Temperaturen stiger medan luftfuktigheten minskar – eller?

Gästinlägg av professor Mats Almgren

Det brukar hävdas att i förvillarkretsar att det enda man vet om en effekt av en höjning av koldioxidhalten är att en dubbling av den skulle ge en temperaturökning med ungefär 1,2 grader. Detta är den direkta effekten, vilken inte brukar förnekas. Men att det därutöver skulle finnas återkopplingar som förstärker temperaturhöjningen till någonstans mellan 1,5 och 4 grader, är något som ivrigt bestrids. Det är speciellt återkopplingen från vattenånga vid en ökning av temperaturen som anses vara ett påfund av alarmister, helt utan verklighetsförankring. Ibland sägs det t.o.m. att luftfuktigheten har gått ner när temperaturen ökat. Ett exempel på detta sågs nyligen i ett inlägg på Stockholms initiativets blogg, där den mångkunnige, men ofta något selektive, signaturen tty skrev följande:

Flera av antaganden som ”förstärkningsteorin” bygger på kan förresten lätt motbevisas. Så brukar man t ex ofta utgå från att den relativa fuktigheten ska förbli konstant vid stigande temperatur. Så fungerar klimatet dock inte i verkligheten: Titta på denna vädermodell, skulle relativa fuktigheten vara temperaturoberoende borde färgen i medeltal vara densamma från pol till ekvator: https://earth.nullschool.net/#current/wind/surface/level/overlay=relative_humidity/orthographic=-58.28,89.70,296/loc=23.251,5.758

Jag måste erkänna att jag inte förstår hur ty menar att denna bild av globen skall läsas. Den relativa fuktigheten är kodad i färger, men hur förklaras inte. Och hur menar tty att man ska bedöma ”medeltalet” av färgerna? Ska man inte också försöka bilda sig en uppfattning om medelvärdet över året? Det blir lite svårt. Det intryck jag fick, när jag tittade, var att relativa fuktigheten var relativt jämn över hav, men varierade och var mestadels relativt låg över land. Så denna glob gav föga upplysning. 

Jag sökte då istället på nätet och fann bl.a. följande:

Den bilden visar hur specifika fuktigheten nära ytan varierade över klotet år 2013, som avvikelse från medelvärdena under 1981-2010. Man kan se att det förmodligen totalt var något våtare under 2013 än under jämförelseperioden, men att det över land på många håll var torrare. Detta visas klarare i följande figur, från samma källa, som visar hur relativa fuktigheten över land (åter nära ytan) varierar med tiden. Här ser man en klar minskning mot slutet, när temperaturen har stigit. Kanske det är sådana resultat som förvillat förvillarna?

Men observera att detta gäller fuktigheten strax över jordytan. Det finns en hel atmosfär ovanför detta skikt. Att relativa fuktigheten nära marken kan minska när ytan värms upp kan åtminstone delvis förklaras av att fukten till största delen kommer in över land från hav, och över hav ändras fuktigheten med vattenytans temperatur. När nu landytan värms snabbare än havet, och fukthalten följer havstemperaturen, så blir det en minskning av den relativa fuktigheten över land.

Hur är det då i resten av atmosfären? Det vi behöver ha reda på är hur den totala mängden vattenånga har varierat. Det som brukar hävdas av meteorologer (t.ex. av Lennart Bengtsson) är att fuktigheten ökar med ca 7% för en grads temperaturhöjning. Det är den ökning av vattenångans jämviktstryck som följer av Clausius-Clapeyrons ekvation vid nuvarande medeltemperaturer. Det innebär då att relativa fuktigheten i medeltal över hela atmosfären skulle hålla sig ungefär konstant. Arrhenius antog i sina beräkningar i slutet på 1800-talet att så var fallet, som en medveten första approximation. I nutidens avancerade klimatmodeller görs inga sådana antaganden, men att det är så följer ur resultaten. Klimatmodellerna är dock inte att lita på i allt, och det borde gå att finna mätdata som belyser saken.

Jag har dock inte lyckats hitta några lättillgängliga dataserier eller grafer över sådana mätresultat. Så jag valde därför att titta på vad reanalysprodukterna säger. Som jag framhöll i en tidigare post, så är styrkan med dessa just att man kan få ut den information man behöver (om man vet hur man ska hantera dem). Lyckligtvis finns en site http://cci-reanalyzer.org/Reanalysis_monthly/tseries.php där man kan få ut tidsserier av bl.a. ”precipitable water” som är allt vatten i gasform som finns i en kolumn från jordytan och upp till stratosfären. Man kan välja mellan en rad olika reanalysprodukter.

I figuren har jag valt precipitable water från medelvärdena av fyra tredje generationens reanalysprodukter under tiden 1979-2012. Man kan alternativt titta på resultaten av de enskilda produkterna. De skiljer sig åt ganska mycket, men samtliga ger en ökande trend.

Det är ju helt klart att mängden vattenånga i atmosfären har ökat, med ungefär 4,3 % från 1980 till 2010. Under samma tid har temperaturen alldeles över ytan, enligt samma samling av reanalysprodukter, ökat med ungefär 0,42 grader. Det skulle betyda att vattenångan ökat med ca 10% per grad, vilket då är något mer än vad Clausius-Clapeyrons lag förutspår för jämviktstrycket. Men man kan nog inte vänta sig någon god numerisk överensstämmelse. Både temperaturer och värdena på precipitable water varierar mycket mellan de olika reanalyserna.

Slutsatsen är emellertid att mängden vattenånga i atmosfären har ökat med temperaturökningen, så som man har all anledning att förvänta sig, och att återkopplingen från vattenångan då också är en realitet. Det finns andra återkopplingar, och andra forcings, som är betydligt mer osäkra.

Om klimatkänslighet och återkopplingar

En liten principiell diskussion kring klimatkänslighet och återkopplingar. (För mer om begreppet klimatkänslighet se tidigare inlägg.)

Jordens temperatur bestäms av balansen mellan absorberad strålning från Solen och utstrålad värmestrålning mot rymden från atmosfärens övre skikt. (Se mer här.) Utan återkopplingar skulle strålningsbalansen ändras med 3,3 W/m²/K på grund av ökningen av svartkroppsstrålning¹. Alltså en höjning av jordens temperatur med 1 grad skulle kräva 3,3 W/m² ökad absorberad instrålning, 3,3W/m² mindre utstrålning, eller en kombination av båda.  Något som betecknas som en påverkan (eng. forcing) på 3,3 W/m². Se nedanstående diagram:

Den röda linjen visar hur nettot av instrålning och utstrålning ändras vid en förändring av jordytans temperatur utan återkopplingar. Den nya temperaturen uppnås då påverkan F balanseras av den ökade utstrålningen λ_pΔT där λ_p=-3,3 W/m²/K. I diagrammet är F=3,7 W/m² motsvarande en fördubbling av koloxidhalten.

