En detaljerad genomgång av klimatkänslighet

Detta inlägg är en översättning från Skeptical Science
______________________________________

Vissa "klimatskeptiker" argumenterar för att jordens klimatkänslighet är så låg att en fördubbling av atmosfärens koldioxidhalt kommer att resultera i en temperaturökning på 1 grad eller mindre, och därför är global uppvärmning inget att oroa sig för. Men dessa uppskattningar är i konflikt med många studier med olika metoder, inkluderande (i) paleoklimatdata, (ii) modern empirisk data, och (iii) allmänt accepterade klimatmodeller.

Klimatkänsligheten beskriver hur känsligt jordens klimat är för en förändring av mängden energi som når jordytan och lägre atmosfären, kallas också för strålningspåverkan (radiative forcing). Till exempel vet vi att om mängden koldioxid (CO₂) i jordatmosfären fördubblas från den förindustriella nivån på 280 miljondelar av volymen (ppmv) till 560 ppmv så kommer detta att leda till en energiobalans genom att fånga mer utgående värmestrålning i atmosfären tillräckligt för att höja jordytans temperatur med ungefär 1,2°C. Men detta tar inte hänsyn till återkopplingar, till exempel smältning av is som gör planeten mindre reflekterande och att varmare atmosfär innehåller mer vattenånga (en annan växthusgas).

Klimatkänsligheten är hur mycket planeten kommer att värmas upp när man tagit hänsyn till de olika återkopplingarna som påverkar det globala klimatet. Den relevanta formeln är:

dT = λ*dF

Där dT är förändringen av jordens medeltemperatur vid jordytan, λ är klimatkänsligheten vanligen i Kelvin eller°C Celsius per Watt per kvadratmeter (°C/[W m^-2]), och dF är strålningspåverkan. (Läs mer om strålningspåverkan från koldioxid på Skeptical Science.)


Klimatkänsligheten är inte speciell för CO₂

En vanlig missuppfattning är att klimatkänsligheten och temperaturförändringen som resultat av ökande CO₂ skiljer sig från känsligheten för annan strålningspåverkan, så som förändring i solinstrålning. Så är det inte. Förändringen av yttemperaturen är proportionell mot känsligheten och strålningspåverkan (i W/m^-2) oberoende av källan till energiobalansen.¹

Med andra ord, om du argumenterar för att jorden har låg klimatkänslighet för CO₂ argumenterar du också för en låg klimatkänslighet för andra faktorer så som solinstrålning, förändringar av jordbanan och vulkanutbrott. Alltså med argumentering för en låg klimatkänslighet blir det svårt att förklara tidigare klimatförändringar. Till exempel, mellan istider och interglaciärer [tiden mellan två istider] förändras planetens medeltemperatur i storleksordningen 6°C (i Antarktis snarare 8-10°C). Om klimatkänsligheten är låg, tex. på grund av ökande mängder låga moln som reflekterar mer solljus som en effekt av global uppvärmning, hur kan då dessa stora tidigare klimatförändringar förklaras?

Bild 1: Antarktisk temperaturförändring under senaste 450 000 åren mätt ur iskärnor

Vad är det möjliga området för klimatkänsligheten?

Den fjärde IPCC-rapporten [2007] sammanfattade klimatkänsligheten² så som

likely to be in the range 2 to 4.5°C with a best estimate of about 3°C, and is very unlikely to be less than 1.5°C. Values substantially higher than 4.5°C cannot be excluded, but agreement of models with observations is not as good for those values.

Individuella studier har kommit fram till en klimatkänslighet för en fördubbling av koldioxidhalten på allt mellan 0,5 och 10°C; men som en konsekvens av mer och bättre data tycks det som de extrema höga och låga värdena är mycket osannolika. Faktiskt, med klimatforskningens utveckling, har uppskattningarna konvergerat kring 3°C. En sammanfattning av nyligen gjorda klimatkänslighetsstudier kan läsas här.

En studie under ledning av av Stefan Rahmstorf drog slutsatsen

many vastly improved models have been developed by a number of climate research centers around the world. Current state-of-the-art climate models span a range of 2.6–4.1°C, most clustering around 3°C" (Rahmstorf 2008)

Flera studier har fastställt den lägre gränsen till ca. 1,5°C, å andra sidan har flera andra funnit att känslighet på mer än 4,5°C inte kan uteslutas.

