Sensitivity

CO2-sensitivity  is de mate waarin de gemiddelde temperatuur stijgt als gevolg van een verdubbeling van het atmosferische CO2-gehalte. Het aandeel van CO2 in de opwarming van de aarde is een moeilijke kwestie, vooral ook omdat dat momenteel een onderwerp van veel wetenschappelijke discussies is. Maar er zijn toch wel een paar verhelderende uitspraken over te doen, gebaseerd op een aantal publicaties over dit onderwerp.

Het zijn schattingen van de afkoelend effect in een atmosfeer zonder wolken, indien het CO2 gehalte van de atmosfeer 0 ppm zou zijn (Lindzen, How Cold Could We Get Under CO2-less Skys? , Physics Today, 1995, Charnock & Shine , Physics Today, 1995, Kondratjew & Moskalenko, ‘The Global Climate’, 1984).

estimated crear sky greenhoue effect

De grafiek hierboven geeft een globaal idee hoe CO2 en temperatuur samenhangen. Bedenk dat deze grafiek geen rekening houdt met absorptieverzadiging bij bepaalde golflengtes, mogelijke toename van afkoeling door verdamping, toename van de albedo vanwege reflectie door wolken, variaties vanwege breedteligging of hoogte, en mee- en tegenkoppeling van wolken. Daardoor is het beeld dat de grafiek geeft over mogelijke opwarming door CO2 toename overtrokken.

Ondanks dat, en de verschillen in uitgangstemperatuur tussen de 3 schattingen (bij 0 ppm CO2 kwam Lindzen uit op een temperatuurdaling van 5,3 °C, Charnock & Shine van 12 °C en Konratjev & Moskalenko van 7,2 °C) is het logaritmische verloop van het verband duidelijk. Toename van de CO2 concentratie in de atmosfeer resulteert slechts in een geringe toename van de temperatuur. Algemeen wordt uitgegaan van een pre-industrieel CO2-gehalte van 280 ppm. Verdubbeling daarvan tot 560 ppm resulteert volgens de grafieken in een temperatuurtoename van 0,6 °C tot 1,5 °C.

Een recente publicatie van Stephen Schwartz, Heat capacity, time constant, and sensitivity of Earth’s climate system, in het Journal of Geophysical Reviews, 2007, komt uit op een toename van de temperatuur met 1.1 ± 0.5 °C bij een verdubbeling van het CO2-gehalte. De schatting van Konratjev & Moskalenko lijkt daar het dichtst bij te zitten.

co2 log
 
 

In de grafiek hierboven is het logaritmisch effect van CO2 op de temperatuur duidelijk weergegeven. Het grootste effect hebben de “eerste”  20 ppm gehad, daarna daalt het effect sterk.

Hoe komt het IPCC in haar 2007 rapporten dan aan hogere waarden?

In de 2007 rapporten van het IPCC zijn voor de diverse scenario’s voorspellingen gedaan voor de stijging van de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak aan het eind van de huidige eeuw. De voorspellingen variëren van 1,81 °C tot 5 °C. Bij een CO2-gehalte van 650 ppm geeft de Technical Summary een “best estimate” temperatuurstijging van 3,6 °C. Dat is aanmerkelijk hoger dan de 1,1 °C van Stephen Schwartz en Lindzen.

spencer1

Het IPCC baseert zich bij haar berekeningen op zogenaamde “climate sensitivity”. Als gevolg van feedbacks in het systeem, zoals die van waterdamp, wolken, ijs-albedo en de temperatuurgradiënt van de troposfeer. Van de voorspelde temperatuursstijging in de diverse gehanteerde klimaatmodellen is ruwweg 40% toegeschreven aan het versterkt broeikaseffect, en 60% aan feedbacks (National Research Council).

Van die feedbacks is waterdamp de belangrijkste: door stijging van de temperatuur stijgt de verdamping en komt er meer waterdamp in de atmosfeer. Geschatte forcing is 1.6, wat betekent dat als gevolg van temperatuurstijging vanwege het broeikaseffect de temperatuurstijging 1,6 x groter is dan verwacht. Ook de veranderende ijs-albedo ( verminderde reflectie van het zonlicht als gevolg van afname van het drijfijs in met name de Noordelijke IJszee) schat het IPCC hoog in. Samen met de verhoogde waterdampconcentratie zou dit een multiplier van 2,5 teweeg brengen.