Vattenånga i atmosfären fungerar dock som en positiv återkoppling. Alltså den förstärker temperaturförändringar då dess växthuseffekt beror på temperaturen. Vi kan lägga in denna återkoppling i diagrammet enligt nedan²:

Då vattenångans återkoppling är positiv (λ_v>0) ser vi att samma påverkan, F, nu resulterar i en större temperaturförändring.

En annan väl känd men svagare positiv återkoppling är albedoförändringen. Minskad is och snö gör att mer solstrålning absorberas. Vi kan även lägga in denna i diagrammet:

Den förhållandevis lilla positiva återkopplingen ger en ytterligare tydlig höjning av temperaturen. Vi kan notera att temperaturförändringen av samverkande positiva återkopplingar blir förstärkt. Ju närmare horisontell linjen som beskriver nettot i förhållande till temperaturen är desto känsligare är jordens temperatur för påverkan. Detta kan beskrivas med nedanstående diagram:

Notera att λ är summan av återkopplingar exklusive λ_p

Diagrammet visar temperaturökningen vid en fördubbling av koldioxidhalten för olika styrka på totala återkopplingen exklusive λ_p. (λ=0 motsvarar resultatet av påverkan F i första diagrammet ovan.) Vi kan notera att:

• När återkopplingarnas styrka går mot λ_p så går klimatkänsligheten mot oändligheten.
• Samma osäkerhet i återkopplingarnas styrka ger större osäkerhet för den övre gränsen för temperaturhöjningen än för den lägre. Speciellt då osäkerheten är kring en positiv återkoppling (λ>0). I detta fall är alltså inte osäkerheter vår vän.

Vidare finns det skäl att vara försiktig med att hoppas på okända/underskattade negativa återkopplingar som leder till en liten temperaturhöjning. Då det finns gott stöd för positiv återkoppling, på grund av vattenånga och albedo, nära 2 W/m²/K krävs det att dessa negativa återkopplingar är i samma storleksordning för att tydligt sänka känsligheten. Sådana starka negativa återkopplingar har svårt att gömma sig för vetenskapen uppe i bland molnen, eller annorstädes.

1) En linjär approximation fungerar då temperaturändringen är i storleksordningen 1% av absoluta temperaturen.
2) I diagrammet visas ett ungefärligt värde för vattenångans återkoppling inklusive den förändring av temperaturavtagande med höjden som blir följden. Den senare motverkar delvis den ökande växthuseffekten.

Återkopplingen från vattenånga

 Satellitbild över jorden tagen i ett av vattenångans absorptionsband. NOAA

Grundläggande teori

Över en vattenyta finns ett jämviktstryck för vattenånga då lika mycket vatten avdunstar som kondenseras. Detta kallas vattenångans mättningstryck. Ju varmare det är desto större är det trycket. Varm luft kan innehålla mer fukt än kall. Sambandet mellan mättningstryck och temperatur är exponentiellt och beskrivs av Clausius-Clapeyron ekvationen. (Mer detaljerat här)

Mättnadstryckets beroende av temperaturen är inte unik för vattenånga utan motsvarande samband gäller för alla ämnen som kan kondensera (sublimera) vid de temperaturer som är intressanta. Till exempel varierar koldioxidatmosfären på Mars med temperaturen.

 

Observationer av vattenånga i atmosfären

Att mängden vattenånga  i atmosfären följer temperaturen finns det många observationer av. Nedan följer några exempel.

Mättnadstryckets beroende på temperaturen från väderballongdata:

Andel vattenånga vid mättnad för olika temperaturer. Data från NOAA. Wikipedia

Vattenånga i atmosfären 1996-2010 för Europa och Östra centrala stilla havet. Notera årstidsväxlingarna i framför allt Europa:

Tidsserie för vattenånga från satellit-sensorer. ESA GlobVapour Project

Medelmängd vattenånga under 2009:

Medelmängd 2009 från satellit-sensorer. ESA GlobVapour Project

Tidsserier över mängden vattenånga från observationsdata 1970-2009:

Anomali för medelmängd vattenånga från väderstationer. (Berry and Kent endast över hav.)
 NOAA Climate indicators 2009

Vattenångans fördelning i troposfären och dess samband med temperaturen: 

Dessler et al 2008a Övre bilden visar temperaturen vid olika tryck (höjd) vid olika temperatur vid jordytan. Undre visar mängden vattenånga vid olika tyck och yttemperatur. Baserade på AIRS statellitdata.

Observationer av vattenångans växthuseffekt

Vattenånga är en växthusgas och ju mer vattenånga desto större växthuseffekt torde det bli från denna. Då mängden vattenånga i sin tur beror på temperaturen har vi en positiv återkoppling. Denna återkoppling brukar anges i W/m²/K, alltså den förändring av växthuseffekten som vattenångan ger för varje grads temperaturförändring.

Till skillnad från välblandade växthusgaser som koldioxid kommer dock vattenångans växthuseffekt variera  betydlig efter av var i världen och när på året man mäter. Detta leder till större osäkerheter i bestämningen av återkopplingen från vattenånga. Dock finns det ett flertal samstämmiga bestämningar av vattenångans växthuseffekt och återkoppling. Nedan är några exempel:

Diagrammet ovan är från Ramathan och Inamdar vars resultat baseras på satellitobservationer (ERBE). De jämför även med äldre data.

Forster och Collins 2004 använde avkylningen under vulkanen Pinatubos utbrott för att bestämma vattenångans återkoppling. De fann en återkoppling på 1.6 W/m²/K.

Dessler et al 2008b beräknade vattenångans återkoppling från globala temperaturvariationer 2003 till 2008 och satellitdata över mängden vattenånga. De fann en positiv återkoppling på 2,0 W/m²/K.

Philipona et al 2009 fann med data från Schweiz och Tyskland en återkoppling på ca 1,2 W/m²/K över Europa.

