Gästinlägg: Att jämföra koldioxid och metan

Eftersom det finns fler växthusgaser än en, så behöver vi kunna göra relevanta jämförelser mellan utsläpp av olika sådana. Hur stort metanutsläpp orsakar lika mycket förhöjd växthuseffekt som en given mängd koldioxid? Frågan är mer komplicerad än man kanske först anar, och vi har idag glädjen att presentera ett gästinlägg om saken av Chalmersforskarna Christian Azar, David Bryngelsson, Daniel Johansson, Erik Sterner och Stefan Wirsenius. /O.H.

* * *

Att jämföra koldioxid och metan – varför GWP inte ger hela bilden

Metan är en betydligt starkare växthusgas än koldioxid. Men metans livslängd i atmosfären är betydligt kortare. Det gör att det är svårt att jämföra dessa gasers klimatpåverkan. Enligt det vanligaste måttet, Global Warming Potential (GWP) med en hundra års tidshorisont¹, är klimatpåverkan från ett utsläpp på ett kg metan 28 gånger större än motsvarande utsläpp av koldioxid². När man räknar om metan och andra utsläpp av växthusgaser till koldioxid på det här viset brukar man tala om ”koldioxidekvivalenta” utsläpp.

Men är de egentligen ekvivalenta? I den här korta texten kommer vi visa att de är ekvivalenta i ett avseende men inte i allmänhet. Detta får stor betydelse för hur man bör resonera kring hur mycket koldioxid och metan man kan släppa ut på lång sikt om man vill stabilisera klimatet. Vi kommer att se att utsläppen av koldioxid behöver minska till i princip noll, medan så inte är fallet för metan. I resten av texten förklarar vi varför.

I figuren nedan illustrerar vi hur mycket medeltemperaturen på jorden förändras om vi släpper ut 1 kg metan per år och 28 kg koldioxid per år under 500 år framöver. Vi har valt 28 kg koldioxid eftersom denna mängd koldioxid, som nämndes ovan, beräknas vara ekvivalent med 1 kg metan om man använder GWP-måttet för en hundraårsperiod.

Figur 1. Temperaturresponsen av konstanta metanutsläpp på 1 kg per år och 28 kg koldioxid per år.

Man ser omedelbart att temperaturpåverkan inte är densamma. Utsläppen är alltså inte ekvivalenta i allmänhet. Utsläppen av metan ger en relativt snabb temperaturuppgång men efter några decennier stannar temperaturuppgången av, och temperaturen (kommer till slut) stabiliseras på en förhöjd nivå.

För koldioxid däremot får vi en närmast konstant temperaturökning. Efter drygt 100 år är temperaturuppgången ungefär lika hög som den för metan. I detta avseende har man alltså en ungefär likvärdig klimatpåverkan mellan 28 kg koldioxid och 1 kg metan.³

Men efter att de första hundra åren har passerat fortsätter temperaturen att öka för koldioxid. Konstanta koldioxidutsläpp leder alltså till att temperaturen fortsätter att öka under hela perioden - och därefter! Dessutom sker temperaturökningen i en närmast konstant takt (vilket framgår av figuren).

Den observante läsaren kan nu dra följande slutsats: för varje ton koldioxid vi släpper ut så stiger temperaturen lite grann. Vill vi att temperaturen ska sluta stiga, så måste utsläppen av koldioxid sjunka till i stort sett noll.⁴

För metanutsläpp, däremot, kan vi ligga kvar på konstanta utsläpp utan att temperaturen ökar ytterligare när jämvikt väl uppnåtts (att det tar lång tid och går sakta efter cirka 100 år beror på att det tar lång tid att värma upp världshaven, se figuren).

Dynamiken i temperaturpåverkan från konstanta utsläpp av metan och koldioxid är alltså helt olika. Det är här en viktig skillnad som ej syns i GWP-måttet (när man valt en viss tidshorisont).

Att det blir sådan skillnad för koldioxid och metan beror på att metan har en kort livslängd (cirka 10 år) i atmosfären medan koldioxid har en livstid i atmosfären som är mer komplicerad. Den kan inte sammanfattas med ett enskilt värde, men en betydande andel (cirka 40%) stannar i atmosfären i hundra år, och cirka 20% procent finns kvar efter tusentals år.⁵

En del tänker att skillnaden i dessa gasers uppehållstid i atmosfären innebär att man inte behöver ta metan på så stort allvar. Så är inte fallet. Koldioxid utgör visserligen den stora utmaningen, och en omställning av energisystemet är helt avgörande för att vi ska klara av klimatmålen. Men, metan är fortfarande viktigt. Om vi håller de globala metanutsläppen konstanta på dagens nivå kommer de på sikt (när jämvikt uppnåtts) leda till en temperaturuppgång på cirka 0,8 grader⁶. Detta innebär att en minskning av metanutsläppen är i stort sett nödvändigt om vi ska nå 2-gradersmålet.

Poängen med den här artikeln är alltså inte att man ska avveckla GWP som metod för att jämföra växthusgaser utan snarare att man ska förstå att GWP-perspektivet (med hundraårs tidshorisont) behöver kompletteras med det mer långsiktiga perspektivet, och att båda dessa perspektiv behövs när man resonerar om en långsiktig stabilisering av klimatet på en önskad nivå. Exempelvis innebär de här vidgade perspektiven alltså att det långsiktiga målet för utsläpp av växthusgaser inte behöver vara noll. Vi behöver snarare ha ett mål för koldioxid som är noll (eller nära noll) och ett mål för metan som innebär konstanta men inte för stora utsläpp. Det räcker för att på sikt stabilisera temperaturen⁷. Den insikten kan man inte få om man bara resonerar i GWP-termer när man gör avvägningar mellan olika växthusgaser.

