De koolstofkringloop deel 1

Bron:  CBC

Een mens stoot gemiddeld 290 kg CO2 per jaar uit door ademen.  Het aantal mensen op planeet aarde wordt momenteel geschat op ruim 7 miljard. De totale uitstoot komt dan uit op ruim 2 miljard ton CO2 per jaar. Dat is ruim 0,76 miljard ton C .

Van vele kanten wordt druk uitgeoefend om de uitstoot van CO2 te verminderen. CO2 is een broeikasgas en doordat het aandeel van CO2 in de atmosfeer de afgelopen eeuw is toegenomen is de hypothese dat daardoor de aarde wel eens extra zou kunnen opwarmen. En inderdaad, het lijkt er op dat de aarde de afgelopen 100 jaar ongeveer 0,8 °C warmer is geworden. Wetenschappelijk is het niet aantoonbaar dat die opwarming het gevolg is van het gestegen CO2-gehalte in de atmosfeer.  Desondanks stelde het IPCC in het AR5-rapport : “…It is extremely likely that human influence has been the dominant cause of the observed warming since the mid-20th century.”.

Dat ‘extremely’ is overigens niet de uitkomst van wetenschappelijk onderzoek, maar gebaseerd op wat met ‘expert judgement’ noemt onder de auteurs van het IPCC-rapport. Desondanks is het aannemelijk dat er sprake is van een menselijke bijdrage aan het huidige CO2-gehalte van de atmosfeer. Het huidige gehalte is immers opvallend hoger dan we in het recente geologische verleden gewend waren. Het is daarom van belang om de ‘road map’  van CO2 op aarde te onderzoeken: de koolstofcyclus.

Bron:  Rubino et al 

Bovenstaande grafieken zijn afkomstig van een publicatie van Rubino et al uit 2013. Het betreft de analyse van recente firn- en ijskernen op Antarctica. Te zien is dat de antropogene uitstoot van CO2 (rode lijn grafiek a) na 1950 flink op gang begint te komen, en dat het CO2 gehalte van de atmosfeer (zwarte lijn grafiek b )ongeveer gelijktijdig toeneemt. Veranderend bodemgebruik helpt ook een handje maar dat lijkt relatief gering. Elke ppm stijging van het CO2-gehalte komt overeen met een stijging van 2,12 Gt C in de atmosfeer. Momenteel is het CO2-gehalte boven de 400 ppm.

Het is mogelijk dat de stijging van de antropogene emissie van CO2 na 1950 (deels) de stijging van het CO2-gehalte van de atmosfeer heeft veroorzaakt,  omdat er verder geen andere grote menselijke C- bron bekend is die de sterke stijging van het atmosferisch C vanaf 1950 kan verklaren. Weliswaar is er de claim dat er in het atmosferisch CO2 een menselijke ‘fingerprint’  waarneembaar is in de verhouding tussen 12C en 13C (grafiek b) / 14C isotopen, maar dat is betwistbaar.  Hierover in een volgende bijdrage meer.

Bron:  University of East Anglia

Hierboven is de grafiek afgebeeld van het verloop van de mondiale temperatuur-anomalie van 1850 t/m 2017 . Het verloop van de mondiale temperatuur lijkt weinig op dat van het atmosferisch CO2-gehalte uit de grafiek van Rubino, behalve dat beide in de periode 1850-2019 grosso modo toegenomen zijn. In eerdere berichten op deze site is aangetoond dat het waarschijnlijk is dat de mondiale temperatuur in deze periode behalve door stijgend atmosferisch CO2 ook door andere (natuurlijke) factoren is beïnvloed. In een eerder bericht op deze site is met behulp van regressieanalyse aangetoond dat de AMO (Atlantische Multidecadale Oscillatie) opmerkelijk grote invloed heeft op het mondiale temperatuurverloop van de afgelopen eeuw. Maar ook zonneactiviteit en verandering van zeestromen en andere natuurlijke factoren kunnen van invloed zijn. Bovendien zijn de grootte en de richting van de feedbacks in het klimaatsysteem van wezenlijk belang.   Het zou daarom mijns inziens beter zijn geweest als de stelling uit het AR5 rapport van het IPCC zou luiden: “…It is possible that human influence has been the dominant cause of the observed increase of atmospheric CO2 since the mid-20th century.”.

