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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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




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

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

Lägre troposfären

Lägre stratosfären

Övre stratosfären

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

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

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

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

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

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

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

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

Medierna i P1 granskar hur det kom sig att myten om en stundande liten istid spred sig i svenska media

Vi har tidigare rapporterat om hur myten om en stundande liten istid eller mini-istid spred sig i svenska media. Vi samlade då också in en rad länkar som dokumenterade varför detta påstående var fel. Nu har även medierna i P1 granskat saken och även talat med några av de berörda parterna.

Ni kan höra inslaget här.

The conversation har för övrigt också en "ny" artikel om ämnet.

En av de som intervjuas i inslaget är Johan Rockström som påpekar att  p g a tillskottet av växthusgaser i atmosfären kommer det knappast att bli lika kallt som under "lilla istiden" för ett par hundra år sedan.  Men Rockström nämner också att det finns forskare som tror eller visat att vi kanske aldrig mer kommer gå in i en längre istid (alltså en riktig glacial). Personligen gillar jag inte detta uttryck och tycker att även om det i media är svårt att nyansera så borde det ha nyanserats lite mer.


"IceAgeEarth" by Ittiz - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

Om vi kommer gå in i framtida istider beror på en rad saker som till exempel hur mycket koldioxid vi människor kommer att släppa ut och om vi börjar suga ut koldioxid ur atmosfären. Men också annat, jag har svårt att tro att vi inte skulle ta till någon form av geoengineering för att slippa en istid ifall vi människor finns kvar på jorden i ett hyfsat skick. I vilket fall så har detta spekulerats i av andra och jag vet inte precis vilken forskning som Rockström tänker på men bland andra David Archer har räknat på vad ett utsläpp av 5000 Gton C skulle innebära för när en framtida istid kan inträffa. Archer kommer fram till att den kanske skulle inträffa först om ca 500 000 år givet en rad andra parametrar. Det finns också annan forskning som påpekar att de koldioxidutsläpp vi nu släpper ut påverkar när kommande istid stundar så detta är inte kontroversiellt men att använda ordet 'aldrig' i sammanhanget är mig veterligen inte korrekt. Rockström sa också något liknande i sitt program i sommar i P1. Någon som vet ifall jag missat någon forskning som Rockström kan luta sig mot?

Istids-myten lever och frodas bland klimatförvillare

För nästan två veckor sedan skrev vi om de överdrivna rapporterna om en ankommande "mini-istid", som skulle orsakas av minskad solaktivitet. I praktiken förväntas den eventuella  effekten vara marginell jämfört med den från den ökande halten av växthusgaser i atmosfären.  Men myten om att vi har en liten istid framför oss lever och frodas bland klimatförvillare. Så här skrev t ex  Dan Bakkman i en insändare i Sundsvall Tidning för ett par dagar sedan:

Nu är plötsligt tidningarna fulla av att forskare förutsäger en ny istid om sådär 30 år. Nu när hela världen, ledd av FN, skall mötas i Paris och besluta om en världsregering för att hejda uppvärmningen av jorden.
Varför leder inte dessa två oförenliga antaganden om framtiden till kommentarer i media? Vågar ingen av alla de som idogt predikat den varma jorden undergång en kommentar?

Insändaren leder sedan vidare ner i de vanliga konspirationsteorierna. Jag besparar er citat därifrån

Och igår hade vi signaturen REMUS i Nerikes Allehanda (min egen lokaltidning) som påstår:

Örebro. Vi går mot en ny istid, som beräknas pågå 2030-2045. Istiden inleds alltså redan om cirka 15 år, och orsaken enligt eniga forskare är reducerad solaktivitet under den period som istiden pågår. Därmed kan vi konstatera att det är solen och andra naturliga omständigheter som styr vårt klimat och inte en massa självutnämnda förståsigpåare med klimatstämpel.
Lägg nu ner alla diskussioner om global uppvärmning, när det i själva verket är en istid som står för dörren. Det är dags att slå igen alla kommunala så kallade klimatkontor som bildats i tron att det är lokala så kallade klimataktivister som styr vårt klimat och att man genom att strö skattemedel över dessa aktörer påverkar klimatet. Hur mycket ska ni satsa av skattemedel för att påverka solen? 

Och sådana här insändare lär tyvärr nog fortsätta att ramla in hos våra lokaltidningar.

