Koolstofkringloop deel 2: 14C

In het vorige bericht heb ik de aandacht gevestigd op de onzekerheden in de koolstofkringloop in zijn algemeen. De foutmarges in de kringloop zoals die gepresenteerd wordt door het IPCC in haar laatste rapport zijn groot.  Zo zijn die foutmarges in de bruto fluxen tussen atmosfeer enerzijds en oceanen en land anderzijds zo groot, dat ze het aandeel van de mens in de koolstofkringloop vele malen overstijgen. Deel 1 van de koolstofkringloop is de aanloop tot dit deel 2, dus dat eerst lezen lijkt me.

In dit bericht  wil ik het aandeel van het antropogene CO2 eens bekijken in het totaal van alle CO2 fluxen zoals gepresenteerd in het AR5 IPCC-rapport. Het bericht is soms wat technisch, daarom was de hulp van isotopenexpert J. onmisbaar, waarvoor dank. Voor het verhaal over de invloed van de mens op de koolstofkringloop is dit verhaal van groot belang denk ik.

Data:  IPCC AR5

In bovenstaande figuur is de totale jaarlijkse stroom C richting atmosfeer weergegeven op basis van de gegevens van het IPCC-rapport AR5. Met rood is het aandeel van de mens weergegeven zoals geschat, 4,3% van de totale stroom (gemiddelde 2000-2009). Dat aandeel ligt momenteel wat hoger (bron Global Carbon Project) en komt uit op 4,5%. Alleen al de onzekerheid van de totale flux (volgens het IPCC 20%) is dus 4 a 5x zo groot als het aandeel van de mens in de koolstofstroom.

Wonderlijk is dat zowel IPCC als Global Carbon Project tamelijk nauwkeurig kunnen aangeven waar die CO2-emissie van menselijke oorsprong blijft.  Dat zagen we al in de figuur uit het Project Carbon Budget 2017:

Bron: Global Carbon Budget 2017

Kijkt u nog eens naar bovenstaande grafiek. Boven de 0-lijn zijn de bronnen van de antropogene CO2-flux richting atmosfeer weergegeven. Onder die lijn waar het blijft. Over de onzekerheden daarvan is hiervoor al het een en ander geschreven. Een beetje bizar wordt het als je bedenkt dat dit slechts het antropogene deel van de CO2-flux betreft, dus momenteel ongeveer 4,5% van de totale CO2-stroom.

In de decade 2007–2016 was volgens het GCP de Eff, de toestroom van antropogeen CO2 naar de atmosfeer 9,4 ±0,5 GtC per jaar, en  de Gatm  4,7 ± 0,1 GtC jaar. Dat laatste is dus het deel dat voorlopig in de atmosfeer blijft. De relatief kleine foutmarge wijst erop dat men vrij zeker is van deze cijfers. Dat is gebaseerd op de aanname dat antropogeen CO2 te onderscheiden is van niet-antropogeen CO2.

Deze zogenaamde ‘fingerprint’  van antropogeen CO2 is gebaseerd op de verhouding tussen de isotopen van CO2. Koolstof kent 3 isotopen in de natuur: het bestaat voor 98,93 % uit 12C, voor 1,07 % uit 13C en 1,2 x 10-10 % uit 14C. Als 2 of meer bronnen met een verschillende, bekende isotopenverhouding in een bepaalde massaverhouding gemengd worden, dan is de grootte van de gemengde massa’s bepalend voor de isotopenverhouding in het nieuw gevormde mengsel, de zogenaamde “blend”. Dit principe heet isotopenverdunning. In essentie worden de verschillende CO2 bronnen uiteindelijk in de atmosfeer gemengd, dus in theorie zou uit een veranderende koolstof isotopenverhouding in de atmosfeer de grootte van de bijdragen van de verschillende bronnen moeten kunnen worden gekwantificeerd, aangezien de (verandering in de) CO2 concentratie in de atmosfeer bekend is. Het enorme voordeel van een dergelijke benadering is, dat er gekeken wordt naar een verhouding van isotopen van koolstof in CO2. Allerlei chemische en fysische processen die op CO2 ingrijpen gelden in gelijke mate voor beide isotopen: in de verhouding worden de effecten van die processen weg gedeeld. Dat maakt het werken met koolstof isotoopverhoudingen onafhankelijk van die processen. De vraag is dan nog, of de verschillende bronnen naar koolstof isotopenverhoudingen gekarakteriseerd kunnen worden en zo ja, of die voldoende verschillen van elkaar en de atmosfeer voor een meetbaar effect.

