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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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




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

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

Lägre troposfären

Lägre stratosfären

Övre stratosfären

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

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

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

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

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

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

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

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

Vad är det som värmer världen?

Bloomberg har en fin visualisering av hur ett antal faktorer ("forcings") som förändringar i jordbanan, solen, vulkaner, skogsavverkning, ozon, aerosoler och växthusgaser (bl a CO2) har bidragit till den globala temperaturförändringen under perioden 1880 till 2005. Det här bygger på NASAs "ModelE2".

Varthän den globala uppvärmningen?

"The Yale Forum on Climate Change and the Media"  har en bra artikel av David Appell om "uppvärmningspausen". Här finns synpunkter från bl a  Trenberth, Pielke Sr, Santer och Pierrehumbert, och man tar upp frågor om klimatkänsligheten, om intern variabilitet som ENSO och PDO, om aerosoler, och om havens uppvärmning. Så här börjar den:

Is global warming slowing down?
Is the past 10 to 15 years — which have seen little net change in the average surface temperature of the Earth despite ever-larger carbon dioxide emissions — an indication that climate change will not be as bad as previously projected? That the atmosphere is less sensitive to carbon dioxide than many scientists have concluded based on their understanding of the scientific evidence? That the warnings from those in-the-know are overblown and the world can keep burning fossil fuels?
These questions, percolating for a few months in the blogosphere, came to a head with a recent article in The Economist questioning climate sensitivity — the amount of surface warming expected for a doubling of atmospheric carbon dioxide levels. “The climate may be heating up less in response to greenhouse-gas emissions than was once thought,” read the article’s tagline. “But that does not mean the problem is going away.”
The second half of that conclusion is certainly right. Even if climate sensitivity is somewhat less than the IPCC’s median value of about 3 degrees Celsius, atmospheric carbon dioxide levels are increasing exponentially, so a smaller value merely buys an extra decade or two until the same amount of warming is reached.
But is the climate less sensitive to greenhouse gases like carbon dioxide and methane than has been forecast?

Aerosoler som ögongodis

Klicka för full storlek
William Putman, NASA/Goddard

Porträtt av aerosoler från högupplöst klimatmodell vid NASA Center for Climate Simulation.

Rött - damm som virvlas upp från marken
Blått - salt från havet som frigörs i cykloner
Grönt - rök från bränder
Vitt - sulfater från förbränning av fossilt bränsle och vulkaner

Koldioxid, svavel och global uppvärmning

Den fossila bränsleanvändningen innebär inte bara koldioxidutsläpp utan också utsläpp av bland annat svaveldioxid som bildar en avkylande aerosol. I detta inlägg tittar vi lite på effekterna av detta idag och i framtiden.

De årliga koldioxidutsläppen har ökat kraftigt de senaste 60 åren till över 8 miljarder ton kol per år.

Koldioxidutsläpp från fossilt bränsle 1800-2000 (Global Warming Art)

Fram till 80-talet ökade även svavelutsläppen i takt med koldioxidutsläppen. Under 70-talet uppmärksammades problemen med försurning och andra otrevliga effekter av svavelutsläppen och insatser för att minska utsläppen gjordes. Sedan 80-talet fram till 2000 har svavelutsläppen minskat trots ökande koldioxidutsläpp medan det finns tecken på en ökning igen under 2000-talet. (Smith et al 2011)

Det finns en viktig skillnad mellan svavelutsläppen och koldioxidutsläppen som påverkar hur de bidrar till klimatförändringarna:

• Koldioxiden är en långlivad växthusgas i atmosfären. Detta betyder att mängden koldioxid i atmosfären är beroende av det kumulativa utsläppet över tid. Upptaget av koldioxid är en komplicerad process på många tidsskalor men under de senaste decennierna har intressant nog upptaget som andel av våra utsläpp varit nära konstant på knappt 60%. Alltså drygt 40% av de årliga utsläppen har stannat kvar som en ökning av koldioxidnivån under året.
• De aerosoler som bildas av svavelutsläppen är kortlivade och regnar snabbt ut ur atmosfären. Svaveldioxidens effekt i atmosfären beror på de pågående utsläppens storlek.

Denna skillnad har viktiga konsekvenser för hur effekten av utsläppen fördelar sig över tiden vid ökande utsläpp. För att illustrera detta visar jag en enkel modell utgående från utvecklingen sedan mitten av 1900-talet. Modellen antar linjärt ökande koldioxidutsläpp med tillhörande proportionellt ökande svavelutsläpp. Efter 50 år är radiativa påverkan från koldioxidökningen 2 W/m² och från svavelutsläppen -1 W/m². Resultatet är detta:

Då koldioxidens effekt beror på den ansamlade mängden i atmosfären medan svavlets effekt beror på de pågående utsläppen "vinner" svavlet över koldioxiden de första decennierna därefter stiger nettot snabbt då de ökande koldioxidutsläppen ökar akumuleringstakten så väl som mängden i atmosfären. Förändringar av svavelutsläppen relativt koldioxidutsläppen påverkar förändringstakten (derivatan) hos påverkan. Om koldioxidutsläppen fortsätter att öka men svaveldioxiden stabiliseras, så som senaste 30-åren, ökar nettot snabbare, motsatsen gäller om förhållandet mellan utsläppen går åt andra hållet.

Förutom svavel släpps andra aerosoler ut, så som tex. sot, som alla är kortlivade i atmosfären. Kombinationen av de olika typerna av utsläpp och aerosolernas mångfasetterade inverkan i atmosfären gör att medan växthusgasernas strålningspåverkan är känd med stor noggrannhet så är osäkerheten i aerosolernas påverkan betydligt större.

Bedömd påverkan från aerosoler och växthusgaser. Notera att växthusgasernas effekt är känd inom betydligt mindre felgränser än aerosolernas. Från IPCC AR4 fig. 2.20

Förutom att aerosolutsläppen maskerar en del av koldioxidens växthuseffekt betyder den kumulativa effekten hos koldioxidutsläpp att påverkan från dessa kan förväntas öka så länge utsläppen överstiger det årliga upptaget. För att stoppa ökningen av koldioxid i atmosfären måste alltså utsläppen av fossilt kol minska ordentligt och med tiden närma sig noll. Men det betyder att även aerosolutsläppen minskar och närmar sig noll. Aerosolernas kylande verkan kommer då att minska snabbt, då de är beroende på de pågående utsläppen, och avmaskera koldioxidens påverkan som fortsätter under lång tid medan mängden koldioxid långsamt minskar.

Forskarna Armour och Roe publicerade i början av året en studie (pdf här) av effekten av en snabb minskning av de fossila utsläppen till noll. De utgick från de möjliga kombinationer av aerosol-, växthusgaspåverkan och klimatkänslighet som beskriver 1900-talets temperaturökning respektive är i överensstämmelse med IPCCs värdering av klimatkänsligheten. Responsen i framtida temperatur visar sig bli mycket osäker. Om aerosolerna har liten effekt kommer temperaturen följa minskningen av växthusgaser och sjunka under dagens förhållandevis snabbt men om aerosolerna har stor kylande effekt skjuter temperaturen i höjden då koldioxidens fulla påverkan slår igenom och temperaturen kommer under flera sekel vara över dagens.

Temperaturrespons vid en snabb minskning av fossila utsläpp. Ljusblått - område som är förenligt med 1900-talets temperaturförändring, Mörkare blått - klimatkänslighet inom IPCCs "mycket troligt" (1,5 till 10 grader), Mörkblått - klimatkänslighet inom IPCCs "troligt" (2,0 till 4,5 grader)

Artikeln understryker både effekterna av osäkerheten kring aerosolernas påverkan och skillnaden mellan de långlivade växthusgaserna och de kortlivade aerosolerna. Båda viktiga för förståelsen av forskningens slutsatser kring dagens och morgondagens klimat.