Christian Azar, professor

David Bryngelsson, teknologie doktor

Daniel Johansson, docent

Erik Sterner, doktorand

Stefan Wirsenius, docent

Alla verksamma vid avdelningen för fysisk resursteori, Chalmers.

Fotnoter

1) Enligt den metoden summerar man den uppvärmande effekten för ett utsläpp av t.ex. ett kg metan, år för år, hundra år framöver, där man också beaktar att metanet successivt bryts ned i atmosfären. Man gör därefter motsvarande beräkning för koldioxid, och beräknar sedan klimatpåverkan från metan relativt koldioxid genom att dela den sammanlagda uppvärmande effekten från metan med den från koldioxid.

2) Betraktar man även feedbackmekanismer på kolcykel (från temperaturökningen från metanutsläppen) uppskattas GWP-måttet för metan (100 år) till cirka 34. Det kan även vara intressant att notera att molekyl för molekyl i atmosfären (när man ej beaktar att de har olika livslängd) är metan cirka 26 gånger starkare än koldioxid, kg för kg så handlar det om cirka 70 gånger större effekt. Metan påverkar dessutom koncentrationen av vattenånga och ozon i atmosfären vilket ger ett ytterligare bidrag på cirka 40%. Totalt sett får vi alltså närmare 100 gånger större påverkan per kg metan än kg koldioxid (per adderat kg till atmosfären). Att GWP-värdet inte blir cirka 100 beror på att metan har en kortare uppehållstid i atmosfären.

3) Det finns flera sätt att jämföra växthusgaser. GWP är ett sätt, ett annat är att ta beräkna temperaturpåverkan av ett konstant utsläpp av metan och dela den temperaturökningen med temperaturpåverkan från ett konstant utsläpp av koldioxid (1 kg per år av varje gas). Det här måttet kallas ibland för Sustained Global Temperature change Potential (SGTP). Det visar sig dock att GWP och SGTP, som på ytan kan te sig olika, är mycket nära besläktade. Detta visas formellt i Azar & Johansson (2012) och det är därför 28 kg koldioxid per år ger ungefär samma temperaturpåverkan som 1 kg metan per år efter 100 år. Azar, C., & Johansson, D.J.A., 2012. On the relationship between metrics to compare greenhouse gases – the case of IGTP, GWP and SGTP, Earth Syst. Dynam. 3, 139-147.

4) Den intresserade läsaren kan läsa mer om det här i exempelvis Matthews, H.D. and Calderia, K. 2008. Stabilizing climate requires near-zero emissions, Geophysical Research Letters 35 (4), DOI: 10.1029/2007GL032388; samt i Azar m fl (2013) där vi (också) visar hur negativa emissioner av koldioxid leder till sjunkande temperaturer i atmosfären: Azar, C., Mattsson, N., Johansson., D.J.A., 2013. Meeting global temperature targets - the role of bioenergy with carbon capture and storage. Environmental Research Letters 8.

5) De exakta andelarna beror på hur stora de totala utsläppen varit hittills. Ju mer vi släppt ut, desto högre andel kommer stanna. Se t ex Caldeira & Kastings, 1993. Insensitivity of global warming potentials to carbon dioxide emission scenarios. Nature 366. Se även Azar, C., 2013. Klimatpåverkan finns kvar i tusentals år. Svenska Dagbladet, 24/9.

6) IPCC uppskattar påverkan på strålningsbalansen (radiative forcing) från våra metanutsläpp till 0,97 W/m², se figur 8.17 i IPCC AR5, WG 1. Antar vi en klimatkänslighet på tre grader per koldioxidfördubbling (som motsvarar 0,8 K/(W/m²)) får vi alltså en temperaturpåverkan i jämvikt på cirka 0,8 grader.

7) Påståendet gäller givet att klimatpåverkan från andra gaser inte ökar.

Kor i kretslopp

"Kor och deras metanutsläpp ingår i ett naturligt kretslopp. Hur kan kor skada klimatet när de inte tillför något fossilt kol till atmosfären?"

Detta är en fråga som ofta kommer upp i diskussioner om kornas klimatpåverkan, varför den förtjänar en egen blogpost. Jag ska försöka reda ut några missförstånd som nyligen synts t.ex. på bloggen Cornucopia. Låt oss ta det från början. Biomassa som växer binder koldioxid (CO₂) från atmosfären genom fotosyntesen och bildar kolhydrater, protein och fett. Växter avger också koldioxid till  atmosfären genom respiration, den process då energi utvinns från framförallt glukos i mitokondrierna och ATP (adenosintrifosfat) bildas. ATP är en molekyl som behövs för energikrävande kemiska reaktioner i cellerna. När biomassa dör och förmultnar oxiderar även då kolet till koldioxid och energi frigörs. Denna cykel kan man tydligt se genom att mäta halten av koldioxid i luften över ett år. I maj 2014 uppmättes en CO₂-halt av 402 miljondelar i atmosfären. I september 2014 var den nere i 395 miljondelar, varpå den steg igen till 404 miljondelar i maj 2015.

Några mätvärden från Scripps Institution of Oceanography. Koldioxid-koncentrationen är angiven i ppm (miljondelar).