De sinds 1958  gemeten CO2-concentraties ( Keely reeks) op Mauna Loa, Hawaii, gecombineerd met de geschatte CO2-emissies van fossiele brandstoffen en cementproductie lijken bovenstaande stelling te rechtvaardigen. Maar wie denkt in de koolstofcyclus daarvoor keiharde bevestiging te vinden komt bedrogen uit.

Bron:  IPCC

Bovenstaande figuur is afkomstig uit het laatste IPCC-rapport, AR5.  De zwarte pijlen betreffen de ‘natuurlijke’  C-fluxen per jaar (vanaf 1750), de rode de gemiddelde antropogene fluxen per jaar (2000-2009). De flux van CO2 door fossiele brandstoffen en cement richting atmosfeer wordt geschat op 7,8 ± 0,6 GtC per jaar  (PgC = Gt).  De foutmarge van  ±7,7% is relatief bescheiden.

Bekijken we de fluxen van atmosfeer-oceaan en atmosfeer-land dan is opvallend dat alleen bij de netto fluxen (verschillen) een foutmarge vermeld staat. Die is bij de  atmosfeer-oceaan netto flux  2,3 Gt ± 0,7  (=  ±30%) en bij de atmosfeer-land  netto flux  2,6 Gt ± 1,2 (=  ±46%). Dat zijn hele grote foutenmarges.

Bij de ‘gross’ (bruto) fluxen staan geen foutmarges vermeld.  Bruto fluxen zijn de grote emissie- en opnamestromen van CO2 tussen de atmosfeer enerzijds en de oceanen en het land anderzijds. De foutmarge staat wel in het bijschrift bij de figuur:  “Individual gross fluxes and their changes since the beginning of the Industrial Era have typical uncertainties of more than 20%.…”.  Wat betekenen dergelijke grote foutmarges voor schattingen van de antropogene bijdragen aan atmosferisch CO2 ?

Atmosfeer-oceanen

Bron:  IPCC AR5

Gaan we uit van 20% dan is de foutmarge voor de uitgaande oceaanflux van 78,4 Gt  ± 15,7  en onzekerheidsmarge van de inkomende oceaanflux van 80 Gt is dan ± 16. Het verschil, de netto flux, is dan 1,6 en de fout daarin wordt √( 15,7^2 + 16^2). De berekende netto flux op basis van de bruto fluxen atmosfeer-oceaan  wordt dan  2,3 Gt ± 22,4. De foutenmarge is hier dus ruim 30 x groter dan door het IPCC aangegeven!

 

 

Het verschil tussen de pCO2 (partiele gasdruk CO2) in het bovenste zeewater en de pCO2 van de bovenliggende lucht, ΔpCO2,  is de  drijvende kracht voor de CO2-overdracht tussen water en lucht. De pCO2 in oppervlakkig zeewater varieert zowel geografisch als in tijd (seizoenen) over een bereik van ongeveer 60% onder en 100% boven het huidige atmosferische pCO2-niveau van ongeveer 400 ppm. Dat betekent dat de pCO2 van het lokale zeewater bepalend is voor de richting van de CO2-flux. Hieronder is een kaart afgebeeld van het verschil tussen pCO2 van de lucht en pCO2 van het zeewater (zeewater minus lucht) voor augustus 1995.

Over de oorzaak van dit enorme verschil in foutmarge schrijft het IPCC: “….while their differences (Net land flux and Net ocean flux in the figure) are determined from independent measurements with a much higher accuracy (see Section 6.3).” .  Hoe een verschil (netto flux) een kleinere onzekerheid kan hebben dan die van de samenstellende waarden (de fluxen van en naar) of hoe je onafhankelijke metingen aan netto fluxen kunt doen, ontgaat mij. De oplossing voor dit raadsel wordt door het IPCC gegeven als zij schrijft:  “Therefore, to achieve an overall balance, the values of the more uncertain gross fluxes have been adjusted so that their difference matches the Net land flux and Net ocean flux estimates.”.  Dit komt mij voor als “data massage”: waarden aanpassen (adjust) tot ze overeenkomen (match) met de gewenste uitkomst. In een dergelijk geval heeft een foutenanalyse eigenlijk geen zin meer, omdat de waarden opzettelijk met een systematische fout zijn opgezadeld.

