Missförstådd kolcykelforskning i bloggosfären

Här kommer en recension av ett blogginlägg av Mats Almgren, se referenslistan nedan. Mats kritiserar de uppfattningar om kolcykeln som ifrågasätter att antropogena utsläpp av koldioxid är den allenarådande orsaken till ökad koldioxidhalt i atmosfären. Jag uppfattar det som att han riktar udden mot Gösta Petterssons enkla boxmodell för kolcykeln vilken säger att cirka hälften av ökningen är naturlig på grund av avgasning från havet. Jag finner att Mats kritik bygger på missförstånd av kolcykelforskningen och att Göstas resultat kvarstår orubbat.

Strategisk kolcykelforskning som avser att svara på de av IPCC lanserade frågeställningarna om hur de antropogena utsläppen påverkar kolcykeln är idag mycket omfattande. IPCC-rapportens kapitel 6 (IPCC, 2013), där denna forskning har huvudrollen, har en litteraturlista som omfattar mer än 30 sidor.

Detta innebär att det krävs omfattande studier för att tränga in i detta område även om man har begränsade ambitioner och endast vill belysa ett delproblem. Jag har studerat denna litteratur under en längre tid men har funnit att den aktuella forskningens omfattning är så stor och så mångskiftande att man även efter många år måste konstatera att mycket av områdets begrepp och teorier återstår att fördjupa sig i.

Man kan försöka att använda sig av IPCC-rapporten men denna är ingen lärobok och kräver förkunskaper och det är lätt att man utan rätta sådana råkar ut för missförstånd. Detsamma blir lätt fallet om man försöker belysa de centrala aspekterna av något viktigt problem inom området, till exempel hur mycket antropogen koldioxid som blir kvar i luften, genom att läsa någon eller några enstaka artiklar. Men det finns faktiskt läroböcker som lämpar sig bra för kemister till exempel Emerson och Hedges (2008) och Sarmiento och Gruber (2006).

Mats Almgren (Almgren, 2013) har, med goda ambitioner, till diskussion tagit upp just denna frågeställning om hur mycket antropogen koldioxid som blir kvar men förfaller ha råkat ut för missförstånd. Detta har lett till att han felaktigt anser sig kunna avfärda de ansträngningar som vissa forskare har gjort, vilka forskare han omnämner som ”skeptiker” inklusive citationstecken.

Är Mats underförstådda kritik av Gösta Pettersons modell giltig?

Det får väl anses underförstått att Mats kritik är riktad mot Gösta Petterssons enkla boxmodell (Pettersson, 2013a), även presenterad här på Klimatupplysningen, som visat sig så väl kunna förklara Keelingkurvan inklusive dennas El Niño-fluktuationer. Denna modell anger att antropogen koldioxid är bara cirka hälften av orsaken till koldioxidhaltens ökning vilket avviker från den vanliga uppfattningen att antropogena utsläpp är nästan den enda orsaken.

Läs mer: Keelingkurvans El Niño-fluktuationer

Läs mer: Koldioxidmodellerna revideras från ruta ett av Gösta Pettersson

I sista meningen i sitt blogginlägg påstår Mats underförstått att Göstas modell inte motsvarar att de antropogena utsläppen av koldioxid är 9,2 PgC/år. I diskussionen tidigare i inlägget av hur man mäter nettoflödet av koldioxid från atmosfär till hav påstår Mats underförstått att Göstas modell inte är förenlig med uppmätta värden på detta flöde.

Motsäger då Göstas modell något av dessa två saker som Mats tar upp i sitt blogginlägg? Nej, Göstas modell motsäger inget av detta.

Liksom alla andra kolcykelmodeller stämmer Göstas modell både med hur koldioxidhalten har ökat i atmosfären enligt Keelingkurvan och hur stora de antropogena utsläppen av koldioxid är, dels från förbränning av fossila bränslen och cementtillverkning, dels från ändrad landanvändning. Hans modell använder de antropogena utsläppen som indata och de anpassningsbara modellparametrarna bestäms med hjälp av Keelingkurvan.

Göstas modell uppfyller vidare, liksom andra kolcykelmodeller, massbalansen för atmosfären som kan skrivas på följande sätt där varje term är i mängd koldioxid per år:

[Antropogen tillförsel] – [Ökad mängd i atmosfären] = [Nettoflöde till havet] + [Nettoflöde till landbiosfären]

Det totala nettoflödet från atmosfären till andra kolreservoarer bestäms uppenbarligen helt av det vänstra ledet i denna ekvation som är kända ingångsdata för modellberäkningarna. Gösta har som en första approximation antagit att nettoflödet till landbiosfären kan försummas jämfört med nettoflödet till havet, vilket även användes som första approximation av Revelle och Süess (1957) och av Bolin och Eriksson (1959).

