Blir klimatet varmare med mer koldioxid?

Att det blivit mer koldioxid i atmosfären de sista hundra åren, att människan ändrar mycket nog för att de skall få påtagliga effekter, och att det blivit varmare de sista hundra åren är fakta. Jag tycker åtgärder för att minska klimatgasutsläppen är väl motiverade. Men framtidsscenariorna för klimatet till 2030, 2050 eller 2100 är ändå belastade med betydande osäkerhet, större än vad de flesta tror. De som tvivlar på prognoserna i högre grad än vad som framgår av rapporternas summeringar jämställs med de som tror att jorden är platt. Man talar om att 97% av forskarna är eniga. Detta visar att problemets komplexitet och osäkerheten i förutsägelserna inte inses.

Jordens klimat varierar i olika tidskalor. I ett istidsperspektiv verkar variationer på 10 grader förekomma, Vi lever i en relativt kort interglacial då temparaturen gått upp till ungefär dagens nivåer och sedan fallit.  Men i ett sekelperspektiv verkar inte  “slumpmässiga” variationerna varit så stora så att den stora temperaturuppgången det sista seklet blivit så stor och den nuvarande globala temperaturen så hög, om inte människan på ett eller annat sätt hjälpt till. Men detta bevisar ju inte att huvudorsaken är just koldioxidökningen, och även om klimatgaser bidragit kanske bidraget överskattas. Det är ett skäl det inte är säkert att temperaturen kommer att stiga så högt som befaras.  Mer orande scenarior finns också. Den långvariga effekten av koldioxid kanske underskattats. Eller det är något annat som driver uppvärmningen så den fortsätter trots att utsläppen reduceras. Det är mycket mycket svårare än man tror eftersom problemet är så komplext och svårt att reda ut och förstå. Jag försöker ge lite synpunkter nedan.

Det har funnits epoker i jordens historia som var varmare, och då det fanns mer koldioxid. Men om den globala temperaturen är högre så blir haven varmare och det minskar havens förmåga att hålla koldioxid, så koldioxid behöver inte vara orsak, det kan lika gärna vara en konsekvens.

Att mer koldioxid inverkar på det framtida klimatet är troligt utgående från koldioxidens egenskaper. Det råder koncensus om att jordens medeltemperatur skulle vara avsevärt lägre idag utan atmosfär med växthusgaser bla koldioxid, det talas om -16 grader. Men sambandet mellan klimatgaser och temperatur är inte linjärt, även om frånvaro av klimatgaser skulle göra det 30 grader kallare så finns det ingen som föreslår att en fördubbling skulle göra klimatet 30 grader varmare.

En enkel modell utgår från svartkroppstrålning som jordytan och atmosfären utbyter. Koldioxid gör att atmosfären blir mer ogenomskinlig för “värmestrålning”.  Men det finns bara snäva absorbtionsband så effekten beror inte linjärt på koncentrationen. Stora delar av koldioxidens effekter är redan nästan mättade och påverkas lite av att det blir mer. Atmosfärens strålning som når jordytan ökar med koldioxid och härrör också från i genomsnitt lägre höjd och blir därmed varmare. Den svenska forskaren Svante Arrhenius gjorde redan 1896 beräkningar som indikerade att 1900 talets temperaturökning har den ökande koldioxidhalten som viktigaste förklaring. Men att det finns en gammal beräkning är ju inte bevis, och atmosfärfysiken har utvecklats.

De effekter som har relevans för klimatpåverkan av koldioxid rör sig om nivån någon eller några W/m2, vilket inte är så stor del i procent.

FN rapporterna är inte lättlästa. Det uttrycker utsläppen som GtCO2e (Gigaton CO2 ekvivalenter). Och detta översätts till temperaturökning, inte procent av koldioxid i atmosfären. Det är oklart vilken “växelkurs” som använts, och om denna växelkurs ändrats över tiden och hur en gång utsläppt koldioxiden antages avtaga med tiden i atmosfären. Kanske står, men det är svårt att förstå. Jag får inte klart för mig hur beroendena ser ut, men det framgår kanske om jag läste noggrannare.

Tidigare klimatmodeller har inte lyckats förutsäga det förflutna på ett bra sätt, jag är osäker om hur bra de nuvarande är.  1980 föreföll det vara lika många som var oroade för en snabbt annalkande istid, som för nära förestående global uppvärmning, och de hade argument.

Kanske det “huvudscenario” som borde beräknas är att utsläppen nu är 50  GtCO2e.  Och går att stabilisera på ungefär denna nivå  GtCO2e.  Och sedan inte överskrids. Eftersom nu uppvärmningen har stannat kunde man nöja sig med det tills uppvärmingen verkar komma igen, då reduktionskravet ökade. Redan detta troligen för låga mål fordrar stora insatser och ytterligare sänkningar i Sverige eftersom rättvisan fordrar att en stor del av världen får en större del av utsläppen.

