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.

Angående Grönlands is

För ungefär en månad sedan, den 11-15 juli, observerades smältning på 97% av Grönlands inlandsisyta. Något som fick stor uppmärksamhet. Den 24-31 juli inträffade en till smältperiod över 74% av ytan som fick mindre uppmärksamhet. Nedan följer några reflektioner kring detta.

Vad är det som observerats?

Vad som observerats är tillräckligt mycket smältning för att skapa ett lager från smältningen i snön. Se bild och beskrivning här. Normalt är det inte tillräckligt varmt tillräckligt länge i de centrala delarna av inlandsisen för att detta ska inträffa. Det har alltså inget direkt att göra med avsmältningen av inlandsisen. Sedan 30 år kan vi med satelliter observera dessa fenomen. Vid Summit, uppe på centrala isskölden, har iskärnor använts för att studera tidigare smälthändelser senaste 10 000 åren.

Hur ofta inträffar det?

NASAs pressutskick ledde till en del förvirring då det rubricerades med "Unprecedented" (aldrig tidigare observerats/inträffat) samtidigt som texten angav att

"Ice cores from Summit show that melting events of this type occur about once every 150 years on average. With the last one happening in 1889, this event is right on time," says Lora Koenig

Inte blev det bättre av att TT inte noterade "on average" i sin version något som slog igenom i svensk press. NASAs rubrik är uppenbart diskutabel men kanske mer intressant är frågan om hur det förhåller sig med smältningshändelserna genom historien.

Alley och Anandakrishnan fann nedanstående fördelning av smälthändelsena vid Summit (de gröna linjerna visar år med smältlager och den röda kurvan är 100-årsmedel för frekvensen):

Som synes är händelserna inte jämnt fördelade över tiden vare sig periodiskt återkommande eller över de 10 000 åren. De var betydligt vanligare för 6 till 8 tusen år sedan än de varit senaste 4 000 åren. Snittet för hela 10 000 årsperioden mellan två smältlager är 150 år, vilket är det medelvärde som Koenig anger i pressmeddelandet. Ser man till senaste 4 000 åren är snittet närmare en händelse per 250 år.

Andrew Rvekins vid New York Times har en artikel om pressmeddelandet som även innehåller ett klargörande av Koenig. Rekommenderas för den intresserade av debatten kring detta.

Smälthändelserna i ett sammanhang

Det kan vara intressant att sätta smälthändelserna i slutet av juli i ett större sammanhang. Glaciologen och Grönlandsspecialisten Jason Box har på sin blogg (som varmt rekommenderas) gjort just detta och nedanstående bygger till stor del på hans artiklar.

Till skillnad från de i Antarktis når temperaturen på Grönlands inlandsis upp till kring noll under sommaren även i centrala delar. Sommartemperaturen över Grönlandsisen har också stigit på liknande sätt som den globala medeltemperaturen. Denna ökning av medeltemperaturen under smältsäsongen bildar bakgrund till fenomenet.

Anomali för sommartemperaturen från medlet 1951-80

Sommarens sol med tillhörande värme får även isytan att mörkna. I kalla områden i första hand då iskristallerna rundas av och klumpar ihop sig. I varmare då smältning av snön exponerar glaciäris och smuts, stenar mm. (Box et al 2012). Mörkningen av isytan kan mätas med satelliter som mäter Grönlandsisens albedo. Albedot på sommaren har sjunkit tydligt senaste decenniet som synes nedan.

Det är stora mängder energi det är frågan om i ökad absorption. Albedominskningen senaste decenniet motsvarar en ökning av absorberad energi under juni månad med 10²⁰ Joule. Det motsvarar USAs årliga energiförsörjning (9*10¹⁹ J). Under hela sommaren har albedominskningen gett ett extra energitillskott på 1,5*10²⁰ J.

Det sjunkande albedot är en viktig återkoppling som ökar smältning och framför allt värmer snön under. Snön har nu mer värmeinnehåll på hösten vilket inför nästa år gör den lättare att smälta efter vinterns avkylning. I år slogs även rekord i lågt albedo med stor marginal, se diagrammet nedan. (Större snöfall under sommaren syns som toppar på kurvan.)

