Kallt badvattnet? – Nya rön om havets hud

När man ska till att bada i havet känns vattnet ofta obehagligt kallt när man kollar temperaturen med stortån. Vad är det som gör att vattnet känns så kallt inför doppet? Kan det bero på att havsvatten har en kall termisk hud?

Nja, knappast, havshuden är mycket tunnare än ett hårstrå, bara cirka 10 mikrometer. Inklusive havets ’underhud’ rör det sig om någon millimeter. Men ofta är det bra kallt även längre ned, som bekant.

Figuren nedan beskriver en principiell temperaturgradient för de första 10 metrarna havsdjup [1]. Dagtid och med lätta vindar, kan en flergradig temperaturskillnad uppmätas ända ner till flera meters djup. Nattetid, eller vid starka vindar som rör om ytskiktet, finns nästan ingen effekt alls. Den termiska havshuden (vit/röd stjärna) är dock alltid lite kallare än havets underhud (gul stjärna. För detaljförklaringar, se Clintel). [1, 2]

Så ja, det är kallt havet.

havshuden

Havsytans termiska hud har stor betydelse för hur utbytet av CO2 sker mellan luft och hav. Redan 1803 formulerade William Henry sin berömda gaslag om hur mycket gas som tas upp av vatten [3]. Han beskrev det på följande vis:

“… water takes up, of gas condensed by one, two, or more additional atmospheres, a quantity which, ordinarily compressed, would be equal to twice, thrice, &c. the volume absorbed under the common pressure of the atmosphere.”

Koncentrationen av CO2 i vatten är alltså proportionell mot CO2:s partialtryck i gasfasen direkt ovanför vattnet. När mängden CO2 ökar i luften, då ökar dess partialtryck mot vattenytan och mer CO2 kommer att gå ner i havets kolsänka. Det är också belagt att havets upptag av CO2 har följt den ökade CO2-halten, och står för en över tid relativt konstant andel av utsläppen (23 procent [4, 7, 10]).

Men Henrys lag gäller bara vid jämvikt, i lugna laboratorieförhållanden. Den har ett begränsat förklaringsvärde för den tidsberoende processen av ökad CO2-halt i atmosfären, eller för mer eller mindre röriga havsytor. Henrys lag är bara en del av en mycket större fysikalisk/kemisk/biologisk process i havet. (Se vidare Bakgrunden nedan.)

I ny forskning har man nu funnit att omsättningen mellan atmosfär och hav av CO2 har underskattats kraftigt [5]. Man har nämligen i tidigare beräkningar av CO2-utbytet inte korrigerat för temperaturgradienten upp till havsytan då mätningar har skett på några meters djup. Man har inte heller korrigerat för havets kalla och salta termiska hud.

Figuren nedan visar hur det korrigerade CO2-flödet ner i haven ser ut. Från gula orginaldata till de korrigerade blåa data är det en mycket stor skillnad. Många år är flödet fördubblat [5, fig 1, PgC = Gton kol]. Även relativt människans utsläpp av fossilt CO2 är skillnaden stor. Våra utsläpp ligger på 9,5 Gt kol per år och den ökade kolsänkan i haven är enligt forskarna cirka 1 Gt kol per år.

watson co2 hav

Den kalla termiska huden påverkar CO2-flödet eftersom halten CO2 i gränsskiktet är en funktion av dels CO2:s löslighet i vattnet, dels dess utgasning till atmosfären från vattnet. Lösligheten i vattnet beror även på havsvattnets kemi och dess buffringsförmåga. Sambanden har varit kända länge [6], men enligt Watson (2020, sid 2) har de i stort sett ”ignorerats”. Inte minst av IPCC, bör tilläggas [7]. Det kan i sammanhanget noteras att Watson och hans kollegor också är medförfattare i The Global Carbon Project (GCP), som dock väljer att inte inkludera deras resultat i sina generella beräkningar, utan rapporterar dem i särskild ordning [8].

Om Watsons (2020) slutsatser håller, innebär det att kol försvinner snabbare ur luften. Samtidigt måste massbalansen i kolcykeln stämma. Om vi antar att alla övriga faktorer är oförändrade, måste en större kolsänka i haven motsvaras av en motsvarande större utgasning. Mer kol har alltså inte försvunnit för gott ner i havet, men däremot har det omsatts snabbare.

Detta leder till en viktig slutsats: uppehållstiden för CO2 i atmosfären kan vara väsentligt lägre än vad både GCP och IPCC hittills har antagit.

Frågan om hur mycket CO2 som tas upp i haven är central för klimatets känslighet för CO2 och därmed även för hur effektiva klimatpolitiska åtgärder som minskar CO2 kommer visa sig vara.