2013-09-28, 393.13

2014-05-31, 402.12

2014-09-13, 394.80

2015-05-16, 403.90

Eftersom den största delen av världens landområde finns på norra halvklotet så stämmer CO₂-fluktuationerna i atmosfären hyfsat väl in på våra årstidsväxlingar här uppe. Respiration sker under större delen året medan fotosyntesen är koncentrerad kring sommarmånaderna. Resultatet blir att CO₂-halten i atmosfären minskar under växtsäsongen för att sedan öka igen under resten av året. Utöver dessa fluktuationer kan vi även se en liten ökning från år till år av luftens CO₂-halt som beror på att vi kontinuerligt tillför fossilt kol till atmosfären och att vi har en del avskogning. Men växter som sköter sig själva bidrar inte till den ökande växthuseffekten eftersom de i genomsnitt över tid binder lika mycket koldioxid som de ger ifrån sig.

Låt oss nu titta på hur det ser ut om vi lägger till kor i vårt system. Precis som tidigare tar växter koldioxid från atmosfären och bildar kolhydrater, protein och fett. Korna äter växter och får i sig energi genom att bryta ner dessa kolföreningar till koldioxid som de sedan andas ut. (En del av kolet lagras också i kornas mjölk, kött och gödsel, men slutresultatet blir ändå att det förr eller senare bryts ner till koldioxid.) Men detta är inte hela sanningen. Kor har också en massa mikroorganismer i sin våm (den första av kons fyra magar) som producerar metan. Resultatet blir att korna andas (eller rapar) ut en massa metan. Ett riktvärde är att motsvarande 6,5% av kons energiintag (från maten den äter) omvandlas till metan. Precis som hos människor kan kor också bilda metan i tarmarna som släpps ut när vi fiser, men detta är endast en liten del av kons metanutsläpp. När man hör att kor är dåliga för klimatet eftersom de fiser ut för mycket metan är detta alltså inte helt korrekt. De bidrar visserligen en aning till växthuseffekten genom att släppa väder, men den allra största delen av kons utsläpp kommer genom utandningsluften.

Vad händer nu med metanet? Det mesta bryts ner i atmosfären till koldioxid efter i genomsnitt 12 år. Koldioxid kan sedan åter igen tas upp av växande biomassa. Man skulle kunna säga att kol även i detta system går genom ett kretslopp: från koldioxid i atmosfären, till kolhydrater/protein/fett i växter, till metan (och koldioxid) genom kornas matsmältning, och slutligen till koldioxid igen i atmosfären. Hur kan vi då säga att kor är skadliga för klimatet när de inte tillför något fossilt kol till atmosfären?

Till att börja med stämmer det inte att uppfödningen av kor inte tillför atmosfären något fossilt kol, men låt oss bortse från det nu och bara titta på metanet. Anledningen till att kornas metan är skadligt för klimatet är att det är en mycket starkare växthusgas än vad koldioxid är. I ett 100-årsperspektiv ger ett kilo metan lika mycket värmetillskott som ca 28 kg koldioxid. Då har man tagit hänsyn till att metan endast uppehåller sig i atmosfären i ca 12 år. Den omedelbara uppvärmningen blir alltså mycket högre. Om man tittar på effekten över 20 år så blir det i stället 84 gånger mer värmetillförsel av metan än av koldioxid. (Se AR5, WG1, Appendix 8A) Om kolföreningar i gräset omvandlas direkt till koldioxid vid förmultning, eller om det går omvägen via metan spelar alltså väldigt stor roll.

 

Till vänster ett kretslopp utan kor. Till höger ett kretslopp med kor.

Metanet i atmosfären bryts som sagt ner allteftersom tiden går, men vi har ju också ett kontinuerligt nytillskott av metan från bland annat korna. Detaljerna i metanets nedbrytning i atmosfären är invecklade men i stora drag bryts det ner lika mycket metan som det tillförs, allt annat lika. Resultatet blir att vi får en atmosfär som ständigt har en massa metan i sig. Fler kor ger högre metanhalt. (I dagsläget är dock inte metanhalten konstant, utan ökar på grund av att vi släpper ut snabbare än det bryts ner, men mer om det senare.) Nyckeln till problemet är att metanet inte bryts ner i samma stund som det bildas, utan uppehåller sig en viss tid i atmosfären innan den bryts ner (ca 12 år). Under denna tid hinner det göra stor skada. Tänk dig följande jämförelse. Om jag tar två glas rödvin i kväll så är alkoholen borta ur mitt blod i morgon förmiddag när jag går till jobbet. Kroppen bryter snabbt ner alkohol. Tänk dig nu en person som dricker mycket alkohol och har 3 promille alkohol i blodet. Tänk dig vidare att han dricker kontinuerligt så att promillehalten håller sig på den nivån, dag ut och dag in. I detta jämviktstillstånd bryter hans kropp ner alkohol i samma takt som han upptar alkohol i blodet. Betyder det att alkoholen inte gör någon skada i hans kropp??

Men åter till kor. Är inte kor något naturligt som alltid har funnits? Varför ska vi inte ha några kor? Problemet är det växande antalet djur. Enligt statistik från FAO hade vi 942 miljoner nötdjur 1961, globalt sett, men 1,47 miljarder 2013. Vaclav Smil ger liknande siffror. År 1900 bedömer han att det fanns runt 450 miljoner nötdjur och bisonoxar, globalt sett. Hundra år senare var motsvarande siffra 1,65 miljarder. Antalet vilda djur är endast en liten bråkdel av detta. Smil uppskattar att det idag finns 16 gånger mer nötdjur i vikt räknat än vad det finns vilda landlevande däggdjur, totalt, på vår jord.