De direkta orsakerna till smälthändelserna beskriver Box som: 

The negative NAO combined with the ice albedo feedback delivered a 1-2-3-4-5 punch… 1.) the high pressure suppressed cloud formation that could reduce (slightly, its a minor effect) the solar energy reaching the surface; 2.) less cloud development reduces snowfall which can brighten the surface reducing absorbed solar heating; 3.) the “cold content” of the snowpack and ice surface had been reduced from the previous years of warming and in summer the NAO had been negative just like in 2012; 4.) warm south air (and enhanced solar absorption) heated the snowpack  and ice surface to the melting point; and 5.) the heating rounded the jagged snow crystal edges, reducing the snow’s reflectivity, allowing more solar absorption, a process that amplifies melting.

 Frågan är nu: När bildas nästa smältlager vid Summit?

"So very simple, That only a child can do it!"

Nioåriga Linda testar hypotesen att mer koldioxid leder till uppvärmning i sitt "Science project".

Från Skepchick

Rubriken ur Tom Lehrers "New math"

Varför kyls stratosfären och mesosfären, egentligen?

Det sägs och observeras att övre delar av atmosfären är under kylning. På 30 - 80 kilometers höjd (stratosfär/mesosfär, beroende på vem man pratar med) mäts trenden till ca 2 - 3 grader per decennium.

Varför händer detta? Helt säker kan man inte vara men här kommer två troliga förlopp:

Först ett par ordförklaringar: Med begreppen värmestrålning och infraröd strålning/ir-strålning menar jag samma sak. Stratosfären (ca 12 km - ca 60 km) är alltså den del som ligger över troposfären (havsytan - ca 12 km). Den består av i princip samma gaser som troposfären - kväve, syre, växthusgaser - men är glesare, kallare och med högre ozon-halt.

Mänsklig aktivitet kan påverka stratosfären på två sätt:

1. Utarmning av ozon
2. Ökning av växthusgaser i både troposfär och stratosfär.

Ozon-anledningen är lättast att få grepp om så vi börjar med den:

I troposfären sker värmeöverföring i huvudsak genom sk konvektion, och inte genom att solens strålar direkt värmer den. Konvektionens förlopp är att luften värms upp genom kontakt med den uppvärmda marken. Luften närmast markytan expanderar medan den värms, stiger uppåt i turbulent rörelse, och blandas med annan luft.

Ifall luften inte någonstans värmdes upp genom solstrålning, utan endast från jordytan och genom konvektion, skulle temperaturen successivt minska med höjden över marken, vilket stämmer de första 12 kilometrarna, men ungefär på den nivån (och vid ca -55 C temperatur) når man den sk tropopausen, där temperaturen börjar öka igen, pga ett visst solstråle-absorberande skikt lite högre upp: ozonlagret.

Konvektion finns bara där varm luft stiger, vilket den inte gör om temperaturen ovanför är högre än denna varma lufts, så tropopausen fungerar alltså som en sorts barriär mellan troposfären och stratosfären. Pga konvektion är troposfären turbulent och väl blandad. Stratosfären däremot, med sin temperaturökning med höjd, är stabil och uppdelad i lager.

Stratosfärens ozonskikt absorberar alltså solens ultravioletta strålar på deras väg nedåt i jordatmosfären. Genom absorption värms ozon-molekylerna, och därmed stratosfären. Vid ozonutarmning medelst t ex freoner, minskar lagrets förmåga att absorbera strålarna, och de åker istället rakt igenom stratosfären, utan att värma den lika mycket.

Vad gäller växthusgasernas påverkan på stratosfären så är förloppet mer komplicerat.

I troposfären, som är närmast jordytan, hindrar växthusgaserna, genom absorption, värmestrålningens väg uppåt från jordytan.

I den tunna, glesare stratosfären däremot, hjälper växthusgaserna istället till med utstrålningen av värme, mot rymden.

När troposfärens halt av CO₂ och vattenånga ökar, blir denna nivå mer och mer mättad; mindre och mindre ir-strålning kan komma därifrån ut mot stratosfär och senare rymd. Det är från dessa övre lager som atmosfären avger värme till rymden och värme kan endast lämna atmosfären i form av radiation . Andra växthusgaser, som ozon, CFC, finns i mindre mängd, så de absorberar inte lika mycket värmestrålning.