Antropogen temperaturökning under 1900-talet

Att globala medeltemperaturen stigit 0,7-0,8 grader under 1900-talet är idag ställt utom varje rimligt tvivel (se tex här). Men hur stor del är på grund av mänsklig aktivitet?


För att kunna svara på frågan måste vi ta reda på hur temperaturen skulle utvecklats utan mänsklig påverkan.

De viktigaste naturliga faktorerna är förändringar i solinstrålning och kylning på grund av vulkanism. De viktigaste antropogena faktorerna är utsläpp av koldioxid och andra växthusgaser, utsläpp av kylande (svaveldioxid) och värmande (sot) aerosoler, avskogning samt förändringar av ozonförekomst¹. Nedanstående figur visar hur påverkan från dessa faktorer bedöms ha förändrats under förra seklet.
Förutom dessa påverkningar måste man ta hänsyn till återkopplingar i klimatsystemet som tex. mängden vattenånga i atmosfären och is/snötäcke. För att göra detta behöver vi en modell av hur klimatet fungerar. (Det är alldeles för komplicerat för att beräkna på en servett.)

Så vad blir resultatet om vi använder moderna klimatmodeller och jämför temperaturutvecklingen under 1900-talet med och utan mänsklig påverkan. Svaret kan vi tex. återfinna i senaste IPCC-rapporten.

a) Med både naturlig och mänsklig påverkan. b) Med bara naturlig påverkan. Svart kurva observerad temperaturutveckling. IPCC AR4 WG1 ch. 9 fig. 9-5

Resultaten från modellberäkningar visar att antropogena faktorer står för mellan 85 och 115 % av den observerade temperaturhöjningen under förra seklet². Det är alltså helt korrekt att beskriva 1900-talets uppvärmning som ett resultat av mänsklig aktivitet framför allt i form av förbränning av fossila bränslen.

________________________________

1) Mänsklig aktivitet har inte bara tunnat ut ozonskiktet i stratosfären utan även ökat mängden marknära ozon. Ozon är en växthusgas så ökningen av marknära ozon bidrar till temperaturökningen. En annan klimateffekt av marknära ozon som uppmärksammats på senare tid är indirekt påverkan genom dess skadlighet för växter.

2) Se även om koldioxidens andel i uppvärmningen här

Figur 1: Källa

Vad betyder vulkanutbrottet på Island för klimatet?

Vulkanutbrott¹ är mäktiga företeelser som kan orsaka katastrofer. Islands position, en hotspot på den atlantiska spridningsryggen, är unik i flera avseenden och något av en mecca för geologer samt en ypperlig plats för studier av Jordbävninspredikation. Ett av de värre vulkanutbrotten på Island är sprickeruptionen 1783-1784, vilket hade katastrofala följder för Islands befolkning. Framförallt Europa men även Nordamerika drabbades också av detta utbrott med tusentals döda som följd. Troligen var detta utbrott en starkt bidragande orsak till 1784 år ovanligt kalla vinter. Det mest spektakulära exemplet på dylika naturkatastrofer i historisk tid är troligen eruptionen på Santori som inte bara kan orsakat den Minoiska kulurens undergång utan även utgjort inspirationskälla till Platons litterära berättelse om Atlantis. Men vulkanutbrott kan även ha en global påverkan på klimatet. De kan tom varit starkt bidragande faktorer till massutdöendena som inträffade i slutet på Perm och Krita.

När delar av manteln smälter kommer magman att stiga. Hur högt beror på trycket som de överliggande bergarterna utövar, dvs. tjockleken på den oceaniska eller kontinentala litosfären. Vogt (1974) visade att höjden på oceaniska vulkanöar är proportionell mot tjockleken på den underliggande litosfären. Alla magmor stiger dock inte direkt från astenosfären till jordytan utan samlas högre upp i litosfären i en sk magmakammare. Magmakammaren kommer antingen att tömmas eller så stelnar magman och bildar en intrusion. Vid omfattande vulkanutbrott kan stora delar av magmakammaren tömmas. Detta resulterar stundtals i att den centrala delen av vulkankäglan sjunker ner i den tömda magmakammaren och bildar en cirkelformad depression, en sk kaldera. Lavan erupterar antingen längs med en flera kilometer lång spricka, sprickeruption, eller ur en krater, centraleruption. Det är ur den förstnämnda typen av eruption som de allra största volymerna av lava erupterar. Skillnaden mellan krater och kaldera, förutom deras genes, är att kratern vanligtvis är mindre än en kilometer i diameter medan kalderans diameter kan vara tiotals kilometer. Subaerila (på land) vulkaners morfologi bestäms av lavans sammansättning och mängden gas. Tre typer urskiljs:

• Sköldvulkan, den största typen domineras av basaltisk lava med små mängder pyroklastiskt material. Vanligast i havsområden.


• Stratovulkan, alternerande lager av lava och pyroklastiska fragment. Därav kallas denna typ även för skiktvulkan. Sammansättning är mera komplex än för de andra. Andesit är en vanlig komponent i dessa vulkaner men även basiska och sura vulkaniter ingår i varierande utsträckning. Detta förklarar de olika skikten som bygger upp vulkankäglan. Vanligast i subduktionsrelaterad vulkanism.


• Cinder cone, byggs upp av pyroklastiskt material, huvudsakligen av basaltisk sammansättning.

Utbrottsprodukterna består av tre saker:

• Lava.


• Pyroklaster.


• Gaser.

Beroende på viskositeten och mängden gas kommer lavan att utgjutas olika på jordytan. Basaltiska lavaflöden har låg viskositet. Detta gör att gasen kan frigöra sig från magman vilket emellanåt skapar en fontän av lava. Runt lavafontänen kommer de nedkylda lavafragmenten att samlas och bilda en sk. cinder cone. Således bildas dessa slagghögar oftast av lågviskösa basaltlavor. Vanligtvis är eruptionen av basiska lavor lugna, men det finns två undantag. Den ena är att en ny eruption kan inledas explosivt när magman tvingar sig fram mot jordytan. Den andra är när vatten i någon form kommer i kontakt med lavan (eng. phreatic activity) eller med magman (eng. phreatomagmatic activity). Basiska lavors egenskaper gör att de kan flyta ut över jordytan och täcka stora arealer. De allra största lavavolymerna som har hittats är de sk platåbasalterna (eng. flood basalts, lava plateaux). Platåbasalter är resultatet av eruptioner, huvudsakligen sprickeruptioner, av mycket stora mängder lågviskös basaltlava vilken därför har kunnat flyta ut över stora områden. Upprepade stora utbrott under en längre tid har resulterat i tjocka basalttäcken, även kallad trapp eller "traps". "Traps" kommer faktiskt från det svenska ordet trappa! Den största hittas i Sibirien och innan den eroderades täckte den en yta på 2.500.000 km2 (2.000.000 km3). Enligt White och McKenzie (1989) har dessa enorma lavaflöden bildats i samband med uppsprickningen av en kontinent över en hetfläck. En modern fast mycket mindre analog till dessa lavaflöden är Island som byggs upp av flera lager av platåbasalt.Ytan på basaltlavor reflekterar deras viskositet. Sålunda hittas tre typer av flöden:

• Pahoehoe Ytan är jämn, ofta valkig. Bildas av lågviskösa lavor. Hittas vanligtvis på sköldvulkaner och på platåbasalter.


