom kategorin positiv återkoppling.

I klimatsystemet finns en mängd olika återkopplingsmekanismer av betydelse för klimatförändringar. En återkoppling som redan Milankovitch beaktade har med inlandsisarna att göra: när det blir kallare ökar isarnas utbredning, och eftersom is reflekterar tillbaka en större del av det inkommande solljuset tillbaka ut i rymden (jämfört med barmark) bidrar den ökade isutbredningen till att det blir ännu kallare - alltså en positiv återkoppling. På samma sätt förhåller det sig med snö och med havsis. En annan positiv återkoppling är hur uppvärmning kan få den tinande sibiriska tundran att släppa ifrån sig metan och andra växthusgaser vilket förstärker uppvärmningen. Den möjligen allra mest betydelsefulla positiva återkopplingen har med vattenånga att göra: varmare luft har större förmåga än kallare att hålla vattenånga, och eftersom vattenånga är en växthusgas leder det till ökad uppvärmning. Därtill har vi effekten av moln (som inte skall förväxlas med vattenånga) vilka kan både reflektera solstrålning och stänga in värme. Molnbildning är den mest svårmodellerade av de stora återkopplingsmekanismerna, och kan fungera antingen som positiv eller negativ återkoppling beroende på molnens höjd och andra karaktäristika.

Summan av alla dessa återkopplingar är av enorm betydelse för vad fortsatta antropogena växthusgasutsläpp kan väntas leda till. De utgör också den största källan till osäkerhet. Växthuseffekten i sig kan vi kvantifiera med god precision, så när vi t.ex. i den fjärde IPCC-rapporten läser att koldioxidens klimatkänslighet (definierad som den temperaturuppgång en fördubblad koldioxidhalt i atmosfären leder till) uppskattas till mellan 2 och 4,5 °C, så kommer det breda osäkerhetsintervallet mestadels från bristande precision i vår förståelse för återkopplingseffekterna.

Detta har klimatskeptiker snappat upp, och lägger numera stor energi på att attackera och söka förvanska det klimatvetenskapliga kunskapsläget om just återkopplingar.⁸ Så t.ex. kan det, i en debattartikel undertecknad av tio företrädare för Stockholmsinitiativet, heta att klimatmodellerna "är konstruerade så att måttligt förhöjda halter av koldioxid i atmosfären ger upphov till en avsevärd uppvärmning", med tydlig antydan om att återkopplingarnas styrka i modellerna är gripna ur luften eller rentav valda i syfte att ge alarmerande framtidsscenarier - det jag kallar Invändning III ovan. Någon egentlig underbyggnad för denna allvarliga anklagelse mot klimatvetenskapen ges emellertid inte, vare sig av Stockholmsinitiativet eller någon annan.

I själva verket är det så att vetenskapen arbetat sig fram till den av IPCC redovisade uppfattningen om återkopplingarnas styrka och koldioxidens klimatkänslighet längs flera parallella spår, vilka sammantagna gör det evidentiella stödet för att klimatkänsligheten ligger i eller i närheten av det angivna intervallet 2 till 4,5 °C starkt. För en pedagogisk framställning av vari detta evidentiella stöd består vill jag varmt rekommendera ett bokkapitel av klimatforskaren Stefan Rahmstorf med rubriken Anthropogenic Climate Change: Revisiting the Facts. En annan bra källa i sammanhanget är Kapitel 9 (se speciellt Avsnitt 9.6) i IPCC:s Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Här vill jag kort nämna tre av dessa spår, varav det tredje bygger på de istidscykler jag diskuterat ovan.

Ett sätt - det kanske mest självklara - att tackla frågan om återkopplingar är att analysera fysiken i varje återkopplingsmekanism för sig, för att utröna deras styrka. Därefter utreder man, med hjälp av datormodeller eller på annat vis, vad de olika återkopplingsmekansimerna summerar sig till.