Bron:  IPCC  AR5  pag. 471

In sectie 6.3 waarnaar wordt verwezen staat: “Since the IPCC AR4 (Denman et al., 2007), a number of new advance­ments in data availability and data-model synthesis have allowed the establishment of a more constrained anthropogenic CO2 budget and better attribution of its flux components”.  Het budget en de fluxen zijn dus beter bekend vanwege een betere beschikbaarheid van data en verbeterde data-model synthese (??). Vervolgens worden de verbeteringen opgesomd:

  • Herziene data voor de snelheid van veranderend bodemgebruik, die een verbeterde schatting van de land use change flux geeft.
  • Een nieuwe compilatie van de hoeveelheden bos, die een onafhankelijke schatting van de hoeveelheid C die door bomen is/wordt vastgelegd geeft, albeit with very scarce measure­ments for tropical forest”.
  • Meer dan 2 miljoen data voor de pCO2 aan het oppervlakte van de oceaan zijn aan de global databases toegevoegd om de “ocean sink variability” te kwantificeren en om modellen te evalueren en beperken.
  • “The use of multiple con­straints with atmospheric inversions and combined atmosphere–ocean inversions (so called top down approaches; Jacobson et al., 2007) and the up-scaling of reservoir-based observations using models (so called bottom up approaches) provides new coarse scale consistency checks on CO2 flux estimates for land and ocean regions”. Ik vermag niet te ontrafelen wat hier precies staat, maar het gaat om modellering van top-down en bottom-up benaderingen.

Voor zover ik het kan zien gaat het hier om het toevoegen van data en het fine-tunen van modellen, maar niet om “independent measurements with a much higher accuracy”. Mooie woorden, maar meer duidelijkheid levert het niet op.

Met die toegevoegde data pCO2 ben je er nog niet.  Weliswaar is informatie over ΔpCO2  van belang, maar dat geldt ook voor andere parameters.  Zo wordt de snelheid van de gasuitwisseling tussen oceaan en atmosfeer sterk bepaald door turbulentie in de grenslaag, en deze weer door de windsnelheid. Die turbulentie verschilt van plaats tot plaats en in de tijd. Hier moeten modellen dus wat meer houvast geven.  Ook andere factoren spelen een rol, zoals de diepte van oceaanbekkens en biologische activiteiten. Die toegevoegde data voor de atmosfeer-oceaan fluxen maken de foutmarges in de bruto fluxen tussen oceaan en atmosfeer in elk geval niet kleiner dan 20%, ook in het AR4 rapport van het IPCC uit 2007 was de foutmarge hier al minstens 20%.

Een andere factor in de uitwisseling van CO2 tussen oceanen en atmosfeer zijn zeestromen, met name waar deze van de oppervlakte de diepte induiken en andersom. In het eerste geval vindt er transport van CO2 plaats van het oppervlak naar de diepzee (sink), in het tweede geval komt er CO2 vrij in de atmosfeer (source).

Bron:  Feely et al 2001

In bovenstaande figuur is dat goed te zien in het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan, waar de Noordatlantische Drift voor de ZO-kust van Groenland de diepte in duikt (sink). Voor de kust van Peru vindt het tegenovergestelde plaats (source), opwellend diep water dat CO2 naar de oppervlakte brengt. Veranderingen in dergelijke grootschalige verticale waterstromen kunnen grote invloed hebben op de CO2-uitwisseling tussen oceanen en atmosfeer.

Data:  NOAA

De grafiek hierboven  toont hoe groot de invloed is van de CO2-dynamiek in oceanen op de CO2 uitwisseling tussen oceanen en atmosfeer. Zo zijn de pieken in 1998 en 2015-2016 het gevolg van sterke El Niño’s in die jaren.

