2000-talets förändringar av atmosfärens koldioxidhalt

Gästinlägg nr 15 av Gösta Pettersson

Fjortondedag Jul fick jag upp ögonen för en spansk biolog som heter Josep Canadell, vars CV man kan läsa här. I CV:n beskriver han sig som en av 2007-års Nobelpristagare, med motiveringen att han var medlem av FN:s klimatpanel (IPCC) när denna år 2007 tilldelades Nobels fredspris. Men då ljuger Canadell, för medlemmarna av IPCC utgörs av FN:s medlemsstater och någon sådan är han inte. Däremot har han i likhet med ”hockeyklubbans” skapare Mann varit en av många politiskt utsedda medförfattare till 2007-års IPCC-rapport och försökt utnyttja detta faktum till att sola sig i Nobelprisens prestigefyllda glans. Det är en flärdfull barnslighet av mindre intresse.

Betydligt intressantare är det vetenskapliga arbete som för några månader sedan publicerades i Nature Communications av Canadell och sex medförfattare (bl. a. ytterligare en IPCC-författare); artikeln kan laddas ner från publikationsförteckningen i Canadells CV. I arbetet påvisas att ökningen av atmosfärens koldioxidhalt har stagnerat i hastighet under 2000-talet jämfört med den ständigt växande ökningstakten 1960–90; Bild 1 är en kondenserad version av artikelns Fig. 1a.

Canadell et al. beskriver detta som en oväntad observation. Så är onekligen fallet i ljuset av IPCC:s bedömning att luftens ökande koldioxidhalt nästan enbart återspeglar antropogena utsläpp av fossil koldioxid. De senare har nämligen fortsatt att öka under 2000-talet. Åtminstone fram till 2014, som tycks utgöra slutåret för de i artikeln redovisade analyserna.

Vidare påpekar Canadell et al. att den del av antropogena utsläpp av fossil koldioxid som stannat kvar i luften (enligt IPCC:s syn) har minskat under 2000-talet, dvs. att naturens förmåga att ta upp de atmosfäriska koldioxidöverskotten har ökat. Det står i bjärt kontrast till Bernmodellens och andra IPCC-stödda kolcykelmodellers förutsägelser att naturens förmåga att ta upp koldioxidöverskott ständigt minskar, eftersom oceanerna enligt modellerna uppvisar mättnadstendenser i sitt koldioxidupptag på grund av ytvattnets karbonatkemi och långsam karbonattransport från ytvattnet till djuphaven.

Canadell et al. försöker förklara dessa oväntade observationer som ett resultat av två samverkande faktorer: För det första har luftens förhöjda koldioxidhalt medfört att biosfären tillvuxit i storlek och därmed konsumerat atmosfärisk koldioxid, något som författarna intuitivt förmodar har lett till en minskning av ökningstakten för koldioxidens lufthalt. För det andra påpekar författarna att temperaturstagnationen under 2000-talet bör har lett till en stagnation av växternas respiration (dvs. deras ”utandning” av koldioxid till atmosfären) med samma intuitivt förmodade påföljd.

Den framlagda förklaringen i sig är reaktionskinetiskt ohållbar och av ringa vetenskapligt intresse. I närvaro av utsläpp av fossil koldioxid med den tidsberoende farten F(t) styrs enligt massverkans lag utbytet av kol mellan atmosfären (kolhalt x) och en enda beaktad annan reservoar (kolhalt y) av differentialekvationen

dx/dt = F(t) + d y   – k x                                                                  Ekv. (1)

där k och d är hastighetskonstanterna för kolutflödet från, respektive kolinflödet till, atmosfären.

För den som känner sig obekväm med differentialekvationer kan jag förtydliga att Ekv. (1) endast ger ett matematiskt hanterbart uttryck för självklarheten att luftkoldioxidhaltens ökningsfart (dx/dt) utgör summan av hastigheterna för de två processer som tillför luften koldioxid (de antropogena utsläppen och kolinflödet från den andra reservoaren), minskat med farten för kolutflödet från luften till den andra reservoaren.

Vad kolutbytet mellan atmosfär och biosfär beträffar är det väl befäst att ökande koldioxidhalter ger tillväxt av biosfären och att detta självfallet åstadkommes genom en konsumption av luftkoldioxid. I Ekv. (1), tillämpad på luft/biosfär-systemet, svarar denna konsumption mot termen k x som uttrycker farten för biosfärens upptag av kol från atmosfären. Konsumtionshastigheten är enligt massverkan lag endast beroende av luftens koldioxidhalt (variabeln x) och därmed totalt oberoende av om tillväxten av biosfären (variabeln y) varit positiv, negativ eller obefintlig. Canadells et al. föreslagna effekt av biosfärens tillväxt på konsumptionsfarten av luftens koldioxid saknar reson eftersom den omöjligen kan föreligga.

