Koolstofkringloop

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.


Atmosfeer-land

De onzekerheid over de grootte van de CO2 – uitwisseling tussen atmosfeer en oceaan  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.


14C fingerprint

Is het mogelijk om in de enorme stromen van CO2 tussen atmosfeer, oceanen en land harde uitspraken te doen over die 4,5% die de bijdrage vormt van de mens in de cyclus?

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.

 

Vergroening

greeningBron: Boston University / R. Myneni

In 2016 publiceerde een internationaal team van 32 auteurs van 24 instellingen uit acht landen een studie in het tijdschrift Nature Climate Change  getiteld “Greening of the Earth and its drivers” . Uit die studie bleek een significante ‘vergroening’ van 25% tot 50%  van begroeide gebieden op aarde.  Minder dan 4% van het oppervlak vertoonde ‘browning’  (afname van het bladoppervlak). De gegevens zijn afkomstig van de NASA-MODIS en NOAA-AVHRR satellieten  van 1982 tot 2009. De data zijn verwerkt in 10 Global Ecosystem modellen.

‘Vergroening’ betekent een stijging in bladoppervlak van planten, de leaf area index (LAI).  Groene bladeren produceren met behulp van zonlicht, CO2, water en voedingsstoffen uit de bodem suikers. Deze suikers zijn de bron van voedsel, vezels en brandstof voor het leven op aarde. Meer suikers worden geproduceerd als er meer CO2 in de lucht zit. Dit heet CO2 bemesting.  Veel glastuinders in ons land verhogen de CO2-concentratie in hun kassen tot 1000 a 1200 ppm om de productie te verhogen. Gemiddeld is het atmosferisch CO2-gehalte momenteel ongeveer 400 ppm.

Ongeveer 85% van het ijsvrije landoppervlak van de aarde is bedekt met vegetatie.  Deze groene gebieden nemen ongeveer 30% van het totale aardoppervlak in beslag.  Deze vergroening, de toename van het bladoppervlak, is net zo groot als wanneer er een extra groen continent zou worden toegevoegd met 2x de oppervlakte van de USA (18.000.000 km2) .  “Dat kan grote effecten hebben op de kringloop van water en koolstof en kan  fundamentele veranderingen in het klimaatsysteem teweeg brengen ”aldus eerste auteur dr Zaichun Zhu, onderzoeker van de Universiteit van Peking, China, die de eerste helft van dit onderzoek bij de faculteit Aarde en Milieu aan de Boston University (USA) deed, samen met Prof. Myneni .

Simulaties met genoemde  ecosysteem modellen suggereren dat CO2-bemesting 70% van de waargenomen vergroening verklaart, gevolgd door stikstofdepositie (9%), klimaatverandering (8%) en veranderend landgebruik (LCC) (4%). CO2-bemesting verklaart de meeste vergroening in de tropen, terwijl klimaatverandering heeft geleid tot vergroening op hoge breedte en op de Tibetaanse Plateau. LCC draagt het meeste bij aan de regionale vergroening in het zuidoosten van China en het oosten van de Verenigde Staten. Volgende generaties ecosysteemmodellen zijn nodig om verfijningen aan te brengen.

Bron:  NASA

De figuur hieronder is gemaakt met data van GEOV1.

Bron:  Munier et al

Munier et al laten in een recente publicatie zien dat er weer een flinke stap voorwaarts gemaakt is in de interpretatie van de satellietbeelden. De recente ontwikkelingen in remote sensing maken het mogelijk om seizoensgroei te bestuderen.  Nadeel bleef wel dat vanwege de grote resolutie het niet mogelijk was om onderscheid te maken tussen vegetatietypen. Op onderstaande kaart is de heterogeniteit van de vegetatie weergegeven.  Blauw (~1) betekent een homogene vegetatie; hoe dichter bij de 0 des te heterogener is de vegetatie.

Doordat het tot nu toe alleen maar mogelijk was aan een pixel (5×5 km op bovenstaande kaart) aan gemengde pixels één dominant vegetatietype toe te wijzen werden veel andere over het hoofd gezien.  Zo werd 12% van het grasland, 23% van het altijdgroene loofbos, 36% van de naaldbomen en maar liefst 72% van het breedbladig loofbos over het hoofd gezien.