• Aa Sönderbruten yta. Bildas av visksösa lavor.


• Blocklava Ytan består av polyedriska block vilka, till skillnad från aa-lava, har jämna ytor. Denna stelningstyp bildas av de högviskösa basaltiska lavorna och de bildas företrädelsevis vid subduktionszoner. Blocklava är dock vanligare för andesitiska lavor.

Andesitiska lavor har högre viskositet. Därför är lavaflöden av andesitisk sammansättning mycket kortare.

Pyroklastiter bildas framförallt vid explosiva eruptioner. Vulkanism brukar föra tankarna till lava som strömmar ut från en vulkankägla, men faktum är att större delen av subaeril vulkanism, vilken finns huvusakligen vid subduktionzoner, utgörs av pyroklastiter. Pyroklastiter uppdelas i följande grupper, baserat på kornstorleken:

• Aska (<2mm).


• Lapilli (64-2 mm).


• Bomber och block (>64mm). Bomber bildas när smält lava kastas upp i luften och block bildas när redan stelnad lava kastas upp i luften.

Grövre fragment som lapilli och uppåt kan pga. sin storlek inte kastas iväg några längre sträckor. Aska däremot kan skickas ända upp i stratosfären och när den faller ner kommer den därför att få mycket stor utbredning. När stora mängder aska når stratosfären bildas ett stoftmoln som avskärmar Jorden från solen. Resultatet blir att temperaturen hastigt minskar. 1783 inträffade en stor sprickeruption på Island vilket kortsiktigt orsakade ett kallare klimat. Betänk då den Sibiriska platåbasalten, vilken inverkan den torde haft på klimatet! Man tror att flertalet av flacka bildningar av ryolit inte är lavaflöden utan av pyroklastiskt ursprung. Dessa har bildats exempelvis genom att en lavin av glödande askmoln, núee ardente, har rört sig ner för vulkanen. De undre delarna av askmolnet har pga. tyngden av överliggande material trycks ihop och eftersom askan var mycket varm svetsades partiklarna ihop. Denna ihopläkta bergart kallas för ignimbrit. Karakteristiskt för ignimbriter är deras fiamme struktur, som utgörs av ihoptryckta pimpstensfragment som ligger inbakade i en finkornig matrix av glasigt material. När pyroklastiskt material längs med vulkanens sidor blir mättat med vatten kommer dess friktion mot underlaget att minska. Till slut kan de okonsoliderade massorna helt tappa fästet och röra sig snabbt ner för sluttningen som en lervälling. Detta kallas för slamström, eller lahar.

Gas finns löst i alla magmor i större eller mindre utsträckning. Vanliga gaser är H2O, CO2, SO2, och H2S. Eftersom ryolitiska och andesitiska magmor är explosiva är det svårare att ta reda på deras gassammansättning, men studiet av gasfyllda blåsor i ryolitiska och andesitiska lavor indikerar att vattenånga dominerar medan CO2 och SO2 är vanligare hos basiska lavor.

Det mest långlivade av utbrottsprodukterna är koldioxid, men den mest direkt märkbara effekten av vulkanutbrott regionalt sett är svaveldioxid och partiklar av vulkanaska (se bilden). Partiklarna består av mineraler och är så stora att de snabbt faller ner till marken. Svaveldioxiden kommer genom atmosfärskemiska processer omvaldlas till svavelsyra som kondenserar och bildar droppar som är såpass små att de kan hålla sig svävande i luften. Dessa så kan sedan påverka processer i atmosfären på ett antal olika sätt. En mycket viktig faktor är hur högt upp i atmosfären gaserna från vulkanen kommer. Eyjafjallajökullvulkanen, som har sitt utbrott nu, har skickat upp gaser upp till 6 kilometerers höjd, vilket är lägre än tropopausen. Det innebär att svaveldioxiden stannar i troposfären, som är mycket dynamiskt så de bildade dropparna förvinner inom några dagar.

Vi kan jämföra med vulkanen Pinatubos utbrott 1991 som skickade upp gaser upp till 24 kilometer över havet, alltså upp i stratosfären. Stratosfären är mycket mindre dynamisk än troposfären och droppar av svavelsyra kan stanna där i många månader. Där uppe bidrar dropparna till att skärma av inkommande solstrålning och har således en avkylande effekt på klimatet. Det är en artificiell variant av den här mekanismen som vissa forskare tror kan vara en sista nödlösning för att dämpa den globala uppvärmingen.

Pinatubos utbrott tros ha sänkt den globala medeltemperaturen med ungefär en halv grad Celsius som mest. Effekten klingade sedan av successivt under något år. Men även om det aktuella vulkanutbrottet haft stora effekter på flygtrafiken är det inte troligt att det kommer ge några större klimateffekter, dels på grund av att mängden utsläppt svaveldioxid är mycket mindre, dels för att Eyjafjallajökullvulkanen inte sprutar upp gaser tillräckligt högt för att ge några långvariga klimateffekter.

¹Delar av vulkanbeskrivningen är taget från Calle Pettersson svenska sammanfatting till kapitel 9 i distanskursen Geologi I grundnivå/15hp. http://www.tellus.geo.su.se/tellus1/tellus1_sv.html

Chalmers Climate Calculator. Del III: Hur väl stämmer vår kalkylator med historiska temperaturdata?

Här kommer del III i vår serie gästinlägg av Christian Azar och Daniel Johansson som båda forskar i fysisk resursteori på Chalmers. De båda tidigare inläggen finns här (del I) och här (del II).

* * *

I denna vår tredje bloggpost om Chalmers Climate Calculator vill vi försöka besvara en fråga som många ställt och som är mycket relevant: I vilken utsträckning reproducerar modellen den globala historiska temperaturutvecklingen (1950-2010)? En lika viktig följdfråga är huruvida man kan använda en sådan analys för att bestämma värdet på klimatkänsligheten. Om man t ex kör modellen med ett högt värde på klimatkänsligheten och då får en bra anpassning gentemot historiska temperaturdata, är det då ett avgörande argument för att klimatkänsligheten skulle vara hög?

I Chalmers Climate Calculators temperaturfigur anges historiska medelvärden för jorden (genomsnittsvärden vid jordytan). Modellen körs från 1800-talet, men i graferna som presenteras på webbsidan visas data enbart från 1950 och framåt. Man ser i temperaturhistorien (t ex i den defaultkörning som kommer upp när man startar modellen) att modellen fångar in de stora trenderna: den långsiktigt ökande temperaturen, och att varje decennium sedan 60-talet blivit varmare än det föregående.

Man ser också att modellen relativt väl fångar in effekten av vulkanutbrott. Den historiska temperaturen år 1991 sjunker t ex ganska kraftigt till följd av Mt Pinatubo, vars utsläpp tog sig in i stratosfären och skylde inkommande strålning. Vi har i modellen lagt in NASAs beräknade kylande effekt från vulkaner, och låtit denna kylning driva vår temperaturmodell. En liknande minskning i temperaturen syns i början av 60-talet och i början av 80-talet, och de berodde också på vulkanutbrott, som man kan se i NASAs data.

Modellen fångar också upp återhämtningen från Mt Pinatubo (och de andra vulkanerna) relativt väl, alltså effekten av att den reflekterande partiklarna föll ut ur stratosfären (vilket gjorde att den temporära kylningen upphörde).¹

Å andra sidan har vi ingen intern klimatvariabilitet i denna enkla modell (alltså variabilitet som t ex beror på förändringar av havsströmmar). Det gör att t ex den höga globala medeltemperaturen 1998 till följd av en stark El Nino inte syns.