Jorden på väg mot en kraftig uppvärmning inte en liten istid eller mini-istid

Vi vet att jorden just nu värms oroväckande fort och kommer att fortsätta att göra så om vi inte minskar våra utsläpp av växthusgaser. Trotts detta rapporterar stora dela av svensk media nu att vi kan vara på väg mot en ny liten istid eller mini-istid, detta stämmer inte. (SvT (mer nyanserat), DN, SvD, AB, Expressen, HD, DI, Metro fler kommer? Det tycks i alla fall delvis spridits via TT.) *SE UPPDATERING LÄNGST NER

Själva iden att solens aktivitet kan sjunka till nivåer som kopplats samman med kallare klimat är inte ny och har utforskats tidigare. De som räknat på vad en lägre solaktivitet i storleksordningen som diskuteras i "nyheten" innebär är tydliga med att det bara har en liten effekt på den globala uppvärmningen. Tyvärr har jag själv inte tillgång till grafik som visar detta på ett bra sätt men figur 2 på denna sida visar med önskvärd tydlighet att det inte kommer ge någon större effekt. Se också videon längst ned i inlägget.

Kortfattat, de vetenskapligt publicerade artiklarna på området pratar om möjliga lokala effekter men globala mycket små förändringar (se denna artikel publicerad i Nature och referenserna däri).

"The relative annual global mean near-surface temperature change for the period 2050–2099 is a cooling of 0.13 and 0.12 °C for EXPT-A and EXPT-B, respectively. This offsets or delays the global warming trend by ~2 years and is small compared with the modelled global warming. This is consistent with other recently published results"

Som man också kan se i den artikeln så är det möjligt att det under ett scenario med fortsatt ökning av koldioxidutsläppen och minskad solinstrålning sker en tydligt mindre uppvärmning av till exempel Sverige under vintern. Man kan också se att Södra Sverige kanske kan få fler frostdagar än om solaktiviteten inte minskat. Man bör dock minnas att solaktiviteten förväntas öka igen efter den tillfälligt låga aktiviteten och med detta temperaturerna.

Av någon anledning tycks dock svensk media mer eller mindre missat denna intressanta lokala påverkan som tittats på i vetenskapliga publikationer för att istället köra detta som snappats upp via en vanlig engelsk tidning. (via en tyvärr opåläst forskare)

Den intresserade kan läsa mer om forskningen här. Och få en enklare överblick över beräkningsmetoden här.

Ytterligare information finns på denna sida, där också videon hämtats ifrån.


Även Supermiljöbloggen och Natursidan skriver om saken.

Uppdatering; DN har meddelat att man plockat bort artikeln så den inte syns på tidningens webbsida.

Miljöaktuellt tycks inte vara bättre än resten.

Mer info om forskaren som startat det hela i Washington Post. Det är tydligt att hon uttalar sig utan att granska den vetenskapliga litteraturen på området... vilket är mycket onödigt. Om hon hävdar att den publicerade forskningen på området är fel bör hon själv publicera och visa detta tills dess bör hon sluta sprida myter.

Bad Astronomy har också ett bra inlägg i frågan.

Ekologistas skriver också om detta

Miljöaktuellt har också kritik mot lilla istidsartikeln och länkar bland annat hit.

Livescience och Newsweek har bra genomgångar av frågan.

SvD har meddelat att man avpublicerat artikeln.

Vad är det som värmer världen?

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

Expressen: "Forskare: Ny mini-istid kan vara på väg hit"

"Solen borde vara full av aktivitet. Istället är den tystare än på 100 år. Brittiska forskare tror att en mini-istid kan vara på väg.
– Jag har varit en solfysiker i 30 år och har aldrig sett något som liknar det här, säger Richard Harrison, chef för rymdfysik vid Rutherford Appleton Laboratory i Oxfordshire, till BBC."

Så inleds en artikel i Expressen från den 19 januari.  Och solaktiviteten är verkligen anmärkningsvärt låg.

Om det här är maximum för den nuvarande solcykeln, så är det verkligen exceptionellt.

Om man vill gå längre tillbaka i tiden kan man titta på solfläckarna.

Inte sedan början av 1800-talet har vi haft ett sådant litet antal solfläckar vid ett maximum. Också runt det förra sekelskiften (1900-talet) var antalet lågt, om än högre än nu. Den globala temperaturanomalin var då mycket lägre än nu. Om det vore så att solen var huvudorsaken till den globala uppvärmningen sedan dess, så måste vi fråga oss varför det inte är ungefär lika kallt nu som runt 1900.  Tvärtom är det rent av betydligt varmare än runt 1960, när solen var som mest aktiv.