Däremot är det fullt möjligt (t.o.m. ofrånkomligt) att biosfärens tillväxt fortlöpande har bidragit till att minska luftkoldioxidens ökningshastighet genom den åtföljande ökningen av biosfärens respiration (termen d y i Ekv. 1). Denna ofrånkomliga effekt rimmar dåligt med Canadells et al. förmodande att 2000-talets trendbrott i ökningshastighet orsakats av att biosfärens respiration stagnerat på grund av stagnerande temperaturer. Författarnas förklaringsförsök är amatörmässigt ur kinetisk aspekt och saknar såväl rim som reson.

Likväl tycker jag att artikeln är synnerligen intressant av ett flertal skäl: Den uppmärksammar en basal kolcykelobservation som är oförenlig med IPCC:s bedömning av orsakerna till att luftens koldioxidhalt ökar. Vidare inser författarna att temperaturen bör ha beaktansvärda effekter på lufthalten av koldioxid, något som IPPC (och IPCC-stödda kolcykel- och klimatmodellerare) funnit för gott att negligera. Slutligen betraktar författarna det som befäst att den globala marknära temperaturen stagnerat under 2000-talet. Detta har IPCC försökt dölja genom politiskt framförhandlade redigeringar av anlitade experters beskrivning av kunskapsläget. Amerikanska regeringsmyndigheter som NASA/GISS har till och med genom upprepade ”korrigeringar” av originaldata försökt förvandla den observerade temperaturstagnationen till en fortlöpande global uppvärmning.

Politiker kan styra vad som står i rapporter från nationella regeringsmyndigheter och internationella politiska organ som IPCC. Canadells et al. artikel är glädjande, eftersom den visar att det även bland klimatologer finns forskare som fokuserar på de observationer som gjorts och inte nödvändigtvis låter sig styras av politiska bedömningar.

Nu kan det vara läge att upplysa om ytterligare en sentida observation som är oförenlig med IPCC:s kolcykelbedömningar. Bild 2 visar den s. k. Keelingkurvans utseende efter 2012, dvs. de senaste fem årens årstidsutjämnade mätvärden för lufthalten av koldioxid så som de uppmätts vid det av C. Keeling upprättade observatoriet på Mauna Loa. Fram till sommaren år 2015 (blå punkter) ökade halten i en konstant eller möjligen svagt minskande takt. Därefter sker en för ögat uppenbar höjning av ökningstakten (röda punkter).

Denna höjning står liksom Canadells et al. ”oväntade observationer” i strid med IPCC:s bedömning att ökningen av luftens koldioxidhalt till helt övervägande del orsakats av antropogena utsläpp av fossil koldioxid. Utsläppens storlek har nämligen enligt (i media starkt uppmärksammad) preliminär statistik förblivit nära nog oförändad de senaste två åren. Och en oförändrad utsläppstakt kan omöjligen bidraga till att höja luftkoldioxidens ökningstakt. Någon annan faktor måste ha svarat för höjningen.

Vilken denna faktor är förefaller uppenbart ur såväl empirisk som teoretisk aspekt. Under perioden 2015–16 uppvisade den så kallade ”Södra Oscillationen” sin varma El Niño-fas, vilken även har en befäst inverkan på den globala havstemperaturen. Koldioxid löser sig sämre i varmt vatten än i kallt. En förhöjd havstemperatur leder därför oundvikligen till termisk utgasning av koldioxid från oceanerna till atmosfären, med påföljd att ökningstakten av luftens koldioxidhalt kan förväntas oscillera i samklang med El Niño-oscillationerna,

Denna kvalitativa förväntan har besannats av direkta observationer. Keeling själv har påpekat att samtliga El Niño-variationer av temperaturen sedan han 1958 påbörjade sina mätningar har lett till en motsvarande variation av luftkoldioxidhaltens ökningstakt. Det är detta som svarar för sicksackfluktuationerna av kurvan i Bild 1. De röda mätpunkterna i Bild 2 konfirmerar att även 2016-års El Niño har avsatt sådana spår, i varje fall för uppvärmningsfasens del.

Vad kvantitativa förväntningar beträffar finns det två faktorer som med säkerhet bidragit till den av Keelingkurvan dokumenterade ökningen av luftens koldioxidhalt: Antropogena utsläpp av fossil koldioxid, samt termisk koldioxidutgasning från hydrosfären på grund av den globala uppvärmningen under 1900-talets senare hälft. En kvantitativ analys av dessa två faktorers betydelse kräver att man minimalt beaktar ett system bestående av atmosfären och hydrosfären.