Metanhalten i atmosfären var 150% högre 2011 än 1750. Detta är visserligen inte endast kornas fel. Metanutsläpp uppstår också vid risodling, utvinning av fossila bränslen och annat. Men hur vi än vrider och vänder på oss så går det inte att komma ifrån att metanhalten i atmosfären hade varit lägre om det hade funnits färre kor.

Arktisk tragedi

Den här bilden föreställer den arktiska havsisens utbredning under 2013 (brun linje), 2012 (streckad linje), samt genomsnittet för 1981-2010 (svart linje) med två standardavvikelser (grått band). September 2012 hade den minsta utbredningen sedan mätningar började, och årets utbredning närmar sig samma nivå.

Vad innebär detta på lite längre sikt? Två färska forskningartiklar handlar om detta. Den första är:

Ashley P. Ballantyne, Yarrow Axford, Gifford H. Miller, Bette L. Otto-Bliesner, Nan Rosenbloom, James W.C. White. The amplification of Arctic terrestrial surface temperatures by reduced sea-ice extent during the Pliocene. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2013.

Ett pressmeddelande nämner temperaturer som var 15-20 grader Celsius högre i Arktis för 3 miljoner år sedan jämför med idag, trots att mängden CO2 var jämförbar (400 ppm). Ökningen anses huvudsakligen bero på att det fanns mindre (eller ingen) havsis:

Ballantyne’s findings suggest that much of the surface warming likely was due to ice-free conditions in the Arctic. That finding matches estimates of land temperatures in the Arctic during the same time. This suggests that atmospheric carbon dioxide concentrations of 400 ppm may be sufficient to greatly reduce the spatial extent and seasonal persistence of Arctic sea ice.

The authors also found that surface temperatures in the Arctic are more sensitive to the amount of sea ice than to the amount of land-based ice. They show that once sea ice is removed, heat lost from the ocean recirculates in the atmosphere and warms the interior land.

Den andra artikeln, som är en kommentar i tidskriften Nature av forskarna Gail Whiteman, Chris Hope och Peter Wadhams, Vast costs of Arctic change, handlar om effekterna av metanutsläpp från det tinande Arktis (se här och här). Man beräknar en kostnad för världsekonomin på c:a 60 biljoner dollar ($60 000 000 000 000). Det kan jämföras med värdet på hela världsekonomin, som var 70 biljoner dollar 2012:

We calculate that the costs of a melting Arctic will be huge, because the region is pivotal to the functioning of Earth systems such as oceans and the climate. The release of methane from thawing permafrost beneath the East Siberian Sea, off northern Russia, alone comes with an average global  price tag of $60 trillion in the absence of  mitigating action — a figure comparable to the size of the world economy in 2012 (about $70 trillion). The total cost of Arctic change will be much higher. 

Se också AB, DN, och SvD. SvDs rubrik blev dock lite konstig: "Smältande havsisar hotar hela världsekonomin". Det är ju inte så att kostnaden kommer att upprepas varje år: den kommer att spridas ut över många år.

Uppdatering:

Förutom uppmärksamhet har den andra artikeln, den om Arktisk metan, fått en del vetenskaplig kritik kring antaganden om metanutsläpp. Se tex: Arctic Methane Claims Questioned

Växthusgaser i realtid

NOAAs Global Monitoring Division har mycket intressant information. Man kan t ex se mätningar av växthusgaser vid Manua Loa och ett stort antal andra mätplatser.

Så här ser det ut för koldioxiden i atmosfären.

Det är alltså inte långt kvar till 400 miljondelar nu. Vi vet att ökningen främst beror på användning av fossila bränslen.

Så här der det ut för metan, som är den tredje viktigaste växthusgasen, efter vattenånga och koldioxid.

Metanhalten mäts i miljarddelar.Vi kan se att vi har haft en platå från 1999 till 2006, men från 2007 har det börjat öka igen.  Enligt forskning vid NASA berodde platån på att man började ta bättre tillvara på naturgas vid oljeutvinning. Det gav oss bara en tillfällig respit.

Till skillnad från koldioxid så bryts metan ner i atmosfären (till just koldioxid och vatten) efter i genomsnitt 10 år. För att metanhalten ska öka så krävs därför en kontinuerling ökning av utsläppens storlek. Vid konstanta utsläpp uppnås en jämvikt efter något decennium.

Faint sun paradox

Allteftersom kvoten H/He i solen minskat genom fusion har solens ljusstyrka ökat, och under solsystemets första årmiljarder var solen upp till 30% ljussvagare. Trots detta blev inte Jorden djupfryst och täckt av en kilometertjock is.