Den viktigaste “växthusgasen” och viktigast för klimatets utveckling de kommande åren är vatten. I atmosfären finns 3% vatten, men bara 400 ppm koldioxid. Koldioxidens viktigaste effekt är i växelverkan med vatten. Redan samspelet mellan vatten och koldioxid är mycket komplext och det finns utrymme för olika tolkningar och beroende av osäkra antaganden.

Mängden och luftfuktigheten på den vattenånga som återstrålar ökar inte lika snabbt som koldioxiden, vilket är ett skäl att tro att koldioxideffekten överskattas vid framskrivning. Största delen av koldioxiden är löst i haven. Varmt vatten kan lösa mindre koldioxid än kallt så det kan frigöras koldioxid om det blir varmare. I en varmare värld avdunstar mer vatten och bidrar till (förstärker) växthuseffekten. Växthusgaskoncentrationen blir ganska “mättad” av vatten och ytterligare tillskott av koldioxid kanske har ganska begränsad effekt.

Att koldioxiden får så stor effekt i “vanliga” klimatmodeller beror på att man räknar med “återkopplingseffekter” som förstärker effekten av strålningsbalansen, och detta gör resonemangen mindre övertygande än om det var direkta strålningsanalyser.

Moln är mycket viktiga för utstrålningen. Molntäcket kanske strålar ut 100 Watt/kvadratmeter från molnens översida. Den direkta strålningen från marken och havsytan i molnfria områden är mycket större – kanske 300 Watt/kvadratmeter. Molnen absorberar och strålar över hela våglängdsområdet. Detta ska jämföras med den förstärkta växthuseffekt man diskuterar för koldioxiden – kanske 1-2 Watt/kvadratmeter. Notera också molnens dominerande inverkan på graden av återreflektering av solstrålning till världsrymden. Någon eller några procent ändring av molnigheten kan ha lika stor effekt som en fördubbling av koldioxidhalten.

Prognoser för vädret några dagar framåt bygger på modeller som ger mycket osäkra (+-2 grader) prognoser redan för vädret i övermorgon. Detta är en indikation av osäkerheten när man kalkylerar med effekter i lufthavet. Hur mycket säkrare är modellerna för klimatet om hundra år? Eller ens förändringar i koldioxidens bidrag?

I en blogg anges koldioxidens bidrag till atmosfärens växthuseffekt till 9 eller 25%, beroende på hur man räknar. Samma blogg kommer fram till att koldioxidökningen är en väsentlig del av en antropogen klimatändring. Siffrorna 9 eller 25% beror på om man räknar på vad som hände om man tog bort koldioxiden, men lämnade resten, eller tog bort resten och lämnade koldioxiden. Detta belyser hur viktig interaktionen mellan olika komponenter är.

En avgörande fråga är hur mycket en fortsatt ökande koldioxidhalt kan förstärka växthuseffekten. Redan nu tar koldioxid upp en stor del av den totala energin i de våglängdsområden där koldioxid absorberar. Mättnadseffekter gör alltså att inte så mycket mer värme kan upptas. Växthuseffekten fungerar så att värmestrålningen på sin väg ut mot rymden upptas och avges i flera steg i atmosfären av främst vatten i olika former. I atmosfärens nedre del samspelar koldioxid med vatten vid upptaget av värme som där sker över breda våglängdsintervall. Den yttre värmeutstrålningen mot rymden går genom stratosfären där vattenhalten är låg. Då absorberar koldioxid endast i sina smala specifika våglängdsband. Även om huvudbanden är nästan mättade kan sidoband svara för viss ökad absorption. Den globala temperaturhöjningen via koldioxidens växthuseffekt bedöms enligt principer som Beers lag minska logaritmiskt med ökande koldioxidhalt. Detta innebär att en haltökning med 100 ppm från dagens nivå ger mycket lägre temperaturhöjning än den ökning från ca 280 till 380 ppm som hittills antas ha skett.  Fotosyntesens årliga upptag av koldioxid från atmosfären är ca 15 gånger större än de antropogena utsläppen från fossila bränslen. Flödena av koldioxid till och från haven är ca 10 gånger större.

Den är drygt 30 grader varmare än den skulle ha varit utan växthuseffekt. Den globala medeltemperaturen vid jordytan, som i dag uppgår till +14°, skulle utan växthuseffekten ha legat kring -19°.

På egen hand skulle en fördubbling av luftens koldioxidhalt bara kunna värma upp jorden med drygt en grad, men med återkopplingarnas hjälp uppskattas uppvärmningen i själva verket kunna bli omkring 3 grader.

Koldioxiden fånger inte upp all strålning av de våglängder där den absorberar. Det finns våglängder där koldioxiden bara fångar upp en del av värmestrålningen från jordytan och där ett tillskott av ämnet alltså leder till att mer strålning absorberas. Dessutom försvinner värmestrålningen inte för gott ens om koldioxiden fångar upp den helt och hållet. Strålningen sänds ut på nytt och letar sig förr eller senare ut i rymden, men en ökning av koldioxidhalten gör strålningens väg ut i rymden ännu krångligare. Också detta medverkar till att en haltökning faktiskt förstärker växthuseffekten.

