Het CO2 probleem in zes eenvoudige stappen
Waarom is het effect van CO2 zo groot? NASA-klimatoloog Gavin A. Schmidt legt het uit in zes "eenvoudige" stappen.
Klimatoloog Gavin A. Schmidt (NASA) schreef in 2007, 15 jaar geleden (!), het bericht "Het CO2-probleem in 6 eenvoudige stappen" op zijn intussen beroemde blog RealClimate. Recent schaafde hij nog wat aan het stuk en is er dus nu een licht bijgewerkte versie. Gavin gaf ons de toestemming het te vertalen en op Zeronaut te plaatsen. Het origineel vind je hier.
(We zijn hem uiteraard zeer dankbaar en hopen dat de vertaling geen afbreuk doet aan de wetenschappelijkheid. Excuses alvast voor de gebrekkige wetenschappelijke notering van chemische formules)
Stap 1: Er is een natuurlijk broeikaseffect.
Het feit dat er een natuurlijk broeikaseffect is (dat de atmosfeer de doorgang van infrarode (IR) straling van het aardoppervlak naar de ruimte beperkt) is gemakkelijk af te leiden uit: i) de gemiddelde temperatuur van het oppervlak (ongeveer 15 ºC) en, ii) de wetenschap dat de planeet normaal gesproken dicht bij stralingsevenwicht is. Dit betekent dat er een opwaartse IR-flux aan het oppervlak is van:
σT⁴
(~398 W/m2 ), terwijl de flux aan de top van de atmosfeer (TOA) ruwweg gelijk is aan de netto geabsorbeerde zonnestraling (~240 W/m2 ). Er moet dus een grote hoeveelheid IR worden geabsorbeerd door de atmosfeer (ongeveer 158 W/m2 ) - een getal dat nul zou zijn bij afwezigheid van broeikasgassen. Merk op dat deze IR-straling soms langegolfstraling (LW) wordt genoemd, ter onderscheiding van de kortegolfstraling (SW) van de zon.
Stap 2: Spoorgassen dragen bij tot het natuurlijke broeikaseffect.
Het feit dat verschillende absorpties bijdraagt aan de infraroodabsorptie van de atmosfeer blijkt duidelijk uit spectra die vanuit de ruimte zijn waargenomen (boven) en die karakteristieke hiaten vertonen die verband houden met waterdamp, CO2 , O3 , wolken, methaan, CFK's enz. De enige vraag is hoeveel energie door elk van hen wordt geblokkeerd. Dit kan niet met de hand worden berekend (het aantal absorptielijnen en de effecten van drukverbreding sluiten dat uit), maar wel met behulp van codes voor stralingsoverdracht. Voor sommige delen van het spectrum kan het IR worden geabsorbeerd door CO2 of door waterdamp of door wolken, maar als we die overlappingen in aanmerking nemen, vinden we dat 50% van het broeikaseffect afkomstig is van waterdamp, 25% van wolken, en ongeveer 20% van CO2 en de rest wordt geabsorbeerd door ozon, aërosolen en andere spoorgassen (Schmidt et al, 2010). Merk op dat de belangrijkste bestanddelen van de atmosfeer (N2 , O2 , en Argon) niet significant absorberen in het IR-golflengtegebied, en dus niet bijdragen aan het broeikaseffect.
Stap 3: Sporen van broeikasgassen zijn sterk toegenomen door menselijke emissies.
De CO2 -concentraties zijn sinds het pre-industriële tijdperk met meer dan 50% gestegen, de methaanconcentratie (CH4 ) is meer dan verdubbeld en neemt nog verder toe, de N2 O-concentratie is met 15% gestegen en ook de troposferische O3 is toegenomen. Nieuwe broeikasgasverbindingen zoals halokoolstoffen (CFK's, HFK's) bestonden niet in de pre-industriële atmosfeer. Al deze toenames dragen bij tot een versterkt broeikaseffect.
De bronnen van deze stijgingen worden gedomineerd door de verbranding van fossiele brandstoffen, stortplaatsen, mijnbouw, olie- en gaswinning, landbouw (vooral methaan uit veeteelt) en industrie.
Stap 4: Stralingsforcering is een nuttige diagnose en kan gemakkelijk worden berekend.