Ett annat sätt bygger på att studera temperaturutveckingen under t.ex. det gångna århundradet. Vi kan med hygglig noggrannhet uppskatta hur mycket den direkta växthuseffekten av koldioxidökningen påverkat jordens strålningsbalans. Detta kompletterar vi med motsvarande uppskattningar för andra klimatdrivande faktorer, som varierande solstrålning och antropogena aerosolutsläpp, och summerar alla de olika effekterna. (På sidan 16 i den senaste Summary for Policymakers av IPCC:s arbetsgrupp 1 finns en bra bild som sammanfattar uppskattningarna. Speciellt aerosolerna, vilkas största klimatdrivande bidrag består i att reflektera solstrålning vilket har en nedkylande effekt, ger upphov till betydande osäkerhet i kalkylen.) Därefter beräknar vi, med hänsyn taget till klimatsystemets inneboende tröghet (all uppvärmning kommer inte genast som respons på en förändrad strålningsbalans), hur stor temperaturhöjning dessa faktorer borde ha lett till utan återkopplingseffekter, och jämför med den faktiskt observerad temperaturhöjningen.⁹ Kvoten mellan den observerade temperaturhöjningen och den teoretiskt beräknade ger en uppfattning om hur starka återkopplingar vi har i klimatsystemet; om kvoten är större än 1 pekar det på att vi totalt sett har en positiv återkoppling, medan en kvot mindre än 1 pekar på negativ återkoppling.

Detta sätt att skatta den totala återkopplingen bygger (liksom nästa) på den viktiga insikten att varje återkoppling som inbegriper temperaturen fungerar på samma sätt oavsett vad som kickade igång den ursprungliga temperaturökningen.

Det tredje metoden för att skatta återkopplingarnas styrka bygger på istidsdata. Som jag förklarat ovan är de av Milankovitchcyklerna orsakade solinstrålningsvariationerna otillräckliga för att ensamma förklara den kraftiga amplituden i istidscyklernas temperaturvariationer. Detta tyder starkt på förekomsten av positiv återkoppling. Med en mer förfinad kvantitativ analys kan man uppskatta storleken på återkopplingen och därmed också koldioxidens klimatkänslighet.¹⁰ Liksom andra skattningsmetoder tenderar detta att ge resultat i linje med IPCC:s trolighetsintervall om 2 till 4,5 °C.

Alla sätt att skatta klimatkänsligheten har sina specifika felkällor. Vad gäller de istidsdatabaserade skattningarna så ligger naturligtvis en svårighet i att klimatkänsligheten inte behöver vara konstant utan kan variera med klimatförhållandena, vilka under de gångna istidscyklerna uppenbarligen skiljde sig markant från dem vi har idag. När jag vid ett seminarium i våras frågade klimatskeptikernas stora idol Roy Spencer om hur han fick ihop sina idéer om extremt låga värden på klimatkänsligheten med dessa paleoklimatologiska studier valde han att avfärda frågan med något om att han "är intresserad av egenskaper inte hos forna tiders klimatsystem utan hos dagens". Här tycker jag att han gjorde saken lite väl enkel för sig. Den som tror att det värde på klimatkänsligheten som dominerat i hundratusentals år nu plötsligt ersatts av ett helt annat och mycket lägre har en stor bevisbörda att bära, och behöver åtminstone försöka skaka fram en trovärdig hypotes om mekanismen bakom en sådan förändring.

Avslutningsvis vill jag nämna att olika återkopplingsmekanismer går olika snabbt, alltifrån den mycket snabba vattenångan till inlandsisarna som kan ta tusentals år på sig att smälta och ge fullt utslag på planetens albedo. Hansen et al (2008) lyfter i en läsvärd artikel fram paleokimatologisk evidens för att att de gängse skattningarna av klimatkänsligheten kanske bara är riktiga om endast de relativt snabba återkopplingarna beaktas, medan det i de riktigt långa tidsperspektiv i vilka t.ex. Grönlands istäcke hinner smälta bort kan vara riktigare att räkna med en klimatkänslighet om cirka 6 °C.