Bron:  Wikipedia

Voor 14C lijkt dat laatste het geval. In de atmosfeer verzorgen kosmische snelle neutronen een kernreactie met het aanwezige stikstof, onder vorming van 14C en een proton:

14N + 1n —> 14C + 1p

14C vervalt maar langzaam. Pas na zestigduizend jaar is nog 1/1000  van de oorspronkelijke activiteit over. Het gevormde 14C wordt in de atmosfeer snel geoxideerd tot 14CO en vervolgens iets langzamer tot 14CO2. Zoals ieder natuurlijk systeem zoekt ook 14CO2 naar een evenwichtssituatie. Vanwege de grote halveringstijd van 14C is daar tijd genoeg voor. Er vindt dus een (snelle) menging plaats tussen 12CO2, 13CO2 en 14CO2 en wellicht ook door isotopenuitwisseling tussen 12C, 13C en 14C in de atmosfeer, tot er een evenwichtsconcentratie is bereikt.  Die evenwichtssituatie is de zogeheten specifieke activiteit (SA), die onder ongestoorde omstandigheden ongeveer 226 Bq 14C per kg C bedraagt.

Bron: http://denstoredanske.dk

CO2 wordt (netto) opgenomen in de oceanen doordat het oplost en met water reageert tot bicarbonaat en carbonaat. Diezelfde SA (afgezien van een kleine afwijking door zogenaamde fractionering) wordt daarom gevonden in zeewater. Datzelfde evenwicht vind je dus ook terug in alle zeeorganismen  die van zeewater of lucht afhankelijk zijn. Op het land assimileren planten CO2 en ademen dieren CO2 in en eten planten. Ook daar dus dezelfde SA. Als het leven sterft, stopt de opname van vers CO2 en is het enige dat nog speelt radioactief verval. Dit proces is al gaande zolang er leven op aarde is en is de basis voor de 14C datering.

Omdat kolen, gas en olie gedurende miljoenen jaren in de ondergrond hebben gelegen en bedekt zijn geweest met dikke lagen gesteenten, is van de oorspronkelijke hoeveelheid 14C niets meer over: het is vervallen en er heeft geen uitwisseling met jonger 14C kunnen plaatsvinden. Als fossiele brandstoffen worden verbrand en gassen als CO2 en H2O worden geloosd in de lucht wordt atmosferisch CO2 met een SA van 226 Bq/kg C (de vooroorlogse 14C waarde in de atmosfeer) gemengd met CO2 van 0 mol 14C/mol C. Indien de massa aan fossiele bijdrage voldoende groot is moet er dan dus een afname van de SA in de atmosfeer te meten zijn. Onderstaande figuur bevestigt dat.

Bron: NOAA

De afname gaat van 250 Bq/kg C in 2003 tot 244 Bq/kg C in 2009. De wetenschappers van NOAA hebben berekend dat iedere ppm CO2 in de atmosfeer afkomstig van fossiele brandstoffen de SA van atmosferisch CO2 met 0.61 Bq/kg C verlaagt. Een vergelijkbare waarde is verkregen uit metingen op de Jungfraujoch gedurende 2000 t/m 2011, namelijk 0.69 Bq/kg C. Het fenomeen staat bekend als het Suess-effect, naar zijn ontdekker. Opvallend is wel, dat de SA van de atmosfeer geen 226 maar 250 Bq/kg is. Het is raar, dat de SA stijgt, als een oorspronkelijke waarde van 226 Bq/kg C al 1,5 eeuw wordt verdund met een bijdrage van 0 Bq/ kg C. Dus rijst de vraag: zijn er nog ander bronnen van (hoog of laag) 14C denkbaar, die de specifieke 14C activiteit in de atmosfeer kunnen beïnvloeden? Kerncentrales genereren 14C op dezelfde manier als dat in de natuur gebeurt: de snelle neutronen uit de reactorkern activeren N dat in koelwater aanwezig is. Dat verdwijnt als 14CO2 uiteindelijk in de atmosfeer. Pieken aan 14C door reactorlozingen zijn in de omgeving van een reactor goed zichtbaar, maar de inbreng (in massa) is te gering om een zichtbaar effect op de SA van de atmosfeer als geheel te hebben. Hetzelfde geldt voor vulkanen, die fossiel organisch materiaal van duizenden of tienduizenden jaren oud bij een uitbarsting in de atmosfeer kunnen brengen.

Het verhaal is compleet anders voor de gevolgen van de bovengrondse kernproeven. In de tweede wereldoorlog zijn door de Amerikanen enkele kernwapens tot ontploffing gebracht en in de periode daarna zijn door meerdere landen vele bovengrondse kernproeven uitgevoerd. Een van de gevolgen daarvan was een toename van de hoeveelheid 14C  in de atmosfeer na ieder test, door de activering van N in de lucht door een lokaal heel hoge snelle neutronenflux tijdens de ontploffing. Direct na een test nam de SA weer langzaam af. Na de tweede wereldoorlog was de SA activiteit al opgelopen van 226 tot 290 Bq/kg C, maar die steeg vervolgens heel snel tot bijna 470 Bq in 1965, toen het verbod op bovengrondse proeven in werking trad. Sinds die tijd neemt de SA weer geleidelijk af.