I stratosfären sker värmeledning i huvudsak sker genom konduktion (molekyler som krockar med varandra) och radiation/strålning (utsändning och absorption av infraröd strålning). Mer sällsynt är konvektion, dvs uppvärmning genom att sjok av molekyler transporteras/stiger och diffunderar. Koldioxid- och vattenånge-molekyler kan omvandla den värme de tillskansat sig genom konduktion/krockande, till strålning.

Fast uppe på dessa tunna, glesare nivåer av atmosfären har de utsända värmefotonerna, de som färdas med infraröda våglängder, stor chans att åka ut i rymden direkt, utan ytterligare förhalning, eftersom det inte finns så mycket molekyler i närheten för att absorbera dem.

Ökad koldioxidnivå i atmosfären kyler alltså stratosfären på två sätt:

Dels genom att troposfären mättas mer och mer och ir-strålning inte slipper uppåt mot stratosfären så lätt, och dels för att ökningen av växthusgaser däruppe gör att mer ir-strålning lämnar atmosfären. Vid kylning minskar volymen, enligt allmänna gaslagen, och stratosfären, mesosfären och jonosfären (ca 300 km upp) dras samman; dessa lager "faller" nedåt mot oss.

Några frågor? (-:

/Cecilia


Till ovanstående artikel har jag fått viktiga bidrag i form av synpunkter och länkar, från skribenterna Mia och Anders M.


Källor & fördjupning:
Atmospheric Optics: Tropopause and Lower Stratosphere

Stratospheric Cooling - Dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz

Tango in the Atmosphere: Ozone and Climate Change: Jeannie Allen, NASA Earth Observatory

Why is Earth's Upper Atmosphere Cooling? - Moises Velasques-Manoff

New Scientist: Orbital tracking reveals thinning upper atmosphere

Debatewise: CO₂ and global warming

Tanya Philips - Troposphere and stratosphere meet blogosphere

Photos:
1. NASA: Sunset Over Tropopause, Aug 10, 2003
2. Meteorology for everyone, Dask.org: Stratosphere
3. Arctic Stratospheric Cloud, NASA
4. Wikimedia Commons: Water Vapor in the Stratosphere

Twingly:
SvD: Carlgren svarar på läsarnas frågor, Varmaste decenniet hittills,
Recension: Global nedkylning
DN: Skadlig skandal

Allt beror såklart på Solen!

Utan Solen hade Jorden inte funnits. Utan Solen hade komplext liv inte kunnat uppstå. Utan Solen hade vi inte haft någon vind. Utan Solen som föder växter hade vi förmodligen inte haft något fritt syre att andas. Utan Solen som avdunstar vatten hade det inte funnits någon vattencykel: Inga moln, inget regn, inget väder. Utan Solen skulle allt vatten på jorden vara is. Utan Solen hade vi inte haft något ozonlager, men utan Solen hade vi förmodligen inte behövt något.

Allt detta är självklart, uppenbart.

Det är alltså helt naturligt att fundera över om inte den pågående uppvärmningen av jorden också beror på Solen. Utan Solen hade vi inte haft någon uppvärmning, men det vore också det sista vi borde oroa oss för.

Här har vi alltså en testbar hypotes: Om mängden strålning som träffar Jorden har ökat kan det förklara varför jorden blivit varmare. Om man tror att Solen orsakat den förhöjda uppvärmningen måste man också kunna visa att instrålningen från Solen har ökat. Om instrålningen av solenergi inte har ökat kan alltså solen inte vara ansvarig för den ökande temperaturen på Jorden.

Fig 1. Solfläckar per år (svart) och per månad (rött) sedan 1700.

Solens utstrålning varierar i cykler om 11 år, solfläckscykeln. I likhet med planeterna har även Solen ett klimat och ett väder, drivet av magnetiska strömningar. När Solen utstrålar mer energi tar Jorden emot mer energi och blir varmare. Men om Jorden istället blir bättre på att ta vara på energi den tar emot, blir Jorden också varmare.

Hur ligger det till då? Beror den nu pågående uppvärmningen på att Solen blivit varmare?

Fig 2. Solaktivitet jämfört med uppvärmningstrenden.

Om Jordens nuvarande uppvärmning hade berott på Solen borde båda kurvorna visa en uppåtgående trend. Istället stiger temperaturen, medan solaktiviteten pendlar i sin elvaåriga cykel. Det betyder att Solen inte är ansvarig för dagens uppvärmning. Något annat är ansvarigt.