De nya forskningsrönen kan få en stor betydelse för beräkningar av kolcykeln och för hur utsläpp av CO2 påverkar klimatet. Om det stämmer att mycket mer CO2 omsätts i havet än vad man tidigare beräknat, kommer CO2:s relaxationstid att vara kortare än tidigare antaget, vilket är synonymt med att mänskliga koldioxidutsläpp påverkar koldioxidhalten i atmosfären i lägre grad.

Här på Klimatupplysningen diskuteras ofta hur snabbt utsläpp av CO2 klingar av i atmosfären genom att gasen tas upp i kolsänkorna. Det är ’bombkurvan’ (snabbt) kontra ’Bernkurvan’ (långsamt). Någon konsensus verkar inte finnas – vilket återspeglar osäkerheterna i forskningsresultaten.

I en artikel i morgon här på KU behandlas detta ämne vidare. Det har nyligen gjorts en stor revidering av andra storheter i kolcykeln. Revisionerna av kolsänkornas storlek har viktiga implikationer för kolcykeln.

 

Bakgrund: vad händer med CO2 i havet?

De processer som bygger upp havets ytskikt, blandning i havet och utbyte med atmosfären genom havsytan, är delvis dåligt kända. Detta framgår om man studerar IPCC:s senaste rapport, kapitel 5.2.1.3 Ocean Carbon Fluxes and Storage [7].

Beräkningarna i Watson [5] bygger på en ny databas, Surface Ocean Carbon Dioxide Atlas (SOCAT) där man samlat data över halten av CO2 i havens ytskikt. Man har dels mätdata insamlade på några meters djup, dels har man satellitdata som mäter infraröd utstrålning från havsytan, vilken netto emitterar värme till atmosfären [9].

Halten CO2 i havets gränsskikt är en funktion av dels CO2:s utgasning till atmosfären från vattnet, dels gasens löslighet i vattnet. Lösligheten i vattnet beror bland annat på havsvattnets kemi och dess buffringsförmåga.

De CO2-molekyler som klarar av att passera den termiska huden förs vidare neråt i vattnet, där utbytet bestäms av att CO2 är i partiell kemisk jämvikt med olika karbonatföreningar i havsvattnet. Dessa kemiska processer påverkar hur mycket CO2 som kan tas upp av havet. Kolet lagras i dessa karbonater under olika långa perioder, beroende på djupet – från decennier upp till millenier [7]. Haven innehåller cirka 50 gånger mer CO2 än atmosfären och 19 gånger mer än biosfären och är alltså en långsiktigt betydligt större kolsänka.

Koldioxid bildar i kontakt med vatten kolsyra (H2CO3), en mycket svag syra som inte kan koncentreras, eftersom koldioxid avges när vattenhalten blir för låg. De bubblor man ser i kolsyrade drycker består av koldioxid, och endast 0,01 procent av den lösta koldioxiden i en kolsyredryck finns i form av kolsyra/divätekarbonat. Kolsyrans salter kallas karbonater. Havsvattnets relativa halter av CO2 (1%), bikarbonatjon (91%) och karbonatjon (8%) bestämmer tillsammans vattnets pH.

När mer CO2 går ner i vattnet kommer karbonatjoner att förbrukas och pH minska. Mindre karbonatjoner innebär en minskad buffringsförmåga i havsvattnet och i teorin en minskad förmåga att ta upp ytterligare CO2. Det allt mer ökande upptaget av CO2 (figur 1) visar å andra sidan att buffringsförmågan i praktiken är fortsatt stark.

Lösligheten av CO2 är vidare temperaturberoende, och ökar med sjunkande temperatur [2]. Om havsvattentemperaturen ökar så ökar även utgasningen. Ett varmare hav har en negativ effekt på kolsänkan, men det är uppenbarligen inte en dominerande faktor, eftersom kolsänkan i haven hela tiden ökar, enligt entydiga forskningsresultat.

En ytterligare komplicerande och svårfångad faktor är att ytvattnet i vissa områden har mycket alger som drar stora mängder CO2 i sin fotosyntes.

Även vindförhållanden påverkar, så att mer vind skapar kraftigare omrörning och större löslighet.

Det finns också stora regionala skillnader, där delar av haven är så kallade uppvällningsområden, dels utanför Sydamerikas kust, dels i de södra delarna av Södra oceanen. I dessa områden väller CO2-rikt bottenvatten upp och stora mängder CO2 frigörs i luften. Övriga delar av haven är kolsänkor, se figuren från AR6 WG1 figur 5.9a [7].

