De efterhängsna vulkanerna

Då och då har jag nöjet att komma ut bland folk och prata om växthuseffekten och den globala uppvärmningen. De senaste gångerna har flera personer ur publiken kommit fram till mig efteråt och frågat om inte vulkaner släpper ut mycket mer koldioxid än vad människor gör. Att denna fråga återkommande dykt upp på senaste tiden har slagit mig som lite udda. Är det bara en slump, eller är det någon gammal efterhängsen klimatmyt som väckts till liv där ute någonstans?

Svaret är nej. De årliga utsläppen från vulkaner ligger i dagsläget på någonstans runt 1% av de mänskliga utsläppen. Detta har vi skrivit om tidigare, läs här.

Vår röda grannplanet Mars har försumbara mängder
växthusgaser i atmosfären, och är en kall och öde plats.

Men vulkaner är ett spännande naturfenomen som definitivt spelat roll för jordens klimat. Sakta men säkert pågår en process då kol lagras i geologiska reservoarer genom vittring av jordskorpan och karbonatsedimentation i djuphaven. Här pratar vi långa tidsskalor. Detta är en del i den naturliga kolcykeln, och det som återför kolet till atmosfären är vulkaner. Utan vulkaner hade vi inte haft något liv på jorden, eftersom växthuseffekten hade varit för svag. Det hade varit för kallt för enkla organismer att börja utvecklas.

Vulkaner har antagligen spelat roll för många klimat­förändringar i jordens historia. För ungefär 56 miljoner år sedan (under det paleocena-eocena temperatur­maximumet) injicerades gigan­tiska mängder koldioxid i atmosfären, och temperaturen steg med 5-8°C på "kort" tid. Vid denna tid fanns det inte någon is alls vid polerna. Det är inte entydigt fastställt vad orsaken till kol­dioxid­utsläppen var, men troligtvis var vulkanisk aktivitet åtminstone en bidragande faktor. Denna period är den senaste i jordens historia som möjligen kan mäta sig med hur snabbt koldioxidhalten ökar i dags­läget.

Istider har kommit och gått under de senaste par miljoner åren.

Sedan ett par mil­joner år tillbaka är vi inne i en lite kallare fas (den geologiska period som kallas Kvartär) och is­tider kommer och går i regel­bundna cykler. De stora inlandsisar som återkommande har brett ut sig över Nord­­europa och Nord­amerika har läm­nat spår efter sig, i form av t.ex. stora utspridda sten­block. Andra udda inslag i landskapet är jättegrytorna, de stora urholk­ning­arna i bergen som man trodde var jättarnas kokkärl. De bildades genom att stenblock kilades fast i sprickor i berggrunden. Vatten som forsade förbi när inlandsisen så småningom smälte satte snurr på stenarna som gradvis gröpte ur berget. Redan under första halvan av 1800-talet fanns idéer om att detta var tecken på att det hade funnits en istid, eller till och med flera istider. Men det dröjde flera årtionden, till 1870-talet någonting, innan istids-teorin var fullt ut accepterad i vetenskapssamhället.

Svante Arrhenius var den förste att förutspå en global 

uppvärmning till följd av koldioxidutsläpp från fossila bränslen. 

Ett varmare klimat såg han som något positivt.

Flera sena 1800-talsforskare försökte hitta en förklaring till hur istiderna hade kunnat komma och gå som de hade gjort. Kunde vulkaner ha ett finger med i spelet? Vår egne Svante Arrhenius är känd för att räkna ut hur mycket tem­pera­turen skulle stiga vid en fördubblad koldioxid­halt i atmos­fären. Det är en viktig faktor i dagsläget för att förutsäga fram­tida klimat­för­änd­ringar, men Arrhenius stora in­tresse låg i att förstå just istids-mysteriet, och la fram idén att koldioxid hade spelat en viktig roll. Andra samtida veten­skaps­män hade varit inne på att solen kanske varierat i styrka, eller att geologiska hän­delser kunde ha ändra på mönstret av havsströmmar. Detta imponerade inte på Arrhenius. En förändring av växthuseffekten var mycket mer troligt, tyckte han. En istid hade kunnat sättas igång genom att atmosfären plötsligt fick en minskande kol­dioxidhalt, om till exempel kol bands som karbonater i högre takt än normal. Och vice versa: utträdet ur en istid kanske berodde på att massa koldioxid på något sätt hade släppts ut i atmosfären, till exempel under en period av kraftig vulkanisk aktivitet.

