Fredrik Chapentier Ljungqvist – en ofrivillig förvillarikon

Gästbloggaren Mats Almgren om Stockholmsinitiativet och F C Ljungqvists senaste bok:

För den som intresserat sig för jordens klimathistoria är Fredrik Chapentier Ljungqvist numera ett välkänt namn, även utanför Sverige. Efter sin debutbok från 2009, Global nedkylning. Klimat och människa under 10000 år, har han fördjupat sig i klimatvetenskap och varit medförfattare till både regionala och globala klimatrekonstruktioner, som sträcker sig som mest 2000 år tillbaka i tiden. Fastän dessa rekonstruktioner i stort stämmer väl med Michael Manns uppdaterade versioner av hockeyklubban, har FCL länge hyllats som en vetenskapsman av rätta läran av diverse skribenter på SIs blogg. Men nu, när han publicerat en ny bok, Klimatet och människan under 12 000 år, har han av besvikna recensenter på SI- bloggen utpekats närmast som en avfälling!

Ann Löfving-Henrikssons recension kom först (och gjorde mig uppmärksam på boken). Hon skriver bl.a.:

Det behövdes inget djupare grävarbete för att avslöja Ljungqvists ändrade
uppfattning i ”några frågor”. Förordet inleds med ”Parisavtalets” målsättning och i kapitel efter kapitel kommer det ungefär som författaren skriver en cocktail av historia och klimatvetenskap. De historiska beskrivningarna och resonemangen kring hur klimatförändringar kan ha påverkat människorna och deras möjligheter att försörja sig är intressanta och givande! När det däremot gäller det svårfångade begreppet klimatvetenskap blir cocktailens sammansättning efter hand alltmer obalanserad. 

Också Ingemar Nordin, som gav sina synpunkter några veckor senare, är besviken:

Ann ger boken en rejäl genomgång, särskilt vad gäller Fredrik Charpentier Ljungqvists syn på den brännande frågan om vår moderna globala uppvärmning. Jag förstår hennes besvikelse. Ty författaren argumenterar inte för sin ståndpunkt härvidlag utan köper helt enkelt IPCCs rapport från 2013 rakt av.

Men Ingemar Nordin lyckas ändå leta reda på ett antal mer eller mindre mytiska myter, som FCL sägs slå hål på.

Så vad är mitt intryck? Jag har läst boken, ofta med stort intresse, och finner den betydligt mer gedigen och genomarbetad än den tidigare (fattas bara annat!). Jag har med särskilt stort intresse läst om Mayariket och Anasazikulturernas undergång, om klimatvariationerna i Kina, och förstås om förhållandena på Island och Grönland. Som sig bör är författaren skeptisk och källkritisk. Jag uppskattar också hans språkbruk. Jag har ofta sökt en god svensk term för paleoklimat – varför har jag aldrig kommit på klimathistoria? Och forcings – drivning är utmärkt.

Men viss finns det en del jag undrar över. FCL inleder med att vilja slå hål på en myt (inte någon från Nordins lista): ”Enligt en seglivad myt, baserad på föråldrad forskning, ska klimatet på jorden ha varit ganska stabilt sedan slutet av den senaste istiden för nästan 12 000 år sedan”. Senare, i kapitel 2, skriver han: ”Det har länge antagits att klimatförändringar haft en avgörande betydelse för en rad civilisationers uppgång och kollaps…” Dessa två myter är inte riktigt förenliga. Kanske menar han att den senare myten förfäktats av historiska amatörer: naturvetare och annat löst folk som fuskat i ämnet, medan den första är en myt bland historiker? När det gäller det relativt konstanta klimatet efter slutet på senaste istiden, så brukar väl det annars avse skillnaden mellan just denna tid, då våra kända civilisationer växt fram, och de första 200 000 (eller 400 000?) åren av Homo Sapiens existens? Men det är måhända också en myt.

Jag hade gärna sett utförligare referenser och noter. Det fanns del som jag gärna hade velat följa upp. Ett påstående jag undrar över rör klimatkänsligheten, där paleoklimatologiska data sägs ge bäst stöd för värden i den lägre delen av intervallet 1,5 - 4,5 grader. Jag har fått uppfattning att dessa data ger en mycket bred spridning av resultat, med en övervikt i den lite
högre delen. Se t.ex. Lewis, N. & Grünwald, P. Clim Dyn (2017).

Richard Alley: "Did we blow it?"

Richard Alley talar under rubriken "Crumbling Ice Cliffs? Not-So-Good News for Low Coasts.", INSTAAR seminariet den 6/4, om Västantarktis och klimatförändring:

400 ppm

Den sista april uppmättes dygnsmedlevärdet 402.44 ppm koldioxid vid Mauna Loa. Det avslutade den första hela månaden i mänsklighetens historia med över 400 ppm.

Förra året nåddes drygt 400 ppm under en period i maj. Maj är den månad som vanligen har den högsta koldioxidkoncentrationen. Koncentrationen sjunker sedan under sommaren och början av hösten när växtligheten på norra halvklotet tar upp koldioxid under växtsäsongen. Under vintern och våren stiger sedan koldioxidnivån igen. Medan denna "andning" pågår höjer våra utsläpp nivån med ca 2 ppm per år.

Nästa år kommer 400 ppm-gränsen att nås i februari-mars och troligen blir 2015 årsmedel över 400 ppm. Om inget exceptionellt händer kommer i alla fall 2016 årsmedel att överstiga 400 ppm.

När var koldioxidnivån senast 400 ppm?

Från iskärnor vet vi att koldioxidnivån inte har varit i närheten av 400 ppm de senaste 800 000 åren. Tidigare än så ökar osäkerheten i rekonstruktionerna. Möjligen var nivån kring dagens under Pliocene för 5,3 till 2,6 miljoner år sedan men för att med säkerhet finna nivåer som dagens eller där över behöver vi gå bakåt ytterligare ungefär 20 miljoner år till Oligocen. (Past and Future CO2,  Pearson 2013)

Projektet Descent Into the Icehouse har ett diagram som sätter de pågående utsläppen i ett geologiskt perspektiv, här med en linje för dagens koldioxidnivå markerad:

 Den horisontella skalan trycker logaritmiskt ihop de senaste 450 miljoner åren av jordens historia. Den vertikala skalan visar summan av påverkan (eng. forcing) från atmosfärens koldioxid och Solens intensitet. På dessa långa tidsskalor behöver hänsyn tas till att Solen långsamt blir hetare när vätet i kärnan förbrukas.