I artikeln citeras även forskaren Mike Lockwood:

"Enligt flera experter är nergången i solaktivitet den snabbaste på 10 000 år.
– Vi uppskattar att inom cirka 40 år är det närmare 20 procents sannolikhet att vi är tillbaka i Mauder Minimum-tillstånd, säger Mike Lockwood, professor i rymdmiljö, vid University of Reading. 

Som en mini-istid
Perioden innebar bittert kyliga vintrar i Europa, en del beskriver det som en mini-istid. Mängden av ultraviolett ljus som strålar från solen, minskar nämligen med solens aktivitet. Detta innebär att mindre UV-strålning träffar stratosfären, vilket i sin tur påverkar jetströmmarna i atmosfären.
– De här stora meandrarna i jetströmmen blockerar de normala fuktiga och milda vindarna vi får från Atlanten. Istället får vi kall luft som dras ner från Arktis och Ryssland, säger Lockwood."

 Så om vi skulle hamna i ett Maunder Minimum-tillstånd, så kunde det påverka vinterklimatet i Europa. Men vad skulle det globala resultatet bli? Kan detta rent av stoppa den globala uppvärmningen? Tyvärr säger Expressen ingenting om det, men om vi går till den BBC-artikel som Expressen citerar från, så hittar vi det här citatet av Lockwood (min översättning):

"Jag har gjort ett antal studier som visar att som mest kan det köpa dig omkring fem år innan du når en viss global medeltemperaturnivå. Men det betyder inte att det på en mer regional nivå inte kan ske förändringar i vädermönstren som vi får vänja oss vid." 

Så till och med ett nytt Maunder Minimum kommer bara att sakta upp den globala uppvärmningen med några år.
Vetenskapens värld har förresten ett program i kväll (20 januari) om solen: "Det våras för solen".

Uppdatering: I en artikel i Nature Geoscience, Small influence of solar variability on climate over the past millennium, kommer forskarna Andrew P. Schurer, Simon F. B. Tett och Gabriele C. Hegerl fram till att solens klimatpåverkan under de senaste tusen åren har varit ganska liten. Vulkaner och växthusgaser har haft större betydelse.
Aftonbladet TV har ett inslag om den låga solaktiviteten.

Det kom ett mail till Uppsalainitiativet

Hej

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

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

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

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

Vänligen korrigera mina tankefel.

Med vänlig hälsning

[frågeställarens namn]

Hej,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Vänliga hälsningar

Mia

Växthuseffekten - en introduktion

 Solens strålning

Jordens temperatur och klimat är helt beroende av solens instrålning och dess fördelning över jordens yta. Solstrålningens intensitet vid jorden är ungefär 1360 W/m². Dock lyser solen endast på jordens siluett. Den genomsnittliga instrålningen räknat över jordens yta blir därför en fjärdedel solljusets intensitet eller 340 W/m².

En del av solens strålar reflekteras mot moln och jordens yta ut i rymden igen. Denna del är ungefär 30%. Alltså mottar jorden (inklusive atmosfären) 240 W/m².

Jordens värmestrålning

Jorden tar inte bara emot strålning den strålar även ut värmestrålning i rymden. Om jorden strålar ut mindre än den mottar värms den och om den strålar ut mer än den mottar kyls den. Alltså är den utstrålade intensiteten ut i rymden (nästan) lika stor som den instrålade, alltså 240 W/m².

I de våglängden som är viktiga för värmestrålningen från jorden är jordytan (inklusive hav, snö och is) nästan en svart kropp. Det betyder att utstrålningen, I,  beror på temperaturen, T, och följer nedanstående samband som kallas Stefan-Boltzmanns lag:

Jordens yta är i snitt 288 K ( 15°C) och strålar alltså ut nära 390 W/m² vilket är betydligt mer än de 240 W/m² som jorden mottar¹. Det är här atmosfärens växthuseffekt kommer in.

Atmosfären som växthus

Som en enkel modell tänker vi oss att jorden är omgiven av ett glasliknande skikt som släpper in solljus men är ogenomskinligt för värmestrålningen som är på väg ut från jordytan. Se bild nedan:

Eftersom skiktet är ogenomskinligt (svart) för strålningen ut kommer det att värmas av värmestrålningen från jorden och själv stråla ut denna värme. Hälften av skiktets värmestrålning går ut i rymden medan andra hälften strålar ner mot jordytan. Jordytan mottar alltså både solljus och värmestrålning från skiktet ovanför. Sett från rymden är det skiktet som strålar ut värme. Alltså de 240 W/m² som motsvarar instrålningen från Solen medan jordens yta är varmare.