Bron:  NOAA

Bovenstaande figuur laat de veranderingen bij een Alpien station in Vermunt, Oostenrijk, op de Jungfraujoch In Zwitserland en in Baring Head, New Zealand zien. De waarde voor ΔC-14 van 1000 ‰ in 1964 komt overeen met 468 Bq/kg C en die van 250 ‰ in 1984 met 293 Bq/kg C. In 2005 was de waarde van Jungfraujoch ongeveer 83%, overeenkomend met 253 Bq/kg C.

De vraag is hoe de geleidelijke afname van 14C  in de atmosfeer die sinds 1964 tot op heden plaats vindt precies moet worden geïnterpreteerd: is het een beeld van de opnamesnelheid van de 14CO2 puls uit kernbommen door oceanen en het vaste land, of is het de invloed van de bijmenging van CO2 uit fossiele brandstoffen met een SA voor 14C  van 0? NOAA stelt:  “By the 1980s, most of the “bomb” 14C had been absorbed into the oceans and land biota, leaving slightly elevated levels in the atmosphere. Yet atmospheric 14C levels continue to decrease–now because of fossil fuel CO2 emissions.”

Onderstaande tabel geeft de afname van de SA van 14C/kg C per ppm CO2 in (ongeveer) 10 jarige periodes sinds 1966:


Het is duidelijk, dat de afname in SA niet door de bijdrage van CO2 uit fossiele brandstoffen kan worden verklaard. Het zou of betekenen dat de inbreng van fossiel in 1966 ongeveer 10 maal hoger was dan heden, of dat de massa aan koolstof in de atmosfeer sinds 1966 met een factor 10 is toegenomen. Beide veronderstellingen zijn onzinnig. De verklaring voor de curve is de exponentiële afname van de activiteit door de uitwisseling van 14CO2 met de oceanen en het vaste land en dit proces is nog niet voltooid. Zolang de 14C puls door de bomtesten niet tenminste volledig is uitgedoofd tot het standaardniveau van voor de oorlog, 226 Bq/kg C, lijkt de meting aan 14C voor klimaatdoeleinden in de atmosfeer weinig zinvol. (Het standaardniveau is bepaald door het pre-industriële gehalte, gemeten in hout uit 1890, genormaliseerd voor verval en δ 13C naar de 1950 waarde van 226 Bq 14C/kg C).

Er wordt gepoogd op lokaal niveau de inbreng van de verbranding van fossiel CO2 door de afname van de SA van 14C in CO2 in de atmosfeer te meten. Daartoe wordt niet meer naar de SA als zodanig gekeken, maar naar de verandering van SA activiteit per locatie ten opzichte van die van een achtergrond. Als achtergrond worden doorgaans afgelegen gebieden gekozen (Alpen, Rocky Mountains, Noord-en Zuidpool).

Bron:  NOAA

Bovenstaande grafiek laat de SA van CO2 in de atmosfeer van het geïndustrialiseerde Tae-Ahn schiereiland in Zuid-Korea zien ten opzichte van die in Niwot Ridge, Rocky Mountains, Colorado. Hieruit moet blijken dat de SA in Zuid Korea harder daalt dan die in Colorado, omdat in Zuid Korea de emissie van fossiele brandstoffen een veel grotere rol speelt.

Het grote nadeel van deze benadering is dat het voordeel van een isotopenratio (onafhankelijk van fysische en chemische processen) weer weg is. Hoe een lokaal effect uiteindelijk op de atmosfeer als geheel uitwerkt als allerlei verschillen in chemische, fysische en geografische condities weer een rol gaan spelen, is daarom ook voor 14CO2 niet eenduidig bekend. De vraag of de conclusies van NOAA wel eenduidig en niet voorbarig zijn, is dus terecht.

Bron: Graven 2015

Bovenstaand grafiek komt uit een publicatie van Graven in 2015. RCP’s zijn scenario’s die de ontwikkeling van broeikasgassen beschrijven, die gebruikt worden in het IPCC-rapport AR5.  Focus in de diverse RCP’s ligt op de effecten van verschillende ambitieniveaus van beleid. Deze ambitieniveaus komen overeen met atmosferische broeikasgasconcentraties van 450, 650, 870 en 1400 ppmv CO2-equivalent. Zie de figuur hieronder.

Bron:  IPCC

Het IPCC gaat uit van een verdere verlaging  van het 14C gehalte van de atmosfeer door de uitstoot van  CO2 uit fossiele brandstoffen. Volgens de figuur van Graven verwacht hij dat rond 2030 het evenwicht bereikt wordt dat aanwezig was vóór 1960.

In 2018 is de daling van 14C in de atmosfeer nog steeds  het ‘wegwerken’ van 14C die als gevolg van bovengrondse kerntests die een ‘bomb spike’ in het 14C gehalte van de atmosfeer veroorzaakte.  Ik schreef het al:  zolang de 14C puls door de bomtesten niet tenminste volledig is uitgedoofd tot het standaardniveau van voor de oorlog, 226 Bq/kg C, lijkt de meting aan 14C voor klimaatdoeleinden in de atmosfeer weinig zinvol.