Längst till höger syns fyra scenarier för framtida koldioxidhalt från IPCC AR5.

Det som pågår nu är stort även ur ett geologiskt perspektiv.

2,7 miljoner år gammal tundra under Grönlands is

Analys av jorden under de 3052 meterna is vid Summit högst upp på den Grönländska is-skölden visar att den är 2,7 miljoner år gammal. Det indikerar att Grönlands inre har varit istäckt under föregående interglaciärer ända sedan slutet av Pliocen. 

Rekonstruerad temperatur. Noll motsvarar modern temperatur (ca 1950)

 Wall Street Journal rapporterar om studien:

RealClimate om Yamal och dess årsringar

Följare av debatter kring klimatforskningen har säkerligen hört talas om Yamal, en annars okänd halvö vid Sibiriens ishavskust. Yamal är en av de platser där data från årsringar används för att undersöka klimatet senaste årtusendena. Dessa data är också några av de som "klimatskeptiker" engagerat sig i med sedvanliga anklagelser om fusk och dold data. 

Med anledning av en ny artikel där årsringsdata från Yamal har utvärderats utifrån ny kunskap på området skrev forskarna Tim Osborn, Tom Melvin och Keith Briffa en kommentar kring den nya studien och kontroverserna kring den äldre. 

Väl värd att läsas på RealClimate: Yamal and Polar Urals: a research update. 

Notera även den nya informationen kring Torneträsk årsringar (Melvin et al) som tas upp i artikeln.

Inspirerade klimatförändringar till fornnordiska myter?

Håkan Lindgren har idag en fascinerande understreckare i Svenska Dagbladet om ett klimatförändrande vulkanutbrott som kan ha gett avtryck i de nordiska myterna. Det handlar troligen om vulkanen Ilopango i El Salvador. Vulkankäglan kollapsade under utbrottet, så allt som finns att se på satellitbilden i Google maps är numera en sjö. Så här skriver Lindgren:

En mängd traditioner bryts i mitten av 500-talet, det har varit känt bland skandinaviska arkeologer sedan länge. Gravskicket förändras. Boplatser överges. Först relativt nyligen har man satt dessa händelser i samband med en klimatförändring. Det började på Nasa. 

I början av 1980-talet blev två forskare vid Goddard institute of space studies intresserade av att studera vulkanutbrott. De ville förstå globala klimatförändringar bättre. Stora vulkanutbrott, som Pinatubo 1991 och Krakatau 1883, släpper ut enorma mängder aska och svaveldioxid i atmosfären. Utsläppen mäts i kubikkilometer. Askan faller ner inom ett par veckor, men svaveldioxiden (som reagerar med vatten och omvandlas till svavelsyra i aerosolform) sprids tills den täcker stora delar av världen och kan hålla sig svävande i stratosfären i åratal. Svavelsyredropparna absorberar och reflekterar solljus, vilket gör att stora vulkanutbrott får världens medeltemperatur att sjunka. 1816, året efter Tamboras utbrott, har kallats ”året utan sommar”.
[...]
[F]yra senantika författare nämnde 536 som ett år när solen var kraftlös, liksom skymd. ”Vi förundras över kroppar som inte kastar någon skugga mitt på dagen”, skrev den romerske ämbetsmannen Cassiodorus i ett brev. Solen var ”liksom blåaktig” och månen lyste inte heller med sin vanliga styrka. Det rörde sig inte om en tillfällig förändring, som under en solförmörkelse, kommenterade han, utan hade pågått i snart ett år när han skickade sitt brev. Någon värme kom aldrig, grödan dog på fälten innan den mognat. Luften ”har tjocknat genom något slags blandning”, fortsatte Cassiodorus, ”varken himlakropparnas naturliga färger eller deras värme kan tränga igenom, som om vi såg dem genom ett spänt skinn.” 

Cassiodorus och de andra författarna nämnde inget om någon vulkan, men Stothers och Rampino drog slutsatsen att det knappast kan ha rört sig om något annat. De jämförde källtexterna med borrkärnor från Grönland. För klimatforskarna fungerar de grönländska islagren som globala årsringar. När man borrar sig ner i isen borrar man sig också bakåt i tiden. På det sättet kan man studera och datera klimatförändringar. Omkring år 540 – plus minus tio år – fanns ett lager sulfat som skulle kunna vara nedfall från ett stort vulkanutbrott. Därmed hade forskarvärlden fått upp ögonen för det tidigare okända utbrottet år 536. Stothers skrev en egen artikel om det i Nature året därpå: ”Mystery cloud of AD 536”. Askmolnets storlek och dess konsekvenser för klimatet förefaller att överträffa alla kända utbrott från de senaste 3 000 åren, konstaterade han 

Från is till trä: studier av årsringar i träd har visat att somrarna på hela norra halvklotet, från USA till Sibirien, var ovanligt kalla under perioden 536–45. I norra Sverige beräknas medeltemperaturen under somrarna ha sjunkit med tre till fyra grader, vilket är lika med en dramatisk klimatförsämring.

På bilden till höger kan ni se ett sådant träd med årsringen för år 550 utsatt - ni kan själva räkna tillbaka till den mindre ringen för år 536. (Notera också den mindre ringen för år 543 som jag inte känner orsaken till). I grafen kan ni se genomsnittet från sju nordeuropeiska trädringsrekonstruktioner (från Larsen et al. 2008).

Artikeln fortsätter:

Enligt [Bo Gräslund, pensionerad professor i arkeologi] har den fornnordiska mytologin bevarat minnet av en stor klimatkatastrof. I Eddans Gylfaginning sägs det att en vinter som heter Fimbulvintern ska komma som ett förebud om Ragnarök. Gräslund menar att Eddan har misstolkats: det rör sig inte om en sträng vinter utan om en utebliven sommar. 