Lessen uit eenvoudige speelgoedmodellen en ervaring met meer geavanceerde GCM's leren dat elke forcering van het TOA-stralingsbudget, ongeacht de bron, een vrij goede voorspeller is van de uiteindelijke verandering van de oppervlaktetemperatuur. Als de zon dus ongeveer 2% sterker zou worden, zou de TOA-stralingsbalans veranderen met 0,0213610,7/4 = 4,8 W/m2 (rekening houdend met albedo en geometrie) (er zou meer energie binnenkomen dan weggaan). Dit bepaalt de stralingsforcering (RF). Een toename van broeikasgasabsorptie of een verandering van het albedo hebben analoge gevolgen voor de TOA-balans (er zou meer energie binnenkomen dan vertrekken). De berekening van de stralingsforcering is echter opnieuw een taak voor de codes voor stralingsoverdracht die rekening houden met atmosferische profielen van temperatuur, waterdamp en aërosolen. Het IPCC AR6-rapport gebruikte de meest recente schattingen van Etminan et al. (2016), die vergelijkbaar maar iets ingewikkelder zijn dan de vereenvoudigde, vaak gebruikte formule voor CO2 : RF = 5,35 ln(CO2 /CO2 _orig) (te zien in tabel 6.2 in IPCC TAR).
Merk op dat de logaritmische vorm voor de CO2 RF voortkomt uit het feit dat sommige bepaalde golflengten al verzadigd zijn en dat de toename van de verstoring afhangt van de 'vleugels' (zie dit bericht voor meer details). Forceringen voor gassen met een lagere concentratie (zoals CFK's) zijn lineair in concentratie. De verschillende veronderstellingen over wolken, hun eigenschappen en de ruimtelijke heterogeniteit betekenen dat de wereldgemiddelde forcering ongeveer 10% onzeker is. Zo is de RF voor een verdubbeling van CO2 waarschijnlijk 3,9±0,5 W/m2 - dezelfde orde van grootte als een toename van de zonneforcering met 2%.
Er hangen een paar kleine weerhaakjes aan het concept stralingsforcering. Er zijn een aantal processen die zeer snel reageren op een verandering van de broeikasgas- of aerosolconcentraties die geen verband houden met veranderingen in de oppervlaktetemperaturen. Het blijkt dat de berekening van deze "effectieve" forcering, nadat deze aanpassingen hebben plaatsgevonden, de ERF meer voorspellend maakt voor de uiteindelijke temperatuurstijging. Eén zo'n proces is de stratosferische aanpassing die plaatsvindt bij CO2 omdat die een belangrijke rol speelt in de stratosferische stralingsbalans, terwijl een ander proces zeer snelle veranderingen in de wolken na een verandering van de aerosol is.
Het andere probleem is dat, afhankelijk van de ruimtelijke verdeling van de forcering, verschillende terugkoppelingen en processen een rol kunnen spelen, waardoor een gelijkwaardige forcering uit twee verschillende bronnen misschien niet dezelfde respons geeft. De factor die dit effect kwantificeert heet de "effectiviteit" van de forcering, die meestal redelijk dicht bijeen ligt, en dus het beeld van de nul-orde niet verandert (Hansen et al, 2005). Dit betekent dat klimaatforceringen eenvoudig kunnen worden opgeteld om het netto-effect te benaderen.
De totale forcering door de in stap 3 genoemde broeikasgassen is momenteel (tot 2019) ongeveer 3,3 W/m2, en de netto forcering (met inbegrip van de verkoelende effecten van aërosolen en natuurlijke veranderingen) is 2,7±0,8 W/m2 sinds het pre-industriële tijdperk (IPCC AR6 hoofdstuk 7). De meeste onzekerheid houdt nog steeds verband met aerosoleffecten. De huidige groei van de forceringen wordt gedomineerd door de toename van CO2, met een toenemende rol voor afname van reflecterende aërosolen (sulfaten, met name in de VS en de EU) en toename van absorberende aërosolen (zoals roet, met name uit India en China en uit de verbranding van biomassa).
Stap 5: De klimaatgevoeligheid bedraagt ongeveer 3°C voor een verdubbeling van de CO2.
