Klimatsystemet

Havets roll i klimatsystemet

Av Gösta Walin

För nära hundra år sedan framförde Svante Arrhenius tanken att utvinning och förbränning av fossila bränslen skulle leda till stigande halter av koldioxid i atmosfären. Han uppskattade att en fördubblad koldioxidhalt skulle kunna leda till ca 6 grader högre temperatur vid jordytan. Denna uppskattning ligger anmärkningsvärt nära de uppskattningar som i dag diskuteras (dessa har på senare år rört sig nedåt mot 2 à 3°C). Arrhenius kände till koldioxidens förmåga att absorbera och emittera långvågig strålning. Han hade dock inte tillgång till de imponerande räknemaskiner som i dag skänker status och trovärdighet åt uppskattningar rörande framtida klimatförändringar.

Det anmärkningsvärda förhållandet är emellertid att uppskattningar av framtida uppvärmning är lika osäkra nu som då. Det finns många skäl till detta förhållande. Några av de grundläggande problemen som jag skall försöka belysa i detta kapitel sitter i havet. Atmosfärens sammansättning är till väsentliga delar bestämd av processer i havet. Framför allt syrgas och koldioxid omsätts ständigt av kemiska och biokemiska processer i havsvattnet. Såsom exempel kan påpekas att en fördubbling av koldioxidhalten i atmosfären reduceras till 8 procents höjning efter blandning och behandling i havet. Havet tar dock tid på sig, kanske bortåt 1 000 år, för att fullborda denna bearbetning av atmosfären. Alla inblandade mekanismer är inte klarlagda och det är tänkbart att processen kan vara betydligt snabbare.

Atmosfärens undre rand

Havet täcker drygt 70 procent av jordytan. För atmosfären innebär havsytan ett s.k. randvillkor. I detta randvillkor möter vi ett koncentrat av de svårigheter som klimatforskningen kämpar med. Atmosfären påverkas vid havsytan av fördelningar av temperatur, salthalt, isläggning samt flöden av värme, vattenånga m.m. Tillsammans med solens strålning och randvillkoren över kontinenterna bestäms atmosfärens tillstånd huvudsakligen av dessa villkor vid havsytan.

En genväg till en beskrivning av atmosfärens beteende är att använda uppmätta och uppskattade värden för dessa randvillkor vid havsytan. Genom att pröva sig fram med olika fördelningar av temperatur, värmeflöden osv. kan man på detta sätt skapa en modell för atmosfären som i många avseenden efterliknar våra förväntningar. Problemet med detta arbetssätt är att den skapade modellen av atmosfären inte duger till prognoser av framtida förändringar.

Detta beror på att de så betydelsefulla villkoren vid havsytan skapas genom växelverkan mellan hav och atmosfär. Om t.ex. atmosfären förändras leder detta till en förändring i havet och därmed till en förändring av villkoren vid havsytan. Denna s.k. återkoppling är av avgörande betydelse för klimatets utveckling på långa tidsskalor. Även relativt snabba förlopp, sådana som de mycket omskrivna svängningarna i Stilla havsområdet (El Niño) eller den s.k. Nordatlantiska oscillationen (NAO) är uttryck för komplicerade återkopplingar mellan hav och atmosfär.

Värmeflödet mot polerna

Klimatet på jorden bestäms endast till en mindre del av lokala förhållanden. Detta innebär att solens instrålning vid en viss latitud normalt inte balanseras av utgående värmestrålning vid samma latitud. Värme omfördelas av komplicerade strömningsprocesser i hav och atmosfär så att temperaturen blir jämnare fördelad över jordytan. Ungefär hälften av värmetransporten från tropiska och subtropiska områden mot polerna sker i havet genom att varmt ytvatten företrädesvis rör sig mot högre breddgrader. Det finns därför anledning att titta lite närmare på detta ytskikts egenskaper.

Havets övre vattenlager

Huvuddelen av havsbassängerna är fyllda av kallt vatten, temperatur 0-4°C, med en salthalt nära havets medelsalthalt, ca 34,7 promille (innebärande att en kubikmeter havsvatten innehåller 34,7 kg salt). Över denna enorma, nästan homogena vattenmassa flyter ett skikt med avvikande egenskaper – havets övre vattenlager. Det är i detta övre skikt som det väsentliga sker. Här ombesörjs värmetransporter, här sker utbyte av värme och vattenånga med atmosfären, kort sagt: Här produceras, i samarbete med atmosfären, de avgörande villkoren vid havsytan.