Tvärtemot vad Mats påstår så stämmer alltså Göstas modell med att den antropogena tillförseln är 9,2 PgC/år (egentligen använder hans modell liksom andra kolcykelmodeller hela kurvan år från år för den antropogena tillförseln enligt databasen CDIAC, se Pettersson (2013a)).

Tvärtemot vad Mats påstår så utgår Göstas modell från att nettoflödet till havet är lika med det nettoflöde som är givet av den antropogena tillförseln minus den ökade mängden i atmosfären.

Vad Göstas modell gör är att den delar upp det givna nettoflödet i sin antropogena komponent och sin naturliga komponent genom avgasning på grund av ökad temperatur. Mats missförstånd grundar sig på att han förbisett att nettoflödet består av dessa två komponenter. Endast genom att veta hur stor den antropogena komponenten av nettoflödet är kan man bedöma hur de antropogena utsläppen har påverkat atmosfären jämfört med den avgasning som beror på ökad temperatur.

Separering av nettoflödet i antropogen och naturlig komponent

Varken vi människor eller naturen kan se skillnad på de koldioxidmolekyler som har naturligt ursprung och de som har antropogent ursprung. Detta innebär att det nettoflöde av koldioxid som man kan mäta upp mellan luft och hav bara talar om hur stor den algebraiska summan av antropogent och naturligt nettoflöde är, inget mera.

Att separera upp nettoflödet i sin antropogena och sin naturliga komponent låter sig endast göras genom att använda indirekta metoder såsom matematisk modellering (Khatiwala med flera, 2013). De modeller som man använder kan vara allt från mycket enkla till avancerade kopplade modeller som modellerar både atmosfärens och oceanens dynamik och allmänna cirkulation kopplad till en kolcykelmodell. Gösta Petterssons modell syftar just till att göra en sådan separering genom att använda en enkel boxmodell. Hans nya sätt att i boxmodellen ta hänsyn till temperaturberoendet leder till resultat där en betydande del av koldioxidökningen i atmosfären beror på avgasning från havet (Pettersson, 2013a).

Enligt IPCCs rapport, figur 6.1 (IPCC,2013), se bilden ovan, består nettoflödet mellan luft och hav av skillnaden mellan antropogent nettoflöde som går ner i havet på 2,3 PgC/år (petagram i form av kol per år, peta är ett SI-prefix som i decimaltal betyder 1 000 000 000 000 000) och en naturlig avgasning från havet som är 0,7 PgC/år. Analogt med Gösta Petttersons resultat blir i stället ett typiskt antropogent flöde ner i havet säg 4,3 PgC/år medan avgasningen från havet blir 2,7 PgC/år, dvs. båda flödena ökar lika mycket jämfört med IPCCs kolcykelfigur. Det totala nettoflödet, det som går att mäta, förändras alltså inte utan är 1,6 PgC/år i båda fallen.

Det finns som sagt ingen egentlig skillnad i nettoflöde mellan IPCCs kolcykelfigur och Göstas modell eftersom nettoflödet mellan luften och andra kolreservoarer bestäms av Keelingkurvan i kombination med kurvan för antropogena utsläpp, vilka kurvor Göstas modell troget följer (eftersom Göstas modell som en första approximation inte tar med inverkan av landbiosfären så blir det lite mer invecklat än jag beskrivit, i IPCCs schema går ju en del av nettoflödet från luften till landbiosfären).

Vad handlar det som Mats diskuterar egentligen om?

Mats ger en något missvisande bild genom att först relativt ingående diskutera hur nettoflödet av koldioxid mellan hav och luft har bestämts enligt Wanninkhofs metod (Wanninkhof med flera, 2013; Wanninkhof, 1992) för att sedan visa tabeller som ger de antropogena flödena. Nettoflödet är som sagt den algebraiska summan av det antropogena och det naturliga nettoflödet. Enligt IPCCs ovan återgivna kolcykelfigur, figur 6.1 (IPCC,2013), är som sagt det så kallat antropogena flödet nedåtriktat och 2,3 PgC/år och det naturliga nettoflödet uppåtriktat, dvs. avgasning från havet, och lika med 0,7 PgC/yr. Det resulterande nettoflödet, som skulle kunna bestämmas med hjälp av den av Mats diskuterade Wanninkhofs metod, är alltså 1,6 PgC/yr nedåtriktat.