Den danske fysikern Henrik Svensmark menar att förhöjd solaktivitet skulle minska instrålningen av kosmisk strålning, vilket skulle kunna leda till minskad molnbildning och ett sänkt albedo hos atmosfären, så att temperaturen stiger. Men eftersom solaktiviteten inte förändrats anmärkningsvärt, faller även den hypotesen.

Uppdatering 14 okt:

Eftersom de kosmiska strålarna diskuteras i kommentarerna presenterar vi ett diagram över uppmätt kosmisk strålning från en neutronräknare i Calgary, Kanada. En samling av olika mätningar av kosmiska strålar finns här.

Källor:
BBC: 'No Sun link' to climate change
NASA: Deep solar minimum
Fig 1 credit: SIDC, RWC Belgium, World Data Center for the Sunspot Index, Royal Observatory of Belgium, `1700-2010'.
Fig 2 publicerad med vänligt samtycke från SkepticalScience.

Koldioxidens värmeabsorption demonstrerad

I nedanstående filmklipp från "Earth: The Climate Wars" demonstrerar Ian Stewart med hjälp av IR-kamera den värmeabsorption hos koldioxid som Tyndall upptäckte för 150 år sedan.


Det går att se hela programserien online här

Uppdatering: Ett annat exempel med ett ansikte från en Amerikansk sajt för undervisning.

En jubileumsdag

18 maj
John Tyndall experimenterade med sin egenutvecklade apparat för att mäta värmeabsorption hos gaser. Han fann att luft absorberade värme. Vidare experimenterande gav de mest uppseendeväckande resultat. Luftens vanligaste gaser, syre och kväve, visade sig nästan helt genomskinliga för värme medan mer komplexa molekyler absorberade betydligt mer. Kolgas, en blandning av kolmonoxid, metan och andra kolväten visade sig absorbera strålningsvärme nästan lika bra som trä. Vidare experiment visade att koldioxid och vattenånga var speciellt bra på att absorbera strålningsvärme och att dessa gaser stod för största delen av atmosfärens värmeabsorption.

Året var 1859, samma år som Charles Darwin publicerade "Om arternas uppkomst" och revolutionerade biologin och vår förståelse för världen. En knapp månad senare presenterade Tyndall sina experiment och resultat vid Royal Institution:

"To the eye, the gas within the tube might be as invisible as the air itself, while to the radiant heat it behaved like a cloud which it was almost impossible to penetrate. Thus, the bold and beautiful speculation has been made an experimental fact. The radiant heat of the sun does certainly pass through the atmosphere to the Earth with greater facility than the radiant heat of the Earth can escape into space."

Så för 150 år sedan idag lades alltså den experimentella grunden för förståelsen av växthuseffekten och de väsentliga slutsatserna drogs. Under 1900-talets första hälft kunde atomfysiker förklara fysiken bakom fenomenet och atmosfärsfysiker följa effekten i atmosfären.

Läs mer om Tyndall och hans experiment här
En bra introduktion till växthuseffektens fysik: Markku Rummukainens "Växthuseffekten"
Historien bakom upptäckten av global uppvärmning: Spenser Wearts "The Discovery of Global Warming"

Satureringar, logaritmer och verkligheten

Två påståenden om koldioxid och dess absorption som florerar på nätet och framförs av skeptiker och förnekare av global uppvärmning tänkte jag diskutera nedan.

"Koldioxidabsorptionen är saturerad redan vid nivåer som är under de förindustriella. Ökningen av koldioxid i atmosfären har därför ingen effekt."
Påståendet, som ofta hänförs till den amerikanske kemisten Martin Hertzberg¹, är alltså att när väl all strålning i absorptionsområdet redan absorberats av koldioxiden så gör mer koldioxid ingen skillnad. Samt att denna nivå redan uppnåtts.
Att påståendet är felaktigt kan enkelt visas genom att studera spektrat för Jordens värmestrålning som mätts av satelliter och konstatera att strålning lämnar Jorden även i det område där koldioxid absorberar.