En ökning av temperaturen med en grad av någon orsak borde resultera i att mer av klimatgasen vattenånga tillförs atmosfären. Dels blir vatten varmare och kan hålla mindre löst koldioxid. Dels blir luften varmare och kan hålla mer vattenånga innan den kondenseras. Dels ökar avdunstningen. Denna tillförda vattenånga skulle förstärka växthuseffekten kraftigt. En sådan höjning av mängden vattenångan på hög höjd (3-9 km) motsägs av observationer som gör det tveksamt om ökad temperatur verkligen ger ett genomslag i mer vattenånga. En ökning av mängden vattenånga borde åtföljas av högre molnighet som i sin tur borde ha en nedkylande effekt, men detta har inte observerats, snarare verka mer direkt solljus komma ner till jordytan. Dessa två invändningar verkar inte bemötts tillfredställande. Antingen är den grundläggande fysiken och återkopplingsmodellen fel, eller så finns det motverkande oberoende händelser som maskerar effekten. Dessa motverkande effekter kan då antingen vara naturliga eller antropogena. Det kan vara fel att säga att huvudmodellen är fel som en spådom, utan orsaken till att vattenånga och moln inte beter sig som förväntat kan vara något oberoende som inte behöver påverka de framtida effekterna.

In the humid equatorial regions, where there is so much water vapor in the air that the greenhouse effect is very large, adding a small additional amount of CO2 or water vapor has only a small direct impact on downward infrared radiation. However, in the cold, dry polar regions, the effect of a small increase in COor water vapor is much greater. The same is true for the cold, dry upper atmosphere where a small increase in water vapor has a greater influence on the greenhouse effect than the same change in water vapor would have near the surface.

The global temperature change is expected to be proportional to the change in the logarithm of CO2 concentrations.  This is where most such graphs, including all the examples above, fall flat.  They plot CO2 on a linear scale, as though CO2 concentration and temperature ought to be related linearly.  Instead, radiative transfer theory tells us that they ought to be related logarithmically.

Furthermore, mainstream climate science has an estimate for how big an effect a logarithmic CO2 increase ought to have on global temperatures.  Most estimates for equilibrium climate sensitivity are somewhere around 3 C for a doubling of CO2 concentrations, give or take a degree or so.

Jämvikt med oceaner och andra källor tar tid
Enskilda CO2 molekyler har en uppehållstid i atmosfären av storleksordningen ett sekel.  Ökningen av CO2 halten i atmosfären är bara hälften av vad som tillförts antropogent. Den viktigaste faktorn kan vara jämvikt med ytvattnet, Det verkar troligt att en engångsdos av CO2 injicerad i atmosfären har en halveringstid på cirka 50 år eller möjligen 100. Detta borde innebära att koldioxidhalten skulle sjunka till hälften av överskottet mot det förindustriella värdet till 2070 om utsläppen slutade nu.

Vilka krav skall ställas? Jag tycker det verkar rimligt att sätta som krav att i rimliga framtidsscenarior som används till dagens beslut skall det skall  klart förefalla under 50% chans att till 2100 koldioxidhalten växer över 540 (=2*280) samt att den antropogena nettouppvärmingen stiger över 2 grader pga växthusgaser, samt en del andra villkor, som jag inte räknar upp här.

Man måste anpassa sig också till verkliga observationer och pausen i global uppvärmning sedan 1998 bör medföra en modifiering nedåt i framtidsscenariorna om klimatet.

800 ppm klimatgasekvivalenter (tredubbling) skulle knappast ensamt leda till civilisationens  undergång. Men dramatiska förändringar kan ske som ökar chansen för undergång när annat också inträffar (t ex befolkningsökning).

Att läsa:

Här listas några klimatorienterade länkar:

http://uppsalainitiativet.blogspot.com/

http://www.planetseed.com/relatedarticle/temperature-change-history

http://www.klimatupplysningen.se/

http://andaslugnt.blogspot.se/

http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0809/0809.3762.pdf om hur “vetenskapen” utvecklas av intresset för den.
http://www.skepticalscience.com/

http://sv.wikipedia.org/wiki/V%C3%A4xthuseffekten

http://uppsalainitiativet.blogspot.se/2010/04/koldioxid-och-procentsiffror.html

Jag som försöker diskutera är 70 nu, men i den grundläggande universitetsutbildningen var fysik huvudämne och det ingick en halvårskurs i meteorologi. I yrkeslivet har jag haft en viss användning för mina kunskaper i meteorologi. Jag har hela tiden mer eller mindre tagit för givet att koldioxid är en betydelsefull klimatgas. Men eftersom så många tycks förneka den stora betydelsen utgående från fysik så går jag igenom argumenten igen.