För fler artiklar om vattenångans återkoppling se: AGW Observer, papers on water vapor feedback observation 

 

Slutsats

Vattenångans återkoppling har starkt teoretiskt stöd. Att vattenångan varierar som förväntat med temperaturen har starkt stöd i observationer. Att återkopplingen är positiv och i den från teori förväntade storleken har även det gott stöd i analyser baserade på observationer.

År 2010 sammanfattade Andrew Dessler sin syn på forskningen kring vattenångans återkoppling:

If you go back 20 years, there was some credible arguments that maybe there were some holes in our understanding. But over the course of the last 20 years, we’ve really nailed down those potential problems. But for whatever reason, the knowledge that we’ve really solved a lot of these problems hasn’t made it into the public debate.

Lyssna på hela intervjun här. 
______________

Uppdaterat 13/10 med ytterligare satellitdata.

Termometrarna är som molnen

I tidigt i morse upptäckte jag att en av mina termometrar visade plus- och den andra minusgrader. Uppenbarligen är vi inte ens säkra på tecknet på temperaturen.

Det är ju precis som det där med återkopplingen från moln. Fullständigt ovisst alltså. Eller?

Dessler 2010 (Beräknade återkopplingen inkopierat i bilden från texten.)

Peter Sinclair: Loss of Arctic Sea Ice … and of a ‘Giant Parasol’

Inte bara en klimatkänslighet

En av de mest omdiskuterade måtten på jordens klimatsystem är klimatkänsligheten, med vilket vanligen menas hur stor en förändring i den globala medeltemperaturen vi kan förvänta oss efter tillräckligt lång tid som resultat av en viss förändring av strålningsbalansen¹. (En mer utförlig förklaring hittar ni här). Ofta används den förändring av strålningsbalansen som uppnås av en fördubblad koncentration av koldioxid i atmosfären (~3.7 W/m²) som ett referensvärde.

Att sammanfatta alla aspekter av ett komplext system, så som jordens klimat, i ett enda tal är av uppenbara skäl omöjligt, men detta hindrar inte att vissa mått kan vara användbara för att beskriva systemet. Det är viktigt att poängtera att klimatkänsligheten i regel antas vara oberoende av orsaken till förändringen i strålningsbalansen. Det betyder att exempelvis 1 W/m² extra i instrålning från solen ger samma temperaturändring som 1 W/m² från ökade koncentrationer av växthusgaser. Detta är en sanning med viss modifikation², men tillräckligt tillförlitligt för de flesta resonemang som förs.

Men hur lång tid är tillräckligt lång tid? Svaret beror på vilka återkopplingar vi vill och har möjlighet att ta med i beräkningen. Om vi enbart låter temperaturprofilen i atmosfären ändras, utan att faktorer som mängden vattenånga i atmosfären förändras, får vi den strålningsfysiska klimatkänsligheten. Den är förhållandevis rättfram (fast givetvis inte enkel) att beräkna, just eftersom att atmosfärens sammansättning, albedo med mera antas vara konstanta. Den strålningsfysiska klimatkänsligheten är ungefär 1 ^oC. ³

In kommer återkopplingar, vilka agerar på olika tidsskalor. På tidsskalor om timmar till månader sker förändringar av mängden vattenånga i atmosfären, temperaturavtagandet med höjden samt molnighet. På år till decennieskala sker bland annat förändringar av snötäcke, vegetation och havsisutbredning. På än längre sikt tillkommer tex. förändringar av de stora inlandsisarna.
En ytterligare form av återkopplingar är de som påverkar kolcykeln. Varmare hav tenderar att lösa mindre koldioxid vilket påverkar mängden i atmosfären. Växthusgasutsläpp från tinande permafrost och förändring av koldioxidupptaget i skog och mark är ytterligare exempel på kolcykelåterkopplingar.

Klimatkänsligheten beror alltså på vilka skeenden som inkluderas och vilken tidsskala som avses. Tre olika klimatkänsligheter  brukas ofta i klimatforskningen.

Transienta klimatkänsligheten
Denna är temperaturökningen vid den tidpunkt då koldioxidnivån fördubblats under förutsättning att koldioxidnivån ökat med 1% per år. Transienta klimatkänsligheten används ofta i modellerings-sammanhang då det tar mycket lång tid att uppnå temperaturjämvikt efter koldioxidökningen på grund av havens stora värmekapacitet. Den transienta klimatkänsligheten är lägre än jämviktskänsligheten samt påverkas av hur snabbt värmeupptaget i haven antas ske. (IPCC AR4 8.6.2, IPCC AR4 9.6.2)

Transienta klimatkänsligheten enligt Stott et al., 2006, IPCC AR4

Jämviktskänsligheten
Det är den mest använda klimatkänsligheten. Den temperaturökning som förväntas då temperaturjämvikt uppnåtts efter en fördubbling av koldioxidhalten. I praktiken inkluderas framför allt förhållandevis snabba återkopplingar. Jämviktskänsligheten kan bestämmas på många olika sätt så som vi skrivit om i ett tidigare inlägg. Troligen är jämviktskänsligheten 2,0 - 4,5°C.

För klimatmodeller är den klassiska varianten kallad Charney-känsligheten, efter Charney-rapporten från 1979, som inkluderar de återkopplingar som syns i figur A ovan. Dock inkluderar moderna klimatmodeller även andra återkopplingar i mer eller mindre omfattning vilket gör att de kan beskrivas som jordsystem-modeller.

Jordens systemkänslighet
När man inkluderar även långsamma återkopplingar och effekter på tex. kolcykeln för att så bra som möjligt återspegla jordens hela klimatsystem inklusive på lång sikt. Då kan man tala om jordens systemkänslighet för att tydliggöra detta. Denna är inte så väl utforskad som de två övriga  men det mesta talar för att den är högre än den vanligen angivna jämviktskänsligheten. Till exempel fann en studie av Lunt et al 2010 att den är 30-50% högre.

¹Jorden mottar energi i form av strålning från solen och strålar i sin tur ut energin i världsrymden. Mottar mer energi, eller skickar ut mindre, kommer temperaturen öka. Därigenom ökar utstrålningen vilket etablerar ett nytt fortvarighetstillstånd, dvs. att den utsända energin är lika stor som den mottagna. En förändring i strålningsbalansen kallas 'radiative forcing' på engelska. 

²För förändringar i strålningsbalansen som orsakas av faktorer med ovanlig fördelning vertikalt eller horisontellt är svårare att tillämpa klimatkänsligheten som mått (läs mer på RealClimate och i senaste IPCC-rapporten). 

³För temperaturskillnader är temperaturenheterna ^oC och K desamma.