En intressant fråga är nu i vilken utsträckning man kan använda vår modell (eller liknande modeller) för att bestämma värdet på klimatkänslighten. Vi vill gärna uppmana läsaren att själv testa olika värden på klimatkänsligheten och se i vilken utsträckning man får en ”god” reproduktion av historiska temperaturdata.

I de resultat som presenteras nedan (figur 1) har vi valt en aerosolforcing på -1 W/m² för år 2005. Det ligger nära IPCCs bästa uppskattning. Vi ser här att en klimatkänslighet på 3 grader per CO₂-ekvivalent fördubbling ger en ganska bra anpassning, medan en klimatkänslighet på 4,5 grader ger en något för hög, och en klimatkänsligheten på 1,5 grader ger en allt för låg temperaturutveckling.

Figur 1. Röd kurva visar historiska data. Gulgrön linje har en klimatkänslighet på 1.5 grader, blå en klimatkänslighet på 3 och svart på 4.5 grader per CO₂ ekvivalent fördubbling.

Man ska dock vara försiktig med att dra slutsatsen att klimatkänsligheten troligen ligger runt 3 grader. Det råder nämligen stora osäkerheter också kring hur stark negativ ”forcing” aerosolerna ger upphov till. Om man antar att klimatkänsligheten är 1,5 grader och väljer en låg negativ forcing för aerosolerna så har vi ju dels ett svagare temperatursvar men också en mindre kylande effekt (detta görs lättast när man kör modellen genom att välja optionen automatically calculated value för aerosolerna). Då reproducerar modellen historiska data väl (för 1900-talet) även för en klimatkänslighet på 1,5 grader (se figur 2 nedan). På samma sätt kan även en hög klimatkänslighet på 4,5 grader fås att ge en mycket god anpassning till historiska temperaturdata om vi antar att den negativa forcingen är starkare.

Figur 2. Röd kurva visar historiska data. Gulgrön linje har en klimatkänslighet på 1.5 grader, blå en klimatkänslighet på 3 och svart på 4.5 grader per CO2-ekvivalent fördubbling.

Man kan alltså med hjälp av en sådan här enkel klimatmodell dels se att temperaturuppgången (1950-2010) kan reproduceras någorlunda väl – och detta är ett av många argument som stödjer påståenden om att mänskliga aktiviteter ligger bakom huvuddelen av den temperaturuppgång som vi observerat. Men varken denna eller liknande modeller kan i kombination med historiska temperaturer användas för att bestämma om klimatkänsligheten ligger närmare 1,5 än 4,5 grader per CO₂-fördubbling (osäkerheten kring aerosoler är för stor)². Försöken att bestämma värdet på aerosolernas negativa forcing och på klimatkänsligheten separat måste alltså gå vidare.


1) Se Wigley T. M. L., Ammann C. M., Santer B. D., Raper S.C.B., Effect of climate sensitivity on the response to volcanic forcing, J. Geophys. Res., 110, D09107, doi:10.1029/2004JD005557. för en liknande analys där man även försökt uppskatta klimatkänsligheten mha temperaturresponsen av vulkanutbrott.

2) Se exempelvis Rodhe H., Charlson R. J., Anderson T. L., Avoiding Circular Logic in Climate Modeling, Climatic Change, Volume 44, Number 4, Pages 419-422 för en diskussion om problemen med ett sådant angreppssätt. Dessutom har vi osäkerheter kring hur snabbt värme tas upp av haven och osäkerheter kring naturliga temperaturvariationer.

Forskarna och den kommande istiden. Vad sa egentligen forskningen på 70-talet?

Vi har alla läst det: på 70-talet varnade forskarna för en kommande istid. Ibland förstärkt med påståenden om att det fanns koncensus kring en snar istid. Men hur var det egentligen?

Det fanns två skäl för global nedkylning som diskuterades i detta sammanhang:

• Aerosoler. Dessa kan både värma och kyla. Den viktigaste kylande aerosolen är svaveldioxid som både reflekterar solljus och förstärker molnbildning vilket ytterligare bidrar till reflektion av det infallande solljuset. Svaveldioxid släpps ut naturligt från vulkaner men även vid förbränning av fossila bränslen. Utsläppen av svaveldioxid ökade kraftigt under 50 och 60-talet för att nå en topp i och med intåget av lågsvavlig olja och rökgasrening under 80-talet.
• Milankovitch-cyklerna. Jordens bana och jordaxelns lutning förändras långsamt i cykler vilket är den utlösande faktorn för istiderna. För ungefär 8000 år sedan var jorden som varmast efter utgången av senaste istiden och vi vet att vi närmar oss en ny period i cyklerna med svalare klimat.

70-talet var en tid då insikten om människans inverkan på klimatet spreds inom vetenskapen och de globala temperaturmätningarna började ta form. Koldioxidutsläppens värmande verkan var känd sedan tidigare och svaveldioxidens kylande verkan samt Milankovitch-cyklerna etablerades under 60- och 70-talet inom vetenskapssamfundet. Dock var de kvantitativa osäkerheterna stora och balansen mellan de olika influenserna bedömdes olika av olika forskargrupper vilket återspeglades i populärvetenskaplig press.

I mitten av 70-talet skrevs det ett antal tidningsartiklar och böcker på temat global nedkylning varav den alarmistiska artikeln i Newsweek 1975 är den som oftast hänvisas till av "klimatskeptiker". En annan populärvetenskaplig artikel på temat, den i National Geographics 1976, beskriver osäkerheterheten kring framtida klimat betydligt mer korrekt:

That earth’s climate changes, and even now may be changing quite rapidly is widely recognized. The questions facing worried experts are: Is the world as a whole cooling off, and perhaps heading into another onset of huge ice sheets? Or are we instead warming the atmosphere of our planet irreversibly with our industry, automobiles, and land-clearing practices? What sort of weather will our children and our grand children know? On the answers may rest the fate of nations and millions of people.

Ser man till den populärvetenskapliga pressen under 70-talet förekom både förutsägelser om global nedkylning som global uppvärmning (till exempel Hothouse Earth 1975). En bakgrund till intresset kring nedkylningshypoteser var att temperaturen på norra halvklotet hade vänt ner efter 40-talet.

Vi vet idag att svaveldioxid har en kraftig kylande effekt och under årtiondena efter andra världskriget var den effekten lika eller större än den värmande effekten av koldioxid. Skillnaden är att koldioxiden ackumuleras i atmosfären under lång tid medan svavlet regnar ut snabbt.¹ 80-talets fortsatta ökning av koldioxidutsläpp och begränsning av svavelutsläppen har permanent tippat över vågskålen i koldioxidens favör.² På 70-talet var det dock inte en omöjlig tanke att svavelutsläppen skulle fortsätta brant uppåt och bli den kraftigaste antropogena påverkan på klimatet.

Hur var det med koncensus i frågan?
En intressant studie av forskningsläget kring kallare/varmare jord i framtiden har gjorts av Peterson et al 2008. De studerade vetenskaplig litteratur utgiven 1965-1979 som diskuterade uppvärmning respektive nedkylning på skalor om decennier eller närmaste hundra åren. Resultatet sammanfattas i diagrammet nedan:
Global nedkylning var aldrig mer än en mindre del av den vetenskapliga klimatförändrings-litteraturen under perioden. Tvärt emot de envisa myterna var alltså 70-talet det årtionde då insikten om global uppvärmning spreds inom klimatvetenskapen. I slutet av årtiondet kom också den omtalade Charney-rapporten med sin summering:

To summarize, we have tried but have been unable to find any overlooked or underestimated physical effects that could reduce the currently estimated [1,5 - 4,5 grader celsius] global warmings due to a doubling of atmospheric CO2 to negligible proportions or reverse them altogether. However, we believe it quite possible that the capacity of the intermediate waters of the oceans to absorb heat could delay the estimated warming by several decades. It appears that the warming will eventually occur, and the associated regional climatic changes so important to the assessment of socioeconomic consequences may well be significant, but unfortunately the latter cannot yet be adequately projected.