Det övre vattenlagret är lättare på grund av högre temperatur (max ca 28°C). På grund av nettoavdunstning är även salthalten högre (max ca 37 promille). Den högre salthalten höjer tätheten, vilket kompenserar en del av temperatureffekten. Temperaturen och salthalten kan sägas konkurrera om kontrollen över ytvattnets täthet. Denna konkurrens ger systemet mycket speciella och svårhanterliga egenskaper som vi skall återkomma till.
Resultatet av temperaturens och salthaltens samlade inverkan är att ytskiktet får en täthet som är några tusendelar lägre än tätheten på det underliggande vattnet. Denna ganska obetydliga täthetsskillnad är, tack vare systemens storlek, tillräcklig för att med gravitationens hjälp dominera dynamiken för ytskiktets rörelser.

Ytskiktets dynamik

Havsvattnets temperatur och täthet förändras kontinuerligt mot större djup och med latituden. Denna fördelning kan tillskrivas ett karaktäristiskt djup (H) och en karaktäristisk täthetsavvikelse (D). Ytskiktet strävar, på grund av sin lägre täthet, ständigt mot att sprida sig över hela havets yta. Det uppstår en “termohalin” cirkulation innebärande att ytskiktsvatten som produceras i varma områden sprider sig mot högre latituder där det lämnar ytskiktet tack vare avkylning. Denna “termohalina cirkulation” ombesörjer havets andel av värmetransporten mot polerna.

Dynamiken för spridning kompliceras avsevärt av jordens rotation. På grund av jordrotationen sker rörelser i ytskiktet främst längs de gränsområden där ytskiktet blir tunnare. Golfströmmen följer en sådan gränszon mellan kallt vatten i nordväst och det varma Sargassohavet. Trots stora komplikationer är dynamiken för rörelser i ytskiktet relativt väl känd Vi vet t.ex. att värmetransporten i havets ytskikt mot högre latituder är i huvudsak proportionell mot kvadraten på storheterna H och D som karaktäriserar ytskiktet. Härav följer att dessa måste beräknas med stor noggrannhet om värmetransporten i havet skall kunna rätt uppskattas. Om vi t.ex. skulle räkna fel så att vi överskattar både H och D med 10 procent leder detta till en överskattning av värmeflödet med ca 50 procent. Dessvärre är beräkningen av ytskiktets struktur, dvs. väsentligen storheterna D och H, förenad med stora svårigheter. För det första är ytskiktets djup, D, beroende av turbulenta blandningsprocesser som fördjupar ytskiktet genom inblandning av djupvatten. Utan sådana landningsprocesser skulle uppvärmningen av ytskiktet sträcka sig ned i havet blott några tiotal meter. Ett så tunt ytskikt skulle vara helt odugligt för värmetransport. Tyvärr är våra kunskaper om dessa blandningsprocesser helt otillräckliga.

Den andra stora svårigheten gäller utbyte genom havsytan som bestämmer ytskiktets temperatur och salthalt. Gängse metoder är baserade på empiriska formler som t.ex. utgår från temperaturskillnaden mellan havsytan och atmosfären på viss höjd. Dessa formler är dels ytterst primitiva, dels behäftade med en besvärande osäkerhet. Slutsatsen av dessa enkla överläggningar är att de kritiska storheterna H och D inte på långa vägar kan beräknas med tillräcklig noggrannhet. I resonemanget har vi så långt undvikit de allvarliga komplikationer som sammanhänger med salthaltsfältet. Vid första påseende kan man frestas anta att salthaltens fördelning skulle ha ringa betydelse eftersom varken avdunstning eller värmeflöde påverkas direkt av salthalten vid havsytan. Detta är dock en förhastad slutsats såsom framgår av följande exempel.

• Salthalten påverkar den termohalina cirkulationen genom påverkan på tätheten. I vissa områden såsom norra Stilla havet är den termohalina cirkulationen till stor del strypt av salthaltens inverkan på täthetsfältet.
• I kalla havsområden bildas havsis endast om det föreligger ett ytnära skikt med något lägre salthalt. Ett sådant skikt medger att ytvattnet kan kylas ned till fryspunkten och bilda is trots att underliggande havsvatten är betydligt varmare. (Häri ligger skillnaden mellan Arktis och Nordiska haven. I den Arktiska bassängen finns ett ytnära skikt med lägre salthalt och därmed också ett kraftigt täcke med perenn is. I de Nordiska haven är havsvattnet nästan homogent ända upp till ytan vilket omöjliggör. isbildning.)

