Atmosfärens koldioxidhalt

För att ge perspektiv på den numera mycket uppmärksammade koldioxidhalten i atmosfären är det angeläget beakta det totala globala kolflödet och inte endast det s k antropogena inslaget. Figuren nedan har hämtats från en IPCC-rapport, som i sin tur stöder sig på data och uppskattningar från Hadley institutet. Siffrorna är ungefärliga, och delvis så osäkra att det är förvånande att vissa av dem har en decimal. Flera av siffervärdena kommer troligen att modifieras. Den som är intresserad kan lätt jämföra med ett något äldre diagram i Nationalencyklopedin, som illustrerar artikeln “Kolcykeln”, skriven av Bert Bolin.

Figur 1  Global Carbon cycle diagram presented by the Hadley Institute, East Anglia, UK for IPCC.

Siffrorna i diagrammet avser mängden ekvivalent kol i Gton (10⁹ ton). I vissa andra källor anges mängden för koldioxid, vilket gör att siffervärdena blir 3.7 gånger större. Siffrorna i rektanglarna är mängden i motsvarande depot, siffrorna vid pilarna är flöden mellan depoter uttryckta i Gton/år.

I det övre högra hörnet framgår det antropogena bidraget som ett flöde till atmosfären, i första hand från fossilbränsleeldning, men även cementtillverkning ger ett märkbart bidrag. Idag är värdet snarare ca 7.5 Gton/år. Det är detta värde och dess tillväxt som ofta framhålles i klimatdebatten. Förvisso har detta mänskliga bidrag till kolcykeln vuxit dramatiskt sedan industrialiseringen sedan 1800-talet. Värdet med figur 1 är - trots de ovannämnda osäkerheterna - att den tydligt visar att människans bidrag fortfarande är  mindre än 10% av den totala omsättningen. Enligt diagrammet ovan förbrukar fotosyntesen 101.5 Gton/år, växternas respiration återför 50 Gton/år. Flödet mellan atmosfär och hav är ca 90 Gton/år. I Wikipedia sägs t ex att “over 95% of the total CO₂ emissions would occur even if humans were not present on Earth.”

I media, och även i många vetenskapliga publikationer, hävdas det som en självklarhet att det är just människans tillskott som orsakat ökningen av CO₂ i atmosfären från ett förmodat konstant, förindustriellt värde på 285 ppm till dagen 385 ppm. Det har sagts att balansen mellan kolisotoperna i den nuvarande atmosfären visar att detta är fallet. Man stödde sig därvid på jämförelser med luftprover i polarisarna, vilka dock är behäftade med så stora osäkerheter att argumentet inte längre har någon avgörande tyngd. Studierna av koldioxiden i borrkärnor från polaris diskuteras nedan.

Ett huvudtema för detta bidrag till diskussionen är att ifrågasätta denna påstådda orsak till att koldioxidhalten ökat sedan 1800-talet. Det finns i själva verket starka indikationer på att atmosfärens koldioxidhalt till största delen styrs av de mångdubbelt större naturliga flödena och variationer i dessa. Det är egentligen förvånande att denna tanke, som är naturlig mot bakgrund av ovanstående diagram, i den nuvarande debattsituationen väcker uppståndelse.

En första invändning mot den gängse förklaringen är just storleksförhållandena i diagrammet ovan.  De mångdubbelt större naturliga flödena är kopplade och beroende av temperatur och koldioxidhalt i respektive depot. Om koldioxidhalten i luften ökar, förbrukar fotosyntesen mer därav. Om temperaturen i havet sjunker kan mer koldioxid lösas i havsvattnet osv.

Nära besläktat med detta är det ofta upprepade påståendet om hur långlivad koldioxiden är i atmosfären. Från IPCC-håll brukar man anföra livslängder på 100 år. Genom att i diagrammet ovan dividera atmosfärens totala kolinnehåll, 775 Gton, med de totala flödena från atmosfären till andra depoter fås livslängden 3-7 år för den individuella koldioxidmolekylen. IPCC’s mångdubbelt större värde avser avklingningstiden för att koldioxidhalten skall återgå till de ovannämnda 285 ppm om det antropogena bidraget upphör. I dessa beräkningar försummas växelverkan mellan de naturliga källorna, och avklingningen blir endast en omvändning av den ökning som skett från 1800- till 2000-talet. En ökning som förutsatts bero på industrialismen. Begreppet “missing sink”, dvs att koldioxidhalten i mätningarna inte ökar i takt med den antropogena tillförseln och de famösa modellberäkningarna, visar att det finns allvarliga problem med IPCC’s modeller. Man har tvingats konstatera att endast ca halva tillförseln “stannar” i atmosfären. En färsk illustration av detta problem med IPCC:s beräkningar för de senaste sju åren ges i figur 2.