Läs mera:
The Global Warming Debate: A New Ice Age
W M Connolley: Was an imminent Ice Age predicted in the '70's? No
Peterson et al 2008: The Myth of the 1970s Global Cooling Scientific Concensus
Spencer Weart: The Discovery of Global Warming

1) 80-talets sura regn och kalkning av sjöar är en påminnelse om detta och svavelutsläppens andra miljökonsekvenser.

2) Om vi inte börjar med svavelbaserad geoengineering.

Om geoengineering

I gårdagens bloggpost berättade jag om Steven Levitts och Stephen Dubners förslag i boken Superfreakonomics på hur vi skall kunna lösa klimatkrisen utan att behöva åbäka oss med minskade växthusgasutsläpp och övergång till grön energi. I korthet går deras förslag ut på att pumpa upp svaveldioxid i stratosfären (den del av atmosfären som sträcker sig från cirka 10 till cirka 50 kilometers höjd). Svaveldioxiden bildar små partiklar, kallade aerosoler, som snabbt sprids och bidrar till att reflektera bort en lagom stor andel av den infallande solstrålningen.¹

Enligt Levitt och Dubner är detta genomförbart i en omfattning som räcker för att kancellera den antropogena globala uppvärmningen, till priset av blott några hundra miljoner dollar per år - en närmast löjligt liten summa jämfört med de kostnader som förknippas med global omställning till grön och förnyelsebar energi. Andra bedömare skattar kostnaden för svavel-i-stratosfären-lösningen en eller två tiopotenser högre², vilket inte ändrar på det faktum att den i motsats till mer konventionella lösningar inte kräver medverkan av all världens länder, utan kan genomföras av ett enskilt land (eller rentav en enskild multimiljardär).

Låter detta för bra för att vara sant? Ja, det finns åtminstone två skäl till att den föreslagna metoden inte trollar bort klimatkrisen:

(1) Global uppvärmning vs klimatförändring. Metoden har potential att hejda den globala uppvärmningen, men inte att stoppa klimatförändringarna. Då vi höjt medeltemperaturen med en mekanism (växthusgaser) och sedan sänker den i motsvarande mån med en annan mekanism (aerosoler) kan vi inte räkna med att uppnå status quo i andra avseenden än just global medeltemperatur. På vissa håll kommer det att bli varmare, på andra håll kallare, och därutöver är stora regionala förändringar i nederbördsmönster att vänta.³

(2) Damokles svärd.⁴ Om vi använder svavel-i-stratosfären-lösningen som ursäkt för att inte dra ned på våra koldioxidutsläpp, så bygger vi in oss i en alltmer prekär situation där vi inte kan avbryta svavelutsläppen utan att orsaka en plötslig katastrofal uppvärmning inom loppet av bara ett par år. Svavelutsläppen måste därför pågå i generation efter generation - men vad vet vi om huruvida den samhälleliga infrastrukturen flera hundra år fram i tiden kommer att klara att upprätthålla ett sådant högteknologiprojekt? Strängt taget ingenting.

Den av Levitt och Dubner förordade metoden är inte ny, utan finns diskuterad i litteraturen sedan decennier tillbaka. Den är ett exempel på så kallad geoengineering⁵, som brukar definieras som avsiktliga åtgärder för att i global skala manipulera miljö och klimat. Många olika metoder metoder finns, och i den utmärkta rapporten Geoengineering the Climate som brittiska Royal Society lade fram i september förra året görs en systematisk genomgång av möjliga metoder, deras potential samt för- och nackdelar vad gäller effektivitet, snabbhet, kostnad och risk för oönskade bieffekter.

Jag skall inte här försöka mig på att upprepa Royal Societys systematiska genomgång, men det är värt att nämna den övergripande uppdelningen i vad vi kan kalla solskyddsmetoderna kontra koldioxidborttagningsmetoderna.

Solskyddsmetoderna handlar om att på olika sätt minska den mängd solstrålning som absorberas av jordytan. Dessa kan i sin tur delas upp i två kategorier beroende på om de ökar jordytans reflektans eller minskar mängden infallande solstrålning. Jordytans reflektans kan ökas t.ex. genom att täcka våra öknar med speglar, eller genom att helt enkelt⁶ måla vägar och hustak vita. Mängden infallande solstrålning kan minskas med den av Levitt och Dubner förordade metoden med svavel i stratosfären (även andra ämnen än svavel är möjliga), medan ett annat fullt möjligt tillvägagångssätt är att skapa konstgjorda moln med solstrålningsreflekterande egenskaper.⁷

Även koldioxidborttagningsmetoderna är av flera slag. De mycket långsamma naturliga vittringsprocesser där silikathaltig berggund reagerar med luftens koldioxid kan snabbas upp till helt andra storleksordningar genom att sådana bergarter grävs fram och exponeras. Även industriella processer kan fånga in koldioxid direkt ur luften (air capture), men ännu krävs många års forskning och utveckling innan kostnaderna är nere på nivåer där det kan göras i stor skala. Och precis som med den CCS-teknik (carbon capture and storage) som av många anses vara kolkraftens räddning, så återstår det icketriviala problemet med underjordisk lagring av den infångade koldioxiden.⁸ CCS-teknik i samband med kolkraft brukar inte räknas som geoengineering eftersom det går ut på att undvika förändring av atmosfärens sammansättning, snarare än att förändra den aktivt. Ett gränsfall (vad beträffar om det bör kallas geoengineering) är då CCS tillämpas på förbränning av biobränsle istället för på kolkraft; skillnaden är att det i biobränslefallet kan ge en negativ nettoeffekt på atmosfärens koldioxidhalt. En besläktad koldioxidborttagningsmetod är nedgrävandet av biologiskt material utan att gå omvägen via förbränning (vilket låter slösaktigt men likväl under vissa omständigheter är ett möjligt konkurrenskraftigt alternativ). Ytterligare andra idéer finns, inklusive sådana som går ut på att tillföra gödningmedel i havet för att ökar mikroorganismers upptag av koldioxid, vars kol sedan transporteras ned i djuphaven via en naturlig process som kallas den biologiska pumpen; ett sådant projekt är dock förknippat med stora ekologiska risker.

Mycket finns att anföra om de olika metodernas relativa för- och nackdelar, men något generaliserat kan koldioxidborttagningsmetoderna sägas vara att föredra framför solskyddsmetoderna då de angriper själva grundproblemet (den höjda koldioxidhalten) snarare än bara symptomen (den globala uppvärmningen). Solskyddsmetoderna stoppar inte klimatförändringarna, och om de används under långa tidsrymder som alternativ till utsläppsbegränsningar placerar de oss och kommande generationer under ett dinglande damoklessvärd; se punkterna (1) och (2) ovan.