En studie 2008 ledd av James Hansen fann att klimatkänsligheten till "snabba återkopplingsprocesser" är 3°C, men om man tar hänsyn till långsamma återkopplingar (framför allt minskad albedo på grund av smältande isar) så kommer, om koldioxidnivån är kvar på fördubblad nivå, klimatkänsligheten stiga till 6°C. Detta baserat paleoklimatdata.


Vad är begränsningarna för värdet på klimatkänsligeten?

Paleoklimat
Den huvudsakliga begränsningen för värdet på klimatkänsligheten är att det måste stämma med paleoklimatdata. En för låg känslighet skulle inte stämma med tidigare klimatförändringar - enkelt uttryckt om det finns någon stark negativ återkoppling skulle klimatkänsligheten bli för låg, det skulle ha hindrat planeten från övergångarna mellan istider och interglaciärer till exempel. På motsvarande sätt skulle en stor klimatkänslighet ha skapat fler och större forna klimatförändringar.

En nyligen gjord studie som undersökte Palaeocene–Eocene-tempraturmaximumet [PETM] (för ungefär 55 miljoner år sedan), då planeten värmdes mellan 5-9°C, fann att:

At accepted values for the climate sensitivity to a doubling of the atmospheric CO₂ concentration, this rise in CO₂ can explain only between 1 and 3.5°C of the warming inferred from proxy records" (Zeebe 2009)³

Detta tyder på att klimatkänsligheten kan vara högre än vi idag tror men knappast lägre.

Reaktionen på stora vulkanutbrott i modern tid
Klimatforskare har också försökt uppskatta klimatkänsligheten utifrån resultatet efter reaktionen på stora vulkanutbrott under sista decennierna, så som Pinatubo 1991. Wigley et al. (2005) fann:

Comparisons of observed and modeled coolings after the eruptions of Agung, El Chichón, and Pinatubo give implied climate sensitivities that are consistent with the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) range of 1.5–4.5°C. The cooling associated with Pinatubo appears to require a sensitivity above the IPCC lower bound of 1.5°C, and none of the observed eruption responses rules out a sensitivity above 4.5°C.

Snarlikt fann Forster et al. (2006) följande.

A climate feedback parameter of 2.3 +/- 1.4 W m^-2 K^-1 is found. This corresponds to a 1.0–4.1 K range for the equilibrium warming due to a doubling of carbon dioxide

Andra empiriska observationer
Gregory et al. (2002) använde observerade temperaturförändringar i haven, havsyttemperaturförändringar mätta sedan 1860 och uppskattningar av antropogen och naturlig strålningspåverkan på klimatsystemet för att bestämma dess klimatkänslighet. De fann:

we obtain a 90% confidence interval, whose lower bound (the 5th percentile) is 1.6 K. The median is 6.1 K, above the canonical range of 1.5–4.5 K; the mode is 2.1 K.

Undersökningar av tidigare temperaturprojektioner
År 1988 gjorde NASAs klimatforskare Dr James Hansen en nyskapande studie där han skapade en klimatmodell som beräknade framtida uppvärmning baserad på tre olika CO₂-utsläppsscenarier betecknade A, B och C (Hansen 1988). Nu, efter mer än 20 år kan vi undersöka resultatet av Hansens projektioner.

Hansens modell antog en förhållandevis hög klimatkänslighet på 4.2°C vid en fördubbling av CO₂. Hans scenario B har varit dem mest lika verkligheten, med den verkliga strålningspåverkan ungefär 10% högre än hans utsläppsscenario. Den förutsagda uppvärmningstrenden i detta scenario från 1988 till 2010 var ungefär 0.26°C per årtionde medan den uppmätta ökningen över perioden var ungefär 0,18°C per årtionde, eller ungefär 40% lägre än scenario B.

Därför berättar Hansens modell tillsammans med verkliga observationer att klimatkänsligheten är ungefär 40% under 4,2°C, eller även denna gång, just kring 3°C för en fördubbling av atmosfärens CO₂.

Sannolikhetsmässig uppskattningsanalys
Annan och Hargreaves (2009) undersökte olika sannolikhetsmässiga analyser av klimatkänsligheten, flera av dem tydde på en "oroväckande hög sanolikhet" (mer än 5%) för att känsligheten var högre än 6°C vid en fördubbling av koldioxidnivån. Utifrån en Bayesisk statistisk metod fann de i studien att

the long fat tail that is characteristic of all recent estimates of climate sensitivity simply disappears, with an upper 95% probability limit...easily shown to lie close to 4°C, and certainly well below 6°C.