Låt oss därför granska de speciella svårigheter som sammanhänger med beräkning av salthaltens fördelning i havet.

Temperatur versus salthalt – konkurrens med komplikationer

Vi har redan berört den omständigheten att salthalten och temperaturen konkurrerar om kontrollen över havets ytskikt. Om effekten av denna konkurrens inskränkte sig till att salthalten till viss del eliminerar temperaturens inverkan på tätheten vore problemet avsevärt enklare. Den stora utmaningen sammanhänger med bristen på “lokal styrning” av salthalten.
Ytskiktets temperatur bestäms av komplicerade men godartade utbytesprocesser. Dessa har egenskapen att en höjning av temperaturen ger upphov till ökade värmeförluster, vilket begränsar temperaturstegringen. Denna återkoppling ombesörjs av värmeförluster genom värmeledning, avdunstning och utstrålning.

När det gäller ytskiktets salthalt är förhållandet helt annorlunda. Salthaltsfördelningen skapas av avdunstning och nederbörd. Om salthalten skulle bli ovanligt hög i ytskiktet så har detta försumbart liten inverkan på de drivande processerna avdunstning och nederbörd. Ett lokalt överskott av färskvatten måste därför balanseras genom transporter till regioner med underskott. Denna brist på lokalt stabiliserande återkoppling som kännetecknar drivningen av salthaltsfältet innebär en enorm komplikation med långtgående konsekvenser för modelleringen av havet och dess samspel med atmosfären i s.k. klimatmodeller.

En speciellt besvärande slutsats är att havets och därmed klimatets tillstånd inte nödvändigtvis är entydigt – samma yttre omständigheter kan ge upphov till helt olika tillstånd. Detta påpekades första gången av Henry Stommel (1961), stor tänkare och pionjär inom havsvetenskapen, med hjälp av en elegant analogi. I diskussionen nedan om de Nordiska haven skall vi belysa Stommels slutsats.
En annan besvärande konsekvens av dynamiken som kontrollerar salthalten är att systemet kan förväntas innehålla mycket långa tidsskalor. Som exempel kan nämnas att det kan ta synnerligen lång tid, åtskilliga tusen år, att utjämna salthalterna mellan världshavens stora bassänger.

Cirkulationen i Nordiska haven

Havsområdet norr om Island – Nordiska haven – är ett utmärkt exempel på ett område där vi kan studera konkurrensen mellan temperaturen och salthalten som motstridiga drivkrafter för cirkulationen. Alltsedan den senaste istiden, för ca 10 000 år sedan, har området norr om Island dominerats av den nu förhärskande typen av cirkulation. Relativt varmt och salt vatten tränger in mellan Färöarna och Shetland och transporteras vidare norrut längs den norska kusten upp mot Svalbard. Under transporten avkyls vattnet ner till temperaturer nära 0°C. Det sålunda bildade vattnet fylleri huvudsak upp havsbassängen norr om Island innan det tappas av till Nordatlanten. En förutsättning för att cirkulationen skall fungera är att det bildade bassängvattnet är tyngre än det inträngande vattnet. I samband med avkylningen sker en viss utspädning med färskvatten som sänker bassängvattnets täthet. Det är denna effekt som kan skapa problem för den termohalina cirkulationen. Anta att cirkulationen under en längre tid bromsades t.ex. av abnorma vindar. Detta skulle innebära att nederbörden fick längre tid att späda ut det inträngande vattnet och därmed sänka salthalten i bassängen. Anta att detta gick så långt att bassängens vatten inte längre vore tyngre än det vatten från Nordatlanten som försöker tränga in. Cirkulationen skulle då upphöra och måhända inte kunna komma igång. Vi står inför möjligheten att systemet fastnar i ett nytt tillstånd med ett slags omvänd cirkulation. Dylika spektakulära möjligheter är mycket lockande för fysiska oceanografer och modellörer. Det är därför inte förvånande att en uppsjö av vetenskapliga artiklar har producerats i detta ämne under det senaste decenniet. Även paleooceanografiska studier visar att cirkulationen i Nordiska haven har varierat högst väsentligt under t.ex. den senaste istiden och speciellt under istidens avslutning för ca 10 000 år sedan. Mindre lyckat är att dessa i och för sig spännande förhållanden har trängt ut i massmedia och givit underlag för skräckscenarier kopplade till förmodade klimatförändringar i framtiden.