Figur 2 Jämförelse mellan IPCC:s prognoser för atmosfärens koldioxidhalt (ljusblå sektor) och uppmätta medelvärden (mörk- och ljusblå linje). Citerat från C. Monckton.  

Det är uppenbart IPCC:s modeller grovt underskattar det naturliga systemets förmåga att förbruka/binda koldioxiden - “the missing sink” - och denna felkälla kommer också att leda till en överskattning av den avklingningstid som åtgår för att halten skall sjunka om den antropogena tillförseln avbrytes. Om jämförelsen i figur 2 görs för en längre tidperiod ökar gapet mellan prognos och mätvärden mycket snabbt. Detta beror på att beräkningarna ger en exponentiell tillväxt, under det att mätningarna indikerar en linjär ökning. Detta visar att modellerna är principiellt felaktiga, och att de inte kan rättas till genom justering av något enstaka parametervärde.

Frågan är därför om förändringen av atmosfärens koldioxidhalt från år 1880 till år 2000 på ca 100 ppm kan ha skett av naturliga orsaker. Dygnsvariationer uppgående till enstaka ppm registreras på Mauna Loa och det ifrågasätts inte att detta beror på växlingen mellan fotosyntes och respiration. Årstidväxlingar på 10-tals ppm förklaras också av fotosyntesen, men då ingår i förklaringen att södra halvklotet har en mycket större andel havsyta, varför skillnaden mellan sommar och vinter betyder mindre där än på norra halvklotet. Man brukar inte heller från IPCC-håll bestrida att CO₂-halten i ett geologiskt perspektiv har varit högre än f n. Under såväl Kambrium som Trias var atmosfärens CO₂-halt 20 ggr högre än dagens. Under större delen av de senaste 500 årmillionerna har jordatmosfärens CO₂-halt varit mycket hög jämfört med 2000-talet. Av någon anledning anses detta vara irrelevant, när man nu vill påvisa människans inverkan på klimatet.

Den “förindustriella” koldioxidhalten 285 ppm, är däremot mycket fast rotad i IPCC-pedagogiken, och spelar en avgörande roll för påståendet att industrialismen är orsak till klimatutvecklingen. Detta värde härstammar från undersökningar av Callendar och Keeling under 30- till 50-talen. De ansåg båda att variationer på en 10-100-årig tidsskala var orimliga, trots att det observerats i andra indirekta mätningar. IPCC har valt att använda sig av CO₂-halten i luftbubblor i vissa isborrkärnor för tiden före 1950, och sedan övergå till direkta luftmätningar från bl a Mauna Loa på Hawaii efter 1950. På detta vis har man kommit fram till en kurva som nästan fått karaktären av logotyp för IPCC.

Figur 3  Atmosfäriska halter av växthusgaserna kolioxid, metan och dikväveoxid som funktion av tiden enl IPCC AR4. Notera att skalor och enheter på y-axeln är olika för de olika gaserna.

En svaghet med isborrhåldata är, att den luft som inneslutits i isen är betydligt yngre än den omgivande isen. Den täta isinneslutningen skapas gradvis när den porösa snön packas samman av det yttre trycket. För t ex Siple-borrhålet valdes inneslutningstid till 83 år,  eftersom detta gav en samman­hängande kurva för de båda metoderna. Detta skifte av tidsskala är betänkligt av två skäl. För det första är det osannolikt att det skall vara samma inneslutningstid under hela tidsperioden. Hur mycket det snöat under vintrarna och packats under somrarna har stor betydelse. För det andra innebär den långsamma instängningen av luften, att luftinnehållet bytts ut under dessa 83 år. Det går därför inte att registrera variationer i koldioxidhalt som sker snabbare än på ca 50 år. Vissa forskare hävdar att upplösningen kan vara så dålig som 1 000 år. 

Förutom denna osäkerhet om tidsaxelns värden, så bör man också notera den tungt vägande kritik som publicerats av forskare som Z. Jaworowski och T. Segalstad mot bestämningen av koldioxidhalten i dessa “lagrade” luftprover. Man har bl a påtalat att koldioxid, i högre grad än andra gaser i luften, löser sig i den vattenfilm som finns på luftbubblans yta. Därigenom sker förluster av den instängda koldioxiden. De långt senare uppmätta koldioxid­halterna kommer därför att vara systematiskt för låga.  Förekomsten av tryckberoende sprickor i isen och oljeföroreningar är andra svårkorrigerade felkällor.