Annan och Hargraves drog slutsatsen att klimatkänsligheten vid en fördubbling av atmosfärens CO₂ är troligen nära 3°C, den kan vara högre, men troligen inte mycket lägre.

Bild 2: Sannolikhetsfördelning av klimatkänsligheten vid en fördubbling av CO₂-halten i atmosfären

Sammanfattning av dessa resultat

Knutti och Hegerl (2008) presenterar en heltäckande och koncis bild av vår vetenskapliga förståelse av klimatkänsligheten. I sin artikel presenterar de en figur som snyggt sammanfattar hur olika metoder för att bestämma klimatkänsligheten utifrån olika tidsperioder har gett samstämmiga resultat, så som studierna beskrivna ovan visar. Som du kan se är de olika metoderna i huvudsak i överensstämmelse med området 2,5 - 4,5°C, men flera kan inte utesluta högre värden.

Bild 3: Fördelning och område för klimatkänsligheten baserat på olika evidens. Cirkeln anger mest troliga värdet. De tunna färgade linjerna indikerar mycket troliga värden (sannolikhet mer än 90%). De tjockare färgade linjerna indikerar troliga värden (sannolikhet mer än 66%). Streckade linjer indikerar att ingen robust övre gräns finns. IPCCs angivna troliga området (2 till 4,5°C) och mest troliga värdet (3°C) är indikerade med den vertikala grå kolumnen respektive svarta linjen.

Vad betyder allt detta?

Enligt en nyligen publicerad MIT-studie är vi på väg att nå dubbleringen av koldioxidhalten under mitten till slutet av detta sekel.

Bild 4: Prognos decenniemedel för CO₂ koncentrationen. Röda heldragna linjer är medianen, 5% och 95% för MIT studien, de streckade blå linjerna är samma för 2003 års MIT prognos.

Så om vi inte ändrar kurs kan vi förvänta oss en snabb uppvärmnng under 21e århundradet. De flesta klimatforskare anser att en 2-gradig ökning är "riskgränsen". Bild 5 visar temperaturökningen för en given CO₂-nivå. Det grå området indikerar det troliga området på 2 till 4,5°C för klimatkänsligheten.

Bild 5: Sambandet mellan CO₂-koncentration i atmosfären, viktiga konsekvenser och ökning av jämnviktstemperaturen. Den mest roliga temperaturökningen 3°C (svart linje). Det troliga området (mörkgrått) för klimatkänsligheten på 2-4,5°C. Utvalda nyckelkonsekvenser (några efter en viss tid) för flera sektorer och olika temperaturer visas i den övre delen av figuren.

Om vi klarar av att stabilisera CO₂-nivån på 450 ppmv (koncentrationen 2010 är ungefär 390 ppmv), har vi, enligt den bästa uppskattningen, mindre än 50% chans att nå 2-gradersmålet. De viktigaste konsekvenserna vid 2°C uppvärmning ses högst upp i bild 5. Den snäva gränsen för lägsta klimatkänsligheten visar att vi ser in i mynningen på rejäl uppvärmning under kommande årtionden.

Som forskarna bakom RealClimate beskriver det

Global warming of 2°C would leave the Earth warmer than it has been in millions of years, a disruption of climate conditions that have been stable for longer than the history of human agriculture. Given the drought that already afflicts Australia, the crumbling of the sea ice in the Arctic, and the increasing storm damage after only 0.8°C of warming so far, calling 2°C a danger limit seems to us pretty cavalier.

_____________
Översättarens anmärkningar
1) Ofta anger man klimatkänslighet inte som λ utan som motsvarande temperaturhöjning vid fördubblad koldioxidhalt. Strålningspåverkan från koldioxid är välbestämd och en fördubbling av CO₂-halten motsvarar 3,7 W/m². Alltså 3°C vid fördubbling motsvarar λ=0,81.
2) Detta påstående är inte helt korrekt. Det gäller för väl fördelade stråliningspåverkningar så som koldioxid, solinstrålning ody. Påverkningar som är ojämnt fördelade eller som interagerar tex. kemiskt med återkopplingar kan ha förstärkt eller försvagad effekt jämfört med koldioxid. Detta benämns "efficacy" och är en faktor mellan 0,5 och 2 jämfört med koldioxid. Se IPCC AR4 kap 2, s. 197-. (Tack till Prof. Christian Azar för påpekandet.)
3) RealClimate har en intressant diskussion kring denna artikel.