Några mindre bra nyheter

Här är ett par mindre bra nyheter från klimatforskningsfronten.

Dags att säga farväl till korallreven? En studie som kommer fram till att om vi ska behålla mer än 10% av världens korallrev så måste uppvärmningen begränsas till 1.5 °C:

K. Frieler,  M. Meinshausen, A. Golly, M. Mengel, K. Lebek, S. D. Donner & O. Hoegh-Guldberg Limiting global warming to 2 °C is unlikely to save most coral reefs. Nature Climate Change (2012).

Växterna kommer inte att rädda oss. En annan studie kommer fram till att vegetationens förmåga att ta upp mer koldioxid begränsas av tillgång till kväve i jorden:

Peter B. Reich  & Sarah E. Hobbie. Decade-long soil nitrogen constraint on the CO2 fertilization of plant biomass. Nature Climate Change (2012)

Och till sist en studie som kommer fram till en betydande positiv återkoppling från tinande permafrost:

Andrew H. MacDougall, Christopher A. Avis & Andrew J. Weaver. Significant contribution to climate warming from the permafrost carbon feedback. Nature Geoscience 5, 719–721 (2012)

Kväveoxider/nitrater, del två: Förbisedda bovar i atmosfären?

När vi planerade att undertecknad skulle skriva en uppföljare till Mias artikel om kvävet i klimatmodellerna, var jag inte beredd på hur pass utförligt och noggrant hon skulle presentera saken, så jag har sedan genomläsningen av denna grunnat på om det överhuvudtaget finns något relevant kvar att säga som introduktion i ämnet. Nåväl,  jag kan vaska fram en del matnyttigt om de huvudsakliga förloppen uppe i atmosfären - kväveoxidernas och nitraternas kemiska effekter - även om processerna egentligen är mer komplicerade än som kommer att nämnas här:

Om vi börjar med att se till marknivå, så bildas överskott av växthusgasen marknära ozon (O₃) genom att kvävedioxid, (NO₂), reagerar med kemiskt lättflyktiga organiska ämnen, så kallade VOC-er (Volatile Organic Compounds). Detta går till ungefär på följande vis: Normala dagtida ozonreaktionerna vid markytan:

1)  NO₂ + ultraviolett ljus ☼ → NO + O  (Solens strålar bryter ner kvävedioxiden)

2)  O₂ + O → O₃  (Den ensamma syreatomen som är över från 1, reagerar med luftens syre, och blir till ozon)

3)  NO + O₃ → NO₂ + O₂   (Kvävemonoxid reagerar med ozon.)

Ovanstående kedja renderar i sig ingen nettoproduktion av ozon, men om de lättflyktiga organiska ämnena, VOC, tillförs i systemet, kommer VOCns radikaler att reagera med kvävemonoxiden, NO, och bilda nytt NO₂ så att nedersta ledet (3) kan hoppas över och översta reaktionen (1) börja om igen, vilket kan få nettoalstrandet av ozon att öka avsevärt.  Även kolmonoxid, CO, har denna effekt.

Kvävedioxiden kommer i städerna främst som utsläpp från olika motorfordon, från bensinångor, vissa industrier, etc. Inandning av det marknära ozonet, alias "dåliga ozonet", kan orsaka halsirritation, hostande, värk i bröstet, förvärrad astma, emfysem, etc. Dessutom leder höga markozonhalter till nötning på växtlighet och ekosystem: minskade skördar, sämre överlevnad för trädplantor.

Nattetid, lite längre upp, domineras de kemiska reaktionerna av nitrat-radikaler (här betecknade NO₃), vilka bildas genom reaktion mellan ozon (O₃) och kväveoxid NO₂, förutom det som finns naturligt i atmosfären samt utsläpp från bl a jordbruk. Dessutom reagerar NO₂   med NO₃-radikalen, och bildar dikvävepentoxid N₂O₅, en omvändbar process; N₂O₅ agerar mestadels som ett nitratlager.

NO₂ är alltså huvudsakliga ozonreagenten bland kväveföreningarna, men molekylen bildas av de andra sorterna också, genom olika reaktioner. Vid soluppgång sker lejonparten av nedbrytningen till NO₂: genom att det energirika UV-ljuset - med fotonenergin E=h*f - bryter isär nitratmolekylerna.

Lustgas

En annan väsentlig gas i sammanhanget är dikvävemonoxid/dikväveoxid, N₂O, sk lustgas, en växthusgas som dock inte reagerar i troposfären. Däremot gör den en hel del för att bryta ner ozon uppe i stratosfären. Gasen är praktisk att använda vid forskning om och spårning av luftpaketens och luftskiktens förflyttningar, tack vare att dess livstid ligger på över hundra år (på 20 km:s höjd över havet) vilket är en avsevärt längre stund än vad atmosfärens dynamiska processer tar.