En av världens främsta experter på geoengineering, David Keith, betonade därför i ett föredrag på Chalmers nyligen att om storskaligt genomförande av svavel-i-stratosfären-metoden och andra solskyddsmetoder överhuvudtaget kan komma ifråga, så är det i så fall enbart som temporärt bidrag till lösning på en akut klimatkris. Samtidigt framhöll han solskyddsmetodernas allmänna fördel jämfört med koldioxidborttagning, nämligen deras snabbhet: när vi fått ett solskyddsmedel på plats inverkar det genast med full kraft på jordens energibalans vilket kan kyla ned klimatet avsevärt på bara något år. Effekten av koldioxidborttagning däremot, behöver decennier på sig för att märkas i klimatet. Därför håller Keith öppet för att exempelvis svavel i stratosfären kan komma till användning under något decennium eller två, för att kapa en tillfällig temperaturtopp som i annat fall bedöms riskera att kasta klimatsystemet över en eller annan tipping point. Även med ambitiösa utsläppsmiskningar kan en sådan situation tänkas uppstå framemot mitten eller slutet av innevarande sekel, som en följd dels av fortsatt stor osäkerhet om koldioxidens klimatkänslighet (den temperaturökning som en fördubbling av koldioxidhalten leder till), dels av den stora tröghet i klimatsystemet som gör att temperaturen kan fortsätta stiga många decennier efter att vi lyckats vända koldioxidhalten nedåt.

En annan viktig lärdom som David Keith inskärpte i sitt föredrag är att ingen av de geoengineeringmetoder som föreslagists, vare sig vi talar om solskydd eller koldioxidborttaggning (inklusive den air capture-teknologi som han själv för närvarande arbetar intensivt med), erbjuder någon tydlig mirakelkur som ger oss alibi att strunta i att minska våra växthusgasutsläpp. Däremot behövs forskning kring de olika metoderna, hur de kan implementeras till så låg kostnad som möjligt, och vilka risker som finns för oönskade bieffekter (vi vill t.ex. inte skicka upp något i stratosfären som kan slå ut ozonskiktet; ej heller vill vi mixtra med oceanerna på ett sätt som riskerar att slå ut känsliga ekosystem). I en debattartikel i New York Times i september 2008 efterlyser Keith tillsammans med forskarkollegan Thomas Homer-Dixon en seriös satsning på forksning inom området. Men det får helst inte bli för mycket av det goda: i en intervju i tidskriften The Atlantic sommaren 2009 säger han att "anslag till forskning om geoengineering behövs, men det värsta som i dagsläget skulle kunna hända vore om Barack Obama imorgon med pompa och ståt annonserade en satsning om flera hundra miljoner dollar på området".

Varför då denna överraskande modesta inställning från David Keiths sida? Skälet ligger i begreppet moral hazard, som används inom bl.a. försäkringsbranschen för risken att en kund som försäkrat bort vissa risker därmed lockas till ett mer våghalsigt leverne.⁹ I samband med geoengineering består risken i att ett alltför stort publikt fokus på området kan invagga oss i säkerhet, och få oss att tänka att vi nog i framtiden finner en eller annan enkel lösning på klimatkrisen, varför vi inte idag behöver bry oss om att begränsa våra växthusgasutsläpp.

Med tanke på denna moral hazard, gör jag rentav fel som genom denna bloggpost bidrar till spridning av kunskaper om geoengineering? På denna fråga svarar jag nej, och jag har två saker att anföra till mitt försvar. För det första menar jag att öppenhet och demokrati är viktiga saker, och att vi bör vara oerhört försiktiga med att avsiktligt undanhålla allmänheten vetenskapliga landvinningar.¹⁰ För det andra har frågan om geoengineering kommit att diskuteras alltmer bland högerekonomer och naiva teknikoptimister¹¹, och det vore enligt min mening förödande om vi som är lite klokare och mer sansade¹² lämnade fältet fritt åt dem att ensamma definiera agendan på området.

Fotnoter

1) Mängden svaveldioxid som behöver tillföras per tidsenhet är för övrigt betydligt mindre än den vi idag tillför atmosfären i markhöjd - Levitt och Dubner skattar den erforderliga mängden till mindre än 1% av dagens utsläpp (Superfreakonomics, s 196). Poängen med att skicka upp svavlet i stratosfären är att det där uppe blir kvar så mycket längre än om det släpps ut i troposfären (den nedre delen av atmosfären).

2) Se t.ex. Geoengineering the Climate, Royal Society 2009, s 32.

3) Lägg härtill att de problem utöver förstärkt växthuseffekt som koldioxidökningen orsakar - främst försurningen av världshaven - inte löses. Som en påminnelse om att den globala medeltemperaturen blott är en av många parametrar som vi behöver hålla inom rimliga gränser tjänar den uppmärksammade artikeln A safe operating space for humanity av Johan Rockström m.fl. i Nature 2009.

4) Enligt den grekiska legenden placerade kung Dionysos II den fjäskande hovmannen Damokles under ett svärd upphängt blott av ett hårstrå, för att på så vis lära denne att med kungamakt följer ockå oro och fruktan.

5) Vad skall vi kalla det på svenska? Ord som geoteknik och klimatteknik är dessvärre upptagna av andra betydelser. Det bästa förslag jag lyckats komma på är planetär ingenjörskonst, men det är en smula klumpigt. Jag fortsätter därför tills vidare att använda det engelska ordet.

6) Uttrycket "helt enkelt" kan vara lite missvisande här: metoden beräknas höra till de mer kostsamma i förhållande till uppnådd effekt.

7) Ett (ännu) mer futuristiskt förslag går ut på att låta föremål i rymden blockera solstrålning. Dessa kan placeras i omloppsbana runt jorden eller i den så kallade Lagrangepunkten L1: den punkt cirka 1 500 000 km från jorden i riktning mot solen där jordens och solens dragningskraft balanserar varandra. Idén med rymdbaserad geoengineering är för övrigt inte ny: redan i slutet på 50-talet närde Sovjetunionen grandiosa planer på att skicka upp aerosoler i omloppsbana runt jorden på sådant sätt att vi förses med ringar à la Saturnus. Dessa skulle ge skugga och svalka åt tropikerna, och samtidigt reflektera ned extra ljus på det kylslagna Sibirien. Se t.ex. David Keiths uppsats Geoengineering the Climate: History and Prospects.

8) Air capture är tekniskt svårare än den koldioxidinfångning som planeras i samband med kolkraft, på grund av att luftens koldioxidhalt är så mycket lägre än koldioxidhalten i utsläppen från kolförbränning. Air capture-infångning av andra antropogena växthusgaser än koldioxid är i princip tänkbart, men betraktas inte som något lovande alternativ då dessa gaser har ännu mycket lägre halt i luften.

9) Ett annat exempel på moral hazard dyker upp i samband med finanskrisen och statliga hjälpinsatser för att rädda banker: risken finns då att bankerna lockas till fortsatt vårdslöst risktagande eftersom staten ju ändå räddar dem ifall de skulle råka i knipa igen. (Både Klas Eklund och Johan Norberg uppmärksammar fenomenet i sina respektive analyser av finanskrisen, men drar olika slutsatser.)

10) Dock vill jag inte ens på denna punkt vara dogmatisk. Recept på framställandet av massförstörelsevapen är ett exempel där återhållsamhet i informationsspridning kan vara en bra idé. Se t.ex. Jan van Akens artikel i Heredity 2007.