Hur den kalla isplaneten OGLE-2005-BLG-390Lb kan se ut, av Herbert Zodet, © ESO

Tvärtom, de geologiska bevisen visar otvetydligt på förekomsten av liv och vatten i flytande form. Denna synbara paradox påpekades för nästan 40 år sedan av Sagan och Mullen, och den har alltsedan dess gäckat forskarna. Eftersom det idag finns stora mängder CO₂ bundet i yngre sedimentära bergarter (främst i karbonater, huvudsakligen (CaMg)CO3) har en förhöjd växthuseffekt, pga. höga halter av CO₂ i atmosfären, ansetts motverkat den svaga solen. Senare modellstudier har dock visat att höga halter av CO₂ i atmosfären under Arkeikum var svåra att uppehålla genom förlust av CO₂ till manteln genom karbonisering av oceanisk skorpa, vilken sedermera subducerat ner i manteln. Dessutom visar studier av 2,8-2,2 Ga gamla paleosoler för låga CO₂-nivåer för att kompensera den svaga solen. Följaktligen har det föreslagits att även metan, CH_4, bidrog till växthuseffekten. Baserat på geologiska bevis har Lowe och Tice i två review-artiklar (2004, 2007) argumenterat för att den svaga solen under Arkeikum kompenserades av höga halter av CH₄ och CO₂, med stora variationer av pCO₂. Dessa geologiska bevis är:

• temperatur uppskattningar från syreisotoper
• pCO₂ uppskattningar från evaporiter
• uppskattning av den kemiska vittringen

Temperaturen i tidiga Arkeikum

Hur varmt det var under Arkeikum är omdebaterat. En studie av δ¹⁸O i silificerade sediment från det 3,5-3,2 Ga Barbeton grönstensbältet i Sydafrika visar yttemperaturer runt 70°C (Knaut och Lowe, 2003)¹. Höga temperaturer är inte kompatibelt med CH₄ som den dominerande växthusgasen, eftersom metan polymeriserar och bildar en organisk dimma när kvoten CH₄/CO₂~1 . En sådan dimma kan leda till deponeringen sediment med mycket låga andelar ¹³C, vilket ännu inte har hittats, men framför allt skulle en sådan organisk dimma effektivt blockera solljuset och leda till en anti-växthuseffekt liknade den som finns på Saturnus måne Titan. Om temperaturerna under Arkeikum globalt sett var runt 70°C, kräver det en atmosfär där CH₄/CO₂ <<1.

Evaporiter

Bland de silificerade sedimenten i Barbeton grönstensbältet finns även nacholit (NaHCO₃), vars habit och geometri tyder på ett primärt evaporitiskt ursprung. Liknade silificerad nacholit har även hittats i likådriga bergarter i västra Australien. Primär evaporitisk nacholit bildas inte i dagens atmosfärsförhållanden, utan kräver mycket högre pCO₂. Vid temperaturer runt 70°C kräves det en atmosfär med minst 4% CO₂, för att nacholit ska vara stabilt, de verkliga CO₂ nivåerna kan alltså varit mycket högre.

Intensiv kemisk vitting

Landskap med hög topografi där växtligheten försvinner resulterar i snabb erosion av jordmånen, blottandet av berggrunden och bildandet av omogna ”first-cycle” sediment, dvs. bildande av sediment med hög andel av lättvitrade mineral som Fe-Mg silikater och Ca-rik plagioklas. Med ett intakt växttäcke dominerar fluvial transport och deponering av mogna ”first-cycle” sediments, dvs. bildandet av kvartsrika sediment. 3,2 Ga sediment i Barbeton grönstensbältet är en ”first-cycle” synorogen sandstenssekvens dominerad av de mest kemiskt resistenta mineralen (kvarts och K-fältspat), trots att deras källområde, den beggrund där de kom ifrån, domineras av plagioklas och Fe-Mg silkater. Dessutom fanns det troligen inte något skyddande växttäcke. Detta tyder på en intensiv kemisk vittring av berggrunden, främst genom hydrolys och upplösning av berggrunden (oxidering och biologiskt orsakad kemisk vittring var i Arkeikum av troligen av liten betydelse), vilket indikerar på högt pCO₂ (då detta ger mycket CO₂ löst i vattnet vilket underlättar både hydrolysen och upplösningen mineral.

De geologiska bevisen mellan 3,5-3,2 Ga motsäger modellstudien som menar att CO₂ snabbt fördes ner i manteln från den Arkeiska atmosfären. Detta kan förklaras som att; (i) snabb tektonisk återvinning av CO₂ till atmosfären; och (ii) svårigheter att karbonera oceanisk krusta (exempelvis genom för lite oceanisk krusta i kontakt med atmosfären eller kraftigt stratifierade oceaner). Senare i Arkeikum, ca. 2,9-2,7 Ga, förefaller CO₂ halten i atmosfären minskat och klimatet blivigt kyligare. Indikationer på detta är:

• frånvaro av nacholit i bergarter yngre än 3,2 Ga
• Paleosoldata som indikerar på CO₂ nivåer i atmosfären mellan ca. 0,1-1 %.
• Indikationer på nedising vid 2,9 Ga.
• 2,8-2,7 Ga sediment med δ¹³C mellan -40‰ och -60‰ (mycket rika på ¹²C), vilket kan förklaras med CH₄/CO₂ ~ 1 (eller med bakterier som livnärt sig på CH₄).