Munier et al hebben aangetoond dat met een speciale techniek, de Kalman Filtering,  nu op kleiner pixelniveau ( 1×1 km) onderscheid gemaakt kan worden tussen diverse vegetatietypen, inclusief landbouwgewassen. Globaal gezien is er sinds 1999 sprake van een toename van het bladoppervlak, globaal met 1,31 m2 blad per m2 grondoppervlak. In de figuur hieronder is de verandering in de LAI te zien voor 3 bosvegetatietypen: naaldbos in de boreale zone, breedbladig loofbos o.a. in de gematigde zone en altijdgroen loofbos in de tropische zone:

Bron: Munier

Minstens zo interessant is het verloop van de LAI in landbouwgerelateerde vegetatietypen, de zomergewassen, wintergewassen en grasland.  Vrijwel overal op aarde is er in landbouwgewassen een toename van de LAI. Alleen in enkele regio’s met als beperkende factor water is er sprake van een afname:

Plantengroei hangt sterk samen met de beschikbaarheid van water, zonlicht, CO2, luchttemperatuur en voedingsstoffen.  Dat laatste kan een rol spelen bij zomer- en wintergewassen. Zonlicht is over het algemeen een vrij constante factor. De beschikbaarheid van water (neerslag is met name een beperkende factor in (semi-)aride gebieden. Neerslagschommelingen in (semi-)aride gebieden zijn vaak het gevolg van regionale klimaatveranderingen. Voorbeeld daarvan is de verhoging van de LIA in de Sahel. Door toename van de neerslag is vooral de LAI van bladverliezend loofbos toegenomen en in mindere mate van grasland. Zie hier.

Er zijn gebieden die in de bestudeerde periode een toename van de droogte hebben laten zien, zoals in Centraal-Azië en semi-aride gebieden in Zuid-Amerika. De negatieve LAI in Brazilië is grotendeels het gevolg van grootschalige ontbossing in het Amazonewoud, zoals op onderstaande kaartjes te zien is:

Blijven over de temperatuur het CO2.  Als we het temperatuurverloop in de periode bezien dan is er globaal gesproken sprake van een toename.  Maar de verschillen zijn groot, zoals onderstaande grafiek laat zien:

Bron: MSU

De grootste trend toont het temperatuurverloop op de noordpool: 0,264 °C /decennium.  De trend in de gematigde zone op het noordelijk halfrond is bijna een factor 3 lager, namelijk 0,096 °C /decennium. Dat heeft vooral te maken met de arctische amplificatie, zie elders op deze site. De trends van de gematigde zones op het NH en ZH als ook die van de tropen ontlopen elkaar nauwelijks. Die van de zuidpool is nagenoeg vlak.

Munier et al hebben in onderstaande figuur de LAI-trends afgezet tegen de breedteligging:

De trends zij het grootst in de gematigde zones. Dat lijkt logisch: de poolgebieden zijn zeer koud en een lichte verhoging van de temperatuur zal weinig effect hebben,  het temperatuurtraject in de tropen is voor planten al optimaal.

Blijft over de factor CO2.  CO2 is een ‘well mixed gas’, en de concentratie ervan in de atmosfeer is daardoor overal ongeveer gelijk. Waarschijnlijk is dit de belangrijkste verklaringsfactor voor de toename van het bladoppervlak op aarde van 1999 t/m 2015. In onderstaande grafiek is die toename afgebeeld. De jaarlijkse golfjes ontstaan door het seizoenseffect op het noordelijk halfrond. Van 1999 t/m 2015 is het CO2-gehalte van de atmosfeer gestegen van 368 ppm tot bijna 403 ppm, een toename met 9,5%. Planten zijn dol op CO2.

Data; NOAA

Conclusies

Verbazingwekkend is de stelligheid waarmee cijfers worden gepresenteerd over CO2-stromen op aarde. Hoeveel weten we eigenlijk af van die koolstofcyclus? Het antwoord is niet eenduidig: veel en toch ook weinig. Dat laatste is niet erg, dat spoort aan tot meer onderzoek.  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. Maar wel als ‘feit’ gepresenteerd worden. Dat is zorgelijk.

Er moet 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. 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.

Van alle koolstoffluxen tussen atmosfeer, oceanen en land is de omvang daarvan tussen atmosfeer en land het minst bekend. Bij de uitwisseling van CO2 tussen atmosfeer en land ontbreken de cijfers, we moeten het doen met schattingen en modellen. Daardoor is de partitie Sland (groen) in de grafiek van het Global Carbon Project niet meer is dan een ‘wild guess’. Of beter: het is het verschil tussen de ’emissions’ boven de streep en de ‘partitioning’  onder de streep.  Van één flux tussen atmosfeer en land hebben we wel wat cijfers, namelijk de opname van atmosferisch CO2  door planten. Er wordt de afgelopen decennia met behulp van satellieten een opvallende vergroening  van de planeet gemeten die toegeschreven wordt aan het gestegen gehalte CO2 in de atmosfeer.

Tot slot is er  14C als ‘fingerprint’   voor het antropogene aandeel van CO2  in de atmosfeer. 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.