”Stränga vintrar har aldrig varit något stort problem på nordliga breddgrader”, skriver han (”Fimbulvintern, Ragnarök och klimatkrisen år 536–537 e Kr” i Saga och sed 2007), men om sommarens skörd uteblev betydde det svält. I Gylfaginning besöker den svenske kungen Gylfe en hall där tre asagudar sitter i sina högsäten. Vad kan de berätta om Fimbulvintern, frågar han. ”Det blir tre vintrar i följd och ingen sommar emellan”, säger de (Björn Collinders översättning). Fenrisulven slipper lös. ”Då händer något övermåttan märkligt: ulven slukar upp solen, och människorna skola finna, att det är dem till stort men.”

I Völvans (eller Valans) spådom, som Gräslund menar är inspirerad av den uteblivna sommaren år 536, finner vi en spådom om jordens undergång, Ragnarök, förebådad av en svartnande sol.

solskenet svartnar,
om somrarna efter
blir vädret vrånglynt:
vet ni nu eller ej?
[...]
Solen börjar svartna,
jord sänkes i havet,
från fästet falla
flammande stjärnor;
upp ångar imma,
och elden lågar,
hettan leker högt
mot himlen själv..

Även i den Finska mytologin står samma spår att finna.

Gräslund har också tittat efter i Kalevala. Där försvinner sol och måne, varpå ”säden frös på alla åkrar”. Överguden Ukko undrar ”vad slags moln det är för månen, vad slags dunst som döljer solen”. 

Man har länge vetat att en stor del av jordbruksmarken i norra och centrala Europa återgick till skog vid den här tiden, skriver Gräslund och Neil Price i den brittiska tidskriften Antiquity (”Twilight of the gods?”, Antiquity 86, 2012). Det tog fyra till sju generationer innan odlingslandskapet återfick sin tidigare utsträckning. De uppskattar att hälften av befolkningen i Skandinavien svalt ihjäl inom loppet av tio år. I många fall hade de platser som övergavs varit bebodda i tusen år. ”Detta utgör den största förändringen av bebyggelsemönstren i Sverige de senaste 6 000 åren”, skriver de.
[...]
Fornfynden sinar över hela Skandinavien. Solskivorna – som antas vara ett uttryck för solkult – försvinner från de gotländska bildstenarna. Gräslund och Price spekulerar i att de religiösa föreställningarna förändrades: ”solen föll i onåd”. I stället fylls bildstenarna av figurer som har tolkats som asagudar och krigare. Efter klimatkatastrofen uppvisar samhällena en mycket tydligare social skiktning, med makten koncentrerad till en jordägande elit. Att döma efter de arkeologiska fynd de lämnat efter sig var det en utpräglat militär elit, enligt Neil Price.

Klimatförändringar som möjlig indirekt orsak till Vikingatiden? Där ser man. Klimatkatastrofen har även kopplats till en tillfällig nedgång hos Mayakulturen och finns beskriven i både kinesiska och romerska skrifter.

Så här slutar för övrigt Ragnarök. Är det månne Al Gore och Air Force One som beskrivs?

Då kommer den mäktige
till maktdomen,
den starke, ovanifrån,
han som styr över allt. 

Då kommer dunklets
drake flygande,
en blank orm, nedifrån,
från Nidafjällen.
I fjädrarne bär,
och flyger över slätten.
Nidhögg lik.
Nu skall hon sjunka.

Läs mer om vetenskapen runt år 536 hos RealClimate eller i Earth Magazine. Missa inte heller att läsa hela understreckaren hos Svenska Dagbladet.

Perspektiv på den pågående uppvärmningen

På Bart Verheggens blogg har Jos Hagelaars satt samman resultaten från Shakun et al 2012 om temperaturutvecklingen i avslutningen av senaste istiden, Marcott et al som vi nyligen uppmärksammat, HadCRUT4 temperaturserie samt scenariot A1B från IPCCs senaste rapport:

  Se: De twee tijdperken van Marcott

Vi har förmodligen tecknat in oss för varmaste temperaturerna senaste 12 000 åren - ny studie

En ny studie om den globala temperaturutvecklingen under de drygt senaste 11 000 åren på jorden har publicerats i Science. Studien påpekar så som tidigare gjorts att det är troligt att den uppvärmning vi sett är oöverträffad de senaste 1500 åren. Men det intressanta med denna studie är att det ser ut som att den globala temperaturen minskat flera tusen år innan den senaste tidens snabba temperaturhöjning. Temperaturnedgången tog jorden ungefär 0,7 grader under snittet för de senaste 1,500 åren. Nedgången förklaras i huvudsak av hur jorden roterar.

Författarna uppskattar också att efter den senaste tiden snabba uppvärmning så är snitttemperaturen för 2000-2009 varmare än 82 procent av årtiondena de senaste  12 000 åren. Temperaturen har alltså de senaste 100 åren stigit från bland de kallaste till de varmaste nivåerna under Holocene. Författarna drar också slutsatsen att vi under detta århundrade troligen kommer att passera de varmaste temperaturerna under de senaste 12 000 åren på grund av de växthusgaser vi redan har släppt ut.

Läs mer om studien i Arstechnica, SvT, SR och NewScientist

Uppdatering via dotearth, disskusion med en av författarna:



Uppdatering: FAQ om artikeln av Marcott et al
Tamino om artikeln och forskningen bakom: Del 1, 2, 3, 4

Förvillat om Antarktis

Zunli Lu, forskare vid Syracusa University, har gjort ett offentligt uttalande sedan han och hans kollegers forskning om historiska temperatuter på den Antarktiska halvön har misstolkats i vissa media. I en artikel i Earth and Planetary Science Letters beskriver de hur de genom att studera så kallade ikait-kristaller (som består av kalcium, kol och syre) har kommit fram till att det var varmt under medeltiden på den Antarktiska halvön.
I uttalandet skriver Lu:

“It is unfortunate that my research, “An ikaite record of late Holocene climate at the Antarctic Peninsula,” recently published in Earth and Planetary Science Letters, has been misrepresented by a number of media outlets.
Several of these media articles assert that our study claims the entire Earth heated up during medieval times without human CO2 emissions. We clearly state in our paper that we studied one site at the Antarctic Peninsula. The results should not be extrapolated to make assumptions about climate conditions across the entire globe. Other statements, such as the study “throws doubt on orthodoxies around global warming,” completely misrepresent our conclusions. Our study does not question the well-established anthropogenic warming trend.”

