Karin Bojs är förvirrad om koldioxiden

Karin Bojs skriver i Dagens Nyheter om koldioxidutsläppen:

Nyheten som kom i veckan från Internationella energirådet, IEA, är mycket glädjande. IEA har samlat statistik från hela världen, och enligt deras siffror går den ekonomiska tillväxten upp, medan människors utsläpp av koldioxid står stilla. Det är alltså möjligt att förbättra ekonomin utan att bränna av en massa kol och olja. 

...

Ekonomer har sina sätt att räkna på utsläppen. Kemister använder helt andra metoder – de mäter halten av koldioxid i själva luften. Den längsta tidsserien kommer från observatoriet Mauna Loa på Hawaii och kallas för Keelingkurvan efter den legendariske kemisten Charles David Keeling som startade mätningarna i slutet av 1950-talet.

Då låg det uppmätta koldioxidvärdet på 315 miljondelar.

I veckan rapporterade Mauna Loa värden på över 408 miljondelar koldioxid i luften.

... 

Man kan fråga sig varför det blir så stor skillnad när ekonomer mäter trenden för mänskliga utsläpp av koldioxid, och när kemister mäter hur det faktiskt ser ut i luften.

Bojs misstag är att blanda ihop utsläpp och vad som finns i luften. Det är inte är samma sak¹. Hon blandar ihop vad ekonomer kallar för flöden och stockar. Tänkt dig att du har ett bankkonto. Hur mycket pengar du har på bankkontot kallas för stocken. Du sätter in en summa varje månad, och du tar också ut en summa. Detta är flöden. Så länge du sätter in mera än du tar ut så kommer pengarna på kontot att öka.

Tänkt dig nu att du under ett antal månader sätter in en allt större summa varje månad. Summan du tar ut ökar också men inte lika mycket. Nettoflödet till kontot ökar alltså. Då kommer summan på kontot (stocken) att öka allt fortare. Det är så det har varit med våra koldioxidutsläpp fram till för några år sedan.

Tänk dig sedan att det följer ett par månader där dina insättningar och uttag inte ökar. Du sätter alltså in samma summa och tar ut samma (mindre) summa ett par månader i rad. Summan på ditt konto kommer fortfarande att öka men nu med jämn fart. Så länge nettoflödet är positivt kommer stocken att öka. Det är där vi befinner oss nu med koldioxidutsläppen.

För att få atmosfärens koldioxidhalt att stabiliseras måste vi kraftigt minska utsläppen tills vi inte släpper ut mer än vad som tas upp.

Jordens stockar och flöden av kol, bl a i form av koldioxid, är naturligtvis mer komplicerade än vad liknelsen med bankkontot ger sken av. Här är en illustration av jordens kolcykel från NASA. De svarta siffrorna är stockar, och de lila är flöden.  

¹Bojs är inte den enda som har gjort det här misstaget. Det är faktiskt ganska vanligt bland klimatförvillare (vilket Bojs inte är).

Uppdatering: Den här rättelsen kom upp under DN-artikeln samtidigt som jag skrev det här inlägget:

Rättelse 2017-03-20 16:14

Förtydligande: IEA:s rapport berör bara utsläpp av koldioxid från energisektorn. Även om utsläppen av växthusgaser ligger kvar på samma nivåer kommer mängden koldioxid i atmosfären att öka, eftersom koldioxid finns kvar mycket länge i atmosfären. För att nivåerna ska kunna gå ned måste vi minska våra utsläpp radikalt.

Monckton propagates Pettersson's bomb test mistake at WUWT

Christopher Walter Monckton, 3rd Viscount Monckton of Brenchley and notorious climate denier, has a post at the climate denial blog "Watts Up With That?" with the title "On CO₂ residence times: The chicken or the egg?". WUWT has due to its extraordinary daftness achieved great popularity and become the leading blog for promoting climate denial, and it features some of the most inept and logically challenged writers in the entire climate change blogosphere.
Monckton presents the following graph which is a translation of another graph by Swedish professor Gösta Pettersson. The graph is supposed to show the amount of ¹⁴C added to the atmosphere by nuclear bomb tests in the 1960's, and how that amount has declined since the bomb tests were halted. It also shows how a spike of CO₂ is absorbed by other carbon reservoirs according to the Bern model, a model of the carbon cycle.  Notice that the ¹⁴C declines much faster. This is supposed to prove that the Bern model is wrong: it seems to give a residence time for CO₂ that is far too long.  As a consequence, CO₂ from fossil fuels must be absorbed much faster than previously thought, and therefore the increase of CO₂ must be mainly due to natural processes instead. That is how the argument goes. Unfortunately, it is wrong.

As has been pointed out by professor Mats Almgren on this blog, the red curve (¹⁴C)  does not represent the amount of ¹⁴C, but instead the change in the ratio between ¹⁴C and ¹²C, defined as:

Δ14C = ([14C/12C]sample / [14C/12C]standardsample – 1) x 1000

Fossil fuels have added a considerable amount of ¹²C but no ¹⁴C, which has resulted in a decrease of the ¹⁴C/¹²C ratio. What we see in the bomb test curve is the combination of absorption of bomb test ¹⁴C by other reservoirs and the dilution of atmospheric ¹²C and ¹⁴C with ¹²C from fossil fuels. On top of that comes ¹⁴C generation by cosmic rays.

The following graphs show a bomb test curve measured at Wellington, NZ, in terms of Δ14C (top) and in terms of absolute amounts (bottom). As one can notice, the latter curve resembles the Bern model curve above much more closely. As a massive spike of CO₂ and a much smaller spike of ¹⁴CO₂ during a period of a gradual increase of CO₂ are not the same thing, we don't expect a perfect match, though.

Eventually, Gösta Pettersson admitted his mistake.  However, it has now taken a life of its own in the deniosphere, and is likely to keep circulating for quite a while. Mistakes usually have a long residency time in climate denial blogs like WUWT.

Source of NZ bomb test curves: Kim I. Currie, Gordon Brailsford, Sylvia Nichol, Antony Gomez, Rodger Sparks, Keith R. Lassey and Katja Riedel. Tropospheric 14CO2 at Wellington, New Zealand: the world’s longest record, Biogeochemistry 2009, 10.1007/s10533-009-9352-6

Mänsklig inverkan på globala kolcykeln

Ännu ett gästinlägg av Mats Almgren, Professor Emeritus i fysikalisk kemi vid Uppsala universitet.

Fortfarande kan man se ”skeptiker ” hävda att de antropogena utsläppen av koldioxid är så små jämfört med de naturliga flödena av kol mellan atmosfär och biosfär eller hav att de lätt balanseras av små justeringar och variationer i de naturliga flödena. Somliga menar att den obestridliga ökningen av koldioxidhalten i atmosfären skulle bero på utgasning från haven allteftersom de blivit varmare (genom naturliga variationer, givetvis).

Det är väl känt att de naturliga flödena är stora, om än osäkert uppskattade. Utan mänsklig påverkan skulle flödena mellan atmosfär och hav vara ungefär 90 PgC/år (petagram kol/år) i båda riktningar, och mellan atmosfär och landbunden biosfär kring 120 PgC/år. Utsläppen från fossila bränslen och cementtillverkning är ungefär 8 PgC/år. Frågan är då om naturliga ändringar i de stora utbytesflödena kan ge en så stor nettoeffekt.