11) Förutom Levitt och Dubner har t.ex. också Björn Lomborg börjat förespråka geoengineering. Vad gäller Lomborg kan vi notera att han, från att (i böcker som t.ex. Global Crises, Global Solutions och How to Spend $50 Billion to Make the World a Better Place) motsätta sig begränsningar i koldioxidutsläpp med motiveringen att det är viktigare att bekämpa malaria, nu har gått över till att motsätta sig samma sak med hänvisning till billigare och bättre metoder att i framtiden hejda den globala uppvärmningen. Är jag orättvis mot Lomborg om jag tolkar honom som att det viktiga för honom är frihet från höga koldioxidskatter, och att den argumentativa vägen dit är av underordnad betydelse?

12) Detta skrivet med fullt medvetande om att placerandet av mig själv i denna kategori kan komma att ifrågasättas av en eller annan läsare.

Aerosoler, moln och klimat: Kosmiska strålar I

Vi har i en tidigare post givit en introduktion till luftburna partiklars inverkan på väder och klimat. Efter vår post om solens inverkan är det nu dags att gå igenom de påstådda sambanden mellan kosmiska strålar och molnbildning, och därigenom vårt klimat.





Så som filmen demonstrerar krävs det partiklar som vattenånga kan kondensera på för att dimma eller moln ska bildas. Annars håller sig vattenångan övermättad i luften. Partiklar med egenskapen att vara "attraktiva" för vattenånga att kondensera på kallas molnnukleationskärnor (CCN, Cloud Condensation Nuclei). En viktig egenskap är att de inte får vara för små, en diameter runt 100-200 nanometer ett vanlig tröskelvärde. En stor del av antalet partiklar i atmosfären är så kallade sekundära partiklar, vilket avser att de är bildade genom kondensation av gaser. Exempelpå detta är organiska ämnen, som vid oxidation i atmosfären blir mindre flyktiga (dvs får lägre jämviktsångtryck), blir övermättade och tillsammans med vattenmolekyler kondenserar till fast fas eller vätska. Svaveldioxid som blir till svavelsyra och kväveoxider som blir salpetersyra kan gå samma öde till mötes.

Figur 1. Blåaktigt dis bestående av sekundära partiklar i Blue Mountains, Australien.

Nukleationshändelser
Dock bildas som regel inte nya partiklar kontinuerligt i atmosfären. Så länge bildandet av mindre flyktiga ämnen i luften sker tillräckligt långsamt och det redan finns partiklar kommer de bildade molekylerna att fastna på de redan befintliga partiklarna istället för att bilda nya. Under speciella mikrometeorologiska förutsättningar, med snabb oxidation och få redan befintliga partiklar, kan nya partiklar bildas i stort antal. Dessa sk. nukleationshändelser har observerats i vitt skilda miljöer, allt från finsk barrskog som är nästan helt opåverkad av mänsklig aktivitet till kraftigt förorenade områden som exempelvis Mexico City.

Både naturliga och människoalstrade ämnen deltar i dessa processer. Det som händer i grova drag är att molekyler klumpar ihop sig till kluster, som sedan växer till genom att fler molekyler fastnar på dem. Den detaljerade beskrivningen av processen är dock oklar, mycket beroende på svårigheter med mätteknik. Sedan många år tillbaka finns mätutrustning som klarar att räkna partiklar med diametrar ner mot ungerfär 3 nanometer, vilket möjliggjort den mycket stora mängd studier som forskare gjort, både i lab och i fält. Dock har dessa instrument inte kunnat följa av de första stegen hos en nukleationshändelse.

Joninducerad nukleation

Det finns problem med de teoretiska beskrivningarna av nukleationsprocesser. De modeller som används ger ofta alldeles för få partiklar jämfört med mätningarna. Något saknas i vår förståelse, helt enkelt. Forskare har föreslagit ett antal lösningar på detta, varav joninducerad nukleation¹ är en. Idén är att den elektriska överskottsladdningen hos joner i luften kan stabilisera små kluster av några få molekyler så att de kan fortsätta växa, en tanke som är väl förankrad i de modeller som beskriver sådana system. Det är välkänt att kosmiska strålar är en viktig källa till joner i atmosfären, så vi har ett tänkbart orsakssamband:

Kosmiska strålar -> joner -> kluster -> partiklar -> CCN -> molndroppar -> täta moln med lång livstid -> högre albedo -> nedkylning

Forskare i Köpenhamn (bland andra Henrik Svensmark) har genomfört laboratorieexperiment² som visar att droppar av svavelsyra och vatten bildas mer effektivt i närvaro av joner. Bevisar då det att koldioxiden saknar klimatpåverkan, att Köpenhamnsmötet bör ställas in och en rättegång bör inledas mot klimatforskarna?

Nej, inte riktigt så. I laboratorieexperiment försöker forskare bara variera ett fåtal parametrar, medan de andra hålls konstanta. På detta sätt kan ett samband härledas, men det gör också att resultaten inte utan eftertanke kan tillämpas på den komplexa situation som råder i den verkliga atmosfären. I fallet med de danska experimenten finns flera sådana problem. Koncentrationen av svaveldioxid är högre än vad den vanligtvis är i atmosfären och experimenten följer inte partiklarnas tillväxt upp till den storlek som krävs för att de ska vara aktiva i molnnukleation. Dessutom finns andra, mer beprövade, hypoteser om att organiska ämnen bidrar vid nukleationen.

Det tycks florera ett missförstånd bland så kallade "skeptiker" i klimatfrågan som gör gällande att medan alla andra forskare satt introvert och trixade med datormodeller, kavlade Svensmark upp ärmarna och började göra experiment. Så är naturligtvis inte fallet, det pågår massor med experimentell forskning om aerosolers bildning och tillväxt på många institutioner över hela världen.

Mätningar i atmosfären
Nyligen har finska forskare³ utvecklat en mätuppställning som kan detektera partiklar som är ännu mindre än 3 nanometer och även avgöra ifall dessa är laddade eller inte. Mätningar i Hyytiälä i den finska barrskogen visade att joninducerad nukleation spelade en underordnad roll. Givetvis måste fler mätningar i olika miljöer tillkomma för att kunna dra fullständiga slusatser. Partikelbildning har studerats i Hyytiälä sedan 1990-talet och nyligen har statistiska analyser av de eventuella sambanden mellan kosmisk strålning publicerats⁴. Inga eller mycket svaga samband hittades.

Satelliterna då, dom borde väl kunna säga något? Jo, Henrik Svensmark med medarbetare har genom åren föreslagit ett antal olika korrelationer mellan kosmiska strålar och olika parametrar som beskriver aerosoler och moln. Dessa har granskats av andra forskare och har funnits vara falska eller spuriösa. Nu har en ny artikel⁵ publicerats där drastiska minskningar i flödet av kosmiska strålar på grund av händelser på solen kopplas till minskad molnighet. En annan studie⁶ visar ingen, eller ytterst liten, effekt av samma händelser.

Vi kan alltså dra slutsatsen att beläggen för en kraftig inverkan av kosmiska strålar på väder och klimat på Jorden är spretiga och ganska svaga. I en kommande post tänker vi ta upp frågan om hur väl den på pågående uppvärmningen kan beskrivas av förändringar i flödet av kosmiska strålar.

Referenser:1. Enghoff och Svensmark, 2008, Atmos. Chem. Phys., 8, 4911–4923.
2. Enghoff mfl., 2008, J. Phys. Chem., 112, 10305–10309.
3. Kulmala mfl., 2007, Science, 318, 89-92.
4. Kulmala mfl., 2009, Atmos. Chem. Phys, Discuss. 9, 21525–21560.
5. Svensmark mfl., 2009, Geophys. Res. Lett., 36, L15101.
6. Kristjánsson mfl., 2008, Atmos. Chem. Phys., 8, 7373-7387.