 Just det, den Antarktiska halvön utgör inte hela det södra halvklotet. Bland syndarna hittar vi bl a vissa mindre nogräknade utländska media, och vissa mindre nogräknade svenska bloggar.

Vi får nog räkna med att det här kommer att surra runt ett tag.

Ännu en hockeyklubba: Arktis is under 1450 år

Nyligen publicerades en sammanställning från 69 proxies över Arktis havsis senaste 1 450 åren av Kinnard et al. Studien utvidgar gruppens tidigare analys längre bak i tiden och visar hur senaste decenniernas minskning av havsisen är unik även i detta längre perspektiv.

Is utbredning under sena sommaren (augusti). 40-års medlevärde.

Intressant är också att notera hur tidigare perioder med mindre is 1600-1800 och 600-800 sammanfaller med kalla perioder i Europa medan den varma medeltiden är en period med större isutbredning. Kinnard et al tolkar detta som att det tyder på en omfördelning av värme till Arktis från Europa under "lilla istiden" och slutet av järnåldern.  Denna tolkning är i överensstämmelse med bland annat de resultat av Svante Björck som vi presenterade tidigare här på Uppsalainitiativet. Dagens uppvärmning är inte bara unik i storlek under senaste årtusendena den är också unik då den är global.

Svante Björck: Dagens uppvärmning är en anomali

Idag har vi nöjet att presentera ett gästinlägg av Svante Björck, som är professor i kvartärgeologi vid Lunds Universitet. Nyligen gav han, med den uppmärksammade artikeln Current global warming appears anomalous in relation to the climate of the last 20000 years i tidskriften Climate Research, ännu ett bidrag till det omfattande berg av evidens som föreligger för att den nu pågående globala uppvärmningen är antropogen. Här kommenterar han sin studie.

* * *

Som geolog känns det naturligt att ställa frågan: Om dagens globala uppvärmning hade inträffat för - låt oss säga - 5000 år sedan, hade vi som geologer upptäckt den och kunnat påvisa att den var global? Vi kan också ställa oss frågan: kommer framtidens geologer kunna upptäcka dagens uppvärmning om t ex 10000 år, om det nu finns några geologer då? I detta sammanhang är det viktigt att påpeka att geologer med ”globalt” menar något som påträffas på alla kontinenter och i alla stora hav, men alltså inte vid alla dagens väderstationer! Jag tror att svaret på dessa frågor är ett obetingat JA. Geologer ”lider” nämligen av drivkraften att korrelera sina data: finner man något intressant försöker man finna bevis för att något har inträffat samtidigt någon annanstans på jordklotet. Detta gör man oftast genom att gå ut och söka i litteraturen eller genom egna undersökningar på andra platser. Med dagens alltmer avancerade dateringsmetoder kan vi också komma ner till en precision på ca hundra år om undersökningarna gjorts med hög precision.

Själv har jag jobbat mycket med de senaste 20000 årens klimathistoria och är därför ganska insatt i ämnet. I samband med alla diskussioner om den globala uppvärmningen och orsakerna bakom den fann jag att det geologiska perspektivet ofta hade kommit bort i debatten. Jag ”rannsakade” därför mina kunskaper och läste in mig än mer på frågan om vi geologer i våra många olika arkiv har sett en samtidigt global klimathändelse (”event”) i form av en uppvärmning (eller avkylning) sedan senaste istidsmaximum (LGM) för 20000 år sedan. Med ”event” menar jag här något som pågått i minst 100-200 år, dvs jämförbart med den pågående uppvärmningen, men inte i tusentals år. Medan det senare kan betecknas som trender, som när vi gick från istid till värmetid, är ”events” något som tillfälligt bryter trender.

Kurvorna här ovan är från en sammanställning av Mayewski et al. (2004) och visar olika typer av klimatdata från olika områden under de senaste 12000 åren.

Jag har inte funnit något belägg för en samtidigt global uppvärmning eller avkylning sedan LGM. Klimatsignalerna är oftast lokala eller regionala och ibland t o m ”hemisfäriska”, men aldrig globala. Det innebär t ex att det kan bli varmt på en kontinent, börja regna mer på en annan och bli kallare på en tredje, dvs ett mycket komplext ”klimatmaskineri”. För att klimatsignalen för en klimat-event skall bli densamma i stort sett överallt, som idag, menar jag att det behövs en plötslig extern ”trigger” som ett vulkanutbrott eller en meteorit eller plötsligt stora mängder växthusgaser som påverkar temperaturen globalt. Då får vi en klimatanomali. Ändå kommer inte ALLA punkter på jorden påverkas på samma sätt, men dock den helt dominerande delen av dem. Vilket är det vi ser idag! Därför menar jag att så länge ingen kan visa att något liknande inträffat tidigare så måste vi betrakta det vi ser idag som en antropogent skapad klimathändelse. För mer läsning, se min gratis nedladdningsbara artikel Current global warming appears anomalous in relation to the climate of the last 20000 years.

Svante Björck

Arktis havsis genom århundradena

I samband med uppmärksamheten kring septemberminimumet för Arktis havsis uppkommer alltid frågan om hur det var med isen före satellitmätningarna började. I detta inlägg tittar vi på några av resultaten från de studier som finns över detta:

NSIDC sedan 1953

National Snow and Ice Data Center har sammanställt utbredningen för isen månadsvis sedan 1953

IPCC 2007

I senaste IPCC rapporten finns en sammanställning av isutbredningsanalyser för norra halvklotet sedan 1860. Den röda linjen visar septemberutbredningen:

Polyak et al 2010

År 2010 kom artikeln "History of sea ice in the Arctic" som sammanställer många olika metoder som används för att undersöka isutbredningen i Arktis under flera tidsskalor. De sammanfattar resultaten så som:

 Although existing records are far from complete, they indicate that sea ice became a feature of the Arctic by 47Ma, following a pronounced decline in atmospheric pCO2 after the Paleocene-Eocene Thermal Optimum, and consistently covered at least part of the Arctic Ocean for no less than the last 13–14 million years. Ice was apparently most wide-spread during the last 2–3 million years, in accordance with Earth’s overall cooler climate. Never the less, episodes of considerably reduced sea ice or even seasonally ice-free conditions occurred during warmer periods linked to orbital variations. The last low-ice event related to orbital forcing (high insolation) was in the early Holocene, after which the northern high latitudes cooled overall, with some superimposed shorter-term (multidecadal to millennial-scale) and lower-magnitude variability. The current reduction in Arctic ice cover started in the late 19th century, consistent with the rapidly warming climate, and becam every pronounced over the last three decades. This ice loss appears to be unmatched over at least the last few thousand years and unexplainable by any of the known natural variabilities.

