De zon was er eerder…

Iedereen spreekt over CO2 als een broeikasgas dat de Aarde te veel zou doen opwarmen. Er wordt ook veel gesproken over en soms behoorlijk getwijfeld aan de juistheid van modellen.

Er kwam in december 2017 een artikel vrij in Nature dat onderzocht heeft in hoeverre een antropogene bijdrage aan de atmosfeer (broeikasgassen, sulfaten en roet) verantwoordelijk zijn voor de globale opwarming. In plaats van de geijkte globale klimaatmodellen te gebruiken, maakten de onderzoekers simulaties met neurale netwerken (NN). Deze zijn gebaseerd op het idee dat we hebben van biologische neurale netwerken in de zin dat de input door het netwerk stroomt, daarbij het netwerk een verandering doet ondergaan en vervolgens met output komt. Het netwerk is gebaseerd op een geheel aan verbonden eenheden of knooppunten die artificiële neuronen genoemd worden die de neuronen in het biologische brein nabootsen. Net als de synapsen in een biologisch brein, kan elke connectie een signaal doorgeven van de ene kunstmatige neuron naar de andere. Een kunstmatig neuron dat een signaal ontvangt kan het verwerken en vervolgens het signaal doorgeven aan andere artificiële neuronen waaraan hij gekoppeld is.

De globale klimaatmodellen stammen van een moedermodel af en lijken daardoor erg veel op elkaar; hun resultaten ten opzichte van elkaar kunnen daarom niet robuust genoemd worden.

Met behulp van de NN hebben de onderzoekers laten zien dat radiative forcing van de broeikasgassen grofweg dezelfde resultaten opleveren als de klimaatmodellen hetgeen de antropogene opwarming bevestigt, tenminste voor wat betreft de periode van 1975 tot nu. Het moet wel opgemerkt worden dat broeikasgassen als waterdamp niet expliciet genoemd worden. Dit laatste broeikasgas is altijd in meer of mindere hoeveelheid aanwezig en als gevolg van opwarming kan waterdamp toenemen.

Ze voerden runs uit met behoud van de antropogene input op de waarde van het jaar 1850 plus de werkelijke gegevens van radiative forcing van de zon en de vulkanen. Slechts rond 1884 en 1992 waren er lichte pieken van vulkanische activiteit. De temperatuurtoename tussen 1910 en 1975 is volgens de auteurs voor een groot deel toe te wijzen aan de elfjarige zonnecyclus. Dit resultaat wordt in het abstract genoemd, maar wordt verder niet uitgewerkt.

Figuur 1. Reconstructie van de globale Temperatuur door NN modellen. Zwarte lijn =geobserveerde T, rode lijnen =resultaten van ensemble runs, blauwe lijnen = ensemble gemiddelde. (a) Met reële waarden van Antropogene Radiatieve Forcing (RFANTH), Radiatieve Forcing van de zon (RFSOLAR) en Radiatieve Forcing van vulkanen (RFVOL) als inputs. (b) Attributie runs wanneer RFANTH vaststaat op de waarde uit 1850. Creative Commons License 4.0. Fig. 1 from Pasini et al. 2017

 

Het is een veelgestelde vraag: neemt CO2 toe als gevolg van temperatuurstijging of is het nu juist andersom? Je zou uit deze gegevens kunnen concluderen dat er een lichte temperatuurstijging geweest is door de zon (1910-1975) en dat als gevolg daarvan CO2 en andere broeikasgassen zijn vrijgekomen uit de oceanen en de steppes. Deze broeikasgassen zorgen vervolgens voor een verdere toename van de temperatuur. De auteurs spreken eigenlijk uitsluitend over broeikasgassen; welke ze daarmee bedoelen is niet duidelijk.

Het lijkt er dus op dat de temperatuurstijging die we zien van 1850 tot op het heden zowel aan de zon als aan broeikasgassen is te wijten, waarbij de zon vooral een rol speelde tussen 1910 en 1975 en de broeikasgassen voornamelijk van 1975 tot heden.