CO2 haven karta

Referenser

[1] Figur från The Group for High-Resolution Sea Surface Temperature (GHRSST), en internationell grupp för att få fram bättre satellidata för havstemperaturer.
https://www.ghrsst.org/ghrsst-data-services/products/

[2] Sea surface skin temperature, Andy May, Clintel 2020
https://clintel.org/sea-surface-skin-temperature/

[3] Henry, W. (1803). ”Experiments on the quantity of gases absorbed by water, at different temperatures, and under different pressures”. Phil. Trans. R. Soc. Lond. 93: 29–43, https://doi:10.1098/rstl.1803.0004

[4] On the calculation of air-sea fluxes of CO2 in the presence of temperature and salinity gradients, Woolf och 4 medförfattare, JGR Oceans, 2016

[5] Revised estimates of ocean-atmosphere CO2 flux are consistent with ocean carbon inventory, Watson och 7 medförfattare, Nature 2020
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18203-3

[6] Thermal skin effect of the surface ocean and its implications for CO2 uptake, Robertson & Watson, Nature 1992, https://doi.org/10.1038/358738a0

[7] AR6 WG1 avsnitt 5.2-3
För IPCC:s metod att beräkna havssänkan, se avsnitt 5.SM.1-2.

[8] Global Carbon Budget 2021, Friedlingstein och 94 medförfattare, Earth System Science Data 2022, https://doi.org/10.5194/essd-14-1917-2022

[9] Bakker, D. C. E. et al. A multi-decade record of high-quality fCO2 data in version 3 of the Surface Ocean CO2 Atlas (SOCAT). Earth Syst. Sci. Data 8, 383–413 (2016).

[10] Gruber et al., 2019, The oceanic sink for anthropogenic CO 2 from 1994 to 2007. Science, https://doi:10.1126/science.aau5153

Gabriel Oxenstierna

Mina artiklar här på KU

 

Kommentarer

Kommentera längst ner på sidan.

  1. Mats Kälvemark

    Tack Gabriel för en spännande analys om samspelet mellan havet och CO2. Ser fram emot ditt nästa inlägg!

  2. tty

    ”Havsvattnets relativa halter av CO2 (1%), bikarbonatjon (91%) och karbonatjon (8%) bestämmer tillsammans vattnets pH.”

    Detta är en sanning med modifikation. Havets salthalt är också viktig. I princip alla salter som är lösta i havet bildar (svagt) basiska joner.

  3. Stort tack Gabriel, för denna och dina andra artiklar här!
    Mycket och idogt arbete bakom dessa, imponerande!

  4. TorbjörnR

    Gabriel

    Oerhört intressant att följa fortsättningen.
    Min känsla har alltid varit att det är stora osäkerheter i kolcykeln. Dina nya resultat är ju jättespännande!

    Tack.

  5. Tack Gabriel.

    Basiska katjoner, kalcium och magnesium stabiliserar karbonaterna.
    Det framgår av Langeliers index där dessa joner har ett litet men betydande bidrag.
    https://www.lenntech.com/calculators/langelier/index/langelier.htm
    Indexet används främst för att stabilisera vatten för minimal korrosion, främst mot betong men känt är att halten av basiska katjoner bidrar med stabilitet för alkaliniteten och därmed för pH.

    Vätekarbonatet måste liksom ha en katjon också. Trots att kalciumdivätekarbonat inte finns i ren form så ”finns” den i vatten.
    Ungefär som att kolsyra inte finns i ren form men kan påvisas i form av surhet.
    Man kan tycka att katjon som katjon men natrium tillskrivs inget av värde här.

    Dessutom har Kalciumkarbonat negativ löslighet, dvs den ökar med sjunkande temp och ökande tryck. Ledande till att kalk löses upp under visst djup. Skal som regnar ned i djupet över 4500 meter löses upp och ökar CO2 signifikant där.
    Havsströmmar, påverkade ytterst av solen, kan föra upp CO2.
    https://personal.utdallas.edu/~pujana/oceans/calcium.html

    Kalcium och magnesium finns med cirka 400 resp 1300 ppm, eller 400 gram och 1,3 kg per m3 havsvatten. Magnesium är en ”oändlig” metall och kan inte ta slut.

    Efter som andra mer betydande processer pågår i havet än Henrys lag så skrivs denna lag över när det kommer till förmåga att avge och ta upp CO2.

    Havet är ”oändligt” i detta avseende och vi kan icke försura havet med vårt CO2 som en gång tidigare fanns i luften.
    pH åker naturligtvis bergodalbana i ytvattnet beroende av gällande temp.

    Tydlig är historiska kurvan temp/CO2 där CO2 åker slaviskt efter temperaturen 600 miljoner år tillbaka, utom i nutid där CO2 drar iväg lite men inte tempen.
    https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Co2-temperature-records.svg

    Den historiskt sjunkande CO2 halten sista årmiljonerna kan tillskrivas djuphavet och sjunkande temp.
    CO2 sjunker och sedan blir det kallare är INTE fallet.