Kinnard et al 2010

En annan ny rekonstruktion över de senaste ca 900 åren utifrån många olika proxies presenterades förra året av Kinnard mfl. De kommer till samma slutsats som de tidigare studierna. Den senaste tidens minskning av havsisen är unik under den rekonstruerade perioden:

Kinnard et al 2010: Isutbredning under sommaren

Sammanfattningsvis kan vi konstatera att dagens drastiska minskning av Arktis havsis är en unik händelse även ur ett historiskt perspektiv. Detta stämmer också väl med vad vi i övrigt vet om temperaturer i Arktis under historiens gång och under senaste decennierna.

Se även det tidigare inlägget "Arktiska dimmor" för några fler resonemang kring påståenden om Arktis och isen där.

Istiderna och jordens vingliga dans kring solen

Jorden vid glacialt maximum. Bygger på: "Ice age terrestrial carbon changes revisited" av Thomas J. Crowley (Global Biogeochemical Cycles, Vol. 9, 1995, pp. 377-389. Från Wikipedia Commons.

Vi har haft ett flertal inlägg som handlat om istider. Det som främst orsakar istider anses vara förändringar i jordaxelns lutning och jordbanans form. Här tänkte vi ta en närmare titt på hur det går till, bara så där för skojs skull.

Istider främjas av svala somrar på norra halvklotet. Då hinner sommarsolen inte smälta bort all snö, och snö packas på snö och bildar så småningom en inlandsis som sträcker sig längre och längre söderut. Och när man väl har ett istäcke så är det svårt att bli av med, eftersom is och snö med sin ljusa färg (dvs höga albedo) reflekterar bort solens strålning och därigenom skyddar sig själv från värmen. Det är själva istäcket och dess förmåga att reflektera solstrålningen som gör istiderna kalla, närmare bestämt upp till runt 6° C kallare globalt. Skälet till att det är svala somrar just på norra halvklotet som gäller är att landmassan på norra halvklotet är större än den på södra halvklotet.

Under perioder med svala somrar har vi också samtidigt milda vintrar (av skäl som snart kommer att förklaras), men det hindrar inte istäckets tillväxt. Det är ändå tillräckligt kallt på nordliga breddgrader för att det ska snöa. Om det är låt oss säga -5° eller -10° C på en viss plats under vintern spelar därför ingen större roll - det snöar i vilket fall. Faktiskt tenderar det att snöa mer när det är -5° än när det är -10° C, eftersom luftfuktigheten är högre vid högre temperaturer.

Men vad är det som orsakar svala somrar på norra halvklotet? För det första måste vi titta på vad som orsakar somrar (och andra årstider): det är jordaxelns lutning i förhållande till jordbanan runt solen. När jordaxelns norra ände lutar inåt mot solen så är dagarna på norra halvklotet (framför allt utanför tropikerna) längre vilket betyder mer solstrålning. Dessutom träffar solstrålningen jordytan i en mer rät vinkel vilket innebär att solstrålningen fördelas över en mindre yta samt har en kortare väg genom atmosfären (se bilden). På vintern är det tvärtom: dagarna är kortare, och solstrålningen träffar i en skarpare vinkel och sprids ut över en större yta och har längre väg genom atmosfären.

Jordens bana runt solen är inte en perfekt cirkel: den är en ellips, med ena änden närmare solen än den andra. Det innebär att jordens avstånd till solen varierar under årets gång. Det räcker inte till för att orsaka årstiderna, men det kan göra skillnaden mella svala och varma somrar. Svala somrar får vi om jorden befinner sig som längst från solen under norra halvklotets sommar. Då kommer jorden att befinna sig närmast solen på vintern, och vi får därför samtidigt milda vintrar. På det södra halvklotet får vi samtidigt varma somrar och kalla vintrar, eftersom deras sommar inträffar när jorden är närmast solen och vintern när jorden är längst från solen.

Var jorden befinner sig i jordbanan under norra halvklotets sommar respektive vinter varierar över tiden. Detta beror på att jordaxeln vinglar, dvs att jordaxelns lutning ändrar riktning. Denna vinglande rörelse kallas precession (se bilden här nedanför). Jordens precession utgör en cykel på 20,000 år. Därför växlar norra halvklotet mellan perioder med milda vintrar och svala somrar, och perioder med kalla vintrar och varma somrar. Det samma gäller för södra halvklotet, men när vi har  milda vintrar och svala somrar så har de kalla vintrar och varma somrar, och vice versa. Tydligen så räcker inte alltid perioderna med kalla vintrar och varma somrar på norra halvklotet till för att bryta isens grepp när väl en istid har inletts - annars hade istiderna bara varat  c:a 10,000 år åt gången. Nu varar de c:a 100,000 år. 

Precessionen i kombination med jordbanans elliptiska form är alltså huvudskälet till att jordens klimat växlar mellan istider och interglacialer (varma perioder). Med det slutar inte där. Hur starkt elliptisk jordbanan är (dvs jordbanans excentricitet) varierar också, med två olika cykler på respektive 100,000 och 400,000 år. När jordbanan är som mest excentrisk (dvs utdragen) och norra halvklotets sommar råkar infalla när jorden är som längst bort från solen, då får vi särskilt milda somrar här. Men en hög excentricitet leder också till särskilt varma somrar vid de perioder då jorden befinner sig närmast solen. Just nu är jordens bana nästan cirkelformad (dvs har låg excentricitet), och då får vi mest medelmåttiga vintrar och somrar: varken särskilt kalla och varma eller särskilt milda och svala. Med en låg excentricitet så har jordens precession inte så stor inverkan.