Angående Grönlands is

För ungefär en månad sedan, den 11-15 juli, observerades smältning på 97% av Grönlands inlandsisyta. Något som fick stor uppmärksamhet. Den 24-31 juli inträffade en till smältperiod över 74% av ytan som fick mindre uppmärksamhet. Nedan följer några reflektioner kring detta.

Vad är det som observerats?

Vad som observerats är tillräckligt mycket smältning för att skapa ett lager från smältningen i snön. Se bild och beskrivning här. Normalt är det inte tillräckligt varmt tillräckligt länge i de centrala delarna av inlandsisen för att detta ska inträffa. Det har alltså inget direkt att göra med avsmältningen av inlandsisen. Sedan 30 år kan vi med satelliter observera dessa fenomen. Vid Summit, uppe på centrala isskölden, har iskärnor använts för att studera tidigare smälthändelser senaste 10 000 åren.

Hur ofta inträffar det?

NASAs pressutskick ledde till en del förvirring då det rubricerades med "Unprecedented" (aldrig tidigare observerats/inträffat) samtidigt som texten angav att

"Ice cores from Summit show that melting events of this type occur about once every 150 years on average. With the last one happening in 1889, this event is right on time," says Lora Koenig

Inte blev det bättre av att TT inte noterade "on average" i sin version något som slog igenom i svensk press. NASAs rubrik är uppenbart diskutabel men kanske mer intressant är frågan om hur det förhåller sig med smältningshändelserna genom historien.

Alley och Anandakrishnan fann nedanstående fördelning av smälthändelsena vid Summit (de gröna linjerna visar år med smältlager och den röda kurvan är 100-årsmedel för frekvensen):

Som synes är händelserna inte jämnt fördelade över tiden vare sig periodiskt återkommande eller över de 10 000 åren. De var betydligt vanligare för 6 till 8 tusen år sedan än de varit senaste 4 000 åren. Snittet för hela 10 000 årsperioden mellan två smältlager är 150 år, vilket är det medelvärde som Koenig anger i pressmeddelandet. Ser man till senaste 4 000 åren är snittet närmare en händelse per 250 år.

Andrew Rvekins vid New York Times har en artikel om pressmeddelandet som även innehåller ett klargörande av Koenig. Rekommenderas för den intresserade av debatten kring detta.

Smälthändelserna i ett sammanhang

Det kan vara intressant att sätta smälthändelserna i slutet av juli i ett större sammanhang. Glaciologen och Grönlandsspecialisten Jason Box har på sin blogg (som varmt rekommenderas) gjort just detta och nedanstående bygger till stor del på hans artiklar.

Till skillnad från de i Antarktis når temperaturen på Grönlands inlandsis upp till kring noll under sommaren även i centrala delar. Sommartemperaturen över Grönlandsisen har också stigit på liknande sätt som den globala medeltemperaturen. Denna ökning av medeltemperaturen under smältsäsongen bildar bakgrund till fenomenet.

Anomali för sommartemperaturen från medlet 1951-80

Sommarens sol med tillhörande värme får även isytan att mörkna. I kalla områden i första hand då iskristallerna rundas av och klumpar ihop sig. I varmare då smältning av snön exponerar glaciäris och smuts, stenar mm. (Box et al 2012). Mörkningen av isytan kan mätas med satelliter som mäter Grönlandsisens albedo. Albedot på sommaren har sjunkit tydligt senaste decenniet som synes nedan.

Det är stora mängder energi det är frågan om i ökad absorption. Albedominskningen senaste decenniet motsvarar en ökning av absorberad energi under juni månad med 10²⁰ Joule. Det motsvarar USAs årliga energiförsörjning (9*10¹⁹ J). Under hela sommaren har albedominskningen gett ett extra energitillskott på 1,5*10²⁰ J.

Det sjunkande albedot är en viktig återkoppling som ökar smältning och framför allt värmer snön under. Snön har nu mer värmeinnehåll på hösten vilket inför nästa år gör den lättare att smälta efter vinterns avkylning. I år slogs även rekord i lågt albedo med stor marginal, se diagrammet nedan. (Större snöfall under sommaren syns som toppar på kurvan.)

De direkta orsakerna till smälthändelserna beskriver Box som: 

The negative NAO combined with the ice albedo feedback delivered a 1-2-3-4-5 punch… 1.) the high pressure suppressed cloud formation that could reduce (slightly, its a minor effect) the solar energy reaching the surface; 2.) less cloud development reduces snowfall which can brighten the surface reducing absorbed solar heating; 3.) the “cold content” of the snowpack and ice surface had been reduced from the previous years of warming and in summer the NAO had been negative just like in 2012; 4.) warm south air (and enhanced solar absorption) heated the snowpack  and ice surface to the melting point; and 5.) the heating rounded the jagged snow crystal edges, reducing the snow’s reflectivity, allowing more solar absorption, a process that amplifies melting.

 Frågan är nu: När bildas nästa smältlager vid Summit?

Dessler i debatt med Lindzen

Nyligen möttes professorerna Andrew Dessler och Richard Lindzen i en debatt kring global uppvärmning och klimatkänslighet, det sistnämnda är ju aktuellt här på bloggen. Dessler är en av de mest kända klimatforskarna och specialist på vattenånga i atmosfären. Lindzen är välmeriterad meteorolog och den kanske mest kända "klimatskeptiska" forskaren som arbetar inom fältet. Debatten som är på ca 1 timme och 20 minuter ägde rum vid University of Virginia Law School. (Den följs direkt av ett debatt kring policyimplikationer.)

Ses här:

Professorns privilegium

När jag ser vad de professorer som samlats i Stockholmsinitiativet - och jag syftar då i synnerhet på KTH-professorn i fysikalisk kemi Peter Stilbs - skriver i klimatfrågan, kommer jag ibland att tänka på då jag själv installerades som Chalmersprofessor 2002. I ett tal till mig och övriga installandi förklarade dåvarande Chalmersrektor Jan-Eric Sundgren att vi nu med våra nya fina akademiska titlar har privilegiet att uttala oss vitt, brett och med professorlig auktoritet om vad som helst oavsett om det faller inom den egna expertisen. Hans glimt i ögonvrån och ironiska tonfall var dock icke att ta miste på. Vad Sundgren på det lättsamma vis som ett middagstal bjuder pekade på var i själva verket en viktig balansgång. Det är angeläget att vi professorer deltar i samhällsdebatten, men det är minst lika viktigt att vi inte missbrukar våra professorstitlar till att uttala oss om frågor vi inte behärskar och i strid med det vetenskapliga kunskapsläget. Att ha synpunkter inom andra områden än den egna vetenskapliga specialiteten skall vara tillåtet,¹ men det gäller då att vara påläst och att respektera den vetenskapliga kunskapsmassa som faktiskt finns på området.