Dikväveoxid är en värmeuppfångande växthusgas i samma liga som metan och koldioxid; att reglera även den skulle nog vara nyttigt för klimatet.Gasen ifråga bildas naturligt när kväve i mark och vatten äts av olika bakterier. Molekylerna stiger upp i stratosfären, där majoriteten av dem bryts ned till ofarliga molekyler av kväve, N₂, och syre, O₂, med hjälp av solens strålar.
Men en del av gasen förblir intakt, och kan överleva i hundratals år. Substansen reagerar så småningom med energirika syreatomer och producerar en dödligare förening, kvävemonoxid (NO). Denna molekyl fortsätter sedan med att förstöra ozon. 

N + O₃ → NO + O₂
NO + O → N + O₂
N + O₃ + NO + O → NO + N + 2O₂

Dikvävemonoxidens nedbrytning av ozonlagret är en process som har varit känd sedan 1970-talet, då forskarna oroade sig för miljöeffekterna av flygande överljuds-plan, som släpper ut en hel del ozonnedbrytande kväveoxider.  Huvudsakligen beror problemet dock inte på att dessa plan släpper ut just kväveoxider, utan på att de i regel flyger på högre höjd i stratosfären, där det "goda ozonet" håller till, och det är där kväveoxiderna agerar som ozonförstörare (Nere i troposfären och vid markytan agerar ämnena  - i synnerhet NO₂ - istället som ozon-bildare). NO alstras genom att luftens O₂- och N₂-molekyler reagerar med varandra i den heta jetmotorn. Atmosfärens huvudbeståndsdelar är ju kväve och syre. När kväveoxiden sedan kommer ut i den svalare luften reagerar den delvis med syre, O₂  och delvis med kväve N₂ => NO₂, kvävedioxid, och N₂O

Dikväveoxidens förmåga att förstöra ozon är jämförbar med andra ozon-utarmande ämnen, som kallas hydroCFC-föreningar, (efterföljare till CFC men som också är på väg att avvecklas), men trots att utarmnings-potentialen ligger på samma nivå, kan lustgas ändå ha en mer negativ inverkan eftersom den finns i mycket rikligare mängd.  

Globala mänskliga utsläpp av N₂O ligger på hela tio miljoner ton per år, jämfört med drygt en miljon ton från all CFC.  Forskare menar att människans roll vid produktionen av den skadliga gasen i stort sett har förbisetts. i klimatmodelleringen. På grund av förbränning av fossila bränslen som producerar gasen, samt kvävebaserad gödsling, reningsverk och andra industriella processer som inbegriper kväve, beräknas ungefär en tredjedel av den lustgas som släpps ut per år vara antropogen (människoorsakad).

 

Även om just överljudsflygplans-transporter inte riktigt hunnit bli standard ännu, så lär N₂O-utsläppen (från annat håll än flygplan) nuförtiden förstöra så mycket "bra ozon" som 500 överljudsplan-flygningar per dag vanligen gör. Utsläppen har ökat med ca 0,25 procent per år sedan sedan förindustriell tid.

"Lustgas är, liksom, den bortglömda gasen", säger Don Wuebbles vid University of Illinois i Urbana-Champaign (enligt en artikel i New Scientist, 28 Aug 2009), han som utvecklade metoden för att kvantifiera kemisk ozon-utarmnings-potential.  "Den har alltid ansetts vara [en naturlig växthusgas]. Folk har bara glömt att den ökat." 

/Cecilia

Källor och fördjupning: 
* Lower Atmosphere - Night-time Conditions and Chemistry, 
* Upper Atmosphere, Chlorine Chemistry
(Dr Elmar Uherek, Max Planck Institute for Chemistry)
 * Nitrous Oxide (N2O): The Dominant Ozone-Depleting Substance Emitted in the 21st Century
(A. R. Ravishankara, John S. Daniel, Robert W. Portmann, Science Express, 27 August 2009) 
* Laughhing Gas is the Biggest Threat To the Ozone Layer 
(New Scientist, aug, 2009) 
* Stratospheric Ozone Depletion  
(Chap. 2, The world environment 1972-1992)
* How Does "Bad" Ozone Affect Human Health and the Environment?
(US Environmental protection Agency)
* Tropospheric ozone, smog and ozone-NOx-VOC sensitivity
(Dr Sanford Sillman, University of Michigan)

Bilder i inlägget: 
1. NASAs satellitfoto av smoglager över centrala New York
2. "Aufgeschnittener Metall Katalysator für ein Auto", foto från: Stahlkocher
Katalysatorer fungerar bl a så att de med hjälp av rhodium och platina reducerar NOx-utsläppen. De river ut kväveatomen från inkommande NO/NO₂-molekyler och håller fast kväveatomen, lösgör syret i O₂-form. Kväveatomen kommer så småningom att binda ihop med någon av sina likar som sitter fast på katalysatormetallen, och bilda N₂.  2NO → O₂ + N₂ ,  2NO₂ → N₂ + 2O₂.  För att minska kolmonoxidutsläppen  bränner/oxiderar katalysatorn kolmonoxiden med hjälp av platina/palladium vilket resulterar i: 2CO + O₂ → 2CO₂
3. Formler från Lower Atmosphere - Night-time Conditions and Chemistry,
4. Dikvävemonoxid-molekyl-modell från NOAA Research 
Eftersom molekylen har flera "laddningscentrums"förskjutnings-riktningar, så är det en växhusgas. Den har dessutom dipolmoment, dvs att denna elektronförskjutningslinje även går längs med molekyllinjen ("vågrätt").
5. NASAs F-15B Research Testbed, aircraft #836 (74-0141), med tillhörande Quiet Spike-funktion
NASA bedriver flera forskningsprojekt för att försöka minska temperaturen inuti jetmotorn, så att mindre kväveoxider bildas där. Detta kräver dock stor precision och datorisering av förbränningsskeendet.