Under en kort period före 1985 rapporterades högre värden från borrhål i glaciärisar, men dessa citeras numera inte i IPCC-rapporter. I figur 4 citeras ett diagram från ett arbete av Neftel m fl. Detta visar den uppmätta CO₂-halten som funktion av djupet kring 1616 m i ett borrhål på södra Grönland.

Figur 4 Uppmätta CO2-halter i Dye 3 borrkärna från södra Grönland. De olika punkt­symbolerna avser mätserier som gjorts vid olika tidpunkter på ett 50 cm prov från ett djup på 1616 m. Citerat från Neftel et al.

Man noterar i detta diagram att praktiskt taget samtliga uppmätta halter är högre än 300 ppm och att högsta värdet är > 700 ppm. I ljuset av dessa resultat förlorar dagens 385 ppm sin ödesdigra karaktär. Än mer dramatiskt är måhända att författarna anger åldern för dessa gasbubblors instängning till ca 8 000 år. I sanning “förindustriellt”, men samtidigt inte så avlägset att det kan avfärdas som härrörande från en annan värld. Det bör nämnas att dessa data har ifrågasatts med hänvisning till att man just på Grönland har noterat att isen ibland är förorenad med “sand” av karbonater, se Indermühle m fl.

Mot denna bakgrund finns det goda skäl att kritiskt jämföra resultaten från hålen i isborrkärnorna med andra mätningar, som inte uppmärksammats i diskussionen. E Beck har i en omfattande granskning gått igenom tusentals direkta, kemiska mätningar som gjorts sedan början av 1800-talet. Dessa kemiska mätningar var inte lika exakta som dagens mätningar, men osäkerheten var mindre än 3%. Beck har tagit hänsyn till om luftproverna tagits nära städer, industrier eller om vinden blåst från land eller hav. Efter denna granskning och kompilering har Beck erhållit en dramatiskt annorlunda bild än IPCC-kurvan. Hans värden ligger genomgående klart högre än IPCC-kurvan i Fig 3, och framför allt svänger de ca +50 ppm på en tidsskala omfattande några decennier.  Becks sammanställning visar tydliga CO₂-maxima kring 400 ppm-nivån åren 1820, 1860 och 1940. Dessa resultat har kritiserats mer eller mindre sakligt på web-sajter som RealClimate. Det vanligaste argumentet är att de flöden som krävs för dessa svängningar inte är möjliga, respektive att så stora kolsänkor inte finns. Med tanke på att IPCC-kurvan ovan visar en stigning från 300 till 385 ppm på ca hundra år, och att man hävdar att den drivits av det blygsamma antropogena bidraget, så är detta föga övertygande.

IPCC-data har erhållits med moderna mätmetoder, men på lagrade luftprover, för vilka integriteten i lagringsförhållanden kan ifrågasättas. Becks sammanställning är ett urval gjort från ett stort antal bestämningar med våtkemiska metoder på “färsk” luft, vars noggrannhet angivits till + 3%. Man kan i detta fall ifrågasätta om luftproverna, som hämtats i markhöjd, har varit kontaminerade med föroreningar från industrier eller städer. Beck har beaktat denna möjlighet och i görligaste mån eliminerat dessa felkällor. Ett viktigt påpekande är att Beck erhållit variationer på en tidsskala som Callendar och  Keeling a priori uteslöt, och som i den senare tidens klimatstudier blivit aktuell som typisk för temperaturcykler orsakade av variationer i mönstren av havsströmmar.

Ytterligare mätresultat som tyder på större naturliga variationer i koldioxidhalten än i figur 3 ovan, kan hämtas från en nyare typ av proxybestämningar. Den baserar sig på att man lyckats bestämma det negativa sambandet mellan förekomsten av klyvöppningar (”stomata”) på ett antal växter och luftens koldioxidhalt. Att ett sådant samband föreligger är lätt att förstå, ty genom klyvöppningarna “andas” växten in koldi­oxid för fotosyntesen. Ju mera koldioxid - desto färre klyvöppningar behövs. Genom klyvöppningarna förlorar växten vatten. Högre CO₂-halt gör därför inte bara att plantan växer mer, utan den också klarar torka bättre. T. B. van Hoof et al har diskuterat skillnader  mellan de koldioxidhalter som fås genom analys av klyvöppningar i fossila växtrester och lagrad luft i isborrhål. De variationer han erhåller är mindre än i Becks sammanställning, men klart större än IPCC-kurvorna i Fig 3.