Varmt vatten håller mindre koldioxid än kallt vatten.

Svante Arrhenius hade rätt i att förändrad växthuseffekt var avgörande för istidscyklerna, men idag är den allmänna uppfattningen att det är de så kallade Milankovitch-cyklerna (periodiska förändringar i jordens rörelse runt solen) som triggar igång det hela. Om t.ex. jordens axel lutar extra mycket så att norra halvklotet får ovanligt mycket sol på sig under sommaren, då kan isen smälta så sakteliga och en uppvärmning komma igång. Åter­kopplingar i kolcykeln förstärker sedan en initial temperatur­förändring. Till exempel kan inte lika mycket koldioxid lösas i haven längre om de blir varmare. Koldioxid avges då till atmosfären och ökar på växthuseffekten, vilket ytterligare späder på uppvärmningen.

Den klimateffekt som oftast associeras med vulkanutbrott är egentligen något helt annat. Förutom koldioxid sprutar vulkaner också ut massa små luftburna partiklar. Om det är ett kraftigt vulkanutbrott kan dessa partiklar kastas ända upp i stratosfären där de kan stanna kvar i flera år och sprida sig runt jorden. Dessa partiklar reflekterar bort en del av solinstrålningen, vilket har en avkylande effekt på jorden. När Pinatubo hade ett massivt utbrott 1991 sjönk den globala medeltemperaturen med 0,5°C under ett par år.

Det mesta av detta har vi skrivit om tidigare, så i detta inlägg har jag hållit mig på en lite mer ytlig och lättsam nivå.

Läs här om vulkaners utsläpp av koldioxid.

Läs här om hur snabbt koldioxidhalten ökade under det paleocena-eocena temperatur­maximumet.

Läs här om istider, klimatförändringar och återkopplingar.

Läs här om när vi kan förvänta oss nästa istid.

Läs här om att härma vulkaner och på konstgjord väg injicera svavelpartiklar i stratosfären för att kyla av jorden och motverka den globala uppvärmningen.

Är dagens årliga utsläpp av CO2 högre än under PETM?

Jordens globala klimat avgörs av en mängd faktorer (t.ex.förändringar i Jordens rörelser, plattektonik och solens aktivitet). Växthusgasernas bidrag till klimatförändringar, både till den pågående och i det förgångna, tonas i regel ned av skeptikerna, vilka menar att CO₂ enbart följer temperaturen. Men är det verkligen så? Är CO₂ alltid av mer sekundär betydelse eller ännu mindre, som skeptikerna så ihärdigt framhärdar?

Att det föreligger en koppling mellan temperaturen och CO₂ genom Fanerozoikum har tidigare studier visat, där CO₂ kan sägas utgöra en slags global termostat. Likaså är det troligt att CO₂ var en viktig faktor att Jorden inte förvandlades till ett isklot när värmen från dess bildande klingade av (i.e. nedslag och differentiationen av kärna och mantel). Ett exempel, i den senare delen av Fanerozoikum, på en klimatföränding orsakat av växthusgaser är övergången från Paleocen till Eocen (ca. 56 Ma) när temperaturen steg med ca. 5 °C. Denna, geologiskt sett snabba klimatförändring (ca. 10 ka) kallas för Palaeocene–Eocene Thermal Maximum (PETM)¹. Det finns mycket publicerat kring denna klimatförändring, varav en reviewartikel från 2006 kan vara intresse för den vetgirige.

Paleogeografisk rekonstruktion av Eocen för ca. 50 millioner år sedan. Sydamerika och Nordamerika satt inte ihop och kollisionen mellan Indien och Asien har nyligen startat. Bilden är skapad av Ron Blakey.

Att det var växthusgaser som orsakade denna temperaturstegring påvisas av:

• En kraftig minskning av kvoten ¹³C/¹²C, dvs. mycket negativa δ¹³C värden², i både marina och terrestriska karbonater samt i organiskt matrial.>

• Karbonat kompensations djupet (KKD) steg väsentligt när kvoten ¹³C/¹²C minskade, vilket indikerar tillförsel av CO2 till haven och medföljande sänkning av pH.