För att bestämma de antropogena flöden som vi ser i Mats tabeller så krävs däremot som sagt mycket mera än att bestämma nettoflödet (Khatiwala med flera, 2013). För att skilja mellan naturliga och antropogena flöden krävs en räcka med hypoteser och matematiska beräkningar, från enkla kalkyler till komplicerade matematisk-numeriska modeller. Det finns ett flertal olika ansatser med olika hypoteser och modeller av olika komplexitet för att göra denna separering av flödena. De första observationsbaserade resultaten av fördelningen av antropogen koldioxid i de olika reservoarerna kom först 2004 (Khatiwala med flera, 2013). Detta lukrativa forskningsområde är stort och mycket aktivt och inte helt lätt att tränga in i, inte minst på grund av den stora omfattningen av forskningsinsatsen. Det är absolut inte fråga om någon färdigforskad vetenskap (”settled science”).

Gösta Petterssons enkla modell, som så väl överensstämmer med Keelingkurvan inklusive El Niño-fluktuationerna, är ett enkelt exempel på hur man kan gå till väga för att separera det antropogena och det naturliga flödet. Men varför mäter man egentigen nettoflödena?

Varför vill man mäta nettoflödena?

Anledningen till att man i kolcykelforskningen vill bestämma nettoflödet från luften till havet med exempelvis den metod enligt Wanninkhof som Mats så ingående diskuterar (Wanninkhof med flera, 2013; Wanninkhof, 1992) är att man vill kunna dela upp summan av nettoflödet från atmosfären i sina delar till de olika reservoarerna, vilka domineras av nettoflödet till havet och nettoflödet till landbiosfären.

Mats diskuterar också forskning som redovisas av Manning och Keeling (2006). Även denna forskning har samma syfte, att fördela nettoflödet från atmosfären mellan havet och landbiosfären, men med en annan metod som bygger på mätning av syrgashaltens ändring i atmosfären.

Ingen av dessa två metoder syftar till att mäta hur stor den antropogena komponenten är i dessa nettoflöden. Den antropogena komponenten är bara åtkomlig genom att tolka mätningarna med indirekta metoder såsom med matematiska modeller, vilket Gösta uppenbarligen är väl medveten om men som Mats tycks ha förbisett.

Vad kan Gösta Petterssons modell betyda?

Gösta Pettersson har gått tillbaka till kolcykelforskningens enklaste så kallade boxmodeller från 1950-talet (Revelle och Süess, 1957). Dessa modeller innehöll inget temperaturberoende och kunde därför inte beskriva den naturliga avgasningen från havet som beror på ökad temperatur. Gösta Petterson har infört ett temperaturberoende enligt kemivetenskapens grundläggande principer i boxmodellen. Detta ledde till märkliga resultat, en mycket enkel boxmodell som ändå kan förklara hela Keelingkurvan inklusive dess El Niño-fluktuationer.

Läs mer: Keelingkurvans El Niño-fluktuationer

Läs mer: Koldioxidmodellerna revideras från ruta ett av Gösta Pettersson

Göstas modell utmanar den vanliga uppfattningen att ökningen av koldioxidhalten i luften nästan helt beror på de antropogena utsläppen. Enligt modellen är i stället cirka hälften av ökningen antropogen och hälften beror på naturlig avgasning från havet.

Vad betyder detta?

Givetvis kan man inte se detta resultat som något slutgiltigt eftersom modellen är så förenklad. Men modellen väcker frågan om hur uppfattningen att orsaken till ökningen är nästan helt antropogen har uppkommit.

Mina egna studier av kolcykelforskningen har inte gett mig intrycket att uppfattningen i fråga har en invändningsfri vetenskaplig grund. Till exempel har förespråkare för denna uppfattning påstått att den är en följd av att massbalanserna måste gå ihop men bland annat Göstas modell tar effektivt död på detta argument. Det skapar naturligtvis tvivel när sådana felaktiga argument åberopas i debatten.

Ett annat exempel är att de observationsbaserade metoderna för att bestämma fördelningen av antropogen koldioxid mellan reservoarerna bygger på långtgående antaganden om de biogeokemiska massbalanserna i förindustriell tid (Sarmiento och Gruber, 2006). Hur sådana hypoteser skall kunna verifieras har jag svårt att finna några goda förklaringar av.