Kvävet och klimatmodellerna

I den ständigt växande samlingen vetenskapliga publikationer som på olika sätt behandlar klimatförändringar riktar vi in strålkastaren mot en kortare artikel från december 2009 i tidskriften Geophysical Research Letters.

Artikeln är intressant för att den tar upp ett viktigt problem med dagens generation vegetationsmodeller, dvs den del av en klimatmodell som beräknar hur vegetationen påverkar och påverkas av klimatet. Dagens vegetationsmodeller tar vanligtvis inte hänsyn till tillgång eller brist på näringsämnen (framför allt kväve och fosfor) när man räknar på hur växterna kommer att svara på ökningen av koldioxid. Resultatet blir att man riskerar att överskatta den tillväxtökning hos vegetationen som förväntas som svar på koldioxidökningen, vilket i sin tur innebär att man överskattar hur mycket koldioxid som kan bindas in av vegetationen (det vill säga försvinner ur atmosfären), vilket leder till att man underskattar temperaturökningen under den modellerade tidsperioden.

Vi tittar närmare på problemet:

Kväve är för växter ett av de viktigaste näringsämnena eftersom det ofta ingår som byggsten i proteiner, däribland viktiga enzymer i kloroplasterna. Mängden tillgängligt kväve påverkar därför direkt hastigheten för fotosyntesen, växternas mekanism för energiutvinning och kolinbindning. Därmed påverkas växtens tillväxthastighet, och hur mycket och hur snabbt koldioxid kan tas upp och bindas in som biomassa och därmed tillfälligt försvinna ur atmosfären.

Växter kan inte ta upp kvävgas (N₂) direkt ur atmosfären, utan är beroende av kväveföreningar i marken.

Trots att kvävgas utgör 78 % av volymen i atmosfären är därför tillgängligt kväve en bristvara för växter i majoriteten av jordens naturliga ekosystem [1]. Det finns två sätt för växtligheten att komma åt nytt kväve, antingen genom att utnyttja att vissa bakterier kan fixera kvävgas till användbara kvävemolekyler, eller genom att kväve tillförs utifrån via deposition av kväveoxider och ammoniak från atmosfären.

Dagens klimatmodeller räknar med antagandet att en ökande koldioxidhalt kommer att medföra en ökning av fotosynteshastigheten (”koldioxidgödsling”), vilket leder till en ökning av tillväxthastigheten och åter en ökning av mängden koldioxid som tas upp ur atmosfären. En ökad tillväxt leder till en ökande efterfrågan på kväve, men man har alltså inte tagit hänsyn till hur mycket kväve som faktiskt finns tillgängligt för växtligheten när man modellerar tillväxten under det närmsta århundradet. En av huvudanledningarna till detta är att man saknat bra metoder för att räkna på hur en sådan kvävebegränsning skulle se ut. Resultatet blir att man indirekt gör antagandet att kvävetillgången kommer att öka med ökande efterfrågan.

I den aktuella artikeln räknar författarna på något man kallar ”global Nitrogen deficit”, vilket man definierar som skillnaden mellan hur mycket kväve som finns tillgängligt för vegetationen, och hur mycket kväve som skulle behövas för att vegetationen ska kunna lagra in så mycket koldioxid som klimatmodellerna förutsäger. I studien ingår elva kopplade klimatmodeller [2], och man har räknat på tidsserien 1900 till 2050, respektive till 2099.

Resultatet av studien blev att nio av de elva testade modellerna krävde mer kväve än vad som kommer att finnas tillgängligt, och överskattar alltså hur mycket koldioxid som kommer att tas upp. Den beräknade extra uppvärmningen, när kväveunderskottet tagits med i beräkningarna, låg mellan 0.38 och 0.72 grader fram till år 2050, och 0.69 till 1.19 grader fram till 2099.

Studien är en av de första i sitt slag, och siffrorna ovan bör snarast ses som en fingervisning om storleksordningen på en eventuell inverkan. Författarna föreslår att nästa IPCC-rapport (2013) skall innehålla resultat från en ny generation kopplade klimatmodeller där även kvävet inkluderas i modelleringen, och fler resultat lär presenteras inom de närmsta åren.

Fotnoter

[1] Här används ordet ”naturliga” som samlingsnamn på all icke uppodlad mark, ett försök till översättning av engelskans ’unmanaged’ . Det är framförallt landekosystem utanför tropikerna som har kväve som huvudsakligt begränsande närningsämne. Tropikerna och haven begränsas istället framförallt av fosfortillgång, vilket också tas med i studien.

[2] Från C4MIP projektet

LänkarScience daily
Discovery news
Liknande studie (Science daily)
Liknande studie i Geophysical Research Letters