Uppskattningar av nettoändringar i dessa flöden redovisas i IPCC rapporter. I den senaste, AR5 ägnas kapitel 6 (PDF-fil) åt kolcykeln. Här återges ett utdrag ur tabell 6.1. 

De två första posterna är välbestämda. Vi vet hur koldioxiden ökat i atmosfären, och vad som tillförts från bränsle och cementtillverkning. Skillnaden visar att ungefär 4PgC/år inte har stannat i atmosfären, utan tagits upp av biosfären och haven.

I rapporten ges resultat från olika uppskattningar av netto flödena från luft till hav, och från luft till land. Detta är ett fortgående arbete, och AR5-kapitlet är en uppföljning av vad som tidigare framkommit. Presentationen är svårsmält för en oinsatt läsare. Men om man går tillbaka till kapitel 3 i rapporten TAR från 2001 finner man en förklarande text. God introduktion ger också David Archers lilla bok ”The Global Carbon Cycle”, Princeton University Press 2010.

Så låt oss först besinna hur man kunnat uppskatta nettoflödet från luft till hav. Ett antal metoder har använts, från rent empiriska till rena modellberäkningar. Det mest rättframma är att bestämma transporten över hela havsytan. Det är givetvis omöjligt, så man får nöja sig med mer sparsamma observationer, både tidsmässigt och rumsmässigt. 3 miljoner mätdata fördelade över 40 år (de flesta från de senare 20 åren) har sammanställts. Haven täcks av rutnät om 4° latitud, 5° longitud, vilket om jag räknat rätt skulle svara mot mer än 2300 provytor. Men provtagningarna är inte jämnt fördelade över dessa. Det finns stora luckor, i synnerhet på södra halvklotet.

Vad är det då som mäts? Överföringen över gränsen hav/luft bestäms som produkten av en drivkraft och en gasöverföringshastighet. Drivkraften kan uttryckas som skillnaden, ∆pCO₂, mellan koldioxidens partialtryck i luften och dess jämviktstryck i det aktuella havsvattnet. Om det förra är störst går överföringen från luft till hav. Partialtrycket i luft får man från de mätningar av koldioxiden som görs kontinuerligt vid några dussin mätstationer, medan jämviktstrycket över havsvattnet får bestämmas genom provtagning och undersökning av vattnets sammansättning (koldioxid, kolsyra och dess joner). Temperatur, pH och salthalt behövs också. Ett jättearbete, men möjligt att utföra. Med hjälp av fiffiga extra- och interpolationer har ∆pCO₂–värden över haven kartlagts på det sättet, dock inte med stor precision vad gäller förändringar över tid.

Redan ∆pCO₂–värdena är intressanta, eftersom de visar åt vilket håll transporten går över olika regioner och säsonger. Men för att få flödet krävs också gasöverförings hastigheten. Denna beror på en rad faktorer, där vindhastigheten är viktigast. Samband mellan gasöverförings hastighet och vindhastighet finns framtagna. Vindhastigheter över oceanerna finns naturligtvis också att tillgå.

Så sedan är det bara att beräkna flödet över alla rutor och summera. Ett resultat framgår av första posten i tabell 2, som hämtats från ett arbete av Wannikhof et al. Biogeosciences, 10, 1983–2000, 2013. Går att läsa här.

De fyra följande posterna i tabell 2 är uppskattningar från andra metoder, baserade på modellberäkningar och olika typer av data (t ex vertikalfördelningen av oorganiskt kol i olika havsregioner). Metoderna beskrivs i artikeln. Resultaten från dem är förvånansvärt lika.

De två sista posterna i tabellen hänför sig till en helt oberoende typ av rent empiriska beräkningar. De utnyttjar minskningen av syrehalten i atmosfären, som sker parallellt med koldioxidökningen. Mycket noggranna mätningar av de små ändringarna i syrehalten görs vid flera mätstationer. För att få tillräcklig precision mäts O₂ relativt N₂, därav beteckningen O₂/N₂.

Tabell 2. Median sea–air anthropogenic CO₂ fluxes for the different approaches centered on year 2000.

 Dessa metoder, som diskuteras klargörande av Manning och Keeling, Tellus (2006), 58B, 95–116 (tidskriften är fritt tillgänglig på efter registrering). , bygger på att syrehalten i atmosfären minskar när koldioxidhalten går upp. Syre förbrukas när kol och organiskt material förbränns, och syre frigörs i fotosyntesen. Överföring av koldioxid till haven ger däremot ingen direkt effekt på syrekoncentrationen. Noggranna mätningar av syrehaltens ändring ger därför en möjlighet att skilja på koldioxidöverföring till haven och till land-biosfären. Den observerade ändringen av koldioxidmängden i atmosfären kan då skrivas som skillnaden mellan koldioxid tillförd via fossilförbränning och cementtillverkning, F, och bortförd till hav, O, och biosfären, B, (havens biosfär ingår i O):

∆CO₂ = F − O − B

∆O₂ = −α_FF + α_BB + Z

Den andra ekvationen visar ändringen i syreinnehåll. Det minskas genom förbränningen. Koefficienten α_F är förhållandet mellan bildad koldioxid och förbrukad syre vid fossilförbränning. Den beror på bränsletyp (3 för metan, 1 för rent kol) och uppskattades till 1,39 för den mix som används globalt. Syrgasmängden ökar genom biosfärens fotosyntes, koefficienten här har uppskattats till 1,10. Z infördes när man insåg och kunde observera att ökningen av temperaturen i haven medförde en avgasning av syre, både direkt genom minskad löslighet, och indirekt genom ändringar i biologiska pumpar och strömningsförhållanden. Denna term har uppskattats och är inte försumbar. Alla termer i ekvationssystemet är då kända, och O och B kan beräknas. Manning och Keeling erhöll O = (2,3±0,6)PgC/år och B = (0,5±0,7)PgC/år. Storleken av B stämmer inte helt med tabell1; en bidragande orsak är att detta värde och tabellens hänför sig till olika tidsperioder.

I stort stämmer emellertid värdena för flödet från luft till hav från de olika uppskattningarna väl överens. Det finns inget utrymme för några extra avgasningar, eller andra variationer av avsevärd storlek. I tabell 1 är flödet från luft till land beräknad som en restpost. Men försök att uppskatta bidragen från olika processer har också gjorts. En av delarna är någorlunda väl bestämd, tillskottet till luften från förändringar av markanvändningen, dvs främst genom avskogning. Detta ger ett ytterligare antropogent tillskott på nära 1 PgC/år. Andra processer inom land-biosfären fungerar då som en kolsänka för 2,5 PgC/år. Detta är mycket, och trots stora ansträngningar finns det ännu ingen klar bild över vart detta kol tar vägen. Ökad fotosyntes genom koldioxidgödning förklarar en del, annat tycks förknippat med ökad bioproduktion i det boreala bältet på norra halvklotet, där globala uppvärmningen ger både en mer långvarig växtsäsong, och en förskjutning av växtzoner norrut.

Sammanfattningsvis: Det finns all anledning att lita på den analys av kolcykelns kvantitativa förändringar som presenterats i IPCCs rapporter. Där finns stora osäkerheter, men ingen möjlighet att ett antropogent tillskott av 9,2 PgC/år skulle kunna förklaras av naturliga flödesvariationer.

Kolcykeln och bombkurvan.