En tredje faktor som spelar in är att storleken på jordaxelns lutning också ändras över tiden. Detta kallas för vinkelns oblikvitet, och den förändras mellan 22° och 25,5° i en cykel på 41,000 år. Just nu är den på 23,5°. En hög oblikvitet bidrar till kallare vintrar och varmare somrar, och en låg oblikvitet bidrar till mildare vintrar och svalare somrar. Vi har alltså perfekta villkor för skapandet av ett istäcke om vi har har en precession så att vi har sommar på norra halvklotet när jorden befinner sig som längst från solen, och om jordbanan samtidigt är som mest excentrisk (det maximala avståndet till solen är som störst) och oblikviteten är som minst (dvs norra halvklotet vänder sig så litet som möjligt mot solen på sommaren).

Precessionens, excentricitetens och oblikvitetens cykler kallas tillsammans Milanković-cyklerna. Det är fascinerande att de inte orsakar någon större variation i den den totala solstrålningen som träffar jorden under ett helt år, utan att deras inverkan främst handlar om hur solstrålningen fördelas på jorden över året. Det är tillväxten av ett istäcke som gör det kallare, genom att mer solstrålning reflekteras tillbaka ut i rymden.

Men koldioxiden då? Den har också en roll i det hela, som en förstärkande faktor. Ett kallare klimat leder till att haven kan absorbera mer koldioxid, och när atmosfärens koldioxidhalt går ner så blir det ännu något kallare. När det å andra sidan blir varmare så avger haven koldioxid som värmer ännu mer.

Källa: David Archer. Global Warming - Understanding the Forecast. Blackwell Publishing, 2007.

Är dagens årliga utsläpp av CO2 högre än under PETM?

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

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

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

Att det var växthusgaser som orsakade denna temperaturstegring påvisas av:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Geological Society of London om klimatförändring ur ett geologiskt perspektiv

Geological Society of London har nyligen gett ut ett uttalande om klimatförändring och de geologiska beläggen. Uttalandet är tänkt som en introduktion till klimatfrågan ur ett geologiskt perspektiv. I uttalandet framgår bland annat:

• Belägg från geologin är konsistent med fysiken som visar att addera stora mängder koldioxid till atmosfären värmer jorden och kan leda till: högre havsnivåer och översvämningar av lågliggande kuster, kraftigt förändrade nederbördsmönster, försurning av haven och sänkta syrenivåer i havsvattnet. Livet på jorden har överlevt många klimatförändringar men massutdöenden och omfördelning av arter hänger ihop med flera av dem.
  
  
• Globala havsnivån är mycket känslig för temperaturförändringar. Till exempel under senaste istiden var havsnivån 120 m under dagens. Under delar av förra interglaciären när temperaturen vid polerna var 3-5 grader över dagens var havsnivån 4-9 meter högre.
  
  
• Snabba klimatförändringar har inträffat flera gånger tidigare i jordens historia. Under senaste istiden skedde snabba temperaturförändringar flera gånger, speciellt märkbart i området kring norra Atlanten. Temperaturväxlingar på ibland mer än 10 grader som utvecklades under ett fåtal decennier och varade några hundra år.
  
  
• De senaste uppskattningarna tyder på att senast koldioxidnivån var som dagens (390 ppm) var för mellan 2,6 och 5,2 miljoner år sedan. Då var den globala temperaturen 2-3 grader över dagens och havsnivån 10-25 meter högre vilket tyder på betydligt mindre is på Grönland och även åtminstone Västantarktis.
  
  
• Uppvärmningen av jorden sedan 1970 kan inte härledas till något som påminner om geologiska förändringar (tex. vulkanism, kontinentalförflyttning eller förändringar av solinstrålningen). Dagens uppvärmning hänger ihop med ökning av koldioxidnivån och minskning av den Arktiska isen. Dessa båda förväntas värma jorden både enligt fysikaliska teorier och geologiska analogier. Ett flertal olika belägg visar att koldioxidökningen till största delen beror på mänsklig aktivitet, vulkaners bidrag motsvarar endast 1% av vad människan tillför årligen. När jorden värms kan naturliga källor, så som tundra, våtmarker och metanhydrater, ytterligare bidra till koldioxidökningen.
  
  

Studien avslutar med denna slutsats:

In the light of the evidence presented here it is reasonable to conclude that emitting further large amounts of CO2 into the atmosphere over time is likely to be unwise, uncomfortable though that fact may be.

Länk till uttalandet

Oceanernas sediment och koraller berättar

Rob Dunbar om vad botten under Rossahavet säger om stabiliteten för isen ovanför. Om korallernas temperaturbibliotek och om hur havssedimenten visar att vi har den högsta koldioxidnivån på nära 15 miljoner år.

Högsta koldioxidnivån på minst två miljoner år

Att koldioxidhalten i atmosfären har växlat under jordens historia är välkänt. Men hur länge sedan hade jorden en koldioxidnivå motsvarande dagens 388 ppm?

Från iskärnor i Antarktis kan vi följa koldioxidnivån de senaste 800 tusen åren och se hur koldioxidnivån sjunkit ner mot 170 ppm under istiderna men aldrig varit i närheten av dagens nivåer.
Med hjälp av boron-isotop analys av foraminiferer i havssediment kan koldioxidnivån följas 2.1 miljoner år tillbaka i tiden. Inte heller under denna tid finner vi koldioxidnivåer i närheten av dagens värde.

Röd kurva är iskärnedata och punkterna boronisotopdata. Ökande ålder åt höger.

Den bästa kandidaten för senaste tiden då koldioxidnivån var som idag är den så kallade mellan-Pliocena värmeperioden för mellan 3 och 3,3 miljoner år sedan. Studier visar att koldioxidnivån då var kring 400 ppm samt temperaturen 2 till 3 grader över förindustriell¹. Det var en tid före Grönlands nedisning och före de stora istiderna.

Temperaturdata från syreisotopanalys av havssediment. Cyklerna är istidscykler.