Ekv. (1) är reaktionskinetiskt fundamental. Den styr även koldioxidutbytet mellan atmosfären och hydrosfären (om andra reservoarers kolutbyte med luften betraktas som jämförelsevis försumbara). Ekvationen beskriver då hur snabbt utbytet sker genom att relatera det till hastighetskonstanten k, vars inverterade värde IPCC definierar som koldioxidens atmosfäriska uppehållstid. Ekvationen kan även ta hänsyn till dokumenterade temperatureffekter på koldioxidens vattenlöslighet, vilka enklast hänförs till hastighetskonstanten d  för utflödet av koldioxid från hydrosfären och till den aktiveringsenergi som enligt Arrheniusekvationen beskriver sagda konstants temperaturberoende.

Sålunda tillämpad utgör Ekv (1) den termiska luft/hav-modell som jag presenterat i flera KU-inlägg (t. ex. år 2013 och år 2014). Inläggen och däri angivna referenser visar att denna minimala modell är fullt tillräcklig för att beskriva och förklara såväl Keelingkurvan som El Niño-fluktuationerna av luftkoldioxidens ökningsfart (sicksackkurvan i Bild 1). Detta på basis av det minimalt erforderliga antalet parametrar (en kinetisk uppehållstid och en termisk aktiveringsenergi), och för värden på dessa parametrar som dessutom även förmår beskriva och förklara det tidsmässiga förloppet av ”bombkurvan” (den kurva som visar hur snabbt det genom atmosfäriska kärnvapentest antropogent framkallade luftöverskottet av isotopmärkt koldioxid eliminerats genom upptag i hydrosfären och biosfären. Och som visar att detta inte tog hundratals eller tusentals år, utan mindre än 40 år).

Enligt den termiska luft/hav-modellen har antropogena utsläpp och termisk utgasning genomsnittligt lämnat ungefär likstora bidrag till ökningen av luftens koldioxidhalt under 1900-talet. Av mina KU-inlägg framgick att det modellberäknade termiska bidraget till och med var något större än utsläppsbidraget under 2000-talets första decennium.

Den senare implikationen av modellen betraktades som oresonabel av flera kommentatorer. De frågade sig (och mig) hur termisk utgasning kan vara en dominerande källa till ökande lufthalter av koldioxid under ett decennium när det inte förelegat någon signifikant ökning av den globala havstemperaturen.

Mitt svar var och är att detta är vad lösningen till Ekv. (1) föreskriver. Enligt den är jämviktsinställningen för koldioxidhalterna i luft och hav tidsberoende och huvudsakligen bestämd av koldioxidens uppehållstid (cirka 14 år enligt min skattning). Därför kan man förvänta sig att det efter en termisk jämviktsstörning tar ungefär 50 år innan man nått det nya jämviktsläget till 90%. Det termiska bidraget till luftens koldioxidhalt under perioden 2000–2010 härrör till största delen från den globala uppvärmningen under föregående två decennier. Effekterna av denna uppvärmning kommer att vara en beaktansvärd faktor ytterligare några decennier framöver (såvitt de inte upphävs av en framtida global avkylning).

Temperaturförändringar åstadkommer alltså på grund av temperaturberoendet av koldioxidens vattenlöslighet en tidsberoende och intuitivt svårskattad förändring av luftens koldioxidhalt. Men de har en omedelbar effekt på den temperaturberoende hastighetskonstantens storlek (d i Ekv. 1) och därmed även på koldioxidhaltens ökningshastighet (dx/dt). En övergång från global uppvärmning till temperaturstillestånd bör därför leda till ett momentant skifte av ökningshastighetens långsiktiga trend.

Då kan vi gå tillbaka till Bild 1 och den av Canadell et al. påvisade förändringen av ökningshastighetens långsiktiga trend från att vara växande 1960–90 till att stagnera under 2000-talet. Observationen är förvisso inkonsistent med IPCC:s kolcykelbedömningar och de IPCC-stödda kolcykelmodellernas spådomar. Men den är helt förväntad enligt den termiska luft/hav-modellen. 2000-talets temperaturstagnation har lett till en omedelbar stagnation av luftkoldioxidens långsiktiga ökningshastighet eftersom termisk utgasning inte längre bidrar till att höja ökningsfarten.

De som letat efter intuitivt lättolkade temperatureffekter på luftens koldioxidutbyte med naturen i övrigt hittar dem i Bild 1. Där återfinns sicksack-kurvan som befäster att ökningshastigheten omedelbart (och kraftigt) svarar på El Niño-variationerna av temperaturen. Och där påvisas att ökningshastihetens långsiktiga trend slutat att vara ökande så snart temperaturen slutat att öka. Vilket även ger belägg för att trenden dessförinnan varit starkt påverkad av den då pågående globala uppvärmningen.