Ett gästinlägg av Mats Almgren, Professor Emeritus i fysikalisk kemi vid Uppsala universitet. För er som inte följt diskussionen rekommendererar vi Mats tidigare inlägg:

• "Bombkurvan" - vad visar den?
• Den seglivade myten om bombkurvan    

När nu bombkurvan har fått en trovärdig form i Gösta P:s senaste SI-inlägg , så är det på plats att fråga sig vad den egentligen säger om kolcykeln.

 Fig. 1. Den fullständigt korrigerade bombprovskurvan (röd) jämförd med min (Gösta Pettersson) tidigare angivna ofullständigt korrigerade version (svart)

Som framgår av figuren så stämmer inte heller den nya versionen särskilt väl med den blåa kurva Gösta kallar Bernmodellen. Om jag förstått rätt visar denna kurva hur en mängd koldioxid, som införts som en puls i atmosfären vid tiden 0, skulle försvinna från atmosfären, enligt Bernmodellen. Det går fort till en början, när koldioxiden fördelar sig mellan de lättillgängliga ”ytnära” reservoarerna, och sedan allt långsammare allteftersom koldioxiden letar sig ned i djuphaven. Bombkurvan visar ett helt annat förlopp. Där övergår en snabb nedgång (nära exponentiell) till en platå, där man till och med kan ana en begynnande ökning av C14-koncentrationen. Det skulle krävas mycket speciella förhållanden om försvinnandet av en puls koldioxid skulle ske enligt ett sådant förlopp. Frågan är då om de två förloppen hänför sig till jämförbara processer, alltså om C14 verkligen fungerar bra för märkning av koldioxid i detta sammanhang.

Man kan vänta sig att de märkta koldioxidmolekylerna uppför sig i stort sett på samma vis som de omärkta, så långt är jag ense med Gösta Pettersson. Det som ställer till problem är att det fanns gott om C14 i systemet redan innan bombproven, och att dessutom mer C14 tillförs hela tiden. Märkningen skiljer inte ut bombproducerat C14 från allt annat C14 i systemet.

Koldioxiden i atmosfären utbyts snabbt mot koldioxid i haven och i biosfären. Koldioxiden (eller dess ekvivalenter) i dessa reservoarer har ett C14/C12 förhållanden som avspeglar det atmosfäriska förhållandet när dessa olika depåer bildades. Så när Süess fann att C14/C12 hade minskat under tiden före 1955, så förklarades den minskningen med att fossileldningen hade tillfört koldioxid utan C14. Det var emellertid också klart att C14/C12 förhållandet hade minskat med endast ett par procent, samtidigt som koldioxidhalten i luften hade ökat med ungefär 10%. C14-halten måste alltså också ha ökat! Detta förklaras av utbyteseffekterna: koldioxid med lågt C14/C12 tas upp t ex genom fotosyntesen i biosfären, och koldioxid från äldre deponerat material frigörs genom respiration eller annan nedbrytning, och den koldioxiden har då högre C14/C12. Alltså ger fossilbränsleeldningen indirekt ett tillskott av C14 i atmosfären.

Genom modellberäkningar har Ken Caldeira och medarbetare (Geophys. Res. Lett. 1998, 25, 3811-3814: ”Predicted net efflux of radiocarbon from the ocean and increase in atmospheric radiocarbon content”; tyvärr ej open access) studerat dessa flöden som globala effekter. Den modell som använts är rätt grov. De redogör detaljerat för modell och beräkningar. Jag ska inte försöka återge det här, utan nöjer mig med följande citat:

”Here, a model of the global carbon cycle, based on the model of Hesshaimeer et al. [1994], is used to estimate the impact of fossil-fuel burning, land-use changes and atmospheric nuclear detonations on atmospheric 14C content and air-sea 14C fluxes, both for the historical past and for the next century. This model consists of a 1-box atmosphere, a 3-box land biosphere, and a box diffusion ocean.”

Om en modell som denna användes för att beräkna koncentrationsändringarna efter en puls koldioxid, skulle man få ett resultat som liknar det från Bernmodellen. För C14 fås helt andra förlopp, som framgår av resultaten i panel a och b i den figur 3 från uppsatsen som återges här. Panel b visar ∆C14, alltså väsentligen ändringen i C14/C12 förhållandet. Beräkningar där endast ”land-use changes” tas i beaktande ger föga ändring; dels är koldioxidökningen på grund av dessa relativ liten, och den koldioxid som släpps ut innehåller en hel del C14. Fossilbränsleutsläppen ger däremot en dramatisk minskning av molförhållandet, medan bombutsläppen först ger en ökning, följd av en snabb minskning när de upphört.

Det verkligt anmärkningsvärda är resultaten i panel a, där koncentrationen av C14 i atmosfären återges. Som jag nämnde ovan började C14 öka redan innan bombproven, främst orsakade indirekt av fossilbränsleanvändningen. Utan bombprov skulle de ökande koldioxidutsläppen lett till en dramatisk ökning av C14-halten i atmosfären, på grund av utbyteseffekterna. Bombproven gav ytterligare ett bidrag, och minskningen av C14-halten efter dem når i figuren ett brett minimum omkring år 2000, för att sedan öka parallellt med fossilbränslekurvan. Den röda kurvan i Göstas figur svarar ungefär mot förloppet från maximet till minimet kring år 2000.

Beräkningarna som Caldeira et al. presenterar förutspår alltså att C14-halten i atmosfären skall börja öka igen, och fortsätta att göra så under detta sekel (enligt ett buisness-as-usual scenario). Det jag finner viktigt i denna studie är inte överensstämmelser med mätdata och eventuellt prognosvärde, utan den illustration den ger till hur utbytet av koldioxid mellan olika reservoarer kan leda till så komplexa variationer av C14 halten i atmosfären. C14 förloppet efter bombproven återspeglar inte alls försvinnandet av en puls koldioxid, och kan inte användas för en falsifiering av t ex Bernmodellen.

Delta-14C och 14C i den vetenskapliga litteraturen

Viktig uppdatering i slutet av inlägget!

Vi har haft ett par inlägg här på UI av professor emeritus Mats Almgren om vådan av att inte ta hänsyn till skillnaden mellan Δ14C och 14C när man tittar på den s k bombkurvan, som visar hur den ökade mängden av 14C i atmosfären från atombombsprover runt 1960 har förändrats:

• "Bombkurvan" - vad visar den?
• Den seglivade myten om bombkurvan  

De läsare som inte har hängt med i diskussionen bör läsa dessa tidigare inlägg först. Mats argumenterar att skillnaden mellan kurvorna för Δ14C och 14C är stor och att man därför måste titta på 14C-kurvan för att se hur mycket 14C som finns kvar, medan våra vänner på Klimatupplysningen (sic) verkar anse att skillnaden mellan kurvorna är ganska liten.

NOAA har en bra förklaring av hur Δ14C beräknas. Något förenklat:

    Δ14C = ([14C/12C]prov / [14C/12C]standardprov - 1) x 1000

där standardprovet representerar förhållandet innan bombproven. Ett  Δ14C på 0 betyder att förhållandet i provet är det samma som det i standardprovet. Lägg märket till att om 12C i provet har ökat i förhållande till standardprovet så måste 14C i provet öka lika mycket för att ge ett Δ14C på 0. Eftersom 12C idag är mer än 25% större än vid slutet av 1950-talet så skulle ett värde Δ14C = 0 betyda att också C14 idag är mer än 25% större än innan bombproven. Och dagens Δ14C är rent av en bit större än 0!