Med tanke på hur lätt det är att drabbas av professorlig hybris och frestas av tanken att just man själv är så smart att pålästhet är onödigt, är det viktigt - för dem av oss i professorskåren som väljer att engagera oss i samhällsdebatt - att ständigt påminna oss dessa förhållningsregler. Men vissa verkar dessvärre strunta fullkomligt i dem, och jag vet ingen (åtminstone inte i Sverige) som i detta avseende missbrukar sin professorstitel värre än just Peter Stilbs.

För ett par år sedan skrev jag en uppmärksammad Folkvett-artikel om vetenskapsförnekeri med fokus på klimatfrågan och med Peter Stilbs härjningar som genomgående exempel (se även Stilbs svar och min slutreplik). Sedan dess har Stilbs ångat på med oförminskad intensitet (vilket vi då och då uppmärksammat här på Uppsalainitiativet), och sedan en tid tillbaka är han knuten som fast skribent på Maggie Thauersköld Crusells blogg The Climate Scam. Att försöka sig på en systematisk genomgång av hur Stilbs dragit sin professorstitel i smutsen vore ett alltför omfattande projekt för att genomföra här. Jag skall nöja mig med något långt blygsammare: att lyfta fram och kommentera en enskild bloggkommentar som jag tycker utgör ett kondensat av Stilbs skamlöst nonchalanta inställning till hur vetenskapliga frågor får lov att diskuteras. I fredags (den 20 augusti) kl 13.07 skriver Peter Stilbs på The Climate Scam följande:

Jag vill minnas att vår vän Olle Häggström i ett långt inlägg på UI:s sidor sökte förlöjliga "det logaritmiska sambandet" och Gösta Walin, som använde det i något sammanhang – men det verkar inte finnas kvar – väl är väl det.

Däremot några inlägg av Anders Martinsson, som påpekar det logaritmiska sambandets giltighet – men vill vränga det till att "skeptiker" (han kallar sig själv "realist"(?)) skulle påstå att de skulle ha påpekat dess giltighet, medan "klimatforskarna" missat det.

Suck.

För tredje eller fjärde gången: Det logaritmiska sambandet finns i IPCC:s skrifter – men de lägger sen på "tänkta feedbacks" från vattenånga så man får ett skenande istället för ett dämpat förlopp.

Alles klar?

Trots att jag hunnit bli ganska van vid de friheter Stilbs tar sig måste jag erkänna att jag höll på att sätta kaffet i vrångstrupen när jag såg hans påstående om vad jag skulle ha sagt om "det logaritmiska sambandet". Vad som här åsyftas är sambandet mellan den atmosfäriska koldioxidhalten och dess uppvärmande effekt. Jag har många gånger påpekat att detta samband är approximativt logaritmiskt (vid de halter som är aktuella i den pågående klimatdiskussionen) och aldrig såvitt jag kan påminna mig hävdat motsatsen. Faktiskt skriver jag i just det blogginlägg som Stilbs åsyftar (och som alltså alls icke är utraderat) att "[d]en atmosfäriska koldioxidens bidrag till uppvärmningen är approximativt logaritmisk".

Det kan ju tyckas lite förargligt att Stilbs inte hittade bloggposten ifråga och råkade komma ihåg så fel. Och särskilt svår att hitta var den ju knappast. Stilbs kunde t.ex. ha gått in på Uppsalainitiativet och letat upp sökordet "Gösta Walin" i högermarginalens alfabetiska lista över sökord. Eller också kunde han, well... let me Google that for you!

Kan verkligen professor Stilbs vara så till den milda grad inkompetent på området litteratursökning? Med tanke på hur lättlokaliserat mitt blogginlägg var är det knappast långsökt att tänka sig att han helt enkelt avstod från att leta efter det, för att slippa riskera att få se att hans vrångbild av vad jag sagt inte skulle visa sig stämma.

Hur som helst, vad var det då egentligen hos Gösta Walin som jag "förlöjligade"?² För att förklara detta hoppas jag att läsaren överser med att jag uttrycker det logaritmiska sambandet i en matematisk formel. Antag att koldioxidhalten höjs från en nivå c₁ till en högre nivå c₂, och låt ΔT beteckna den höjning av jämviktisnivån i global medeltemperatur som koldioxidökningen svarar mot. Det logaritmiska sambandet säger då att

ΔT = a (log(c₂)-log(c₁))

där a är en proportionalitetskonstant. Men för att det logaritmiska sambandet skall säga något alls om hur stor temperaturhöjning en given koldioxidökning leder till behöver konstanten a bestämmas eller åtminstone (mer realistiskt) uppskattas. Det jag i sagda bloggpost kritiserar hos Gösta Walin är inte användandet av den logaritmiska formeln i sig, utan hans grovt tillyxade, tendentiösa och gravt missvisande metod att uppskatta proportionalitetskonstanten a.³

Nåväl, vad är det som Stilbs säger mot slutet av den bloggkommentar jag citerar ovan, och som han fått mothugg på så många gånger att han avslutar med ett otåligt "Alles klar?" Han hävdar att feedback-effekten⁴ från vattenånga gör att det logaritmiska sambandet bryts och att temperaturen istället skenar. Detta är emellertid helt enkelt fel: inom ett brett spektrum av värden på feedbackens styrka kvarstår temperaturhöjningssambandets logaritmiska form och det enda som ändras är proportionalitetskonstanten a.

Vi har skrivit om klimatsystemets feedbacks, eller återkopplingar som det heter på lite bättre svenska, många gånger tidigare på Uppsalainitiativet, men låt mig ändå rekapitulera helt snabbt vad det handlar om.

När atmosfärens temperatur höjs (till följd av koldioxidens växthuseffekt) ökar också dess förmåga att binda vattenånga, vars halt ökar, och eftersom vattenånga också är en växthusgas leder det till ytterligare uppvärmning, vilket ger ytterligare vattenånga och så vidare i en fortsatt spiral. För den som inte kan sin reglerteori som ett rinnande vatten, kan det låta som om detta får systemet att skena (spiralen fortsätter ju ett obegränsat antal varv), men som Anders Martinsson förklarar i ett klassiskt UI-inlägg så gäller (försåvida inte återkopplingen är extremt stark) att varje varv i spiralen är svagare än det föregående, så till den grad att de summerar sig till ett ändligt värde även om återkopplingen skulle hinna gå oändligt många varv.