Den svarta kurvan visar strålningen från Jorden om den vore jämnt fördelad utan absorptionslinjer i atmosfären

Tanken bakom resonemanget är att koldioxiden fungerar som färg på en glasskiva. De första lagrena minskar genomskinligheten men ganska snart är färgtjockleken så stor att extra lager inte gör någon nytta. Men detta är inte hur absorption i atmosfären fungerar.
En mer korrekt bild är denna: En molekyl nära marken som absorberar strålningen kan antingen återutsända den i en slumpmässig riktning eller så kan den föra över energin till molekyler runt om och där med värma luften. Så en del av strålningen återkommer som strålning ner mot Jordytan. En del värmer luften och en del fortsätter uppåt. Ju högre upp i atmosfären (egentligen troposfären som är intressant här) desto tunnare och kallare blir den. Temperaturen sjunker med strax under en grad per 100 m i snitt. Tillräckligt högt upp kan värmen stråla ut i rymden från en uttunnade gasen. Men den strålar då ut från kallare områden än Jordytan och där med mindre energi. Ju mer växthusgaser som tillförs desto högre upp till kallare luft flyttas området varifrån det mesta av strålningen lämnar atmosfären vilket minskar utstrålningen. Men det måste råda balans mellan uppvärmningen från Solen och utstrålningen så temperaturen vid Jordytan och i nedre delen av atmosfären ökar tills balansen återställts.² Så idén om saturering bygger på en grundläggande missuppfattning om hur atmosfären fungerar.
Men kanske det mest uppenbara problemet för idén finns till höger. Planeten på bilden är Venus. En planet vars yta har en temperatur på kring 470 grader och vars atmosfär består till 98% av koldioxid och med ett tryck på 90 ggr Jordens vid ytan.

"Temperaturen ökar logaritmisk med koldioxidhalten alltså är det inget allvarligt problem."
Till skillnad från ovanstående påstående så är här första satsen med modifikation godtagbar. Slutsatsen är dock felaktig.
Koldioxidens växthuspåverkan, mätt i W/m², är approximativt logaritmisk. Bakgrundet till det är en fråga om atomfysik och koldioxidens fördelning i atmosfären.³ IPCC anger ett antal approximationer för påverkan av koldioxid. Den enklaste är:

ΔF=5,35ln(C/C₀) där C₀ är den förindustriella nivån på ca 290 ppm.

Denna logaritmiska förändring är alltså både väl känd och just en approximation. Seriösa beräkningar liksom dagens klimatmodeller använder sig av betydligt exaktare modelleringar av den bakomliggande fysiken. (Man kan även notera att skillnaden mellan denna logaritmiska funktion och en linjär approximation av påverkan från dagens koldioxidnivå till 600 ppm, något som tar drygt 100 år att uppnå med dagens takt, är 18%. Märkbar skillnad men knappast något som får problemet att försvinna.)
Problemet är när man drar slutsatser från denna approximation av koldioxidens påverkan om temperaturhöjningen. Det går inte att isolera denna från återkopplingar som tex ökningen av mängden vattenånga i atmosfären med ökad temperatur. Det är också så att Jorden redan idag har en obalans i strålningen på 0.85±0.15 W/m². Vilket betyder att Jorden även om koldioxidnivån slutar öka kommer att värmas ytterligare innan den är i balans igen. Allt detta , och mycket mer, är dock med i de analyser som klimatforskarna gör och i de modeller de arbetar med.
De som använder logaritmfunktionen i sin argumentation har alltså godkänt den grundläggande kopplingen mellan koldioxidnivån och växthuseffekten men de väljer bort andra delar av klimatvetenskapen och dess resultat. De tycks föredra en förenklad och ofullständig bild framför en mer realistisk då den ofullständiga ger resultat som närmare stämmer med deras önskningar.

1) Denna tanke kan ha sin grund i mätningar som gjordes för över hundra år sedan av Ångström med den tidens spektroskopiska utrustning och kunskap om atomen. För att inte tala om Venus atmosfär. (Se mer om historiken här)
2) En bra (bättre) beskrivning på svenska av fenomenet finns i Klimathusets Klimatskola
3) För en ingående beskrivning av koldioxidens absorption rekommenderas denna sida.

Hur vet vi att senaste tidens koldioxidökning beror på mänsklig aktivitet

Texten i detta inlägg är en översättning från RealClimate och ingår i deras FAQ.

Under senaste 150 åren har koncentrationen av koldioxid (CO₂) stigit från 280 till 380 ppm. Faktumet att detta nästan helt är orsakat av mänskliga aktiviteter är så väl belagt så att man sällan ser det ifrågasatt. Ändå är det helt relevant att fråga hur vi vet detta.