Så hur ser det ut i den vetenskapliga litteraturen? Vad blir resultatet när forskare, som ägnat sin karriär åt att studera kolcykeln, gör omvandlingar mellan Δ14C och 14C? Här är två exempel, som båda ger stöd för Mats uppfattning.

Ingeborg Levin och Vago Hesshaimer, RADIOCARBON – A UNIQUE TRACER OF GLOBAL CARBON CYCLE DYNAMICS, Radiocarbon Vol 42, Nr 1, 2000.

 

Kim I. Currie, Gordon Brailsford, Sylvia Nichol, Antony Gomez, Rodger Sparks, Keith R. Lassey and Katja Riedel. Tropospheric 14CO2 at Wellington, New Zealand: the world’s longest record. Biogeochemistry 2009.

Uppdatering: Vi kan skriva om formeln för Δ14C som:

   Δ14C = ([14Cprov/14Cstandarprov] / [12Cprov/12Cstandardprov] - 1) x 1000

vilket ger 

  [14Cprov/14Cstandarprov] =   [12Cprov/12Cstandardprov](Δ14C/1000 + 1)

Om t ex [12Cprov/12Cstandardprov] = 1,25 och Δ14C = 100 vilket ungefär är läget idag, så får vi

   [14Cprov/14Cstandarprov] = 1,375

dvs det finns 37,5% mer 14C idag än innan bombproven. Den intresserade läsaren kan roa sig med att räkna ut motsvarande värde vid tiden för toppen på bombkurvan.

Uppdatering 2013-10-18: På Klimatupplysningen (sic) har Pehr Björnbom ett klargörande om Gösta Petterssons presentation av bombprovskurvan:

Enligt Björnbom så har skalan ingenting att göra med mängden/andelen 14C innan bombproven. 0% betecknar helt enkelt den nivå som 14C-halten planar ut mot efter bombproven, vilket ungefär motsvarar 100-linjen i figur 2 b från Levin och Hesshaimer (se ovan). "Kvarvarande del" (på y-axeln) ska alltså inte tolkas som "den del av 14C som tillfördes av bombproven  som finns kvar i troposfären". Det som i bildtexten omtalas som "relaxationen av det överskott av C14-koldioxid som de ovanjordiska kärnvapentesterna gav upphov till" avser alltså inte den totala mängd 14C som tillfördes av bombproven, utan något annat. Hur kurvan för Bernmodellen passar in i denna skala framgår dock inte, och kommer tyvärr nog aldrig att framgå.

Vi förhåller oss skeptiska.  Men vi är nyfikna på hur Gösta Petterson kommer att reagera. I sin bok Falskt Alarm, som bilden är tagen ifrån, skriver Gösta explicit:

"IPCC hävdar att de sista 20 procenten av ett utsläpp kan stanna kvar i luften i många tusentals år. Bombprovskurvan visar att det redan efter 45 år återstår mindre än 5% av ”engångsutsläppet” av C14-koldioxid."

Det stämmer ju inte precis överens med Björnboms tolkning.

Uppdatering 2013-10-22: Gösta Pettersson har nu tagit till sig Mats Almgrens kritik, och korrigerat sin 14C-kurva.

Koldioxidökningen en runda till

Se uppdatering 130712  längst ned.

Den här bilden visar hur koldioxidhalten i atmosfären har förändrats sedan 1958, enligt mätningar vid Manua Loa-vulkanen på Hawaii (svart kurva). Vi ser en uppgång från 315 miljondelar (ppm) till 400 miljondelar. Vi ser också en årstidscykel på en så där 5 miljondelar.

Här finns också en röd linje som motsvarar 57% av de ackumulerade mänskliga  koldioxidutsläppen (fossila bränslen + cementtillverkning) sedan 1958, lagt ovanpå den genomsnittliga halten för 1958. Som ni kan se så följer kurvorna varandra väldigt bra. Det här är en tydlig indikation på att ökningen av CO2-halten beror på mänskliga aktiviteter.

De resterade 43% av de mänskliga utsläppen tas upp av andra kolreservoarer: haven, växtligheten och marken. När koldioxidhalten i atmosfären stiger så uppstår en obalans gentemot de andra reservoarerna som får dessa att ta upp en del av den extra koldioxiden. Haven har egentligen potential att ta emot väldiga mängder koldioxid, men deras upptagningsförmåga är begränsad, vilket Roger Revelle med flera upptäckte för så där ett halvt sekel sedan. Hur som helst, vad som händer med koldioxiden och hur den flyttas runt mellan de olika reservoarerna (även i andra former, som kolsyra) är väl studerat och förklarat i enlighet med fysikaliska lagar. Slutsatsen att det är mänskliga utsläpp som ligger bakom koldioxidökningen bygger alltså inte bara på en jämförelse av två kurvor utan också på ett stort antal andra observationer och på väl etablerad fysik och kemi.

Vi vet också att det finns andra faktorer som påverkar koldioxidhalten. Det mest uppenbara är årstidscykeln: på våren och sommaren tar växtligheten på norra halvklotet upp koldioxid,och halten sjunker. Under hösten och vintern så stiger den sedan igen. Men även variationer i temperaturen från år till år kan påverka. Kalla år kan haven ta upp relativt mer koldioxid, och varma år kan de ta upp mindre. Nästa bild visar den månadsvisa förändringstakten (derivatan) för koldioxidhalten, med 12-månaders medelvärden för att få bort årstidsvariationerna.

Den påminner en del om derivatan för temperaturen (här HadCRUT4). Toppar och dalar sammanfaller ganska väl. Det är tydligt att koldioxidhalten är känslig för förändringar i temperaturen.

Men medan temperaturen ibland ökar (derivatan är > 0) och ibland minskar (derivatan är < 0) så ökar koldioxidhalten praktiskt taget hela tiden. Dessutom ökar koldioxidhalten i allt högre takt. Detta kan inte förklaras med kortsiktiga temperaturvariationer, utan beror på tillförseln av koldioxid från fossila bränslen.

Men det finns vissa personer som inte tycker om denna slutsats, eftersom den lägger ansvaret på oss människor. På en viss annan blogg hittar vi t ex den här kurvan*.

Kurvan är baserad på en opublicerad "teori" av den australiska professorn Murry Salby om att koldioxidhalten bestäms linjärt av integralen över temperaturen, eller likvärdigt att koldioxidhaltens förändringstakt beror på temperaturen. Den blå kurvan är den beräknade koldioxidhalten enligt denna teori, och den röda kurvan är den observerade koldioxidhalten. Kan detta verkligen vara en ren tillfällighet? Denna likhet har inom vissa kretsar tagits emot som en viktig upptäckt som omkullkastar den etablerade vetenskapen. Men det finns egentligen ingen vetenskap bakom det här: det finns ingen fysikalisk anledning att tro att koldioxidhalten skulle bestämmas av någon integral över temperaturen. Det fysikaliskt rimliga är snarare att koldioxidhalten bestäms (i viss mån) av temperaturen, ointegrerad. I bästa fall kan detta med integralen fysikaliskt motiveras som en approximation under vissa övergångsperioder då temperatur och koldioxidhalt befinner sig i obalans gentemot varandra, men det kan knappast gälla generellt. Det har under långa perioder (tusentals eller miljontals år) varit betydligt varmare eller betydligt kallare än den valda baslinjen, men koldioxidhalten har inte varit 0 eller enormt hög under dessa perioder. Och så har vi frågan om vart all vår fossila koldioxid i så fall tar vägen: våra utsläpp är rent av större än den observerade ökningen. Fysikaliskt är denna "teori" alltså mycket tveksam och mycket ofullständig, och kan knappast ens bevärdigas med benämningen "teori".