Bron:  IPCC

Onlangs toonde een publicatie van Thornalley (2018) aan dat de AMOC,  onderdeel van de reusachtige driedimensionale lus van zeestromen (conveyor belt), de afgelopen 150 jaar zo’n 15% tot 20% zwakker is geworden. Tot nu toe is bij mijn weten nog geen onderzoek gedaan naar de gevolgen daarvan op de CO2-uitwisseling met de atmosfeer. Logisch zou zijn dat die verzwakking betekent dat de sink minder goed werkt en er minder CO2 van atmosfeer verdwenen is in het oceaanwater.

Conclusie is dat er nog veel wetenschappelijk werk verricht moet worden om betrouwbare data te verkrijgen over de uitwisseling van CO2 tussen oceanen en atmosfeer. De grootschalige circulatie van oceaanwater (conveyor belt) en de biologische, fysische en chemische koolstofkringlopen zorgen er voor dat de CO2-uitwisseling tussen oceanen en atmosfeer overal anders is en voortdurend verandert.

 

Atmosfeer-land

Dat laatste geldt in nog veel sterkere mate voor de CO2-fluxen tussen de atmosfeer en het land.

Bron:  IPCC AR5

Interessant is om de bruto fluxen tussen atmosfeer en land te bezien. Dat zijn de fluxen van fotosynthese (123 Gt C per jaar) en de uitstoot van CO2 vanwege respiratie (ademhaling in brede zin) plus vuur (118,7 Gt C per jaar). Over de uitwisseling van CO2 tussen land en atmosfeer schrijft het IPCC: “The change of gross terrestrial fluxes (red arrows of Gross photosynthesis and Total respiration and fires) has been estimated from CMIP5 model results.” .  De cijfers zijn geschat, het is onmogelijk om met behulp van metingen een beeld te krijgen van deze fluxen.  Daarvoor zijn de ecosystemen en de regionale omstandigheden te divers. Met behulp van diverse DVGM’s (dynamic global vegetation models) wordt getracht een idee te krijgen over de input en output van koolstofstromen tussen land en atmosfeer.

 

Bron:  Global Carbon Project

Global Carbon Project maakt jaarlijkse schattingen van de C fluxen op basis van de meest recente data en modellen .  In de Global Carbon Budget 2017 wordt uitgebreid verslag gedaan over de achterliggende

data en onzekerheden.  Bovenstaande figuur uit het Global Carbon Budget 2017 geeft alleen de antropogene fluxen weer, de ‘natuurlijke’ fluxen van CO2 in de koolstofcyclus ontbreken. De fluxen zijn op jaarbasis en gemiddelden voor de periode 2007-2016. Vergeleken met de koolstofcyclus uit het IPCC rapport AR5 is de totale toename per jaar van antropogeen CO2 toegenomen van 4 naar 4,7 Gt C per jaar. Dat is voornamelijk een gevolg van het gebruik van hogere schattingen voor zowel de CO2-emissie (fossiele brandstoffen en cement) als ook veranderend bodemgebruik.

Bron: Global Carbon Budget 2017

Het Global Carbon Budget 2017 geeft aan hoe antropogeen CO2 vanuit de atmosfeer verdeeld wordt over de diverse sinks (figuur hierboven). Heel opmerkelijk is dat in het vorige rapport, Global Carbon Budget 2016 nog stond vermeld dat de opname van CO2 door land in de figuur het verschil is tussen input (EFF  en ELuc ) aan de ene kant, de groeisnelheid van CO2 in de atmosfeer ( GATM)  en de netto flux naar de oceaan (SOCEAN): “The difference between, on the one hand, fossil fuel (EFF) and land-use-change emissions (ELuc) and, on the other hand, the growth rate in atmospheric CO2 concentration (GATM) and the ocean CO2 sink (SOCEAN) is attributable to the net sink of CO2 in terrestrial vegetation and soils (SLAND), within the given uncertainties.” .   Derhalve:  For 1959–2015, the terrestrial carbon sink was estimated from the residual of the other budget terms by rearranging Eq. (1): SLAND = EFF + ELUC –(GATM + CSOCEAN)”.  Men moet dat wel op deze manier doen omdat van de C-fluxen tussen atmosfeer en land (SLAND)  geen data beschikbaar zijn, alleen uitkomsten van modellen. Dat is een jaar later nog steeds zo, alleen wordt dit niet meer in de tekst vermeld. Waarom niet? Het lijkt me nogal essentieel.