Fotnoter

1) Celest mekanik är läran om himlakroppars rörelser.

2) Interglacial är benämningen på perioden mellan två istider.

3) Den latinska frasen non sequitur betyder bokstavligen "följer ej", och används som beteckning på felaktiga slutledningar.

4) Invändning I kan förefalla så fåraktig att ingen vettig människa rimligtvis kan anföra den och att det därför är onödigt att ta upp den. Och mycket riktigt är det nästan uteslutande de rena noviserna bland klimatbloggare som tar upp den. Men även en storsäljande författare som Michael R. LeGault dristar sig att använda argumentet i sin bok Think. Ironiskt nog är LeGaults huvudbudskap i boken en allmän maning till sina landsmän om ökad intellektuell stringens. Se gärna min recension av boken.

5) Ett användbart sätt att identifiera en non sequitur är att tillämpa samma resonemang på något fall där det mer uppenbart leder fel. Här kan vi t.ex. konstatera att det plötsliga försvinnandet av skog från kvadratkilometerstora landytor före människans tid uteslutande orsakades av stormar och andra icke-antropogena faktorer, och dra (den felaktiga) slutsatsen att inte heller dagens kalhyggen kan ha något med mänsklig aktivitet att göra.

6) Se t.ex. den Expressen-artikel som tre företrädare för Stockholmsinitiativet publicerade 2008, där det heter att "'den globala uppvärmningen' är ett resultat av att man i [förenklade datormodeller] förutsätter att temperaturen ska följa den atmosfäriska koldioxidhalten trots att alla tillgängliga observationer visar att det förhåller sig precis tvärtom: koldioxiden följer temperaturen". Se vidare mitt bemötande i Folkvett senare samma år.

7) Varför ebbar spiralen ut istället för att fortsätta mot allt högre höjder så att klimatet bokstavligen går åt helvete? Detta förklaras i våra tidigare bloggposter Vågar du åka bil? och Ingen Venus att vänta.

8) Att resonera med klimatskeptiker kan ofta kännas som att prata med en vägg, men faktum är att jag tycker mig skönja en tendens till framsteg i deras retorik under de senaste ett till två åren. Det har blivit allt ovanligare att de tar avstånd ifrån att ökad koldioxidhalt ger upphov till ökad växthuseffekt, eller ifrån att det gångna århundradets ökning av atmosfärens koldioxidhalt har antropogena orsaker. Sedan de till slut funnit det ohållbart att försvara sådana avståndstaganden har de alltmer gått över till att istället ifrågasätta den gängse vetenskapliga synen på återkopplingar, vilket är något rimligare eftersom återkopplingar är ett område där vetenskapen alltjämt dras med stora osäkerheter.

9) Om man i denna uträkning bortser från såväl andra klimatdrivande faktorer än koldioxid som klimatsystemets tröghet landar man i vad vi kan kalla Gösta Walins kalkyl, vilken jag behandlat i en tidigare bloggpost. Walins kalkyl ger ett grovt vilseledande värde på koldioxidens klimatkänslighet och är (just därför) mycket populär i Stockholmsinitiativskretsar.

10) Om man räknar direkt på insolationsförändringen medelvärdesbildad över hela jordytan, vilken har ett mycket litet värde, får man emellertid orimligt höga värden på återkoppling och klimatkänslighet. Vad som kickar igång en övergång mellan istid och interglacial är egentligen inte så mycket den totala insolationen som en (avsevärt större) omfördelning mellan södra och norra halvklotet. Beräkningarna kräver i själva verket sofistikerade statistiska metoder som det skulle föra alltför långt att gå in på här. Se t.ex. Lorius et al (1990), Hoffert och Covey (1992), Masson-Delmotte et al (2006) och Hansen et al (2008).

Bilder:
Is och Milankovitchcykler båda Wikipedia commons.
Från Gores film.