Det är detta som är den basala förklaringen till att återkopplingen inte får systemet att skena. Martinsson illustrerar fenomenet med en turbomotor, och låt mig försöka mig på ett ännu mer välbekant exempel: mikrofon och högtalare. Antag att jag står på scen och sjunger⁵ i mikrofon, och att jag bakom mig har ett par högtalare som återger sången. Mikrofonen snappar då upp min sång, men den snappar också upp högtalarnas återgivning av min sång, vilket gör att högtalarna ger i från sig högre ljud än vad som annars skulle ha skett, vilket i sin tur gör att ljudet in i mikrofonen blir starkare, och så vidare: samma slags positiva återkopplingsspiral som med vattenångan och temperaturen. Normalt har denna återkoppling ingen förödande effekt, då varje varv av extra förstärkning i återkopplingsspiralen blir succesivt svagare och totalen blir måttlig. Men om jag närmar mig en av högtalarna med mikrofonen blir återkopplingen starkare, och om jag råkar gå alltför nära ramlar systemet över den gräns där det börjar skena, ända tills ljudet slår i taket för systemets begränsningar och ett välbekant rundgångstjut uppstår. På jorden verkar det som om klimatsystemet befinner sig inom de godartade ramar där systemet inte skenar,⁶ men på Venus ledde liknande återkopplingar till att systemet gick i sken, oceanerna kokade bort och klimatet idag är bokstavligen helvetiskt.

Det är som sagt lätt gjort att naivt och felaktigt tänka sig att positiv återkoppling alltid leder till skenande system. Kanske står förklaringen till Peter Stilbs ovan citerade felaktiga påstående om vattenångan och den logaritmiska formen att finna i att han gör just detta tankefel. Och är det verkligen så himla farligt att tänka lite fel? Nej, men det är en helt annan sak att med professorlig auktoritet basunera ut sitt tankefel. Och jag finner det högst märkvärdigt att Stilbs, trots sin naturvetenskapliga skolning och trots de år⁷ han ägnat åt klimatdebatten, undgått att begripa ett så basalt fysikaliskt förhållande som detta. Tänk om han hade ägnat åtminstone en liten del av den tiden åt att ärligt försöka förstå klimatvetenskapen istället för att med all kraft och med händerna för öronen sprida missförstånd och desinformation.

Fotnoter

1) I förordet till min bok Riktig vetenskap och dåliga imitationer (2008) varnar jag (i ett slags försvarstal med anledning av bokens ämnesmässiga vidlyftighet) för vad som annars kan hända: "Om det av oss forskare krävs att var och en strikt skall hålla sig till det han eller hon en gång råkar ha disputerat i, så förstärks vetenskapens fragmentisering och ingen kommer någonsin att lyfta blicken och se helheten".

2) Ordvalet "förlöjliga" är i detta sammanhang mindre lyckat och ett typexempel på fenomenet "att skjuta budbäraren". Att rikta strålkastarljuset mot något löjeväckande - i detta fall ett visst försök av Gösta Walin till argumentation - kan knappast i sig räknas som "förlöjligande" försåvida inte man överdriver löjligheten.

3) Ofta (inklusive i nämnda Walin-kritiska bloggpost) talar man inte om konstanten a utan om den temperaturökning τ som svarar mot en fördubbling av koldioxidhalten. Men om vi vet a vet vi också τ och vice versa; detta inses genom en enkel omskrivning av det logaritmiska sambandet, ΔT = a (log(c₂)-log(c₁)) = a (log(c₂/c₁)), och eftersom en fördubbling innebär att c₂/c₁=2 får vi alltså τ = a log(2). I själva verket är det just det (approximativt) logaritmiska sambandet som gör att temperaturökningen τ svarande mot en fördubblad koldioxidhalt är (approximativt) oberoende av startnivå och därför en lämplig storhet att tala om.
Det finns för övrigt en rad kända metoder att uppskatta τ, och för en lättläst inledning till litteraturen på området hänvisar jag till det istidsinlägg jag förra året skrev på UI.

4) Att han i förbifarten skriver "tänkta feedbacks" är ett för Stilbs typiskt demagogiskt grepp i avsikten att få ett välbelagt fysikaliskt fenomen att framstå som spekulation.

5) Eller föreläser, vilket i mitt fall nog är kraftigt att föredra.

6) Troligtvis. Men den ledande klimatforskaren James Hansen varnar i sin bok Storms of My Grandchildren för att vi, om vi agerar riktigt illa, kan knuffa vår planet ut ur den (relativt) godartade klimatregimen och hamna i ett skenande Venussyndrom.

7) I ett ebrev den 5 augusti 2008 skrev Stilbs till mig att "[p]ersonligen har jag rotat i denna soppa [klimatvetenskapen] i mer än 5 år nu tror jag", och om det var riktigt så är han väl uppe i sju år nu.

Chalmers Climate Calculator. Del I: Om osäkerheten i klimatsystemet

Detta är den första bloggposten i vad som är tänkt att bli en serie om tre, av våra gästskribenter Christian Azar och Daniel Johansson. Christian Azar är professor i fysisk resursteori på Chalmers och var en av huvudförfattarna till 2001 års IPCC-rapport; vidare satt han i regeringens kommission för hållbar utveckling 2007-2009 och är författare till boken Makten över klimatet från 2008. Daniel Johansson är doktor i fysisk reursteori på Chalmers och har tidigare arbetat på IIASA-institutet i Österrike.

* * *

För någon vecka sedan gjorde vi Chalmers Climate Calculator tillgänglig för allmänheten. Det är en enkel klimatmodell som kan användas för att beräkna

• hur mycket koldioxidhalten i atmosfären ökar för ett visst utsläppsscenario, och
• vilken effekt på temperaturen det får under de närmaste hundra åren.

Läsaren styr själv hur mycket koldioxid som släpps ut på global nivå i framtiden, och kan därigenom testa en massa påståenden om vad klimatmodellerna säger om jordens framtida klimat.