Hur mycket varmare? Utstrålningen från jordytan skall motsvara dubbla solinstrålningen, 240 W/m² från solen och de nedåtriktade 240 W/m² från skiktet. Med hjälp av Stefan-Boltzmanns lag kan vi beräkna jordytans medeltemperatur till 303 K eller 30°C. Så varm är nu inte jorden.

Att beräkningen ovan ger för hög temperatur beror på två saker:

• Enskiktsmodellen är för enkel för att beskriva växthuseffekten i atmosfären.
• Atmosfären är vare sig helt genomskinlig för solens instrålning² eller helt ogenomskinlig för värmestrålning.

Dock kan vi från denna enkla modell se principen bakom växthuseffekten.

Växthuseffekten i atmosfären

Atmosfärens tryck sjunker med ökande höjd och inom troposfären sjunker även temperaturen med höjden. Växthusgaserna liksom övriga gaser är alltså tätast närmast jordytan och tunnas ut med ökande höjd. För vattenångan är detta avtagande extra markant då mängden vatten i luften både sjunker med lägre tryck och lägre temperatur.

Växthusgaserna absorberar delar av jordens värmestrålning och återsänder denna, i slumpmässig riktning samt värmer luften. (Se tex. denna simulering.) Ju tätare gas desto större sannolikhet att strålningen absorberas. I de våglängder som växthusgaserna absorberar är det mycket lite av strålningen som går direkt ut i rymden från jordytan. Den allra mesta har absorberats och återstrålats flera gånger innan den når så högt upp att den strålar ut i rymden. Det betyder att strålningen som når rymden kommer från kallare delar av atmosfären.

 Koldioxid och metan (0,8 till 2,0 ppm) i molnfri tropisk atmosfär, Konstant yttemperatur 299.7 K 
Modtran IR

Ett sätt att beskriva växthusgasernas inverkan i atmosfären är alltså att de höjer medelhöjden från vilket värmestrålningen når rymden.

1) Eller för att vända på beräkningen. Utan växthuseffekten och allt annat lika skulle jordens medeltemperatur vara 255 K eller -18°C.

2) Ca 70 W/m² av de 240 W/m² som absorberas absorberas på väg ner genom atmosfären.

Inget nytt under solen

Vi har sagt det förut. Beläggen för att kosmisk strålning påverkar molnbildning på Jorden¹, och därigenom vårt klimat, är svaga. Benjamin Laken och medarbetare har gått igenom tillgängliga artiklar i frågan och sammanfattar läget i en ny artikel i Journal of Space Weather and Space Climate.

 

Trots över 35 års konstanta satellitbaserade mätningar av moln, saknas fortfarande tillförlitliga belägg på ett länge hypotetiserat samband mellan förändringar i solens aktivitet och jordens molntäcke. Detta arbete undersöker belägg på en länk mellan kosmiska strålar och moln från en rad olika källor, bland annat satellitbaserade mätningar av moln och långsiktiga markbaserade klimatologiska mätningar. 

...

Det är möjligt att molndata uppmätta med satelliter och analysmetoder helt enkelt kan vara alltför okänsliga för att detektera en liten signal från solens påverkan. Belägg från markbaserade studier tyder på att vissa svaga men statistiskt signifikanta kosmisk strålning-moln-samband kan finnas på regional skala, involverande mekanismer relaterade till den globala strömkretsen. Men en dålig förståelse för dessa mekanismer och deras inverkan på moln gör nettoeffekterna av sådana länkar osäkra. Oavsett detta är det tydligt att det inte finns några starka belägg för en omfattande länk mellan flöde av kosmisk strålning och moln.

Inga nyheter, men ändå värt att poängtera.

¹För en förklaring till hur kosmiska strålar kan tänkas påverka molnbildning reommenderas det här inlägget. Alla våra inlägg i frågan kan ni läsa här.

Eternal sunshine of the spotless mind

Då var det dags igen. Experimentet med stort E eller dataanalysen med stort D som en gång för alla bevisar att den samlade klimatforskarkåren har fel. Vi som följt debatten ett tag vet att detta sker lite då och då. Sedan glöms det bort och något annat experiment eller annan dataanalys tar vid som det nya svarta. 

Nu är det en artikel av Henrik Svensmark och medarbetare som är föremålet för euforin. Trots att den inte (ännu) passerat peer-review (sakkunniggranskning) finns det ingen hejd på vilken betydelse artikeln har enligt vissa.