Opvallend is ook dat er in Global Carbon Budget 2017 een nieuw cijfer wordt geïntroduceerd, de budget imbalance van 0,6 Gt C per jaar. Het GCP schrijft hierover:  “ The resulting carbon budget imbalance (BIM), the difference between the estimated total emissions and the estimated changes in the atmosphere, ocean, and terrestrial biosphere, is a measure of imperfect data and understanding of the contemporary carbon cycle”. En: “….the introduction of the budget imbalance BIM as the difference between the estimated emissions and sinks, thus removing the assumption in previous global carbon budgets that the main uncertainties are primarily on the land sink (SLAND) and recognising uncertainties in the estimate of SOCEAN, particularly on decadal timescales ”.  De berekende 0,6 Gt/jaar is inderdaad het verschil tussen de getoonde netto fluxen van antropogeen CO2, maar men gaat daarbij voorbij aan de enorme onzekerheden in de bruto fluxen van alle CO2 in de koolstofcyclus. In feite is van het onderste deel van de grafiek alleen het paarse gedeelde tamelijk betrouwbaar. Die Gatm  wordt namelijk vastgesteld op basis van een betrouwbaar netwerk van meetstations.

Bron: NOAA

Bovenstaande grafiek is van het meetstation Manau Loa op Hawai, waar vanaf 1958 het atmosferisch CO2 wordt gemeten. Omdat CO2 een ‘well mixed gas’  is wijken de waarden op andere plaatsen op aarde weinig van deze data af.Een eerdere grafiek van NOAA  toonde al het tamelijk volatiele karakter van  de jaarlijkse CO2-toename in de atmosfeer, wat ook terug te vinden is in de figuur van het Global Carbon Project. In de laatstgenoemde figuur is het grillige verloop van het groene deel (SLAND) dus het gevolg van het grillige verloop van de toename van het atmosferisch CO2 van jaar tot jaar.

Bron: Cheng et al

De flux antropogeen CO2 is vanaf 1980 flink toegenomen. Dat is het gevolg van ‘vergroening’ van de aarde als gevolg van een toegenomen CO2-gehalte van de atmosfeer. Co2 is een essentieel onderdeel van assimilatie. Recente publicaties wijzen naar deze vergroening van de planeet., zoals Zhu et al en Cheng et al in 2017.

Helaas ontbreken bij de uitwisseling van CO2 tussen atmosfeer en land de cijfers. We moeten het doen met schattingen en modellen. Ik kan daarom niet anders concluderen dan dat de partitie Sland in de grafiek van het Global Carbon Project niet meer is dan een ‘wild guess’.

Conclusie

Ik heb me altijd verbaasd over de stelligheid waarmee cijfers worden gepresenteerd over CO2-stromen op aarde. Mijn speurtocht in de koolstofcyclus werd ingegeven door mijn nieuwsgierigheid naar het antwoord op de vraag hoeveel we eigenlijk afweten van die cyclus. Het antwoord is niet eenduidig: veel en toch ook weinig. Dat laatste is niet erg, dat spoort aan tot meer wetenschappelijk onderzoek en daar ben ik een fervent pleitbezorger van. Een aantal keren ben ik in mijn ‘zoektocht’ binnen de koolstofkringloop geconfronteerd met ‘zekerheden’  die bij nadere bestudering helemaal niet zo zeker bleken te zijn. Dat is zorgelijk.

In een volgende bijdrage ga ik in op de vraag of het mogelijk is om in de enorme stromen van CO2 tussen atmosfeer, oceanen en land harde beweringen te doen over die 4,5% die de bijdrage vormt van de mens in de cyclus.