Ytterligare stomataresultat har rapporterats från en forskningsgrupp i Utrecht under ledning av Kouwenberg. Utrechtgruppens originalkurva har visserligen felgränser inom vilka IPCC-kurvan nära nog hamnar. Det är likväl slående att Becks och Kouwenbergs kurvor visar en stark tidsvariation, på just den decennieskala, som Callendar och Keeling uteslöt. Det skulle givetvis varit än mer övertygande om de båda varierande kurvorna haft samman­fallande maxima och minima. Förklaringen till att detta inte är fallet kan vara att de mätningar Beck studerat gjordes i Europa, under det att Kouwenbergs växtsediment insamlats i nordvästra USA.

Detta inringar en principiell svårighet med både direkta och proxy- mätningar av atmosfärens koldioxidhalt. Hur man kan övertyga sig om att mätningen verkligen representerar ett globalt medelvärde? Mauna Loa-mätningarna har s a s certifierats i detta avseende, men svårigheten är uppenbar så snart historiska data skall analyseras. För den som studerar litteraturen utan tidigare bindningar är det emellertid slående att frågan i huvudsak ställs till dem som erhållit resultat som skiljer sig från de gängse. Man misstänkliggör inte värden från de arktiska isborrningarna för att vara “regionala” - utom i det ovannämnda fallet i Fig 4 med karbonatsanden på södra Grönland.

Avslutningsvis, ett aktuellt arbete av Tom Quirk ger direkt information ifråga om det antropogena bidraget till koldioxiden i atmosfären. Han har studerat mönstret för hur koldioxidhalten ökar i atmosfären, med utgångspunkt från att man vet att det antropogena bidraget till stor del härstammar från norra halvklotet:  75 % norr om +30^o latitud. Detta innebär att koldioxidhalten i atmosfären på norra halvklotet borde öka en viss tid innan den ökar på det södra. Fördröjningen borde vara ungefär 6 månader. Överraskande nog finner Quirk inte någon sådan fördröjning i tillgängliga data. Han har även undersökt isotopfördelningen i syfte att spåra det fossila ursprunget. Han slutsats är att “…fossil fuel derived CO₂ is almost totally absorbed locally in the year it is emitted. This implies that natural variability of the climate is the prime cause of increasing CO₂ ….”

Sammanfattningsvis kan sägas att

• jordatmosfärens koldioxidhalt har tidigare varit mångdubbelt högre än dagens 385 ppm

• det finns goda skäl att ifrågasätta den gängse IPCC-kurva för atmosfärens koldioxidhalt under 1800- talet. Detta gäller både dess nära konstanta förlopp och dess värde.

• det är inte klarlagt att CO₂-haltens ökning i atmosfärens under perioden 1880-2008, i huvudsak berott på det antropogena bidraget.

Referenser

E. G. Beck “180 Years of Atmospheric CO₂ Gas Analysis by Chemical Methods”

Energy & Environment 18:2, 259 (2007).

G. S. Callendar “The Artificial Production of Carbon Dioxide and its Influence on Temperature” Quart. J. Roy. Met. Soc. 64, 223 (1938).

T. B. van Hoof, F. Wagner-Cremer, W. M Kürschner, H. Visscher “A role for atmospheric CO₂ in preindustrial climate forcing” PNAS, 105:41, 15815 (2008) http://www.pnas.org/content/105/41/15815.full

A. Indermühle, B. Stauffer, T. F. Stocker “Early Holocene Atmospheric CO₂ Concentrations” Science 286 (5446):1815 (1999) http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/286/5446/1815a

Z. Jaworowski, T.V. Segelstad, N. Ono “Do glaciers tell the true atmospheric CO2 story?”

Sc. Total Environment 114, 227 (1992).

W. Karlén “Recent Changes in the Climate: Natural or Forced by Human Activity?”

Ambio Special report 14, 483-488 (2008).

L. Kouwenberg, R. Wagner, W. Kürschner, H. Visscher “Atmospheric CO2 fluctuations during the last millenium reconstructed by stomatal frequency analysis of Tsuga heterophylla needles” Geology 33:1, 33 (2005).

C. Monckton “On the central question of Climate Sensitivity” SPPI Report May 17th (2009) www.scienceandpublicpolicy.org

A. Neftel, H. Oeschger, J. Schwander, B. Stauffer “Carbon Dioxide Concentration in Bubbles of Natural Cold Ice” J. Phys. Chem.  87, 4116 (1983).

T. Quirk “Sources and Sinks of Carbon Dioxide” Energy and Environment, 20, 103 (2009).

http://www.multi-science.co.uk/ee.htm

Kommentarer

Kommentarer:

Lämna ett svar

Namn:

E-postadress:
(Din e-postadress kommer inte att synas för allmänheten.)

Fyll i bokstäverna och siffrorna som visas i bilden.