Man kan t ex beräkna jordens medeltemperatur fram till år 2100 om man låter utsläppen växa enligt ett business as usual-scenario, eller om man stabiliserar utsläppen på dagens nivå, eller om man minskar med säg 2 procent om året. Hur mycket temperaturen kommer att öka beror på hur klimatet reagerar på ökade halter av koldioxid och andra växthusgaser i atmosfären. Inom forskarvärlden används ett begreppet klimatkänslighet (climate sensitivity) för att ange hur mycket jordens temperatur förväntas öka om man fördubblar halten av koldioxid i atmosfären¹ och väntar tills jämvikt har uppnåtts.

I den allra enklaste av beräkningar skulle temperaturen öka med drygt en grad. Men i denna beräkning beaktas inte att när temperaturen stiger så kan atmosfären hålla mer vattenånga, som i sin tur ytterligare förstärker uppvärmningen. Vattenånga är nämligen också en växthusgas. Växthuseffekten förstärks alltså, man pratar om en positiv återkopplingsmekanism. Det finns både positiva och negativa sådana.

Den stora osäkerheten i klimatkänsligheten beror till stor del på moln. Molnen har en komplicerad påverkan på atmosfärens energibalans. Olika moln har olika effekt. Fler moln på hög nivå gör att uppvärmningen förstärks, fler utspridda moln på låg nivå gör att effekten blir den motsatta. Små förändringar i sättet som atmosfären och molnen modelleras kan ge stora utslag i resultaten. När forskare på Geophysical Fluid Dynamics Laboratory på Princeton University började använda ett bättre sätt att beräkna tjockleken på det nedersta lagret i atmosfären, där moln som är kritiska för jordens energibalans bildas, sjönk klimatkänsligheten från kraftiga 4,5 grader till 2,8 grader.²

Detta visar hur svårt det är att faktiskt beräkna ett korrekt värde, eftersom system med återkopplingar kan vara mycket känsliga. Att olika modeller ger olika resultat när det gäller klimatkänsligheten beror huvudsakligen på hur molnen modellerats.³ I stora klimatmodeller (som beaktar hela atmosfärens och havens cirkulationssystem) beräknas hur vattenånga och moln påverkas när temperaturen går upp. Det är komplicerade beräkningar som tar lång tid. Modellerna ger ett värde på klimatkänsligheten.

I Chalmers Climate Calculator väljer modellanvändaren själv denna parameter. Det gör att beräkningarna kan gå snabbt, och att man kan testa vilken effekt olika antaganden kan få.

Som en illustration kan vi köra modellen under antagandet att våra utsläpp följer ett business as usual-scenario (ligger som default i modellen), och beräkna hur den globala medeltemperaturen utvecklas under de närmaste hundra åren om klimatkänsligheten är 1,5, 3 eller 4,5 grader. Resultatet visas i figuren nedan. Läsarna uppmanas att göra samma test själva (man ändrar då värdet på klimatkänsligheten och kör modellen tre gånger, figuren kan sparas genom att högerklicka på figuren och sedan "spara som bild").

Den översta kurvan motsvarar en klimatkänslighet på 4,5 grader, den mittersta en klimatkänslighet på 3 och den understa på en och en halv.⁴ Man ser här vilken oerhörd betydelse värdet på klimatkänsligheten har för den framtida temperaturutvecklingen.

Ett riktigt lågt värde för klimatkänsligheten (säg 1 grad per CO2-fördubbling) motsvarar vad en del klimatskeptiker menar ligger nära sanningen. Modellen kan därför vara av intresse att använda även för dem.

Modellen kan även användas till att analysera en lång rad andra frågor, t ex

• Vad blir temperaturen år 2100 om utsläppen stabiliseras på dagens nivå, eller säg minskar med 3 procent om året från och med idag?
• Vad händer om man istället börjar minskas 10, 20 eller 30 år senare?
• Vad händer om bara i-länderna minskar sina utsläpp men inget görs i u-länderna?
• Hur mycket och hur snabbt behöver i- respektive u-länder minska utsläppen för att nå tvågradersmålet?
• Vilken roll spelar avskogning för atmosfärens koldioxidhalt och temperatur? Hur mycket begränsas temperaturökningen om vi får stopp på avskogningen?

För att svara på de senare av dessa frågor får man gå in i tvåregionsvarianten av modellen, som hittas här. I en senare bloggpost planerar vi återkomma till dessa och andra frågor och illustrera hur modellen kan användas för att ytterligare belysa hur våra utsläpp kan påverka klimatet.

Fotnoter

1) Om man ska vara noggrann så handlar det om en fördubbling av koldioxidhalten i relation till den pre-industriella nivån, eller en ökning av koldioxid och metan, och andra växthusgaser, som sammantaget motsvarar den påverkan på strålningsbalansen som motsvarar en fördubbling av halten av växthusgaser. Man brukar prata om en fördubbling av den CO2 ekvivalenta halten av växthusgaser i atmosfären.

2) Kerr, R., Science 305, s. 932–934, 2004. Osäkerheterna kan även slå åt andra hållet. Om vi antar att en modell beräknat klimatkänsligheten till fyra grader, men vi sedan upptäcker att återkopplingsmekanismerna är 20 procent starkare än vad man tidigare trott, så hamnar klimatkänsligheten istället på hela tio grader.

3) Se Soden, BJ., och Held, IM. ”An assessment of feedbacks in coupled climate ocean-atmosphere models”, Journal of Climate 19, s. 3354, 2006.

4) När vi gjort den här körningen har vi antagit att aerosol-effekten år 2005 är -1 W/m2, vilket betyder att partiklar i atmosfären leder till en kylning av klimatet på ungefär 2/3 av dagens uppvärmande effekt från koldioxid. Det finns även osäkerheter kring aerosoler (vilket framgår i informationsrutan kopplad till aerosoler i klimatmodellen). I en kommande bloggpost planerar vi återkomma till denna fråga i mer detalj.

Koldioxidens återkoppling och Stockholmsinitiativets inkonsekvens

En intressant artikel har just publicerats i Nature. Den har titeln Ensemble reconstruction constraints on the global carbon cycle sensitivity to climate och är författad av David C. Frank, Jan Esper, Christoph C. Raible, Ulf Büntgen, Valerie Trouet, Benjamin Stocker & Fortunat Joos. Den kommer fram till att koldioxid-återkopplingen kan vara betydligt mindre än vad flera tidigare studier har visat.

Koldioxidåterkoppling är hur koldioxidmängden i atmosfären påverkas av temperaturen.