 

Pasini A., Racca P, Amendola S, Cartocci G, Cassardo C Attribution of recent temperature behaviour reassessed by a neural-network method. Nature Scientific Reports 7; article number 17681 (2017) https://doi.org/10.1038/s41598-017-18011-8

 

Het paleoklimaat tegenover de toekomst

Op dit blog zijn al een tijdje geen posts meer verschenen. Dat heeft veel te maken met een verandering in persoonlijke interesses. De lange pauze heeft er voor gezorgd dat het klimaatdebat mij steeds meer is gaan interesseren. Ik was, zoals de meeste mensen, overtuigd van het klimaatprobleem en dat we daar met zijn allen iets aan zouden moeten doen. Na “Spiegelzee” van Salomon Kroonenberg te hebben gelezen, en na de uitzending van Lubach over duurzame energie te hebben gezien, is mijn mening verschoven. Ik heb het debat een beetje gevolgd en wel van beide kanten.

Omdat er nu een recente review op Nature Geosciences is verschenen met een intrigerende grafiek en interessante resultaten wil ik een figuur daaruit belichten. Deze geeft aan de hand van proxies het verloop weer van CO2 en temperatuur gedurende het paleoklimaat en gedurende recentere perioden tot de huidige industriële fase.

In het kort de strekking van het artikel. De auteurs zeggen dat de klimaatmodellen de gevolgen van opwarming op relatief korte termijn onderschatten. Veel modellen bevatten geen “slow feedback”-processen zoals die aanwezig zijn in de “real world” en die relevant zijn voor de opwarming van de Aarde, zoals langetermijnveranderingen in ijskappen, in zeeniveau, in vegetatie of biochemische feedbacks die de hoeveelheid andere broeikasgassen dan CO2 in de atmosfeer kunnen doen toenemen of doen afnemen.

Daarbij komt nog dat het begrip van atmosferische processen onder warmere randvoorwaarden, zoals die gepaard gaan met wolkenfysica en aerosols, gelimiteerd is. Het kan daarom niet verwacht worden dat de klimaatmodellen realistische lange termijn feedbacks bevatten en dat leidt dan tot een toegenomen onzekerheid voor wat betreft de klimaatgevoeligheid.

Nu is de conclusie dat klimaatmodellen de opwarming en haar gevolgen onderschatten. Dat zou betekenen dat de temperatuur veel hoger uit zou vallen dan voorzien, maar vooral dat de gevolgen ervan groter zouden zijn dan verwacht. Dit zou heel goed ook een ander punt belichten, namelijk dat ons gevecht tegen de CO2-uitstoot weinig zin heeft. Dat wordt door de auteurs onderstreept met de zin: “Even if future emissions are reduced, warming will continue beyond 2100 for centuries or even millennia because of the longtermfeedbacks related to ice loss and the carbon cycle.”

Ook zou je kunnen concluderen dat de modellen nog niet goed genoeg zijn om voorspellingen te doen. Je kunt met dit artikel vele kanten op.

Maar dan nu de figuur. Het gaat om figuur 1. Eronder staat de legende die ik onvertaald overgenomen heb. In alle grafieken staat op de linker y-as het temperatuurverschil ten opzichte van de aangegeven periode (△T) en op de rechter y-as het CO2 beide afgeleid van proxies. Let op dat in grafiek d en e het om temperatuuranomalieen gaat. Uit grafiek a die een lage resolutie heeft zou je kunnen afleiden dat zowel temperatuur als CO2 sterk schommelen en dat tot op de dag van vandaag doen. Je zou over deze 4 miljoen jaar zelfs een gemiddelde temperatuurverlaging kunnen zien (de tijd gaat van rechts naar links). De laatste 800.000 jaar zijn uitvergroot in grafiek b waar er een gelijklopende schommeling is in CO2 en temperatuur enz. In b is te zien dat de temperatuuranomalie daalt terwijl het CO2 toeneemt gedurende het Holoceen Thermal Maximum. Tot slot in grafiek e de bekende slotfase van 400 ppm CO2 met ongeveer 1°C stijging van de temperatuur. Het is een erg mooie figuur die laat zien dat de temperatuur altijd al erg geschommeld heeft (en dan zijn dit nog maar de laatste 4 miljoen jaar). Het kleine en korte piekje van de laatste eeuw kan gelezen worden als een onrustbarende snelle temperatuurstijging, maar ook als het resultaat van verfijnde en gevoelige meetapparatuur.