Baserat på dessa data från Arkeikum framlägger Lowe och Tice ett elegant men spekulativt scenario hur atmosfären och klimatet varierat mellan 3,5-2,4 Ga. Innan ca. 3,2 Ga var Jorden en het värld med temperaturer runt 70°C, vilket kan förklaras via en förhöjd växthuseffekt dominerad av CO₂ med visst bidrag från CH₄ (CH₄/CO₂ << 1). Koldioxid nivåer i atmosfären uppehölls genom en snabb tektonisk återvinning av CO₂ och lite tillgänglig subarriel krusta som via vittring drog ut CO₂ ur atmosfären. Kring 3,2-3,0 Ga bildades de första större kontinentala blocken, som Kaapval och Pilbara kratonerna, vilka genom kemisk vittring transporterade CO₂ ner i haven och slutligen till manteln. Allteftersom kontinenterna vittrade minskade CO₂ i atmosfären till mindre än 0,1%, vilket reflekteras i 2,9-2,7 Ga paleosoler. Minskningen av CO₂ orsakade i sin tur att CH₄/CO₂ närmade sin 1, med bildandet av av en organisk dimma som kylde ner Jorden med lokala eller globala glaciationer som följd. Med tiden kom den organiska dimman att deponeras i sedimenten och ge upphov till sekvenser med mycket låga δ¹³C värden. I takt med att kontinenterna eroderades ned och täcktes av sediment, samt att temperaturen sjönk minskade den kemiska vittringen och CO₂ nivåerna steg i atmosfären, via vulkanism och metamorfa processer, och den organiska dimman lättade (CH₄/CO₂ << 1). Dock kom inte temperaturen att nå lika nivå pga. en netto förlust av CO2 till manteln. En ny puls av kontinentaltillväxt kan ha föranlett sjunkande CO2 nivåer vid 2,4-2,2 Ga och en omfattande glaciation av Jorden (den första snowball/slushball earth). Avsaknaden av mycket låga δ¹³C värden tyder på att CH4/CO2 << 1. En simultan minskning av CH4 efter 2,7 Ma kan förklaras av en ökning av O₂ som oxiderade CH₄, vilket i sin tur förstärkte den sjunkande temperaturen. Vad kan ha föranlett en ökning av syre i atmosfären runt denna tid? Tänkbara förklaringar är:

• Temperaturen. Få av dagens fotosyntetiserande bakterier klarar av temperaturer över 60°C, bara en av de moderna cyanobakterierna, Synechococcus, hittas vid varma källor med temperatuer mellan 60-73°C. Noterbart är att stora, tre-dimensionella stromatoliter (e.g. cyanobakterier) ännu inte har hittats i bergarter äldre än 3,2 Ga. De äldsta, stora stromatoliterna, morfologiskt jämförbara med dagens stromatoliter, finns i bergarter runt 3,0 Ga.

Recenta Stromatoliter i Shark Bay, Autralien

• Uppkomsten av kontinenter. Andelen grunda hav ökar när andelen kontinenter ökar samt att dessa via erosion förser haven med nödvändiga näringsämnen.

Det är ett facinerande samspel mellan tekonik-atmosfär-liv som Lowe och Tice målar upp under Akeikum. En återkommande cykel där uppkomsten och vittringen av större kontinentala block reglerat mängden CO₂ i atmosfären vilket i sin tur reglerat Jordens temperatur och därmed ändrat en grundförutsättning för fotosyntetiserande bakterier. En sådant samspel där tektoniken spelar en avgörande roll för både atmosfärens och livets utveckling är intressant ur en planetär synvinkel, eftersom våra närmaste terrestriska grannar Venus och Mars förefaller helt sakna plattektonik. Om de tektoniska processerna av någon anleding aldrig startade eller slutade i förtid kan alltså själva grundförutsättningen, för att hitta mer utvecklade livsformer än bakterier, saknas på Venus och Mars.

Så är svaret på "the faint sun paradox" enbart en CO₂-CH₄ rik atmosfär? Kanske, men en ny studie av Rosin m.fl (2010) av bandade järnmalmer, vilka innehåller järnrika mineral som magnetit (Fe₃O₄) och siderit (FeCO₃), visar att den Arkeiska atmosfären innehöll inte mer än ca. 900 ppm CO₂, vilket är jämförbart för CO₂ uppskattningar från 2,7-2,2 Ga paleosoldata². En tänkbar föklaring, enligt Rosin m.fl är att Jordens albedo under Arkeikum var lägre, vilket kompenserade den svaga solen. Den låga reflektiviteten kan orskakats av högre kvot hav/kontineter samt mindre andel dimetylsulfid i atmosfären som agerar som molnkondensationskärnor. Mindre andel dimetylsulfid är ett rimligt antagande då den biologiska aktiviteten var mycket mindre under Arkeikum. Det mest problematiska med bara ca. 900 ppm. CO₂ under Arkeikum, förutom det faktum att Jorden har stora mängder CO₂ bundet i yngre sediment vilket rimligtvis fanns i atmosfären under Arkeikum, är att CH₄/CO₂ kvoten i Rosins studie är närmare 1, vilket torde skapat en anti-växthuseffekt som kylt ner Jorden. Det intressanta med Rosin m.fl. studie är att de belyser Jordens albedo som en viktig faktor till ”faint sun paradox”, till skillnad från tidigare studier som fokuserat på atmosfärens sammansättning av växthusgaser (NH₃, CO₂, CH₄). Vad som är mest korrekt får framtiden visa, kanske var det en kombination av höga nivåer av växthusgaser, och Jordens albedo, där de nuvarande studierna kan ses som min. respektive max. värden på CO₂.

1) Detta under antagandet att syreisotop sammansättningen under Arkeikum i haven var den samma som i dag, vilket inte nödvändigtvis är korrekt.