Mer strunt från Elisabet Höglund

Elisabet Höglund sprider numera sina virrigheter i Aftonbladet i stället för Expressen, men virrigheterna är ungefär desamma. I dag fastslår hon, i strid med den samlade vetenskapliga expertisen, att Det är smogen som höjer temperaturen. Höglund har något av ett inofficiellt svenskt rekord i missuppfattningar om klimatet (jag har skrivit om hennes snedseglingar flera gånger tidigare) och hennes senaste alster gör ingen besviken.

Hon tuggar till exempel om den gamla visan om att temperaturen inte har stigit sedan 1998. Här på Uppsalainitiativet finns flera inlägg som förklarar hur det ligger till i verkligheten, men jag tar det kort en gång till:

Det finns naturliga variationer ovanpå en underliggande trend. År 1998 (eller snarare år 1997 om man ska vara noga, temperaturen har en fördröjning på några månader) inträffade kanske den kraftigaste El Niñon i modern tid, vilket ligger bakom det årets rekordtemperaturer. 2000-talet är också det utan konkurrens varmaste årtiondet, med sju av de åtta varmaste uppmätta åren sedan 1880 (varav 2005 är det allra varmaste). Vi har nu El Niño-förhållanden i Stilla Havet som väntas stärkas under vintern och våren 2010, och redan nu närmar vi oss rekordtemperaturer. Men det är egentligen inte heller särskilt intressant – vad som räknas är naturligtvis den långsiktiga trenden.

Sedan fläskar Elisabet Höglund till med en trippel whopper om de så kallade asiatiska bruna molnen. Först hävdar hon att de står för lika stor del av uppvärmningen (den uppvärmning som hon tidigare hävdade inte ägde rum) som koldioxiden. Det är dubbelt fel: Sotpartiklarnas värmande effekt är hälften av koldioxidens, men de bruna molnen består också av svavelföreningar vars kylande effekt är betydligt större. Netto "maskerar" sotet och aerosolerna mer än 40 procent av den ökade växthuseffekten.

Grafen ovan kommer från artikeln On avoiding dangerous anthropogenic interference with the climate system: Formidable challenges ahead av V. Ramanathan och Y. Feng. De olika staplarna för ABC:s (atmospheric brown clouds) kommer dels från IPCC:s fjärde rapport och dels från en uppdaterad sammanställning av Ramanathan och Carmichael 2008. Som synes ger de nya beräkningarna en större värmande effekt av så kallad black carbon (BC), men även större kylande effekt av aerosolerna.

Veerabhadran Ramanathan är en av världens ledande auktoriteter på de bruna molnen och jag rekommenderar alla som är seriöst intresserade av frågan att läsa vad han skriver i stället för Elisabet Höglunds kompott av lögner, halvsanningar och missuppfattningar. Att sotutsläppen skulle ha "förtigits" av IPCC är naturligtvis också fel. De fanns inte beskrivna i detalj i sammanfattningen för beslutsfattare, vilket inte är så märkligt då utrymmet i sammanfattningen naturligtvis är kraftigt begränsat. Om vi drar oss till minnes att de bruna molnen nettokyler faller dock Elisabet Höglunds konspirationsteori sönder i smulor.

Slutligen har Elisabet Höglund fått tag på en auktoritet som passar henne, och då är naturligtvis allt ifrågasättande som bortblåst. Luleåprofessorn Bo Nordells något esoteriska idé (han har flera sådana) om att det är värmeutsläpp, inte växthusgasutsläpp, som värmer jorden och atmosfären har tidigare demonterats av Magnus Westerstrand. Även Ray Pierrehumberts räkneövningar visar på de enorma skillnaderna mellan spillvärme och växthusgaser.

Ideologisk blindhet ligger bakom många misstag, och i fallet Höglund finns det uppenbarligen få eller inga kunskaper som kan balansera de ideologiska felsluten. Det är bara att beklaga att Sveriges största tidning gör sig till megafon för den desinformation som blir följden.

Aerosoler, moln och klimat: Introduktion

Med aerosol menas fasta partiklar eller flytande droppar (båda kallas i fortsättningen partiklar) som är suspenderade i en gas. Tekniskt sett består aerosolen både av gasen och partiklarna, men ofta syftar man endast på partiklarna. Aerosolen i atmosfären är mycket komplex och det pågår intensiv forskning inom området. Den kemiska sammansättningen och storleken hos partiklarna är viktiga parametrar. Partiklar kan släppas ut direkt, eller bildas genom kondensation av ämnen i gasfas. Den sistnämnda processen kallas nukleation.

Det finns både naturliga och antropogena källor till partiklarna i luften. En av de viktigaste sakerna att komma ihåg är att till skillnad från många gasformiga utsläpp till atmosfären är partiklarna kortlivade. Om all mänsklig aktivitet plötsligt upphörde skulle de antropogena partiklarna vara borta från atmosfären inom några veckor. För en mer djupgående introduktion in i aerosolernas fantastiska värld kan ni exempelvis läsa här.

Förutom att påverka människors hälsa påverkar partiklarna väder och klimat på flertalet sätt. I bilden ovan (tagen från NASA visible earth) ser man ett tjock, gråaktigt täcke av partiklar över Kina. Täcket är ljusare än vad marken är. Således reflekteras mer av det inkommande solljuset ut i rymden, vilket medför att marken inte värms lika effektivt som utan partiklarna. Den långvågiga värmestrålningen påverkas dock inte lika mycket, vilket netto ger en avkylande effekt på marken. Denna effekt är i sig svår att kvantifiera, men det finns ännu svårare problem.

När fuktig luft kyls minskar jämviktångtrycket för vattenånga. (Lite slarvigt brukar man säga att luften inte kan hålla så mycket vattenånga, men det är egentligen fel. Luften påverkar i sig inte jämviktångtrycket för vatten.) Vattenångan kondenserar dock inte spontant till vattendroppar, utan det måste finnas aerosolpartiklar som kan agera som molnkondensationskärnor (Cloud Condensation Nuclei, CCN). Annars håller sig vattenångan övermättad. Om det finns många lämpliga partiklar får man ett moln med många små droppar, om det är ont om CCN blir det färre men större droppar. Molnet med många små droppar reflekterar solstrålningen mer effektivt än det glesa molnet. Dessutom har molnet med små droppar mindre sannorlikhet att bilda nederbörd, vilket kan förlänga dess livstid. Det finns ännu fler effekter som inte får plats här, men den intresserade kan läsa vad IPCC skriver (börjar på sid. 153).

De antropogena partiklarna genereras huvudsakligen vid förbränning, både av fossila och förnyelsebara bränslen. För dem som har råd finns ganska effektiva metoder att minska utsläppen av partiklar. Lagstiftning om bland annat katalytisk avgasrening och minskad svavelhalt i bränslen har förbättrat situationen i de rikare delarna av världen. I många utvecklingsländer bränns mycket biomassa under dåligt kontrollerade former, vilket medför stora hälsorisker. Dessutom släpps partiklar ut som kan påverka det regionala klimatet. Vilken effekt det exakt har beror både på vad för partiklar som släpps ut och de meteorologiska förhållandena på platsen.

Hur har då partiklarna påverkat den globala strålningsbalansen? Enligt senaste sammanställningen från IPCC har nettoeffekten sedan 1750 varit negativ, dvs. kylande.


Det här betyder alltså att utsläppen av partiklar i viss mån har motverkat effekten av växthusgasernas ökade halter och således maskerat en del av den uppvärmning vi kan förvänta oss. Minskningar av aerosolkoncentrationer är delaktiga i uppvärmningen i vissa regioner.