Kolcykeln och bombkurvan.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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