Hela argumentet hänger således på likheten hos kurvorna här ovan. Men är det egentligen så konstigt att vi kan få en integral som ser ut som koldioxidhaltkurvan? Det första vi bör notera att det här är integralen av temperaturen relativt en viss baslinje, som i det här fallet är vald till -0,415 grader Celsius relativt HadCRUT4s baslinje för att beräkna anomalier. Det är alltså inte frågan om Kelvin från absoluta nollpunkten, utan ett mer eller mindre godtyckligt val. Eftersom den globala temperaturen nästan hela tiden befinner sig över den valda baslinjen, så är vi garanterade en integral som går uppåt (röd linje i bilden nedan). På samma sätt kunde man valt en annan baslinje som ger en negativ integral (blå linje), eller rent av en som först går ner och sedan upp (grön linje).

 Vi kan leka samma lek med en kurva som består av rent brus på (mellan -0,5 och 0,5), som den här:

Då kan vi få de här olika integralerna genom att välja olika baslinjer:

Om vi vill ha den där svängen uppåt i integralen, så bör vi dessutom välja en kurva med positiv trend, som den här (brus + positiv linjär trend):

Genom att välja lämplig baslinje (t ex  0) får vi då en integral som den här:

Så allt som vi behöver för att få en integral med en form som liknar koldioxidhaltkurvan är att (1) välja en kurva med positiv trend (inklusive för inledningen på kurvan) samt (2) välja en baslinje som ligger i nederkanten av kurvan. Det är alltså inte någon större tillfällighet att integralen över temperaturen med den valda baslinjen (bilden med "Murry Salbys teori och observationer")  ger ett sådant resultat. Man kan få det samma med många andra kurvor.

För att sammanfatta så vi har att välja mellan:

• Den etablerade vetenskapliga förklaringen att ökningen av CO2-halten i atmosfären beror på fossila bränslen, som bygger på likheten mellan CO2-kurvan och våra ackumulerade utsläpp (56%), vilka är två storheter som har en uppenbar fysikalisk relation, men även på en hel del andra observationer och på en sammanhängande teori för kolcykeln.
• Salbys opublicerade "teori" som bygger på den ganska triviala likheten mellan koldioxidhalten och integralen av temperaturen med en särskilt vald baslinje för att få rätt form på kurvan, men som fysikaliskt är både problematisk och ofullständig.

Vilken förklaring väljer du?

*Vi kan tyvärr inte nämna kurvans upphovsman vid namn, eftersom denne person i så fall sannolikt skulle anklaga oss för personangrepp och smutskastningskampanjer. Detta är tyvärr en vanlig taktik inom vissa kretsar för att avleda uppmärksamhet från sakfrågan och för att framställa meningsmotståndare som illasinnade förtryckare.

Uppdatering 130712

Det här inlägget har fått ett förment bemötande på den där andra bloggen. Som väntat så bemöts inte de argument som vi faktiskt framför. Huvudpoängen med mitt inlägg var att med integreringsmetoden, dvs

skulle man kunna:

• anpassa temperaturkurvan (T) även till flera andra hypotetiska koldioxidkurvor (y), och 
• anpassa många andra hypotetiska temperaturkurvor (med positiv trend) till den aktuella koldoixidkurvan. 

Att man använder minsta kvadrat-metoden för att göra anpassningen förändrar inte detta. Så att man lyckas anpassa den faktiska temperaturkurvan till den faktiska koldioxidkurvan är ingen överraskning, och behöver inte betyda något. (Nu finns det i och för sig ett väletablerat fysikaliskt samband mellan de två kurvorna: ökningen i koldioxid orsakar en temperaturökning.)

Det påstås att vi har ifrågasatt Salbys hederlighet utifrån denna kurvanpassningsövning, men detta är en fabrikation. Vi har istället riktat saklig kritik mot Salby för andra, missledande, påståenden i hans presentationer.  Dessa missledande påståenden har man på den andra bloggen endast gjort mycket svaga och misslyckade (och man skulle nog kunna sägs missledande) försök att försvara. Vår sakliga kritik mot Salby utmålas dessutom på den andra bloggen som "smutskastning". Som så ofta förr tycker man inte om när ens egna hjältar blir granskade och ifrågasatta.

Till sist så vill vi påpeka att analogier inte är det samma som fysikaliska förklaringar.

Det kom ett mail till Uppsalainitiativet

Hej

Jag tvivlar på att CO2 är en avgörande orsak till en påtaglig temperaturhöjning av Klimatet. När två saker inträffar samtidigt finns det 3 logiskt möjliga förklaringar. Antingen är A beroende av B, eller är B beroende av A eller också är både B och A beroende av en yttre faktor.

Jag blev tvivlande när jag förstod att det i oceanerna finns 50 ggr så mycket CO2 som i atmosfären.

Boende i Haninge med CocaCola pumpandes CO2 i vatten 24/7 vet jag att vatten löser CO2 men jag vet också att en läsk skall drickas kall, en varm öl längtar ingen efter. Vattnets förmåga att ”lösa” CO2 beror på temperaturen. När solen lyser på jorden blir atmosfären varmare, marken och haven likaså. Det varmare havet släpper iväg sin CO2 till atmosfären. Slutsats CO2 synkroniseringen med klimatet beror på solen. Det är inte CO2 som höjer temperaturen!

 CO2´s växthuseffekt är närmast försumbar och dom 4-5% fossil CO2 som finns i atmosfären kan rimligen inte ha någon avgörande effekt.

Vänligen korrigera mina tankefel.

Med vänlig hälsning

[frågeställarens namn]

Hej,

När det gäller koldioxid och temperatur - vad som styr vad och i vilken ordning är det snabba svaret att båda styr och följer varandra. Ändras den ena så påverkas den andra.

Ökar temperaturen så ökar mängden koldioxid i atmosfären, och även vattenångan som också är en växthusgas. Koldioxid släpps ut från jordlagret och landekosystemen, och ökar temperaturen riktigt mycket kan även haven börja släppa ifrån sig koldioxid. Men, det finns ju inget som hindrar att flera mekanismer sker samtidigt.

Att koldioxid är en växthusgas, dvs att en förändrad halt i atmosfären påverkar strålningsbalansen, är väl känt. Tidiga vetenskapliga publikationer daterar tillbaka till 1800-talet. Klimathistoriskt sett, vid tidigare övergångar från kallare till varmare klimat, är det som skett att när temperaturen ökat (pga ändrad solinstrålning) har växthusgaser släppts ut i atmosfären, vilket i sin tur ökat temperaturen ytterligare, vilket lett till att mer växthusgaser släppts ut osv. Denna återkopplingsmekanism pågår tills dess att en ny jämvikt har ställt in sig vid en högre global medeltemperatur. Läs mer om naturliga klimatförändringar här, om växthuseffekten här och här, och om hur stor andel av den totala växthuseffekten som koldioxid svarar för här.

 Det som är nytt den här gången jämfört med tidigare klimatförändringar är att vi börjat i andra änden på återkopplingsmekanismen. Människan gräver upp fossilt kol, bränner och släpper ut som koldioxid och andra växthusgaser. Mängden koldioxid i atmosfären är nu uppe i 394 ppm (årsmedel för 2012) vilket är en ökning med ca 120 ppm, ca 40%, sen före industrialismens början. Detta får temperaturen att öka, och sparkar igång hela processen med en  förstärkande återkoppling mellan temperatur och koldioxidhalt som får båda dessa att öka.