2) Dock, en tidigare studie av samma sediment har indikerar en CO₂ rik atmosfär, >100 gånger mer än dagens CO₂ nivåer. Orsaken till denna diskrepans är att de använd sig av olika Fe mineral. Ohmoto m.fl (2004) baserar sin CO₂ uppskattning på samexistensen av siderit och Fe³⁺ hydroxider, vilka samexisterar vid mycket högt pCO₂ och lågt pH₂. Rosin påpekar att detta inte är kompatibelt vare sig med den utbredda förekomsten av magnetit i dessa kemiska sediment eller förekomsten av hydrogenotrofa metanogener vilka kräver högre pH₂ för sin metabolism. Vilken tolkning som är korrekt kommer vidare studier av dessa bandade järnmalmer förhoppningsvis att avslöja.

Recension: Storms of My Grandchildren

Att Storms of My Grandchildren är James Hansens debutbok är i förstone en smula förvånande, med tanke på hur etablerad han är i vetenskapssamhället och offentligheten. Han är en av världens främsta klimatforskare och chef sedan nästan 30 år tillbaka för NASA Goddard Institute for Space Studies. Sitt publika genombrott nådde han då han 1988 vittnade om klimathotet i den amerikanska senaten, och han har sedan dess i takt med klimatfrågans klättrande på den allmänna agendan kommit alltmer i rampljuset. För sin kompromisslösa principfasthet har han fått både ros och ris, och på klimatförnekarbloggar som exempelvis The Climate Scam används hans namn mer eller mindre som en svordom.

I boken får vi lära oss om klimatfrågans naturvetenskapliga grunder, med särskilt fokus på återkopplingar, strålningsbalans, koldioxidens klimatkänslighet, och slutsatser baserade på paleoklimatologiska data. Som jag förklarat i ett tidigare blogginlägg finns mycket kunskap att hämta i den gångna årmiljonens istidscykler, vilkas enorma temperaturvariationer pekar på starka positiva återkopplingar. Hansen förklarar detta betydligt mer på djupet, utan att framställningen för den sakens skull blir särskilt svårläst. Dessa istidsdata stödjer en klimatkänslighet om cirka 3 °C per fördubblad koldioxidhalt (ungefär mitt i det av IPCC angivna trolighetsintervallet [2 °C, 4,5 °C]), men Hansen betonar att i den siffran ingår bara relativt snabba återkopplingar som t.ex. vattenånga och snötäcke, medan långsammare återkopplingar, speciellt inlandsisarnas utbredning, tillkommer, vilket gör att vi långsiktigt får räkna med större temperaturhöjningar än så. Han bedömer att vi är mycket nära att sätta igång en irreversibel dynamik i Grönlands och Västantarktis isar som gör att dessa helt enkelt försvinner, och det är bl.a. därför han reviderat ner den atmosfäriska koldioxidhalt han anser kan accepteras utan alltför katstrofala risker från 450 ppm till 350 ppm – den siffra som inspirerat 350.org-rörelsen och som ligger betydligt under dagens halt om närmare 390 ppm.

Men det skall bli värre. Ytterligare relevant information finns att hämta i data från kenozoikum, den epok som sträcker sig 65 miljoner år tillbaka i tiden. Av särskilt intresse i Hansens framställning är den plötsliga temperaturhöjning - med tillhörande massutrotning - för 55 miljoner år sedan som han kallar PETM (Paleocene-Eocene Thermal Maximum). Den troligaste direkta orsaken till detta maximum är ett plötsligt¹ läckage av metan från djuphavssediment, vilka innehåller långt mer metan än den i sammanhanget mer uppmärksammade sibiriska tundran. Men vad berodde läckaget i sig på? Det är av avgörande vikt att förstå om det var en extern faktor (som t.ex. ett stort asteroidnedslag) eller ett återkopplingssvar på att det redan var varmare än på länge. I det förstnämnda fallet utgör PETM-katastrofen inget större bekymmer för oss idag, medan det senare fallet skulle peka på att vi själva riskerar att utlösa något liknande. Och dessvärre pekar en viss systematik i tajmingen hos andra PETM-liknande utbrott under kenozoikum på att det är en återkoppling. Hansen går så långt att han - i strid med klimatvetenskapens mainstreamuppfattning och vad vi sökt förklara i en tidigare UI-bloggpost - räknar med möjligheten att detta ihop med inlandsisarnas avsmältning kan trigga igång det ultimat skenande klimat som försätter vår planet i ett Venusliknande tillstånd och som därmed gör slut på både mänskligheten och allt annat liv. På s 236 sammanfattar han sin bedömning av risken för detta: "Om vi bränner all vår olja, naturgas och kol finns en påtaglig risk att vi får en skenande växthuseffekt. Om vi dessutom bränner all oljesand och all oljeskiffer så betraktar jag Venussyndromet som bombsäkert."²

Tungt värre. Framställningen lättas dock upp av att de vetenskapliga partierna varvas med berättelsen om Hansens egen kamp och möten med forskare, statstjänstemän, politiker och journalister från 2001 och framåt. Detta ger boken en narrativ struktur som bidrar kraftigt till dess läsbarhet och rentav gör den till en pageturner. Hans personliga möten med politiker går hela vägen upp till vicepresident Dick Cheney, vars ensidiga förtjusning i andra faktorer än koldioxid bakom klimatförändringarna alltför väl känns igen från annat håll.³ I en diskussion i Vita Huset med klimatförnekarnas frontfigur Richard Lindzen har Hansen de mest solida vetenskapliga argumenten men förlorar ändå då Lindzen har mer slagfärdiga oneliners och dessutom inte drar sig för att ljuga (s 56–58).