Canadell et al. är värda en eloge för att de har uppmärksammat trendskiftet i Bild 1 och insett att det orsakats av 2000-talets temperaturstagnation. Nyligen (den 23 januari 2017) publicerades ett arbete [Nature Climate Change, doi: 10.1038/nclimate3204; betalvägg] av en annan internationellt sammansatt forskargrupp som resonerat enligt samma linjer som Canadell et al.. Stagnationen av koldioxidens ökningsfart uppmärksammades och hänfördes till att 2000-talets temperaturstagnation minskat växternas respiration. Ett pressreferat beskrev denna slutsats med att ”Växterna har hållit andan” under 2000-talet.

Båda forskningsgrupperna har varit biologiskt orienterade, varför det har legat nära till hands för dem att relatera den observerade temperatureffekten till biosfären. Det är inte helt galet. Ekv. (1) styr koldioxidutbytet mellan atmosfären och varje annan koldioxidsänka i förmodad frånvaro av andra beaktansvärda sänkor. Därför är det i princip möjligt att konstruera en termisk luft/biosfär-modell som har samma förmåga som den termiska luft/hav-modellen att förklara de fundamentala observationer som gjorts rörande luftens kolutbyte med naturen i övrigt.

Men denna förmåga kan endast föreligga om uppvärmning leder till ett ökat nettoutflöde av kol från biosfären till luften, vilket den inte gör. Biosfärens svar på ökad temperatur är ökad tillväxt, vilket innebär ett minskat nettoutflöde av kol till luften. Biosfären kan inte axla den roll som hydrosfären spelar i den termiska luft/hav-modellen.

Snarare är det befogat att betrakta biosfären som en del av hydrosfären vad naturens upptag av atmosfärisk koldioxid beträffar. Marina organismer svarar enligt växtfysiologer för ungefär hälften av biosfärens fotosyntetiska fixering av luftkoldioxid. Denna marina koldioxidfixering har med säkerhet föregåtts av oceanernas upptag av luftkoldioxid.

Vad den resterande hälften beträffar föregås även landvegetationens koldioxidfixering av en överföring av koldioxid från luften till en vattenfas (växtcellernas cytosol). Ingen hittills känd organism förmår fixera gasformig koldioxid. All fixering sker efter det att koldioxiden först har lösts i vatten.

Därför är det inte så konstigt att den minimalt erforderliga termiska luft/hav-modellen är fullt tillräcklig för att tillfredsställande beskriva fundamentala kolcykelobservationer som ”bombkurvan”, Keelingkurvan, Keelingkurvans El Niño-fluktuationer och numera även 2000-talets trendskifte av Keelingkurvans lutning (Bild 1). Naturen rättar sig efter naturlagar och bär sig helt enkelt åt så som vi har anledning att förmoda på basis av vår under 1900-talet befästa kännedom om dessa naturlagar och tillhörande parametervärden.

Vilken uttrycks av den teoretiskt välbefästa Ekv. (1) för en empiriskt välbefäst uppehållstid i storleksordningen 10 år, samt av ett temperaturberoende styrt av den välbefästa Arrheniusekvationen och dokumenterat såväl av sicksackkurvan i Bild 1 som av den enligt Bild 1 påvisade stagnationen av luftkoldioxidens ökningsfart under 2000-talets temperaturstagnation.

IPCC behagar inte erkänna detta. IPCC hävdar i strid med en uppsjö av empiriska resultat att koldioxidens effektiva uppehållstid är i storleksordningen 100 år och anser att temperaturvariationer inte har någon signifikant inverkan på luftens koldioxidhalt. Dessa ställningstaganden har sin förklaring i att IPCC är ett politisk organ bestående av 196 diplomatiska regeringsrepresentanter som värnar om helt andra intressen än att söka sig fram till vetenskapliga sanningar.

Men hav tröst! I vetenskapliga sammanhang kommer sanningen omsider alltid fram. Arbetena som berörts i detta inlägg visar att det åtminstone finns två klimatologiska forskargrupper som förmått vända ryggen åt IPCC:s politiskt färgade bedömningar. Fler kommer att följa efter.

Tillägg av Peter Stilbs: Med Gösta’s godkännande påminner jag här om ett eget inlägg från 2013 – om hur man mäter atmosfäriska koldioxidhalter, och om en hel del märkliga och icke allmänt kända förhållanden och procedurer i detta sammanhang: https://www.klimatupplysningen.se/2013/03/30/den-framtida-koldioxidhalten-ar-redan-obevekligt-modellerad/

0

Peter S

Professor emeritus i Fysikalisk Kemi vid KTH. Klimatdebattör sedan 2003.