• PETM avslutas med omfattande avsättning av marina karbonater, vilket är den förväntade effekten av en CO2 ökning i atmosfären då det leder till intensivare kemisk vittring vilket i sin tur ökar havens alkalinitet.

Dessa sedimentära och isotopiska observationer visar att CO₂, primärt eller sekundärt via oxidation av CH₄, sannolikt låg bakom PETM. Vad som orsakade CO₂ och/eller CH₄ ökningen är inte kännt. Flera olika källor kan ha bidragit som sönderdelninen av metanhydrater, oxidering av terrestriskt och marint organiskt material, samt CO₂ från vulkaner/upphettning av sediment med organiskt material. Likaså har inte hastigheten av denna tillförsel av växthusgaser varit känd.

En ny studie (Cui m.fl, 2011) har nyligen publicerats vilken tar upp hur snabbt denna ökning av CO₂/CH₄ inträffade³. Studien har utförts på Svalbard i närheten av den gamla Svenska kolgruvan Sveagruva. De undersökta marina sedimenten visar en δ13C förändring på ca. -4‰ under loppet av ca. 20 ka. Genom kolcykel modellering (GENIE) föreslår Cui m.fl. två alternativa scenarior till deras data under PETM⁴: (i) ett CH₄ tillskott till ett hav med en initialt grund KKD, och (ii) ett stort CO₂ tillskott till ett hav med en initialt något djupare KKD. Av dessa förefaller det senare scenariot stämma bättre, då KKD förefaller stigit under PETM. Dessutom, Cui m.fl modelleringar visar att den maximala årliga ökningen av kol under PETM (0.3-1.7 Pg) understiger väsentligt dagens förbränning av fossila bränslen på 8 Pg per år.

Förvisso, 56 Ma är en lång tidsrymd, även geologiskt sett, vilket gör att PETM inte utan vidare kan användas som en analog till dagens global uppvärmning. Men, om denna nya studie visar sig stämma, är det sannerligen ett riskabelt experiment männskligheten ägnar sig åt, vars effekter på det globala klimatet och haven våra efterkommande kan tvingas leva med.

¹ PETM sammanfaller med ett massutdöende för bentiska (bottenlevande) foraminiferer och global expansion av subtropiska dinoflagellater. Även de första fynden av de moderna däggdjuren (e.g. primater) sammanfaller med PETM, samt en tillfällig dvärgväxt hos vissa däggdjursarter.

² δ13C är kvoten i tusendelar mellan ¹³C/¹²C i ett prov relativt till en standard minus 1. Den isotopiska kolsammansättningen varierar beroende på dess ursprung: (i) CO2 från manteln är isotopiskt tung (ca. -5‰), (ii) CO2 från växter varierar från ca. -10‰ till -30‰ pga. fraktioneringen mellan ¹³C och ¹²C är högre för C3 växter än för C4 och CAM växter), (iii) CH4 är mest fraktionerad, från ca. -60‰ (biogent alstrad) till ca. - 30‰ (termisk krackning av petroleum). Noterbart är att kolisotopsignaturen i ett sediment även kan påverkas av inblandingen av fossilt organiskt material, e.g. när orogeneser exponerar äldre bergarter med avvikande kolisotopsignatur.

³ Cui m.fl försöker även hitta källan till ökningen av ¹²C, dock utan att kunna klargöra vad som orsakat denna ökning i sedimenten från Svalbard. Exempelvis tittar de på biomarkörer, som kvoten pristane/phytane. Höga pristane/phytane värden (>3) är vanligt för terrestriskt organiskt material avsatt under oxiderande förhållanden. Dock, låga pristane/phytane värden (<1) behöver inte nödvändigtvis spegla källan till det organiska materialet utan kan reflektera en övergång från oxisk till anoxisk sedimentations miljö.

⁴ Kolisotopsammansättningen i datan speglar deras källor, men avslöjar inte vilka de var. Det kan varit en mix av de olika källorna som fotnot 1 anger. Eftersom CH4 överlag har mer negativa δ13C signaturer än CO2 kan de båda scenariorna ses som spännvidden på kol tillskottet under PETM. Dock, i båda scenariorna överstiger dagens utsläpp av CO2 den maximala ökningen av kol under PETM.