Bild 1. Global kolbalans med reservoarer och flöden. klicka för större bild.

Än så länge är det så att mängden koldioxid som människan bidrar till att släppa ut delvis hålls i schack av att en hel del av kolet tas upp igen i kolsänkor - världens landekosystem är en sådan kolsänka, havet (!) en annan - dit en del av den koldioxid som släpps ut i atmosfären försvinner. Jämför med den mycket förenklade (men tydliga) bilden ovan. Man talar om termen "airborne fraction" som är hur stor andel av människans utsläpp som stannar i atmosfären och bidrar till uppvärmningen (idag ca hälften av de totala utsläppen) och hur mycket som tas upp av kolsänkor. Än så länge verkar det som om airborne fraction är i det närmaste konstant, vilket innebär att mängden kol som binds in i kolsänkorna i haven och landekosystemen ökar ungefär lika snabbt som utsläppstakten från eldning av fossilt bränsle och utsläpp från förändrad markanvändning (skövling av regnskog t ex). Vi har alltså ännu inte sett till några återkopplingar i form av att haven eller landekosystemen totalt sett skulle ha blivit nettokällor till koldioxid och därmed ytterligare ökat på uppvärmningen. Detta ska man inte tolka som att det inte finns landekosystem eller havsområden som släpper ut kol, bara att det totalt, globalt sett, tas upp mer koldioxid än vad som släpps ut. Läs mer om kolcykeln här, och om källor och sänkor här.

Hur vet vi då att koldioxiden i atmosfären inte kommer från havet? Det enklaste svaret är att vi vet hur mycket fossilt kol vi släpper ut, och om vi ska anta att koldioxiden i atmosfären kommer från havet så måste vi förklara vart koldioxiden från de fossila bränslena i så fall tagit vägen? Vi släpper ju ut mer än vad som ansamlas i atmosfären. Mätningar av koldioxiden i haven visar att dess mängd ökar (se bild 2). Dessutom blir havet allt surare, vilket även det gör troligt att koldioxid binds in i havet, snarare än släpps ut. En annan försvårande omständighet är att det inte finns någon korrelation mellan ökningshastigheten av mängden koldioxid i atmosfären och havsytans temperatur så länge som det finns bra instrumentmätningar av atmosfärens kodioxidhalt, dvs sen 1958 då mätningarna i Mauna Loa-observatoriet på Hawaii startade. Snarare är det här koldioxiden som kommer först, medan havets ytvattens temperatur ändras med en fördröjning.

Bild 2. Koldioxidutveckling i atmosfären och havet runt Mauna Loa. klicka för större bild. 

Det finns ytterligare information som också anger att koldioxiden kommer från mänskliga utsläpp, och inte från t ex havet, landekosystem eller vulkaner, längre utläggning här.

Hur vet vi då att inte uppvärmningen beror på solen? Till att börja med eftersom temperaturförändringen i atmosfären och förändringarna i solintensitet inte följs åt – sedan 1960-talet har solintensiteten legat stilla för att sedan avta sakta, medan temperaturen ändå har ökat. Läs mer om detta här.

I IPCCs kunskapssammanställning från 2007 finns bland annat en graf (bild 3) som illustrerar detta genom att visa modellresultat från en ensemblekörning (många olika klimatmodeller körs parallellt) dels drivna med enbart naturliga variabler (solintensitet bland annat, nedre grafen), och dels drivna med både naturliga och mänskligt påverkande variabler (övre grafen). Det svarta strecket är observerade data, "spagettin" är alla individuella modellkörningarna, och rött respektive blått tjockt streck är medlet från modellkörningarna. Det vi ser här är att om man väger samman det vi "vet" om hur olika mekanismer styr temperaturen så kan vi inte återskapa 1900-talets temperaturökning utan att ta med mänskligt påverkade drivkrafter. 

Bild 3. Modell-illustrationer av hur mänskliga respektive naturliga drivkrafter påverkar temperaturen under 1900-talet. Klicka för större bild.

Att även små förändringar av sammansättningen i ett medium påverkar genomsläpplighet för strålning eller ljusets egenskaper är också väl känt. Liknande fenomen kan man ju enkelt studera hemma genom att hälla röd karamellfärg i en tillbringare vatten - det krävs inte mycket innan ljuset som passerar genom vätskecylindern ser rött ut. Men - viktigast att minnas är att det inte bara är koldioxidens egna, direkta effekt som är viktig när det gäller dess värmande effekt i atmosfären. En fördubbling av mängden koldioxid i atmosfären ger i sig själv bara strax över en grads värmande effekt, men precis som du påpekat så sker även andra processer där temperaturen i luften och oceanerna påverkar jämvikter av olika slag. I det här fallet påverkas även hur stor mängd vattenånga atmosfären kan innehålla, vilket i sin tur ger en ytterligare förstärkning av uppvärmningen.

Det är när man tar med denna indirekta effekt som man hamnar på "klimatkänsligheten", dvs hur stor temperaturförändring en fördubbling av koldioxidhalten de facto ger. Hur hög klimatkänsligheten är, är en källa till diskussion. IPCCs kunskapssammanställning landar i ett intervall troligen mellan 2 och 4,5 grader, med ett troligaste värde på 3 grader. Läs gärna mer om detta på Lunds universitets sida Klimatportalen.

Vänliga hälsningar

Mia

Grafen som Humlum glömde

Vi tänkte bara spinna vidare på det föregående inlägget, som handlar om en artikel av Ole Humlum, Kjell Stordahl och Jan-Erik Solheim med titeln The phase relation between atmospheric carbon dioxide and global temperature. Där drar de slutsatserna att:

 Changes in ocean temperatures appear to explain a substantial part of the observed changes in atmospheric CO₂ since January 1980. 

CO₂ released from use of fossil fuels have little influence on the observed changes in the amount of atmospheric CO₂, and changes in atmospheric CO₂ are not tracking changes in human emissions.

Det är synnerligen revolutionerande slutsatser. Om de är korrekta så omkullkastar de mycket av vad vi vet om ökningen av CO2 i atmosfären. Men en titt på artikeln avslöjar snart att de bygger på uppenbart felaktiga resonemang (som så ofta är fallet när en artikel hyllas av "klimatskeptikerna").

Artikeln innehåller bl a de här två graferna:

Fig. 2. 12-month change of global atmospheric CO₂ concentration (NOAA; green), global sea surface temperature (HadSST2; blue) and global surface air temperature (HadCRUT3; red dotted). The upper panel shows unfiltered monthly values (e.g. January 2000 minus January 1999), while the lower panel shows filtered values (DIFF12, the difference between the average of the last 12 month and the average for the previous 12 months for each data series). The numbers (1–9) on DIFF12 CO₂ peaks and the thin white lines refer to Table 1.