Läs mer: Kolcykeln enligt IPCCs rapport AR5

Läs mer: Revellefaktorn, lika viktig som klimatkänsligheten

Varför är denna fråga viktig?

Jag anser att frågan om hur mycket av koldioxidhaltens ökning som är kvarvarande antropogena utsläpp och hur mycket som beror på avgasning genom ökad temperatur är viktig för bedömningen av vilka åtgärder som är lämpliga på grund av klimatförändringarna. Att dra förhastade slutsatser i denna fråga kan leda fel och få oönskade konsekvenser.

Om en stor del av koldioxidhaltens ökning inte går att påverka genom att variera koldioxidutsläppen så har sådana variationer mindre inverkan på klimatförändringarna, speciellt om klimatkänsligheten skulle ha ett lägre värde. Hur det förhåller sig med detta är alltså betydelsefullt för att bedöma hur riskerna med klimatförändringarna skall hanteras på ett effektivt sätt.

Till sist

I debattens hetta är det lätt att sätta mindre smickrande etiketter på sina meningsmotståndare. Men detta kan ju bli lite pinsamt om man har misstagit sig. Man bör kanske undvika sådant och lägga ner mer tid på att studera ämnet i stället.

Om man får skämta lite så är det här inte bara kolet som är ute och cyklar 🙂

Mats har tidigare förtjänstfullt visat på ett räknefel i Göstas arbete med bombkurvan. Men i detta fall har han inte funnit något som rubbar Göstas enkla kolcykelmodell (Pettersson, 2013a).

Denna kolcykelmodell tyder på att koldioxidhaltens kortsiktiga variationer med temperaturen följer samma fysikalisk-kemiska lagar som dess variation med temperaturen på längre sikt. Med hjälp av El Niño-fluktuationerna kan temperaturberoendet i koldioxidavgasningens hastighetsekvation bestämmas och denna hastighetsekvation visar sig sedan förklara koldioxidhaltens temperaturberoende på tidsskalor av decennier upp till sekel. Detta innebär enligt modellen att avgasningen får lika stor betydelse för koldioxidhaltens ökning som de antropogena utsläppen.

Detta mycket anmärkningsvärda resultat kvarstår orubbat av Mats kritik. Det väcker frågor om hur temperaturberoendet representeras i kolcykelmodellerna och hur säkra slutsatserna är om att de antropogena utsläppen är en närmast allenarådande orsak till den ökade koldioxidhalten i atmosfären.

Referenser

Almgren, Mats (2013). Mänsklig inverkan på globala kolcykeln. Uppsalainitiativet 2013-11-12.

Björnbom, Pehr (2013). Koldioxidmodellerna revideras från ruta ett av Gösta Pettersson. Klimatupplysningen 2013-09-20.

Bolin B, Eriksson E (1959). Changes in the carbon dioxide content of the atmosphere and sea due to fossil fuel combustion. In: The Rossby Memorial Volume, New York, 130-142.

Emerson, S., and J. I. Hedges (2008), Chemical Oceanography and the Marine Carbon Cycle. Cambridge Univ. Press, Cambridge, U.K.

IPCC (2013). Chapter 6: Carbon and Other Biogeochemical Cycles – Final Draft Underlying Scientific-Technical Assessment.

Khatiwala med flera (2013). Global ocean storage of anthropogenic carbon. Biogeosciences, 10, 2169–2191.

Manning, A. C. and Keeling, R. F. (2006). Global oceanic and land biota sinks from the Scripps atmospheric oxygen flask sampling network. Tellus B, 95–116.

Pettersson, Gösta (2013a). Temperature effects on the atmospheric carbon dioxide level. Published on Internet.

Pettersson, Gösta (2013b). Keelingkurvans El Niño-fluktuationer. Klimatupplysningen 2013-10-14.

Revelle R, Süess HE (1957). Carbon dioxide exchange between atmosphere and ocean and the question of an increase of atmospheric CO2 during the past decades. Tellus 9:18-27

Sarmiento, J. L., and N. Gruber (2006). Ocean Biogeochemical Dynamics. Princeton Univ. Press, Princeton, New Jersey.

Wanninkhof, R. (1992). Relationship between gas exchange and wind speed over the ocean., J. Geophys. Res. 97, 7373–7381.

Wanninkhof, R. med flera (2013). Global ocean carbon uptake: magnitude, variability and trends. Biogeosciences, 10, 1983–2000.

0