Mänsklig inverkan på globala kolcykeln

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

∆CO₂ = F − O − B

∆O₂ = −α_FF + α_BB + Z

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

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

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