Notera att graferna visar förändringstakten i temperatur i blått/rött och förändringstakten i CO2 i atmosfären i grönt (månadsvis, jämfört med samma månad föregående år) - den visar inte absoluta temperaturvärden/anomalier eller CO2-nivåer. Som man kan se så följs förändringstakten i temperatur och i CO2 åt ganska bra: går den ena upp så går den andra också upp, och går den ena ner så går den andra ner (med en viss fördröjning). Men det finns ett problem här: förändringstakten för temperaturen är ibland positiv och ibland negativ, dvs ibland blir det varmare och ibland blir det kallare (se på hur den blå linjen ligger ibland över och ibland under under den vita 0-linjen). Men tittar vi på förändringstakten för CO2 så är den alltid positiv, dvs CO2 går alltid uppåt (0-linjen för CO2 ligger något under den för temperaturen, och den gröna kurvan ligger alltid en bra bit över denna).  Så det här betyder att när temperaturen stiger så stiger också halten CO2 i atmosfären. Men när temperaturen sjunker, så stiger fortfarande CO2-halten, om än inte lika mycket.

Hur kan man påstå att temperaturförändringarna förklarar CO2-förändringarna, när CO2 går upp vare sig temperaturen går upp eller ner? Temperaturförändringarna kan visserligen förklara de kortsiktiga upp- och nedgångarna i CO2-förändringstakten, men de kan inte förklara att förändringstakten alltid är positiv (och i genomsnitt ligger på c:a 1,5 ppm/år, grovt skattat med ögonmått). Det finns alltså en stor bit av CO2-förändringarna kvar att förklara, dvs den del som orsakar den långsiktiga stadiga ökningen i CO2 under den undersökta perioden.

Så kan det vara från fossila bränslen? Humlum m fl presenterar den här figuren, som handlar om CO2 från fossila bränslen.

Fig. 11. 12-month change of global atmospheric CO₂concentration (NOAA; green), and the change in release of CO₂ from burning of fossil fuels (CDIAC; red). Both graphs are showing monthly values of DIFF12, the difference between the average of the last 12 month and the average for the previous 12 months for each data series.

Men figuren visar förändringstakten i utsläppen (rött) jämsides med förändringstakten för CO2 i atmosfären (grönt). Det är mycket underligt. Det är ungefär som att jämföra förändringstakten på storleken på dina insättningar med förändringstakten på kapitalet på ditt bankkonto, i stället för att jämföra storleken på insättningarna direkt med förändringstakten på kapitalet (t ex jag sätter in 1000 kr/månad och kapitalet ökar 1000 kr/månad). En mer intressant jämförelse vore mellan CO2-förändringstakten i atmosfären och våra utsläpp. Men någon sådan figur har inte Humlum m fl tagit med i sin artikel. Lyckligtvis har vi en här, hämtad från Skeptical Science (som inte täcker exakt samma period, men som överlappar från 1982 till 2005):

(Adapted from Cawley, 2011; data from CDIAC)

Som vi kan se är våra fossila utsläpp (i blått) större än ökningstakten i atmosfären (i rött). De är ungefär dubbelt så stora i genomsnitt. Det naturliga nettobidraget (grönt) är negativt. Så våra fossila utsläpp räcker väl och till att förklara varför CO2-ökningen alltid är positiv, som vi såg i den första figuren. Därför är våra utsläpp en nödvändig del av förklaringen till hur CO2-halten i atmosfären förändras, och framför allt varför den senare långsiktigt har gått uppåt.

Men det är klart: om Humlum och medförfattare hade tagit med ovanstående graf i sin artikel, så hade även de slöaste granskare förstått att deras resonemang hade hål stora som ladugårdsdörrar. Och då hade artikeln aldrig blivit publicerad, och  Global and Planetary Change hade inte behövt skämmas för att de låtit publicera den och jag hade aldrig behövt skriva det här inlägget.

Bert Bolinföreläsningen 2011 av Ralph Keeling

Bland det finaste en forskare kan få postumt är en årlig föreläsning uppkallad efter sig. Än finare är att få ett forskningscentrum med sitt namn. Professor Bert Bolin har med all rätt fått båda.

Varje år sedan 2008 anordnar Bert Bolincentret för klimatforskning en årlig föreläsning öppen för allmänheten med någon av de riktigt stora inom klimatforskningen. I år var det professor Ralph Keeling som talade. Ralph Keeling är ansvarig för Scripps CO2-program som bland annat sköter de världsberömda koldioxidmätningarna på Mauna Loa sedan 1958 efter hans far David Keeling, som var den som startade och drev dessa under många år.

Föreläsningen tog avstamp i klimatvetenskapshistorien där David Keeling, Bolin och svensk-amerikanen Carl-Gustav Rossby spelat avgörande roller och inspirerat varandra, framför allt i studiet av atmosfärens och havens kemi. Under föreläsningen tog Keeling upp det allt för ofta bortglömda faktum att klimatforskarna redan på 70-talet fick huvuddragen klara för de mänskliga utsläppens påverkan på klimatet. De förutsåg i slutet av årtiondet det vi ser och har sett de senaste decennierna.

En intressant del av fördraget var beskrivningen av Keelings pågående projekt som studerar koldioxidcykeln via mätningar av syrenivån i atmosfären. Bakgrunden är behovet att studera marksänkan för koldioxid. Den extra koldioxid som tillförs genom mänsklig aktivitet tas upp till en del av haven och till en del av växtlighet på land. Årligen ökar koldioxidnivån med drygt hälften av utsläppen från fossil förbränning.¹ För havens upptag finns det väl fungerande modeller medan markupptaget är betydligt osäkrare. Detta för att det är mycket komplext att modellera världens omväxlande växtlighet och dess biologi men även då människan påverkar upptaget genom skogsavverkning och annan aktivitet som frigör koldioxid men också skogsplantering och liknande som ökar upptaget. Keelings angreppssätt är en metod att kringgå problemen med direkt analys av markupptaget.

Vid förbränning av fossila bränslen binds syre från atmosfären med kolet. Koldioxidhalten ökar och syrehalten minskar. Vid upptag i växtlighet sker det omvända, koldioxid tas ur atmosfären och syre tillsätts via fotosyntesen. I haven sker det däremot ett kemiskt upptag av koldioxid utan motsvarande syreavgång.

Alltså, om havet var den enda sänkan för koldioxid skulle syrehalten i atmosfären sjunka lika mycket som krävs för att förbränna det fossila bränslet men ju större andel som tas upp på land² desto långsammare skulle syrehalten sjunka. (Om all koldioxid från förbränningen skulle tas upp av växtlighet och inget kemiskt skulle syrehalten vara konstant.) Genom att beräkna hur mycket kol som förbränns, mäta ökningen av koldioxidhalten i atmosfären, beräkna upptaget i haven samt mäta förändringen av syrenivån kan Keeling och hans medarbetare beräkna nettot för koldioxidsänkan på land. En av svårigheterna är att förändringen av syrehalten liten jämfört med den mängd som finns i atmosfären så det ställer mycket stora krav på mätnoggrannhet. Resultaten visar att land står för ett nettoupptag av koldioxid i överensstämmelse med kolbudgetberäkningar.

Förhållande mellan syre och kväve i atmosfären uttryckt i avvikelse i miljondelar från ett standardvärde. (Källa NOAA)

Under den avslutande delen av föredraget reflekterade Keeling över klimatfrågan som ett svårt politiskt och psykologiskt problem. Ett problem där väldigt många, jordens befolkning, är berörda och där tidsskalan i så väl åtgärder och effekter är decennier.

1) En annan metod är att lägga till även bidraget av koldioxid från landanvändning. Då blir det knappt hälften av det totala bidraget som blir kvar.

2) Detta är förenklat. Även i haven tas koldioxid upp genom fotosyntes vilket tas hänsyn till i det vetenskapliga arbetet liksom att syre och kväve frigörs då haven blir varmare.