Vad handlar det om? Jo, forskarlaget har utfört experiment på partikelbildning i en kammare där svaveldioxid omvandlas till svavelsyra . Problemet med att tolka studien är att gasblandningen och övriga förhållanden i kammaren har distinkta skillnader mot de som råder i jordens verkliga atmosfär. När röntgenkällan startas ökar joniseringen från bakgrundsnivån på 3 jonpar per kubikcentimeter och sekund till 60 jonpar per kubikcentimeter och sekund. Denna tjugifaldiga ökning leder i experimentet till en ökning av partikelkoncetrationerna på ungefär 20%. I verkligheten varierar flödet av kosmiska strålar, och därmed joniseringen, med ungefär ± 10% mellan topp och botten i solcykeln. Den långsiktiga förändringen är mycket lägre än så. Det finns  anledning att tro att om realistiska ändringar i jonisering hade använts, då hade effekten försvinnit i det avsevärda brus som syns i resultaten.

Dessutom är koncentrationen av svaveldioxid mycket högre än vad den är där Svensmark själv anser att joninducerad nukleation borde vara betydelsefull, nämligen över värlshaven¹. Forskarna beskriver själva att deras resultat strider mot väl beprövade teorier om hur populationer av aerosolpartiklar beter sig och försöker förklara detta med ökad produktion av svavelsyra med hjälp av joner. Den orealistiskt höga produktionen av svavelsyra kommer alltså inte bara in en gång, utan två.

Slutsatsen är att den effekt som beskrivs i experimentet med stor sannolikhet är obetydlig i atmosfären. Artikeln kanske kan vara intressant som kuriosa, men den kommer inte förändra klimatvetenskapen och kommer snart vara bortglömt. Men vad gör det? Ingemar Nordin och hans gelikar hittar bara en ny tuva som låte dem slippa insikten om att det faktiskt är människoskapad koldioxid som orsakar den pågående uppvärmingen.

¹ Se exempelvis Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change.

Svagt eller inget samband mellan solaktiviteten och molnighet

Figur 1. Konstnärlig representation av solen och ett moln.

Följetången fortsätter. Finns det något samband mellan inflödet av kosmiska strålar och bildningen av moln? I så fall, hur pass betydande är det?

En av de viktigaste svårigheterna med att undersöka dessa frågor har varit dålig tillgång på data över molnighet. Nu har lyckligtvis det satellitbaserade instrumentet MODIS levererat data i drygt tio år, vilket möjliggör statistiska analyser och jämförelser med data för solinstrålning och flöde av kosmiska strålar. Både molnighet och kosmisk strålning har kraftiga variationer på korta tidsskalor och den hypotetiserade kopplingen mellan dem är momentan.

Benjamin Laken och hans medarbetare har i en artikel i  Journal of Climate gjort en sådan analys. Resultatet är nedslående för dem som trott att tydliga samband skulle finnas. Forskarna hittar inga signifikanta korrelationer mellan molnighet och solinstrålning eller flöde av kosmisk strålning.

Klimatskeptikerns FAQ

Det finns vissa frågor som återkommer, gång på gång, i vårt kommentatorsutrymme. Ofta är kommentatorerna anonyma, och ofta får man en känsla av att de tror sig ha satt fingret på en klimatvetenskapens svaga punkt. Att vi många gånger tidigare besvarat frågan tycks inte hjälpa, och kanske är det inte så konstigt, då vår blogg blivit ganska vildvuxen och inte alldeles lättnavigerad. Av detta skäl kanske det kan vara till någon nytta att samla några av de allra vanligaste frågorna av detta slag på ett och samma ställe, som ett slags "klimatskeptikerns FAQ", tillsammans med korta svar och länkar till några av våra tidigare inlägg som behandlar respektive fråga mer ingående. Håll till godo!

Fråga 1. Varför fortsätter ni att prata om global uppvärmning trots att den har avstannat sedan 1995/1998/2003/whatever?

Svar. 00-talet är det klart varmaste decenniet sedan mätningarna startade. Däremot finns en såpass stor vädervariation överlagrad som ett slags brus på den obevekliga trenden, att ett enskilt år nästan lika ofta är kallare än det föregående, som varmare. Om vi betraktar tillräckligt korta tidsperioder, nedåt ett decennium eller så, blir det svårt att detektera trenden. Men den finns där, om vi höjer blicken en smula. Nyligen uppmärksammade vi en lättsam illustration till fenomenet:

• En man och hans hund eller trend och variation

Ännu mer slående är följande illustration:

• Hur realister och "skeptiker" ser på den globala uppvärmningen

Ytterligare en rad av våra inlägg behandlar senare års temperaturutveckling, exempelvis följande:

• Trendigt värre
  
• 2010 leder temperaturligan
  
• Open Mind: Hur snabbt värms Jorden?
  