  6. GoranA

    #2 tty
    ”Detta är en sanning med modifikation. Havets salthalt är också viktig. I princip alla salter som är lösta i havet bildar (svagt) basiska joner.”

    Nog är det så att den vanligaste negativa jonen i havet är kloridjonen (NaCl) är utan basiska egenskaper vid de koncentrationer som råder i havet.
    I annat fall skulle väteklorid bildas som är en stark syra som till ungefär 100% är protolyserad.

  7. L

    Ett stort tack för intressant artikel

  8. L

    Det är mycket märkligt när det är så mycket som pekar på naturliga förändringar i klimatet att man fortfarande tar så konstiga beslut.

  9. Gabriel Oxenstierna

    5 johannes

    Tack för kompletterande information. Det mesta jag läst om minskat pH verkar avse havets ytvatten.

    Om jag minns rätt sjunker pH ganska snabbt med ökande djup, ner till 500 meter eller så. Därefter stabilt neråt.

    När vi pratar om ’havens sjunkande pH’ är det bara ytvattnet man avser? Buffringskapaciteten måste ju avse mer än bara ytvattnet eftersom vi har en rätt snabb blandning i de övre vattenlagren.

  10. Johan Montelius

    Tack, mycket intressant läsning.

    Det lutar åt att världens största fysikaliska experiment, bombkurvan, har sin förklaring.

  11. Gabriel Oxenstierna

    En artikel i Ny teknik tar upp alger/planktons stora upptag av CO2. Detta sägs vara kraftigt underskattat av hittillsvarande forskning.
    ” …den biologiska pumpen. Cykeln drivs främst av fytoplankton. Det är växtplankton eller planktonalger i de övre vattenlagren som använder fotosyntes. …
    Som på land förbrukar deras fotosyntes koldioxid, med syre som biprodukt. Fytoplankton äts av zooplankton som slukas av andra djur, och när organismerna dör så tar de med sig koldioxiden ner till havsbottnen. …Men nu hävdar forskare att vetenskapen har underskattat havens kapacitet.
    Nittio procent av havslivet finns i det övre solbelysta skiktet där fotosyntes kan ske, den eufotiska zonen. Så även fytoplankton.
    Forskarteamet kunde konstatera att dubbelt så mycket kol sjunker till bottnen jämfört med vad man tidigare har trott.”

    https://www.nyteknik.se/miljo/haven-absorberar-dubbelt-sa-mycket-koldioxid-som-vi-trott-6993327

    forskningsartikeln:
    https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1918114117

  12. Gabriel Oxenstierna

    11
    Kanske är resultaten ovan det som förklarar att vi har en så kraftigt ökande havssänka? Vi pratar ju om havsvattnets buffertkapacitet, som i sig påverkas negativt av viss försurning av ytvattnet.
    Men den biologiska pumpen med alger och plankton är uppenbarligen en stark biologisk buffert i systemet.

    Mer CO2 ger allt mer bränsle till den biologiska pumpen och därmed omvandlas den till karbonater som sjunker till havets botten.

    Är inte naturens självreglerande funktioner fantastiska?

  13. TorbjörnR

    #11 och 12 Gabriel

    Fantastiskt med naturen. Det är definitionen på hybris och högmod att vi skulle förstå jordens klimatsystem inkl haven och kunna mäta/räkna fram kolcykelns komponenter med tillräcklig noggrannhet. Lägg därtill att det varierar i tid vilket gör våra 10 Gton utsläpp väl inom felmarginaler.

    Det ända som känns någorlunda säkert är ju att Mauna Loas mätningar visar en stor ökning sedan 1959. Hur det ser ut före 1959 vet vi inte med säkerhet. Iskärnor från Siple och Becks med fleras analyser visar stora skillnader…

  14. Gabriel Oxenstierna

    10 Johan M

    Ja, när det gäller ytvattnet är det nog ingen diskussion om den saken. Även IPCC refererar till bombkurvan i AR6 WG1 kapitel 5. De använder bombkurvan som en restriktion i Bern-modellen.

    Diskussionen Bern vs. Bomb handlar mer om inlagringen av kol i de lägre vattenlagren, som jag uppfattar saken. De långsammare processer som pågår där. Bern-modellen delar upp processerna i atmosfären i sex (?) olika block med olika halveringstider och med därav betingade flöden mellan blocken. Allt detta är å ena sidan komplicerat, å andra sidan en grov förenkling och å tredje sidan förmodligen helt onödigt. Det går att modellera hela processen i en kopplad boxmodell där du mycket väl kan replikera det empiriska förloppet, se referens:
    Little Warming with new Global Carbon Cycle Model, Peter Dietze, http://www.john-daly.com/carbon.htm