Spelar det någon roll att när senast koldioxidnivån var som idag och temperaturerna de som vi nu är på väg mot var för 3 miljoner år sedan? Det gör det nog. De klimatnålsögon som dagens arter av växter och djur samt deras förfäder har passerat har handlat om låga koldioxidnivåer och låga temperaturer. Nu går vi snabbt, i ett evolutionärt perspektiv, in i en annan värld där andra egenskaper premieras.

Nyligen har en undersökning kring människors och andra däggdjurs förmåga att leva i en hetare värld presenterats. Vi däggdjur är i behov av att kunna kyla kroppen vilket begränsar möjligheterna att leva i heta fuktiga miljöer. En begränsning som inte varit aktuell på 3 miljoner år kan visa sig ha stor inverkan på framtida jordbruk och ekosystem.

1) Varför har vi inte dessa temperaturer idag med samma koldioxidnivå? Av flera skäl: Jorden är idag inte i temperaturjämnvikt utan temperaturen kommer att fortsätta att öka även om koldioxidnivån hålls konstant. Vi har kylande utsläpp av aerosoler. Geografin är annorlunda. Se mer tex här

Koldioxid genom Fanerozoikum

Koldioxid är en viktig växthusgas, inget tvivel om den saken. Iskärnor visar att den globala temperaturen och atmosfärens koldioxid koncentration är starkt sammankopplade, där koldioxidökningen förstärker en pågående ökning av temperaturen, och vice versa. Men är detta samband mellan koldioxid och temperatur vanligt i Jordens förflutna innan Kvartär? Finns det indikationer i det förflutna på trösklar i koldioxidnivåer där kalla respektive varma perioder alltid infaller vid ett visst koldioxidintervall? Först, låt oss gå in på hur temperaturen har varierat under Jordens förflutna, mer specifikt under de senaste 542 Ma, den eon som kallas för Fanerozoikum.

Temperaturmätningar
Av naturliga skäl är den mest tillförlitliga uppskattningen av den globala temperaturen före Kvartär förekomsten av vidsträckta inlandsisar. Direkta bevis på omfattande nedisningar är tilliter (litifierad morän) och de olika slags märken ismassan lämnar efter sig på den underliggande berggrunden. Således vet vi idag att en kort nedisning inträffade i Ordovicium (ca. 446-444 Ma) och tre längre nedisningar i dels Devon-Karbon (ca. 361-349 Ma), Karbon-Perm (ca. 326-267 Ma) samt den nutida som inleddes för ca. 35 miljoner år sedan. Det finns även flera indirekta indikatorer på nedisningar som med viss försiktighet kan användas, exempelvis:

• snabba globala förändringar i havsytan som inte kan härledas till tektoniska orsaker
• enstaka större klaster i finkornigare sediment, så kallade dropp stenar eller ”ice-rafted debris”
• utbredning av olika temperaturkänsliga sedimentära bergarter som evaporiter och rev

Fig. 1. Från Royer m. fl., (2004). a) Temperaturavikelsen under Fanerozoikum jämfört med dagens temperatur.b) Den kosmiska strålningen under Fanerozoikum normaliserat mot dagens kosmiska strålning. c) Blå staplar motsvarar omfattande nedisningar och ljusblå kyligt klimat.

Under isfria perioder när den globala temperaturen varierar mellan kylig till varm kan man rekonstruera temperaturen via syreisotopvariationen över tid i marina karbonater (detta uttrycks som δ¹⁸O, kvoten i tusendelar mellan ¹⁸O/¹⁶O relativt till en standard). Syreisotoperna fraktioneras beroende på temperaturen, ju kallare det är, desto mer ¹⁶O evaporerar relativt till ¹⁸O och därmed kommer mer av den tyngre syre isotopen av vara tillgänglig för marina organismer (δ¹⁸O stiger).

Naturligtvis finns det flera faktorer att beakta för att uppskattningen av dåtida temperaturer via δ¹⁸O inte ska bli fel, exempelvis påverkar havens pH (surhet) karbonaternas δ¹⁸O. Tidigare rekonstruktionerna tog inte hänsyn till havsvattnets pH, vilket till stor del styrs av koldioxidmängden. Dessutom, om inte hänsyn tas till detta kommer relationen mellan koldioxid och temperaturen att bli felaktigt försvagad. Notera att den dåtida pH-korrigerade temperaturen är överlag högre, vilket stämmer bättre med paleoklimatologiska observationer under Fanerozoikum, särskilt under Mesozoikum, som karaktäriseras av en lång varm period med flera korta, kalla pulser (från indirekta bevis som fallande havsnivåer, droppstenar och även δ¹⁸O).

Notera att den kosmiska strålningen (Φ i fig. 1) och den okorrigerade temperaturrekonstruktionen förutspår långa och vidsträckta nedisningar, vilka passar illa med de direkta bevis som finns för de omfattande nedisningarna under Fanerozoikum. Däremot inträffar de mest omfattande nedisningar under Fanerozoikum samtidigt med de djupaste dalarna i den pH-korrigerade temperaturrekonstruktionen. Därmed tyder det på, åtminstone under tidsskalor av miljoner år, att kosmisk strålning har mindre påverkan på klimatet än vad som tidigare har föreslagits.

Koldioxid
Vad reglerar atmosfärens koncentration av koldioxid och hur kan vi överhuvudtaget veta något om hur atmosfären utvecklats under de senaste 600 Ma åren, i detta fall med avseende på koldioxid?

På geologiska tidsskalor kontrolleras atmosfärens innehåll av CO2 huvudsakligen av kemisk vittring¹ (hydrolys) av Ca-Mg silikater och den vulkaniska aktiviteten, vilket förenklat kan skrivas:

CO₂+(Ca,Mg)SiO₂ = (Ca,Mg)CO₃+SiO₂ (1)

Det vill säga, reaktionen från vänster till höger beskriver hydrolysen av Ca-Mg silikater i bergrunden på grund av att koldioxid i vatten bildar en svag syra. Allt eftersom reaktionen fortskrider till vänster dras koldioxid ur atmosfären och koldioxidnivåerna sjunker. Ca²⁺ och Mg²⁺ förs ut till haven där de sedimenterar som biogent och kemisk utfällda karbonater. När reaktionen går från höger till vänster beskriver den upphettningen av Ca-Mg karbonater, via vulkanism, metamorfism och diagenes, vilket frigör koldioxid till haven och atmosfären under bildandet av Ca och Mg silikater. Geokemiska modeller (GEOCARB III) av atmosfärens koldioxidinnehåll baserade på marina sediments ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-kvot bygger på att denna kvot varierar i takt med vilket håll reaktion (1) går, då ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-kvoten skiljer sig åt mellan kontinenterna och manteln. Stigande ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-kvoter indikerar minskande koldioxidnivåer i atmosfären och tvärtom, det vill säga; snabbare vittring av kontinenter leder till ökat inflöde av kontinenternas Sr-isotopsignatur till haven vilket även minskar mängden koldioxid atmosfären och vice versa.