Hansen är inte rädd att gå vidare från de renodlat vetenskapliga frågorna och uttrycka sin åsikt om energi- och miljöpolitik – åsikter som ibland övergår i helig vrede, som i avslutningen till ett öppet brev i juli 2008 till Japans premiärminister:

Slutligen, premiärminister Fukuda, vill jag tacka dig för att du hjälper till att klargöra för övriga G8-ledare hur bråttom det är att skrida till handling i klimatfrågan. Får jag lov att ge ett förslag på hur du skall kunna väcka deras uppmärksamhet? Om ledarna finner idén att fasa ut alla utsläpp från kolförbränning, och att se till att alla okonventionella fossilbränslen stannar under marken eller används enbart med nollutsläpp, vara alltför besvärlig, då skulle de istället kunna gör sig omaket att att lägga en kort stund på att skriva ett brev till kommande generationer.

Brevet tänker jag mig skall förklara att ni ledare inser konsekvenserna av er passivitet på dessa punkter: att ni åt era efterlevande överlämnar en planet med oceaner under uppvärmning, inlandsisar på väg att falla sönder, stigande havsnivåer, allt mer extrema klimatförhållanden och massutrotningar, men att ni tyckte att det kändes alltför besvärligt att stöpa om våra energisystem och att stå upp mot de affärsintressen som insisterade på att bränna alla våra fossilbränsletillgångar intill sista droppen. Genom författandet av ett sådant brev skulle ni åtminstone försäkra er om en korrekt bild av er roll i historien. (s 187)

Att på Hansens vis blanda vetenskap med värderingar är inte oproblematiskt. Att de vetenskapliga rönen leder till ett politiskt engagemang är i sig gott och väl, men om det kan misstänkas ett flöde i motsatt riktning – att det politiska engagemanget påverkar vilka resultat forskningen landar i - är det mycket olyckligt. Något sådant läckage i fel riktning kan jag inte belägga hos Hansen, men blotta det faktum att han med sitt samhällsengagemang öppnar för misstänkliggörande är ett problem. Samtidigt kan jag omöjligt klandra honom för hans val: han har funnit en avgrundslik diskrepens mellan vad som behöver göras för att lösa klimatkrisen och vad våra politiker och makthavare faktiskt gör, och han vill inte att hans "barnbarn, någon gång i framtiden, skall ha anledning att se tillbaka och konstatera att morfar insåg vartåt det barkade men inte sa något" (s xii).

Överhuvudtaget spelar Hansens tre barnbarn Sophie, Connor och Jake en framträdande roll i boken, vilket bidrar till den moraliska (eller moraliserande om man så vill) kraften i boken. Författarens brinnande engagemang löper genom hela boken utan att gå över gränsen till patetik, möjligen med undantag för den stilistiskt sett mindre lyckade science fiction-novellen på s 260-269. Bokens personliga anslag flaggas redan i titeln: det mest klichéaktiga hade givetvis varit att kalla den "Storms of Our Grandchildren", men Hansen talar istället om "Storms of My Grandchildren".⁴

Hansens bok är mycket bra, engagerande och viktig, och jag rekommenderar den varmt för var och en som intresserar sig för klimatvetenskapen, inklusive klimatförnekare som Peter Stilbs och Sten Kaijser.⁵ Både Stilbs och Kaijser brukar orera om (a) hur totalt oförutsägbar klimatutvecklingen är och (b) hur frikopplade alla klimatmodeller är från empiri – uppfattningar som rimligtvis borde få sig en rejäl törn om de gör sig besväret att läsa boken. Klimatets totala oförutsägbarhet motsägs tydligt av de paleoklimatologiska data som uppvisar mycket stark samvariation mellan viktiga storheter som t.ex. temperatur och växthusgaskoncentration. Och föreställningen om empiri och modellering som separata verksamheter inom klimatvetenskapen motsägs med emfas av Hansens redogörelse för det vetenskapliga evidensläget.

Fotnoter

1) "Plötsligt" skall här och i föregående mening förstås relativt ett geologiskt tidsperspektiv.

2) För dessa drastiska slutsatser anger inte Hansen någon peer review-granskad källa, och kanske bör vi därför ta dem med en nypa salt i avvaktan på vidare utveckling. Att hålla huvudet så kallt är dock med tanke på vad som står på spel möjligen lättare sagt än gjort.

3) Historien om hur Vita Huset via NASA-tjänstemän ville få tyst på den bångstyrige Hansen är också intressant. En pikant detalj är hur Hansen kom sig för att ta stöd i NASA:s "mission statement", som redan i första raden talar om "to understand and protect our home planet", och hur denna formulering plötsligt var spårlöst försvunnen. Man kan undra om den tjänsteman som gjorde strykningen insåg den ödesmättade symboliken i sitt handlande.

4) Bokens undertitel "The Truth About the Coming Climate Catastrophe and Our Last Chance to Save Humanity" är jag däremot mindre förtjust i. Den "sista chans" Hansen syftar på består i att snabbt dra ned våra växthusgasutsläpp. Men med tanke på möjligheten att iscensätta diverse tänkbara geoengineering-nödlösningar är detta är knappast bokstavligen sant även om han skulle ha rätt angående Venussyndromet.

5) Huruvida Stilbs och Kaijser bör räknas till kategorin "dem som intresserar sig för klimatvetenskapen" är väl en definitionsfråga. Båda är uppenbarligen starkt intresserade av att polemisera mot klimatvetenskapen, medan deras intresse för att lära sig något av den har hittills framstått som något kyligare.