Hur vet vi att våra koldioxidutsläpp har orsakat en global uppvärmning?

Den här kurvan (från NASA) torde vara bekant för våra läsare. Den visar hur den globala genomsnittliga temperaturen vid mark- och havsytan har ändrats sedan 1880.

Den här kurvan (från NOAA)  är kanske också bekant. Den visar hur den totala värmemängden i haven har ökat ned till 700 m djup sedan 1955. Även ned till 2000 m kan man se en ökning. Ökningen är dock störts närmast havsytan.

Det går faktiskt ner mycket mer värme i haven än vad som stannar i atmosfären.

Vad beror denna uppvärmning på?  Den kan knappast bero på intern variabilitet, dvs att värme flyttas omkring inom och mellan atmosfär och hav. Den El Nino som har drivit upp temperaturen det senaste året är ett exempel på intern variabilitet där varmt vatten tillfälligt ligger kvar vid havsytan, men dess påverkan rör sig om något år. El Nino och liknande fenomen kan inte förklara varför atmosfären och haven blir varmare samtidigt.

Så det måste vara något annat. Det finns många faktorer som påverkar klimatet. Så här ser t ex det ut om vi tar ett längre tidsperspektiv (PAGES 2k). Det har gått upp och ned, men mest ned p g a ändringar i jordaxelns lutning och i jordbanan. Variationer i vulkanisk aktivitet och solinstrålning har också påverkat, liksom intern variabilitet.

Men någon gång under 1800- och 1900-talen händer något som bryter mönstret, och vi får plötsligt en snabb uppvärmning!

Den viktigaste drivkraften bakom denna uppvärmning är tillförseln av koldioxid (CO₂) och andra växthusgaser till atmosfären.  Så här har atmosfärens koldioxidhalt ökat sedan slutet av 1950-talet då man började med systematiska mätningar (NOAA).

Vi vet att denna ökning av koldioxidhalten  beror på mänskliga aktiviteter, och då främst förbrukning av fossila bränslen. Våra CO₂-utsläpp är så stora att de räcker gott och väl till att både höja halten i atmosfären och i haven (där CO₂ blir till kolsyra) och tas upp av biosfären.

Att koldioxid är en växthusgas som absorberar infraröd strålning som är på väg att lämna jordytan och skickar tillbaka en del av den har varit känt sedan 1859, så den teorin är årsbarn med evolutionsteorin. Den är också jämngammal med genetiken och teorin för elektriska och magnetiska fält. För att förklara hur växthuseffekten fungerar på molekylnivå krävdes dock kvantmekaniken. Här är en pedagogisk TED-video som förklarar detta på en väldigt grundläggande nivå:

När både koldioxidhalten i atmosfären och temperaturen går upp så är detta alltså ingenting som har förvånat vetenskapssamfundet. Det som händer är precis vad man kan förvänta sig. Det enda som har varit en överraskning är att så mycket CO₂ stannar kvar i atmosfären.  Fram till 1950-talet trodde man nämligen att haven skulle absorbera koldioxidtillskottet. Då upptäcktes att havsvattnets kemi gjorde att mycket av koldioxiden som tas upp av haven snart återvänder till atmosfären.

Idag har vi nya högteknologiska metoder för att studera effekterna av koldioxid, och de bekräftar vad vi redan visste . Så sent som förra året lyckades t ex forskare från Berkeley mäta inkommande infraröd strålning vid två platser i Alaska och Oklahoma, extrahera de delar som borde absorberas av koldioxid, och matcha detta mot uppmätta koldioxidhalter. Resultatet kan ses i den här video: koldioxidens effekt på strålningsbalansen är väldigt tydlig.




Observationer av koldioxidens inverkan på strålningsbalansen har tidigare också gjorts med satelliter, bl a av forskare från Imperial College.

Ett mönster som är typisk för koldioxid och andra växthusgaser är att de har en värmande effekt på atmosfären närmast jordytan (troposfären), men i stället en avkylande effekt högre upp (stratosfären och mesosfären, se också här). Detta kan observeras med hjälps av satelliter. Här är tre temperaturkurvor från Remote Sensing Systems (RSS), baserade på satellitmätningar.

Lägre troposfären

Lägre stratosfären

Övre stratosfären

 När vi går från troposfär till stratosfär så övergår uppvärmningen till en avkylning, och högre upp blir avkylingen ännu tydligare. Kurvan för lägre stratosfären visar visserligen inte bara effekten av mer växthusgaser som CO₂, utan även minskningen* av ozon (O₃) som värms av inkommande ultraviolett strålning. De två tillfälliga topparna är orsakade av vulkanutbrott, som släpper ut partiklar som värms upp av solinstrålningen. För övre stratosfären så är det dock bara växthusgaser som ligger bakom avkylningen. Det här mönstret utgör ett tydligt "fingeravtryck" för att det är växthusgaser som har påverkat temperaturen. Om det i stället hade varit t ex ökad solinstrålning som låg bakom uppvärmningen så borde både troposfären och stratosfären har värmts upp.

Men på tal om solinstrålningen, så är det viktigt att inte stirra sig blind på växthusgaser. Hur kan andra faktorer såsom solinstrålning, vulkaner samt ändringar i jordaxelns lutning och jordbanan ha påverkat temperaturen? Kan dessa ligga bakom en betydande del av uppvärmningen? Det är naturligtvis en fråga som har intresserat klimatforskarna. För den som är intresserad av frågan så gjorde nyligen forskare från NASA en grafisk sammanställning för Bloomberg som väldigt pedagogisk - klicka gärna på länken för att se mer.  Så här ser det ut för naturliga faktorer (vulkaner, solinstrålning, jordaxel och bana - grön kurva) jämfört med observerade temperaturer (svart kurva):

Hade det bara varit för naturliga faktorer så skulle globala temperaturen sedan 1880 bara ha ändrats med någon tiondels grad (uppåt eller nedåt). Det  är bara i slutet av 1800-talet och början av 1900-talet som vi möjligen urskilja ett värmande bidrag (om än blygsamt) från naturliga faktorer.

Så här ser det ut för antropogena faktorer (växthusgaser inlusive CO2, markanvändning, ozon, aerosoler från utsläpp - blå kurva):

De antropogena faktorerna  har alltså dominerat under perioden 1880-2005.

 För den som vill gräva djupare i frågan om hur man kan göra skattningar av olika faktorers påverkan så finns ett helt kapitel i IPCCs senaste rapport att tillgå (stor PDF-fil). Här tittar man på mer än bara globala medeltemperaturen. "Fingeravtryck" för olika faktorer som den avkylning av stratosfären som vi diskuterade här ovan är viktiga för att bena ut de olika faktorernas bidrag.

Vår förståelse av växthuseffekten och av koldioxidens bidrag till den globala uppvärmningen vilar på en solid fysikaliskt grund och har bekräftats av observationer på olika sätt.  Det är helt enkelt en väldigt väl underbyggd förklaring till uppvärmningen. Andra faktorer spelar också in, men förutom den avkylande effekten av aerosoler så har dessa sannolikt inte varit så viktiga under det senaste seklet som helhet. Och även om någon ny överraskande kandidat (som kosmisk strålning) skulle dyka upp så negerar inte det vad vi vet om effekten av koldioxiden. Koldioxiden är och kommer att förbli en nödvändig del av varje vetenskaplig förklaring till den globala uppvärmningen.

*Minskningen av ozon är också skapad av mänskliga aktiviteter, närmare bestämt utsläpp av freoner och andra gaser som bryter ned ozon.