Ett sätt vi vet att ansvaret för CO₂-ökningen faller på mänskliga aktiviteter är att helt enkelt titta på historisk dokumentation av dessa aktiviteter. Sedan den industriella revolutionen har vi bränt fossila bränslen samt avverkat och bränt skogar i ett aldrig tidigare skådat tempo, dessa processer har omvandlat organisk kol till CO₂. Noggrann bokföring av mängden fossilt bränsle som har utvunnits och bränts och hur mycket avskogning som skett visar att vi har producerat betydligt mer CO₂ än vad som nu finns kvar i atmosfären. De ca 500 miljarder ton kol vi producerat är tillräckligt för att höja atmosfärens koncentration av CO₂ till nära 500 ppm. Dessa koncentrationer har inte nåtts på grund av att haven och jordytans biosfär har möjlighet att absorbera en del av den CO₂ vi producerar*. Men det är faktumet att vi producerar CO₂ snabbare än vad haven och biosfären kan ansorbera som förklarar den observerade ökningen.

(Skalan till höger visar årliga utsläppen av CO₂)

Ett annat helt oberoende sätt att veta att bränningen av fossila bränslen och avskogning är orsakerna bakom ökningen av CO₂ under senaste 150 åren är genom mätningarna av kolisotoper. Isotoper är helt enkelt olika atomer med samma kemiska egenskaper (isotop betyder "samma typ") men med olika massor. Kol består av tre olika isotoper, ¹⁴C, ¹³C och ¹²C. ¹²C är den vanligaste. ¹³C utgör ca 1% av alla kolatomer. ¹⁴C är bara ungefär 1 av tusen miljarder kolatomer.

CO₂ producerad från bränning av fossila bränslen och skogsbränning har helt annan isotopsammansättning än CO₂ i atmosfären. Detta då växter har en förkärlek för de lättare isotoperna (¹²C vs. ¹³C); alltså har de lägre ¹³C/¹²C-kvot. Då fossila bränslen ursprungligen kommer från förhistoriska växter har växter och fossila bränslen ungefär samma ¹³C/¹²C-kvot - ungefär 2% lägre än den i atmosfären. Då CO₂ från dessa källor släpps ut och blandas med atmosfären minskar medelkvoten av ¹³C/¹²C i atmosfären.
Isotopgeokemister har utvecklat tidsserier över variationen av i ¹⁴C och ¹³C koncentrationerna i atmosfäriskt CO₂. En metod som används är att mäta ¹³C/¹²C i trädens årsringar och använda detta för att dra slutsatsen för kvoten hos atomsfärens CO₂. Detta fungerar då träd tar upp kol ur atmosfären under fotosyntesen och använder det som organiskt material i ringarna, vilket ger oss en ögonblicksbild av atmosfärens sammansättning vid tidpunkten. Om atmosfärens förhållande mellan ¹³C/¹²C ökar eller minskar så händer samma med ¹³C/¹²C i årsringarna. Det är inte samma sak som att årsringarna har samma isotopiska sammansättning som atmosfären - som påpekats ovan, växter föredrar de lätta isotoperna, men så länge som föredragandet inte förändras mycket så följer årsringarna atmosfärens förändring.

Sekvenser av årsringar sträcker sig tusentals år tillbaka i tiden och har nu blivit analyserade med avseende på ¹³C/¹²C-kvoten. Då åldern för varje ring är känd exakt** kan vi göra en graf över atmosfärens ¹³C/¹²C-kvot över tiden. Vad man finner är att aldrig under de senaste tiotusen åren har ¹³C/¹²C-kvoten varit så låg som i idag. Vidare så börjar kvoten minska dramatiskt just när CO₂ börjar öka runt 1850 AD. Detta är exakt vad vi förväntar oss om ökningen av CO₂ beror på förbränning av fossila bränslen. Vidare, vi kan följa absorptionen av koldioxid i haven genom att mäta ¹³C/¹²C-kvoten i oceanernas ytvatten. Även om denna data inte är lika komplett som de från trädens årsringar (vi har endast gjort dessa mätningar under några årtionden) så observerar vi som förväntat en sänkning av ¹³C/¹²C-kvoten. Mätningar av ¹³C/¹²C på koraller och svampdjur - vars kalciumkarbonatskal återspeglar havets kemi på samma sätt som årsringarna atmosfärens - visar att denna minskning började ungefär samtidigt som i atmosfären, alltså, när mänsklig CO₂-produktion började ta ordentlig fart.