Golfströmmen i ett varmare klimat

I IPCC:s senaste rapport (2007) har följande formulering smugit sig in: “Examples of such non-linear behaviour include rapid circulation changes in the North Atlantic…” Här tycks det som om IPCC inte kunnat motstå frestelsen att ta fasta på de ytterst spekulativa funderingarna kring möjligheten att den förväntade uppvärmningen skulle skapa “istidsklimat” i norra Europa. Tanken är att ett varmare klimat innebär mer nederbörd och därmed mer utspädning av ytvattnet i Nordiska haven. Denna utspädning skulle sedermera hejda Golfströmmen från att tränga in i Nordiska haven och därmed skapa betydligt kallare och ogästvänligare klimat i Norden. Jag vill inte påstå att ett sådant händelseförlopp är omöjligt. Systemet är så komplicerat att man med visst fog kan säga att vad som helst kan inträffa.

Som jag skall försöka visa finns det dock större anledning att tro att cirkulationen i Nordiska haven tvärtom skulle stabiliseras av ett varmare klimat. Strategin bakom nedanstående enkla betraktelse är så här: Anta först att cirkulationen inte drastiskt förändras. Beräkna under denna förutsättning hur drivkraften för den rådande cirkulationen påverkas av ett varmare klimat. Om denna beräkning med rimlig säkerhet visar på en förstärkt drivkraft för cirkulationen är det rimligt att anta att cirkulationen kommer att bestå i det varmare klimatet. Drivkraften bakom inströmningen utgörs av täthetsskillnaden mellan ytvattnet söder om respektive inne i Nordiska haven. Vid beräkning av hur denna täthetsskillnad förändras av det varmare klimatet måste hänsyn tas till såväl förändringar av temperaturer som salthalter. För närvarande håller det inströmmande vattnet en temperatur omkring 8°C och en salthalt runt 35,3 promille, medan bassängvattnet håller ca 0°C och 34,92 promille. Detta skapar en drivande täthetsdifferens av storleken 0,52 promille. Dessa 0,52 promille byggs upp av 0,82 promille från temperaturen och -0,30 promille från salthalten. Vid ett varmare klimat tänker jag mig att temperaturerna höjs en grad till 9 respektive 1°C. Rimligtvis kommer mer nederbörd i ett varmare klimat att innebära att salthaltsskillnaden ökar något, men hur mycket? Vi förväntar oss att en varmare atmosfär innehåller mer vattenånga, närmare bestämt ca 6 procent mer per °C.

Jag antar nu att detta leder till ca 6 procent mer nederbörd, vilket med säkerhet är en överskattning. Om systemets funktion är i huvudsak oförändrad innebär detta att skillnaden i salthalt mellan inströmmande vatten och bassängens vatten också ökar med 6 procent. Med dessa utgångspunkter finner jag att den drivande täthetsskillnaden ökar från 0,52 promille i det nuvarande tillståndet till 0,60 promille. Detta beror på att bidraget från temperaturskillnaden ökar kraftigt från 0,82 promille till 0,92 promille, medan det negativa bidraget från salthaltsskillnaden ändras från -0,30 promille till -0,32 promille. Dessa enkla överslagsberäkningar visar att om inget oförutsett inträffar så kan vi förvänta oss en förstärkning av Golfströmmens inflöde i Nordiska haven. Kan vi då lita på Golfströmmens fortbestånd eller finns det andra hotbilder? Ett intressant bidrag till denna frågeställning har lämnats av Anders Stigebrandt (1995), professor i oceanografi vid Göteborgs universitet. Han hävdar att det dominerande cyklonala vindfältet över Nordiska haven är avgörande. Det är nämligen dessa vindar som skyddar bassängvattnet från inblandning av alltför mycket smältvatten från Arktis m.m. Den cyklonala vinden medför nämligen dels att smältvattnet sopas bort från bassängens inre delar, dels att det drivs ut ur Nordiska haven vid Grönlands sydspets. Det är uppenbarligen av största intresse att klargöra hur vindfältet över Nordiska haven kontrolleras.

Några synpunkter på klimatet och dess modellering

I ovanstående text har jag pekat på några svårigheter:

• De processer som bygger upp havets ytskikt – blandning i havet och utbyte genom havsytan är dåligt kända.
• Salthaltens fördelning i havet kontrolleras på ett sätt som kan ge systemet mycket långa tidsskalor och brist på entydighet.