• NOAA presenterar 10 indikationer på global uppvärmning
  
• Temperaturtrender: Tagning tio
  
• Den globala uppvärmningen har fortfarande inte avstannat

Fråga 2. Varför vägrar ni inse att den faktor som mer än något annat styr vårt klimat är solen?

Svar. Att solen är av avgörande betydelse för vårt klimat är självklart - utan solstrålning skulle jordens yttemperatur rasa ned till inte långt över absoluta nollpunkten. Därmed är inte sagt att det är i första hand är solen som ligger bakom de förändringar i klimatet vi idag ser. Den danske forskaren Henrik Svensmark har teorier om hur variationer i solaktivitet via avskärmning av kosmisk strålning påverkar klimatet, men faktum är att dessa inte förmår förklara senare tids uppvärmning - tvärtemot den upphaussade bild som ges i delar av bloggosfären. En nyktrare syn på solens inverkan och på Svensmarks arbete ger vi i följande bloggposter:

• Strålande nyheter
  
• Kosmiska strålar, moln och global uppvärmning
  
• Första riktiga resultaten från CLOUD-experimentet ute
  
• Solen och temperaturer i Europa

Även om det idag är växthusgaskoncentrationerna i atmosfären som i första hand driver de pågående klimatförändringarna har variationer i infallande solstrålning genom jordens historia haft stor betydelse, bl.a. via de variationer i jordens bana kring solen som kallas Milankovichcykler, och via solens mycket långsamt (på tidsskalan hundratals miljoner år) tilltagande effektutveckling:

• Istiderna och jordens vingliga dans kring solen
  
• Faint sun paradox

Fråga 3. Känner ni verkligen inte till att temperaturuppgången, historiskt sett, alltid kommit före koldioxiduppgången?

Svar. Koldioxidhalt och temperatur har följt varandra nära i de gångna årmiljonernas istidscykler, men det är alldeles riktigt att när en istid gått över i interglacial så är det temperaturhöjningen som kommit igång först, och koldioxiden lite senare. Orsakssambandet går dock åt båda håll, och när väl ökningen kommer igång förstärker koldioxidhalt och temperatur varandra i en ömsesidig spiral. Denna spiral kan startas av temperaturen (så som fallet var under istidscyklerna till följd av variationer i infallande solstrålning) eller av koldioxiden (så som fallet är i dagens klimatförändringar, i första hand till följd av vår fossilbränsleförbränning). För en närmare förklaring, se

• Om istider, klimatförändringar och återkopplingar

Ytterligare fördjupning ges bl.a. här:

• Istiderna och jordens vingliga dans kring solen
  
• AGU 2009: "Den största reglerratten"

Fråga 4. Varför all denna oro över koldioxidhaltens ökning i atmosfären när dess växthuseffekt ändå är mättad?

Svar. Att växthuseffekten skulle vara mättad är helt enkelt inte sant. Ökad koldioxidhalt ger ökad växthuseffekt, och något tak för detta finns snart sagt inte. Vi förklarar saken här:

• Satureringar, logaritmer och verkligheten

Man skulle önska att det felaktiga mättnadspåståendet mönstrades ut ur klimatdebatten, men så tycks ännu inte ha skett:

• Stockholmsinitiativets sofistikerade argumentation

Fråga 5. Är det inte lite märkligt att ni håller fast vid IPCC:s mycket höga värden på koldioxidens klimatkänslighet, trots att dessa bygger på hypotetiska återkopplingseffekter och trots att ny forskning pekar på att klimatkänsligheten är lägre?

Svar. Klimatkänsligheten definieras som den temperaturökning som blir resultatet av fördubblad koldioxidhalt. På grund av klimatsystemets stora komplexitet är det exakta värdet inte känt, men IPCC anger 2 till 4,5 grader som ett trolighetsintervall. Detta baseras på det samlade vetenskapliga kunskapsläget i form av en lång rad olika forskningsstudier och metoder för skattning av klimatkänsligheten. Det finns också enskilda studier som tyder på värden över eller under IPCC:s intervall, men även dessa tar IPCC hänsyn till i sina sammanvägda bedömningar. Att (som på en del håll i bloggosfären) enbart fokusera på de studier som avviker genom att peka mot extremt låga värden, ger en skev bild av kunskapsläget och kan inte anses seriöst. Vår noggrannaste genomgång av vad som ligger till grund för klimatvetenskapens skattningar av klimatkänsligheten är en översättning från SkepticalScience:

• En detaljerad genomgång av klimatkänslighet

Se även

• Om istider, klimatförändringar och återkopplingar

Som framgår av den senare av dessa bloggposter spelar klimatsystemets återkopplingseffekter en nyckelroll för hur stor klimatkänsligheten blir. Men även om styrkan i återkopplingarna inte är exakt känd så är det fel att kalla dessa "hypotetiska". Mer om återkopplingar skriver vi bland annat här:

• Vågar du åka bil? Om positiva återkopplingar
  
• Koldioxidens återkoppling och Stockholmsinitiativets inkonsekvens
• En kort introduktion till debatten om vattenånga

Fråga 6. Men visst är det väl mest bara skönt om klimatet blir lite varmare?

Svar. Just här i det kalla Norden kan man möjligen hävda att klimatförändringarna blir av godo, åtminstone i ett kort tidsperspektiv. Den som glömmer allt vad globala frågor och enbart intresserar sig för vad som händer här hemma kan t.ex. kika på detta:

• Stockholm och klimatförändringarna

Det är emellertid troligt att den som tror att Sverige klarar sig bra i en värld av långt gången global uppvärmning bedrar sig, ty det lär bli en värld av social oro och instabilitet, och hundratals miljoner klimatflyktingar. Havsytan höjs på ett sätt som sätter hela önationer och enorma andra landområden under vatten, temperaturen i tropikerna ökar på ett sätt som gör det allt svårare att driva jordbruk eller ens bo där, regnskogar riskerar slås ut och biodiversiteten drabbas katastrofalt. Som en sammanfattning av vad som riskerar hända vid olika temperaturökningar har vi lånat National Geographics dramatisering:

• National Geographic: 6 degrees

För den som önskar en stramare framställning rekommenderas t.ex. den så kallade Köpenhamnsdiagnosen, som vi sammanfattar här:

• Köpenhamnsdiagnosen

Vilket enskilt problem som blir allra svårast är inte lätt att svara på, men det vi fördjupat oss mest i är havsytenivåhöjningen, exempelvis här:

• Nor any drop to drink
  
• Om IPCC och havsnivåer – stiger vattnet oss över huvudet?

Vi bör heller inte glömma bort att uppvärmningen inte är det enda problemet med en ökad atmosfärisk koldioxidhalt. Även den försurning av havet som blir följden riskerar att få katastrofala konsekvenser:

• Det andra koldioxidproblemet

Fråga 7. Jamen bevisade inte Climategate-affären att klimatforskning bara är bluff och båg?

Svar. Usch, det här är nästan den tjatigaste av alla frågor. Svaret är i alla fall nej. Utredning efter utredning har visat att de stulna ebreven inte ger grund för misstanke om något som ens gränsar till vetenskaplig oredlighet. Här är vårt senaste försök till sammanställning:

• Svenska Dagbladet förtalar klimatforskare - igen

Mer behöver inte sägas, men här, ändå, är ytterligare ett par påpekanden vi sett oss nödsakade att göra om saken de senaste åren:

• Climategate – Phil Jones och CRU friade, igen
  
• "Climategate" - CRU friade ännu en gång

Tilläggas kan också att den nyare händelse som från vissa håll lanserats som "Climategate 2.0" är precis lika substanslös i sina anklagelser:

• Climategate - Återkomsten

* * *

För en betydligt längre och fullständigare lista över liknande invändningar mot klimatvetenskapens resultat om en pågående antropogen global uppvärmning, samt svar på dessa, se gärna SkepticalScience.

Första riktiga resultaten från CLOUD-experimentet ute

Sedan några år bedrivs även atmosfärsvetenskaplig forskning vid den berömda partikelaccelaratorn i CERN. Experimentet kallas CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets, i en tradition av krystade akronymer på vetenskapliga projekt) och behandlar den eventuella påverkan kosmiska strålar har på aerosolbildning, moln och i förlängningen jordens klimat. I korthet går experimenten ut på att studera bildningen (nukleationen) av ytterst små droppar (kallas partiklar oavsett om de är fasta eller flytande) bestående av svavelsyra och vatten samt hur den påverkas av kemiska tillsatser och joniserande strålning.