Koldioxid-sänkor som till exempel havet är temperaturberoende: vid högre temperatur minskar vattnets möjlighet att ta upp koldioxid vilket leder till en ökning av koldioxiden i atmosfären (om inte andra sänkor ökar i motsvarande grad). Vi kan därför räkna med en mer eller mindre stor positiv återkoppling via halten koldioxid vid temperaturändringar. Denna återkoppling är en viktig faktor vid in- och utgångarna för istider så som beskrivits här på Uppsalainitiativet tidigare. Studien av Frank et al har använt temperatur- och koldioxid-rekonstruktioner under åren 1050-1800 för att uppskatta styrkan i återkopplingen. De finner att medianen för återkopplingen är 7,7 ppm per grad vilket som sagt är lägre än vad flera nyligen gjorda studier utifrån historiska data visat. Detta är goda nyheter då det minskar risken för kraftiga temperaturökningar utöver de som våra utsläpp ger upphov till.

Hur är det då med klimatmodellerna jämfört med Frank et als studie? De har även en jämförelse i artikeln gentemot klimatmodeller med kolcykel och här är överensstämmelsen god för temperaturintervallet i under-sökningen (Se figur) vilket tyder på att de moderna klimatmodellerna inte överskattar återkopplingen från koldioxid.

Något att komma ihåg är att denna undersökning är för små temperaturvariationer i en situation som märkbart skiljer sig från dagens med koldioxidnivåer högre än under de senaste 15 miljoner åren och en förväntad temperaturökning på flera grader. Att lita på att denna undersökning ger svar på framtidens återkoppling kan ge obehagliga överraskningar.

Reaktionen på undersökningen hos Stockholmsinitiativets företrädare är intressant. I en artikel på Newsmill konstaterar Maggie Thauersköld Crusell (ivrigt påhejad av sina kolleger i kommentarsfältet) att Nature-artikeln visar att klimathotet, ”den kanske största bluffen genom tiderna”, är kraftigt överdriven. Maggie skriver:

Den stora nyheten kommer inte från en skum "förnekarblogg" eller en samling medelålders män avlönade av oljebolagen. Det är den välansedda vetenskapliga tidskriften Nature som presenterar de lugnande beskeden. Jorden och naturen tycks ha inbyggda mekanismer som motverkar att klimatet "skenar iväg", så som det ofta har påståtts. Det finns troligen inga tipping points då hela systemet havererar med katastrofala följder.

Detta vore naturligtvis goda nyheter om det stämde, men tyvärr måste man som synes ovan konstatera att artikeln inte drar de dramatiska slutsatser som Maggie Thauersköld Crusell tillskriver den. Tipping points omnämns inte ens. Det finns helt enkelt inget i artikeln som kan ligga till grund för sådana slutsatser. Och Thauersköld Crusell förklarar själv inte hur hon har kommit fram till dessa slutsatser.

Men mest uppseendeväckande är Maggie Thauersköld Crusells vurm för artikeln i ljuset av dess metoder. I Nature-artikeln beskrivs hur man har kommit fram till sin uppskattning av koldioxid-återkopplingen genom att använda:

• isborrkärnor för koldioxidnivån de senaste 1000 åren


• temperaturrekonstruktioner för de senaste 1000 åren som bygger på proxies (speciellt trädens årsringar). Dessa är kalibrerade mot temperaturserier från bland annat CRU.


• klimatmodeller

Hur kan Maggie Thauersköld Crusell omfamna denna artikel som bygger på metoder som ständigt misstänkliggörs av Stockholmsinitativet? Är denna omsvängning ett tecken på att Stockholmsintiativet håller på att gå över till den vetenskapliga sidan? Är Thauersköld Crusells felaktiga återgivande av Nature-artikeln bara en rökridå för att dölja detta förräderi? Är det kanske dags att ge Stockholmsintiativet konkurrens – att skapa en ”klimatskeptisk” grupp som håller fast vid att isborrkärnor, temperaturrekonstruktioner och klimatmodeller är strunt, bluff och båg? Dessa är frågor som vi måste ställa oss efter denna Maggie-gate!

Uppdatering: Bloggen Piprök har noterat andra intressanta effekter på Stockholmsinitiativet senaste tiden.

Vari börjar det som vi inte är överens om?

För att kunna sätta mig in i var i klimatdebatten det uppstår fnurror,

och för att man eventuellt, utopiskt, skulle kunna börja från punkterna man är överens om - ett trasslig uppgift, men ett försök kan man i alla fall kosta på sig - och utreda vidare därifrån, så tänkte jag gå tillbaka till pionjärerna inom uppvärmningsteorier, nämligen Joseph Fourier, Svante Arrhenius, John Tyndall, etc.... Ni klimatskeptiker verkar, så vitt jag läst i artiklar och bloggar, inte ha något speciellt emot dessa herrar, rent av hyser ni nog respekt för dem, jämfört med känslorna gentemot nutida forskare; beror detta på att ni accepterar de förras huvudteser?

Här kommer punkterna jag undrar kring (vissa av dem väldigt elementära, jag är inte ute efter att förolämpa någon läsares intellekt, eller att skämta, utan är genuint förvirrad kring vilka detaljer vi faktiskt är överens om):


1. Det finns en del gaser i atmosfären som ger växthuseffekt, dvs som hindrar värmeenergin från solens strålar att omedelbart lämna jorden. Vattenångan är den starkaste. Den har allra starkast värmestrålnings-absorptionsförmåga. Andra växthusgaser är koldioxid, kväveoxid, metan, etc...Utav dessa har koldioxiden högst koncentration i atmosfären.

2. Med ökad temperatur, ökar vattenångans mättnadstryck

3. Det finns positiva återkopplingar i atmosfären och på jordytan. En uppvärmning orsakad av en stor koldioxid-halt-ökning höjer temperaturen och höjer vattenångans mättnadstryck, vilket gör att luften kan fyllas med mer vattenånga, vilket gör att ännu mer infraröd strålning kan absorberas. En temperaturhöjning frigör mer koldioxid till luften.

4. Det sker hela tiden en värmeutjämning i atmosfären.
De övre/översta lagren är kallare och avger inte värme (utåt mot rymden) lika snabbt som de varmare nedre lagren har kapacitet att göra.


Jag skulle uppskatta ifall varje kommentator ville beröra alla fyra punkterna, om så bara med ett litet 'ja', på dem ni är överens om. Och helst en motivering på dem ni protesterar mot. I annat fall antar jag att den/de punkter en kommentator inte nämner invändningar mot, är försanthållna av vederbörande.


mvh
/Cecilia


Dagen: Hopp trots klimatkris

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.