Helaas weet ik te weinig van klimaatonderzoek af, de conclusie blijft dus open. 

Uit: H. Fischer et al. Palaeoclimate constraints on the impact of 2 °C anthropogenic warming and beyond Nature Geoscience volume 11, pages474–485 (2018)

 

Stikstof en het klimaat

De opname van kooldioxide door de biosfeer wordt gelimiteerd door de stikstofkringloop. De assimilatie van stikstof door planten hangt af van de beschikbare hoeveelheid van dit element in de bodem. Is deze hoeveelheid beperkt, dan kunnen planten niet genoeg groeien en kunnen ze dus ook niet genoeg kooldioxide (CO₂) omzetten in carbohydraten. Met dit gegeven is in de klimaatmodellen geen rekening gehouden, waardoor de schattingen ten aanzien van de opwarming van de Aarde te laag uitkomen, zo wordt beweerd door een artikel in Geophysical Research Letters.

Van internet: Stikstofwortelknobbel met Rhizobium

Stikstof (N), ofwel N₂ (want het komt in de atmosfeer bijna uitsluitend in deze gasvorm voor), vormt bijna  80% van de atmosfeer. Het maakt deel uit van vele organsiche moleculen, zoals DNA, RNA, aminozuren en de daaruit opgebouwde eiwitten. Dit organisch gebonden stikstof komt voort uit de stikstofkringloop, die begint met de fixatie van stikstof uit de atmosfeer door stikstofbindende bodembacteriën. Sommige van deze bacteriën, zoals Rhizobium, zijn symbionten van de wortels van vlinderbloemigen (peulvruchten). Ze zetten het stikstof om in ammoniak en vervolgens in stikstofhoudende organische stoffen, die direct door de plant opgenomen kunnen worden. De plant voorziet op haar buurt de bacteriën weer van carbohydraten die voortkomen uit de fotosynthese van de plant. Andere bodembacteriën zetten het stikstof uit de atmosfeer om in ammonium, weer andere daarna in nitraat en uiteindelijk in nitriet. Alleen deze laatste stof kan door de plantenwortels opgenomen worden.

De symbionten kunnen dus stikstof uit de atmosfeer gebruiken en worden in hun groei niet beperkt door de hoeveelheid stikstof in de bodem. Helaas gaat het om een relatief kleine groep planten, de peulvruchten. De meeste planten zijn afhankelijk van een keten van bodembacteriën die stikstof stapje voor stapje omzetten in nitriet. Het is moeilijk voor te stellen dat met zo een overdaad aan N₂ in de atmosfeer, er een limiet zou zijn voor de groei van planten. Toch bestaat er volgens dit artikel in veel gebieden op Aarde een gebrek aan stikstof in de bodem. Vele klimaatmodellen die deze variabele niet opgenomen hebben in hun berekeningen, geven dus een te lage schatting van de toekomstige globale opwarming.

De bijdrage van de mens aan het broeikasgas kooldioxide (CO₂) bedraagt 6% van de

Van internet:  Venus heeft een atmosfeer die voornamelijk uit kooldioxide bestaat. Dit broeikasgas zorgt ervoor dat de temperatuur er rond de 480°C ligt, waardoor elke vorm van leven uitgesloten lijkt.

totale uitstoot. Er wordt wel verondersteld dat het broeikaseffect dat veroorzaakt wordt door een teveel aan kooldioxide in de atmosfeer, de planten sneller zou kunnen laten groeien, waardoor er weer meer CO₂ opgenomen zou worden. Dit zou het broeikaseffect kunnen compenseren. Maar als er inderdaad een limiet is aan de hoeveelheid stikstof in de bodem, dan zou dit wel eens onmogelijk kunnen blijken. Zo zijn er nog andere physiologische haken en ogen: het enzym rubisco, bijvoorbeeld, dat verantwoordelijk is voor de fixatie van CO₂ in de plant gedurende de fotosynthese, werkt bij hogere temperaturen langzamer: CO₂ wordt dan minder effectief gefixeerd en de plant groeit langzamer. Het is duidelijk dat klimaatmodellen met bijzonder veel kleine en grote factoren rekening moeten houden wanneer het om zo een complex ecosysteem gaat.

Bron: Geophysical Research Letters,
ScienceDailiy 1 en 2, Wikipedia