Från SCOPE 29

Förutom data från årsringar finns det även mätningar av ¹³C/¹²C-kvoter för CO₂ fångat i iskärnor. Både årsrings- och iskärnedata visar att den totala förändringen i atmosfärens ¹³C/¹²C sedan 185+ är ungefär 0,15%. Detta kan låta som väldigt lite men är i själva verket mycket stort jämfört med den naturliga variationen. Resultaten visar att hela förändringen under övergången från senaste istiden till dagens klimat för ¹³C/¹²C i atmosfären - en förändring som tog många tusen år - var ungefär 0,03%, eller ungefär en femtedel av vad som har observerats de senaste 150 åren.

Referenser för den som vill veta mer
Real Climate, How much of the recent CO2 increase is due to human activities?
Stuiver, M., Burk, R. L. and Quay, P. D. 1984. ¹²C/¹³C ratios and the transfer of biospheric carbon to the atmosphere. J. Geophys. Res. 89, 1731–1748.
Francey, R.J., Allison, C.E., Etheridge, D.M., Trudinger, C.M., Enting, I.G., Leuenberger, M., Langenfelds, R.L., Michel, E., Steele, L.P., 1999. A 1000-year high precision record of ¹³C in atmospheric CO₂. Tellus 51B, 170–193.
Quay, P.D., B. Tilbrook, C.S. Wong. Oceanic uptake of fossil fuel CO₂: carbon-13 evidence. Science 256 (1992), 74-79

Noter
* Hur mycket de kan förväntas absorbera i framtiden är en intressant och viktig vetenskaplig fråga, diskuterad mer detaljerat i kapitel 3 av IPCC-rapporten. Klart är dock att vår förmåga att producera CO₂ snabbare än hav och biosfär kan absorbera är den grundläggande orsaken till ökningen som vi observerat sedan förindustriell tid.
** Detta vetenskapsområde kallas dendrokronologi

Klimatkänslighet och vattenånga

Hur stor är den ökning av global medeltemperatur som kan förväntas om koldioxidkoncentrationen fördubblas jämfört med förindustriell nivå? Det här är en central fråga inom både forskningen och den populära debatten om klimatförändringarna. Om man antar att det bara är temperaturen som ändras medan alla andra faktorer (atmosfärens sammansättning, jordytans reflektion mm., mm.) blir temperaturändringen ungefär en grad. Inte så himla farligt, kan man kanske tycka, även fast en sådan modest temperaturökning kan ha reella återverkningar.

I verkligheten påverkas förstås hela klimatsystemet av en temperaturhöjning. Dessa effekter kan i sig ha klimatpåverkan. Till exempel, om havsis smälter och ersätts av vatten kommer absorptionen av solljus att öka, helt enkelt därför att vatten är mörkare än is. Sådana återkopplingar kan antingen förstärka eller dämpa temperaturökningen. Pga. återkopplingarna förväntas en temperaturökning på ungefär 3 grader istället (IPCC).

En av de viktigaste återkopplingarna är vattenånga, som står för uppskattningsvis 60% av den "naturliga" växthuseffekten. När det blir varmare, kan mängden vattenånga i atmosfären öka vilket förstärker växthuseffekten. Den relativa luftfuktigheten håller sig hyfsat konstant, och den absoluta luftfuktigheten ökar. Så lyder den rådande teorin.

Vissa sk. klimatskeptiker tycks anse att data från Aqua-satelliten motbevisar teorin, men jag har aldrig sett data eller några referenser till vetenskapliga artiklar. (Om någon läsare vet något jag missat får ni gärna kommentera.) Deras argument verkar vara att absoluta luftfuktigheten inte ökat på sedan 2002, då Aqua sköts upp. Som ni säkert vet är sex år alldeles för lite för att dra slusatser om långsiktiga trender, så det argumentet faller platt till marken.

I en ny artikel i Geophysical Research Letters använder Dessler et al. fluktuationer i data från Aqua tillsammans med temperaturdata för att empiriskt bestämma hur stor återkopplingen från vattenångan är. Slutsatsen i artikeln är att vattenånga verkligen utgör en positiv återkoppling i klimatsystemet.