Kan vi förlora kontrollen över uppvärmningen?

Alla skidåkare har nog varit med om det; backen där du kan bromsa fartökningen men inte stanna. Det är bara att hoppas att du står på benen tills backen är slut. Kan vi råka ut för samma med klimatförändringarna?

Än så länge är våra utsläpp den absolut största källan till ökningen av växthusgaser i atmosfären. Vi har där med makten över ökningstakten. Minskar vi utsläppen slår det igenom nästan helt i minskad ökningstakt. Skulle vi slå till bromsarna och drastiskt minska utsläppen kommer vi också att få stopp på uppvärmningen¹, men det kanske inte kommer att vara så så länge till. Två potentiella källor till stora koldioxidutsläpp, Amazonas och permafrost, kan vara på väg att väckas.

Ett normalt år tar regnskogen i Amazonas upp ungefär 1,5 miljarder ton koldioxid (0,4 Gt kol) ur atmosfären. Förra årets extrema torka ledde till omfattande träddöd med efterföljande förruttnelse med nettoutsläpp (Lewis et al 2011) på 5 miljarder ton koldioxid (1,4 Gt kol). Detta var tyvärr den andra, och än större, torkan på fem år. År 2005 drabbades Amazonas av en torka som även den ledde till stora nettoutsläpp. Dessa torkor är tyvärr inte oväntade, att Amazonas torkar ut under global uppvärmning är snarare förväntat. Vi kan ha framför oss decennier av minskande regnskog med tillhörande nettoutsläpp av koldioxid i miljardtonsklassen.

(A och B) Satellit-uppmätta standardiserade anomalier för torrsäsongsnederbörd för the två mest utbredda torkorna under detta århundrade i Amazonas. (C och D) Skillnaden i 12-månaders (oktober till september) MCWD [maximum climatological water deficit] från decenniemedlet (uteslutande 2005 och 2010), ett mått på torkans intensitet som korrelerar med träddödlighet. (A) och( C) visar torkan 2005; (B) och (D) visar torkan 2010. Källa

Ändå är kanske Amazonas det mindre problemet. Permafrostområdena kring nordpolen binder mycket stora mängder koldioxid i form av oförmultnat växtmaterial. När permafrosten nu tinar frigörs denna koldioxid. I en ny studie av amerikanska National Snow and Ice Data Center (Schaefer et al 2011) har de modelerat frigörandet av koldioxid på grund av tinande permafrost. Modellen utgår från IPCCs utsläppsscenario A1B och tar inte hänsyn till den frigorda koldioxiden från permafrostområdena eller de metanutsläpp som också är ett resultat av smältande permafrost. Resultatet är en snabb ökning av frigjord koldioxid under närmaste decennierna. Om 20-30 år kan smältningen bidra med 1 miljard ton kol per år ( 3,7 Gt CO₂) till atmosfären. Den totala mängden som förväntas frigöras under scenariot är kring 200 miljarder ton vilket är i samma storleksordning som de totala mänskliga utsläppen av koldioxid från industrialiseringens början fram till idag, ca 300 Gt kol.

Kolutsläpp i miljarder ton/år från permafrost. (Källa)

Utsläpp på 1-2 Gt kol per år från Amazonas och permafrost om några decennier räcker nästan för att på egen hand upprätthålla koldioxidkoncentrationen i atmosfären och där med temperaturen. De redan tuffa målen för att undvika svåra konsekvenser av klimatförändringar blir en än större utmaning, för att uttrycka det positivt.

Utsläppskurvor för 75% chans att klara 2-gradersmålet enligt Köpenhamnsdiagnosen. Dessa är utan hänsyn till bidrag från permafrost eller ett Amazonas i förvandling. År 2009 var de totala mänskliga utsläppen 34 Gt CO₂, alltså över dessa kurvor.

Frågan är om vi kan få stopp medan vi står på benen eller om färden slutar med obehagliga konsekvenser.

1) Så småningom och kanske inte vid den temperatur vi önskar. Se här eller här.

Kolcykeln - Källor och sänkor

Vi har tidigare skrivit om kolcykeln, beskrivningen av kolets rörelse inom jorden, haven, djur och växter samt atmosfären. Här följer en kortfattad introduktion till källor och sänkor för antropogena bidraget till kolcykeln.

Källor är de processer som släpper ut koldioxid i atmosfären medan sänkor är de som tar upp koldioxid ur atmosfären. Tillsammans med ökningen av koldioxidhalten i atmosfären sluter de den så kallade kolbudgeten.

Källor
Den största källan är användning av fossila bränslen samt industriell verksamhet. Under 2009, det senaste året med sammanfattad statistik, bidrog dessa med 8,4 miljarder ton (8,4 Gt) kol¹ till atmosfären vilket är de näst högsta utsläppen i mänsklighetens historia, endast slaget av 2008 års utsläpp. Osäkerheten i dessa beräkningar är ±6%.

Markanvändning är den andra viktiga källan till antropogena kolutsläpp. När skogsområden omvandlas till betesmark eller när skog huggs ner utan att återplantering sker frigörs koldioxid till atmosfären. Denna källa bidrog med ca 0,9 Gt under 2009. Bidraget från denna källa är mer osäker än från fossilt bränsle och industri men en trend av minskande bidrag från markanvändning finns glädjande nog. Utsläppen från denna källa har minskat med ca 25% från 1990-talet till 2000-talet.

Förändringen i atmosfären
Koldioxidnivån i atmosfären bestäms genom kontinuerliga mätningar vid ett flertal platser världen över och är den idag bäst kända delen av kolbudgeten. Ökningen i atmosfären under 2009 var 3,4±0.1 Gt vilket motsvarar 1,6 ppm. Detta är något över medlet de senaste 20 åren (1,5 ppm/år) men lägre än medlet för 2000-2008 som var 1,9 ppm/år.

Som synes ovan är ökningen i atmosfären knappt 40% av de totala utsläppen. Den resterande koldioxiden har tagits upp av hav och i skog och mark under året.

Antropogena kolbudgeten 2009 med ungefärlig storlek på de geologiskt viktiga processerna med vulkaner och vittring som jämförelse.

Sänkor
Havens ytvatten tar upp ungefär en fjärdedel av de årliga utsläppen. Skog och mark tar upp ytterligare en dryg fjärdedel. Hur mycket som tas upp ett visst år varierar med vädret under året, speciellt upptaget på land.

Havet tar upp koldioxid både direkt genom att det löses i vattnet, detta upptag är det som leder till havens försurning, och genom att vattenlevande organismer binder kol som sedan hamnar på havsbotten eller i djuphavet genom havets ekologi.

Det finns en stor osäkerhet i fördelningen av upptaget på land och dess processer. Ökad växtlighet på grund av mer koldioxid och högre temperaturer med längre växtsäsong på de stora nordliga landområdena är dock högst troligt ett viktigt bidrag till denna källa.

Det finns tecken på att andelen som tas upp av naturen har minskat sedan 1950-talet men osäkerheten är fortfarande för stor för att detta kan fastslås säkert.

Uppdatering:

Andel av utsläppen som blev kvar i atmosfären år för år. Baserat på data från GCP.

1) Ibland anges vikten i koldioxid i stället. Ett ton kol motsvarar 3,7 ton koldioxid på grund av det tillkommande syrets vikt i molekylen.

Källor:
GCP Carbon budget 2009
Le Quere, Trends in the sources and sinks of carbon dioxide