De klassieke definitie van klimaatgevoeligheid is de reactie van de wereldgemiddelde temperatuur op een forcering zodra alle "snelle" terugkoppelingen hebben plaatsgevonden (atmosferische temperaturen, wolken, waterdamp, winden, sneeuw, zee-ijs enz.), maar voordat de "trage" terugkoppelingen hebben plaatsgevonden (ijskappen, vegetatie, koolstofcyclus enz.). Aangezien het niet veel uitmaakt welke forcering verandert, kan de gevoeligheid worden beoordeeld vanaf elke specifieke periode in het verleden waarin de veranderingen in forcering bekend zijn en de overeenkomstige verandering van de evenwichtstemperatuur kan worden geschat. Zoals we eerder hebben besproken, is de laatste ijstijd een goed voorbeeld van een grote forcering (~8 W/m2 door ijskappen, broeikasgassen, stof en vegetatie) die een grote temperatuurrespons geeft (~5 tot 6 ºC) en een gevoeligheid van ongeveer 3 ºC impliceert (met aanzienlijke foutbalkjes). Meer formeel kun je deze schatting combineren met andere uit de 20e eeuw, de reactie op vulkanen, het laatste millennium, teledetectie enz. om vrij goede limieten te krijgen voor wat het getal zou moeten zijn. Dit is onlangs gedaan door Sherwood et al. (2020), en zij komen uit op, u raadt het al, 3ºC (en ook een nauwere onzekerheidsgrens van 2,3 tot 4,5ºC).
Omrekening van de raming voor verdubbelde CO2 naar een meer bruikbare factor levert ~0,75 ºC/(W/m2 ) op.
Stap 6: Stralingsforcering x klimaatgevoeligheid is een significant getal.
Volgens de huidige forceringen zou de planeet 2ºC opwarmen (=2,7 W/m2 x 0,75ºC/(W/m2 )) tegen de tijd dat het klimaat een evenwicht bereikt. Omdat de oceanen tijd nodig hebben om op te warmen, zijn we er nog niet (tot dusver hebben we 1,2 ºC ervaren), en dus zit de resterende ~0,8 ºC 'in de pijplijn' als we de concentraties constant houden (gelijk aan een onmiddellijke vermindering van de emissies met ~70%). Extra forceringen in plausibele toekomstscenario's kunnen oplopen tot 5 W/m2 en de extra opwarming (bij evenwicht) kan dus meer dan 3ºC bedragen. Interessant is dat, als de CO2 emissies volledig zouden worden gestaakt, de netto warmteopname en de afnemende stralingsforcering ongeveer in evenwicht zouden zijn, en we niet zouden verwachten dat de temperaturen verder zouden stijgen. Onze maatschappelijke flexibiliteit zal ons dus in staat stellen ergens tussen deze twee uitersten in te belanden.
Deze temperatuursveranderingen lijken misschien kleine getallen, maar op de schaal van een planeet zijn ze van groot belang. We zien de gevolgen van de opwarming tot nu toe al in veranderende statistieken van hittegolven, extreme neerslag en kustoverstromingen. Vergeet niet dat de laatste ijstijd slechts 5 tot 6 ºC koeler was dan de pre-industriële ijstijd - en dat was een enorme verschuiving. We zijn al tussen een vijfde en een kwart van een ijstijdunit opgewarmd, en in het slechtste geval is de opwarming in een paar eeuwen een volledige ijstijdunit, vergeleken met de 10.000 jaar die het vroeger duurde om op te warmen.
Dat is nu al aanzienlijk en zal het nog meer worden totdat de emissies ophouden.
Q.E.D.?
Referenties
- G.A. Schmidt, R.A. Ruedy, R.L. Miller, and A.A. Lacis, "Attribution of the present-day total greenhouse effect", Journal of Geophysical Research, vol. 115, 2010. http://dx.doi.org/10.1029/2010JD014287
- M. Etminan, G. Myhre, E.J. Highwood, and K.P. Shine, "Radiative forcing of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide: A significant revision of the methane radiative forcing", Geophysical Research Letters, vol. 43, 2016. http://dx.doi.org/10.1002/2016GL071930
- J. Hansen, "Efficacy of climate forcings", Journal of Geophysical Research, vol. 110, 2005. http://dx.doi.org/10.1029/2005JD005776
- S.C. Sherwood, M.J. Webb, J.D. Annan, K.C. Armour, P.M. Forster, J.C. Hargreaves, G. Hegerl, S.A. Klein, K.D. Marvel, E.J. Rohling, M. Watanabe, T. Andrews, P. Braconnot, C.S. Bretherton, G.L. Foster, Z. Hausfather, A.S. Heydt, R. Knutti, T. Mauritsen, J.R. Norris, C. Proistosescu, M. Rugenstein, G.A. Schmidt, K.B. Tokarska, and M.D. Zelinka, "An Assessment of Earth's Climate Sensitivity Using Multiple Lines of Evidence", Reviews of Geophysics, vol. 58, 2020. http://dx.doi.org/10.1029/2019RG000678
Het origineel artikel van NASA-klimatoloog Gavin A. Schmidt vind je hier:
Gavin