Dessa problem innebär enligt min uppfattning allvarliga hinder för modellering av klimatet inom överskådlig framtid. För mig är det självklart att vi först måste förstå hur klimatet “fungerar” innan vi ger oss på prognoser för framtida klimat. En första inblick i klimatets funktion skulle erhållas om vi lyckades producera en klimatmodell som är kapabel att uppsöka det nu rådande klimatet. En sådan modell skulle med nödvändighet innehålla processer som ger klimatet dess grundläggande stabilitet. Dessa processer måste vi ha tag på innan vi försöker förutse framtida klimat. I dessa processer ligger klimatets “känslighet” förborgad.
Att skaffa fram en sådan uppsökande modell kräver enormt långa körningar med de fasansfullt komplicerade datormodellerna. Orsaken är bl.a. de långa tidsskalor som salthaltsfördelningen ger upphov till. Denna väg är inte framkomlig med dagens typ av modeller och datorer. Vid konstruktionen av klimatmodeller har man därför tvingats söka sig fram på andra vägar som i huvudsak går ut på att “träffa rätt” direkt. I stället för att bygga en modell som uppsöker dagens klimat försöker man konstruera en modell som frivilligt hänger kvar i dagens klimat. Metoden innebär att man startar räkningarna med hav och atmosfär i dagens tillstånd. Om modellen då inte driver bort från dagens klimat har man “lyckats”. Framtidens “störda klimat” erhålls sedan genom att låta denna modell utvecklas med förändrade förutsättningar. Detta arbetssätt väcker inte mitt förtroende. Det är min övertygelse att man åtminstone måste ha elementär kunskap om såväl modellens som det verkliga klimatets dynamiska egenskaper – och då främst mekaniken bakom den stabilitet som ligger i förmågan att uppsöka dagens klimat. Vi måste annorlunda uttryckt förstå hur jordens klimat kunnat fungera under årmiljonerna utan att spåra ur innan vi ger oss på förutsägelser om framtiden.

Slutord

Jag avslutar med tre teser som sammanfattar min egen syn på “klimatfrågan”:

1. Vi vet faktiskt inte om det kommer att bli varmare på grund av de antropogena utsläppen av växthusgaser.
2. Vi vet heller inte om en eventuell uppvärmning är till skada eller nytta.
3. Vi har i praktiken inga som helst möjligheter att göra något åt saken.

Punkterna 1 och 2 ovan kan belysas av två citat ur en artikel skriven av professor emeritus Bert Bolin (1996):

1. “Den grundläggande tanken är att samma ofullkomligheter i modellerna som finns med vid beräkning av det naturliga klimatet också påverkar beräkningen av en klimatförändring. Skillnaden mellan två sådana beräkningar bör därför ändå ge en ganska god bild av klimatsystemets känslighet…”

Min kommentar:
Dessvärre är det nog så att denna “grundläggande tanke” aldrig visats vara hållbar eftersom modellernas “klimatkänslighet” inte har verifierats mot verkliga klimatförändringar.

2. “Ett varmare klimat medför mer intensiv avdunstning och 4-7 procent mer vattenånga i atmosfären för varje grads temperaturökning. Det blir troligen både ökad torka på en del håll och intensivare nederbörd i andra områden.”

Min kommentar:
Kanske kan man i stället spekulera på följande mer positiva sätt: I ett varmare klimat kan atmosfären bära med sig mer vatten in över kontinenterna. Detta bör innebära att större delar av de kontinentala landmassorna kommer i åtnjutande av livgivande nederbörd. Beträffande möjligheterna att “göra något” finns det stor anledning till oro. Eftersom “klimatfrågan” är så enorm kan vilka vansinnesprojekt som helst segla upp för att “rädda klimatet”. Kärnkraftindustrin kommer säkert att utnyttja situationen för att återigen bli föremål för generös industripolitik – och vad är lite kärnavfall mot en eventuell klimatkatastrof? Kampen om oljetillgångarna kan i framtiden maskeras som korståg med det heliga syftet att lära oljeländerna den rätta klimattron. Ja, nog finns det anledning att oroa sig. Däremot tror jag inte ett ögonblick att exploateringen av fossila bränslen skulle kunna förhindras eller ens påverkas.

Referenser

Bolin, B. (1996), Ur Naturvetenskapliga forskningsrådets årsbok, s. 14 resp. 17.

IPCC (1996), IPCC Second Assessment – Climate Change 1995, punkt 2.12, s. 6. IPCC, Genève.

Stigebrandt, A. (1985), On the hydrography and ice conditions in the northern North Atlantic during different phases of a glaciation cycle. Paleogeograpgy, Paleoclimatology, Paleoecology, 50: 303-321.

Stommel, H. (1961), Thermohaline convection with two stable regimes of flow. Tellus, 13: 224-230.