Flera proxy studier används vid rekonstruktionen av atmosfärens koldioxidnivå innan Kvartär, som : δ¹³C i pedogena karbonater (karbonater i "fossila" jordmåner, eng. paleosols), fytoplankton och levermossor (eng. liverworts), antalet stomata i växters ( C₃-växter) blad, samt δ¹¹B i planktoniska foraminiferer. Alla dessa metoder bygger på principen att de samvarierar med koldioxid i dag samt att de kan mätas tillförlitligt i ”Jordens arkiv”. Genom det vi vet om hur de olika proxierna relaterar till dagens förhållanden kan vi applicera denna kunskap på hur dessa har varierat i det förgångna.

Fig. 2. Radiative forcing från CO2 och solen genom Fanerozoikum. Viktigt att ha i åtanke är att Solen var svagare i Jorden förflutna, under nedisningen i senare delen av Ordovicium (ca. 440 Ma) var instrålningen ca. 4 % lägre än vad den är idag. Därmed var koldioxidtröskeln för nedisning betydligt högre än dagens. I grafen antas det att luminositeten ökat linjärt från 94.5 % av dagens ljusstyrka. Värdena är relaterade till de förindustriella nivåerna (CO2 = 280 ppm; solens luminositet = 342 W/m2). De mörka banden representerar perioder där direkta bevis för omfattande nedisning existerar. Efter Royer (2006)

Fig. 3. Koldioxid och temperatur variationen från slutet på Ordovicium till idag (460-0 Ma). Perioder med starka indikationer på utbredda inlandsisar markeras av mörkgråa staplar. Ljusgråa staplar markerar kyligt klimat. Horisontella prickade linjer representer möjliga trösklar för globalt kalla händelser respektive omfattande nedinsningar. Därmed kan 1000 ppm vara en tröskel till globalt sett kallt klimat och 500 ppm vara en tröskel till omfattande nedisningar. Efter Royer (2006).

Vad kan vi dra för slutsatts av att koldioxidnivåerna i atmosfären över lag samvarierar under Fanerozoikum (Fig. 2-3)? Ja, att koldioxid är den primära orsaken till klimatförändringar är inte säkert, men sett till vad Jordens förflutna säger oss så finns det mycket som indikerar på att koldioxid med stor sannolik är en av flera viktiga faktorer, som solens luminositet, kontinenternas konfiguration, Jordens albedo, orbitala parametrar, som styr det globala klimatet. Är man lagd åt det cyniska hållet kan man i alla fall glädja sig åt att om koldioxidnivåerna fortsätter att stiga kommer de utgöra en liten försäkring mot framtida istider.

Se även: AGU 2009: "Den största reglerratten"

¹Även fotosyntesen och mängden kol som begravs i marken inverkar på atmosfärens halt av CO2 men den är av mindre betydelse, och detta samband kan skrivas:

CO₂+H₂O = CH₂O+O₂ (2)

Denna reaktion är den som reglerar mängden syre i atmosfären, vilket produceras via fotosyntesen när reaktion (2) går till höger samtidigt som organiskt material begravs i sediment och för en tid stuvas undan kol-cykeln. När reaktion (2) går till vänster beskriver den oxidationen av organiskt material eller upphettning av sedimentära bergarter rika på organiskt material.

Refferenser i urval:
Berner, R. A. GEOCARBSULF: A combined model for Phanerozoic atmospheric O2 and CO2 . Geochim. Cosmochim. Acta 70, 5653–5664 (2006).
Berner, R.A., Kothavala, Z., 2001. GEOCARB III: A revised model of
atmospheric CO2 over Phanerozoic time. Am. J. Sci. 301, 182–204.
DeConto, R. M. & Pollard, D. Rapid Cenozoic glaciation of Antarctica induced by declining atmospheric CO2 . Nature 421, 245–249 (2003).
Fletcher B. J. et al., 2008. Atmospheric carbon dioxide linked with Mesozoic and early Cenozoic climate change. Nature Geoscience 1, 43-48.
Carne R.E., J.M. Eiler, J. Veizer et al., 2007. Coupling of surface temperatures and atmospheric CO2 concentrations during the Palaeozoic era. Nature 449, 198-202
Huber, B.T., Norris, R.D., MacLeod, K.G., 2002. Deep-sea paleotemperature record of extreme warmth during the Cretaceous. Geology 30, 123–126.
Kump, L. R. Reducing uncertainty about carbon dioxide as a climate driver. Nature 419, 188–190 (2002).
Montanez, I.P., Tabor, N.J., Niemeier, D., et al. 2007. CO2-forced climate and
vegetation instability during Late Paleozoic deglaciation. Science,315, 87-91.
Royer, D. L., Berner, R. A., Montanez, I., Tabor, N. J. & Beerling, D. J. CO2 as a primary driver of Phanerozoic climate change. GSA Today 14, 4–10 (2004).
Royer, D. L. CO2 -forced climate thresholds during the Phanerozoic. Geochim. Cosmochim. Acta 70, 5665–5675 (2006).
Shaviv, N.J., and Veizer, J., 2003, Celestial driver of Phanerozoic climate?: GSA Today, v. 13, no. 7, p. 4–10.
Siegenthaler, U. et al. Stable carbon cycle-climate relationship during the late Pleistocene. Science 310, 1313–1317 (2005).
Veizer, J., Godderis, Y., and François, L.M., 2000, Evidence for decoupling of atmospheric CO2 and global climate during the Phanerozoic eon: Nature, v. 404, p. 698–701.