I den första artikeln från projektet presenteras en hel del intressanta resultat. De påvisar en tydlig effekt av joniserande strålning på hastigheten hos partikelbildningen, men en än större effekt tillsatser av ammoniak. Dock kommer inte nukleationshastigheterna i närheten av de hastigheter som observerats i atmosfären, vilket kan tolkas som att gasblandningen i experimentkammaren är för ren för att riktigt likna den verkliga atmosfären. Mest överraskande i resultaten är att det trots den mängd arbete forskarna lagt ner på att få en ren gasblandning dyker upp organiska kväveföreningar i partiklarna. Dessa ämnen tycks alltså delta i och därmed underlätta nukleationen, trots att koncentrationerna är mycket lägre än de i jordens atmosfär.

Att utifrån dessa resultat läsa in att kosmiska strålar är den viktigaste faktorn i partikelbildning vore fånigt. Studiens huvudförfattare Jasper Kirkby sammanfattar: "At the moment, it actually says nothing about a possible cosmic-ray effect on clouds and climate, but it's a very important first step". Sammantaget bekräftar studien bilden av synnerligen komplexa processer som inte låter sig sammanfattas i slagord. Joninducerad nukleation kan ha en verklig inverkan på molnbildningen, men mycket arbete återstår får att förstå och kvantifiera denna. Däremot kan vi fortfarande med säkerhet, oavsett om kopplingen finns eller inte, konstatera att den pågående uppvärmningen inte är orsakade av ändringar i den kosmiska strålning som når jorden. Det finns helt enkelt inte någon sådan långsiktig trend i mätningarna av kosmisk strålning, mer om detta hos The Way Things Break och Real Climate.
Andra röster: Nature, Real Climate, The Way Things Break

Uppdatering: I kommentarerna tipsas om en filmsnutt från CERN. Intressant!

Aftonbladet goes to Hollywood

Läs detta.

Din reaktion var nog denna.

Så låt oss förbigå eländet* i tystnad och istället se på vad forskningen säger om effekterna av en möjlig upprepning av en period liknande Maunder-minimumet på klimatet i framtiden och global uppvärmning. Det har studerats.

"On the effect of a new grand minimum of solar activity on the future climate on Earth" (Feulner och Rahmstorf 2010)
Ingen istid i sikte...
Läs mer om ett eventuellt kommande solminimums effekter på Skeptical Science.

PS mer Hollywood i morgon...

*OBS! Ingen skugga på Peter Wintoft som nog önskar att han sluppit figurera i denna bedrövliga artikel.

Uppdatering: Den ursprungliga källan är resultat presenterade på en vetenskaplig konferens. Forskarna bakom studien har också svarat på talet om istid (längst ner i länken ovan) då det dykt upp i pressen:

In response to news inquiries and stories, Dr. Frank Hill issued a follow-up statement:

"We are NOT predicting a mini-ice age. We are predicting the behavior of the solar cycle. In my opinion, it is a huge leap from that to an abrupt global cooling, since the connections between solar activity and climate are still very poorly understood. My understanding is that current calculations suggest only a 0.3 degree C decrease from a Maunder-like minimum, too small for an ice age. It is unfortunate that the global warming/cooling studies have become so politically polarizing."

Kosmiska strålar, moln och global uppvärmning

Bild från NASA. 

Visst har den tidigare så populära kosmiska strålar-förklaringen till den globala uppvärmningen hamnat lite i skymundan bakom Roy Spencers tankar om naturliga interna variationer det senaste året eller så? Inom förvillosfären är ju det allt annat överskuggande kriteriet för god vetenskap att slutsatsen är att vi riskfritt kan fortsätta släppa ut koldioxid i accelererande takt. Då spelar det ingen större roll om det påstås att globala uppvärmningen inte alls finns, eller att den är orsakad av solen, havsströmmar eller utbyggnad av städer. 

Det kan ändå vara intressant att följa utvecklingen av forskningen om kopplingarna mellan kosmiska strålar och klimat. I en rykande färsk vetenskaplig artikel av Erlykin, Laken (vars tidigare arbete diskuterats här) och Wolfendale jämförs data från satellitmätningar av moln med flödet av kosmisk strålning. Som vanligt i fältet är resultaten spretiga och svåra att förstå, men det finns inget som tyder på en kraftig koppling mellan flödet av kosmiska strålar och total molnighet. Ett svagt men signifikant samband hittas i troposfären. Forskarna lyckas även uppskatta hur stor temperaturökning som ändringar i kosmisk strålning kan ha bidragit med sedan 1950-talet. Enligt artikeln står kosmiska strålar för 0.002 grader av de 0.5 graders uppvärming vi sett sedan dess. Naturligtvis ska även dessa resultat tas med en nypa salt, men förhoppningarna att kosmiska strålar lyckas trolla bort växthusgasernas effekter blir allt mer verklighetsfrånvända.

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.