Interessant is de grafiek van Hans Erren uit een paper genaamd “How does CO2 respond to temperature?“. Het betreft een CO2-temperatuurgrafiek van de bekende Vostok ijskern. In de grafiek zijn afgezet het aandeel van CO2 in de opwarming en afkoeling zou hebben gehad bij een sensitivity van 1K/2xCO2  (lage sensitivity) en 3K/2xCO2 (hoge sensitivitie. Opmerkelijk is dat zelfs de hoge sensitivity bij lange na niet kan verklaren waardoor de temperatuurschommelingen in de gegeven periode (400.000 jaar BP tot heden) zo groot waren. Erren merkt op:  “So even with a high climate sensitivity the bulk of the warming in the ice ages is not caused by CO2.

 

co2 ijstijd

 

Uit dezelfde paper komt de volgende grafiek, die een goed overzicht geeft van de climate sensitivity zoals die in diverse studies wordt gehanteerd.

sensitivity erren

 

Hansen (1993) kijkt naar de afgelopen 20.000 jaar, het laatste stukje van het Weichselglaciaal en het Holoceen, en berekent empirisch een climate sensitivity  van 3°C ± 1°C. Gregory (2002) maakte gebruik van waarnemingen met betrekking tot de warmteopname van oceanen en komt op een sensitivity van   1.5°C. Chylek (2007) bestudeerde de overgang van Weichselien naar Holoceen, en berekende een climate sensitivity van 1.3°C tot 2.3°C. Tung (2007) paste een statistische analyse toe op de relatie tussen het verloop van de temperatuur in de 20e eeuw en de zogenaamde zonncyclus, en komt zo op een sensitivity van 2.3°C to 4.1°C. Schwartz (2007) komt , zoals we hierboven al zagen, op een getal van 1.1°C ± 0.5°C.

Een opmerkelijk experiment deed Engelbeen (2006) met behulp van het Oxford EBM model. Dit relatief eenvoudige model berekent de temperatuursstijging gebaseerd op forcings x sensitivities, plus de massa van het oceaanwater als warmtebuffer. In de eerste grafiek is uitgegaan van een sensitivity van 3 °C bij 2xCO2, 1 x aerosols, 1 x vulkanisme, 1 x zon. Resultaat is een correlatiecoefficient van 0.870.

ebm1

 

In de tweede grafiek is de sensitivity verlaagd naar 1,5 °C bij 2x CO2, 0,25 x aerosols, 0,5 x vulkanisme, 1 x zon. Resultaat is een correlatiecoefient van 0.884, licht beter zelfs dan de vorige!


 

Correlaties, causale verbanden en CO2.

De Simpsons

Homer:  Geen beer te zien. De Berenwacht werkt prima!
Lisa: Dat is een cirkelredenering ,pa.
Homer:   [niet begrijpend] Dank je, lieve.
Lisa: Op die manier kan ik bewijzen dat deze steen tijgers weghoudt.
Homer:   Hmm. Hoe werkt dat?
Lisa: Dat werkt niet; ‘t is maar een stomme steen!
Homer:   Uh-huh.
Lisa: Maar ik zie geen tijgers, jij wel?
Homer:   (pauze) Lisa, ik wil jouw steen kopen.

cor0

Bovenstaand gesprekje van de Simpsons laat pijnlijk zien dat niet voor iedereen duidelijk is  wat oorzaak en gevolg is.  Beetje eenvoudig wellicht, maar wat dacht u van de volgende grafiek:

Deze grafiek wordt in allerlei varianten graag gebruikt door lieden die willen aantonen dat de mensheid met de huidige CO2-stijging de ondergang tegemoet gaat. Maar klopt die conclusie wel?  Om daar iets verstandigs over te zeggen is het van belang wat verder te kijken dan onze neus lang is. Uit  de statistiek kennen we het begrip correlatie.  In de statistiek spreekt men van correlatie als er een min of meer (lineaire) samenhang blijkt te zijn tussen twee reeksen metingen of variabelen.

De sterkte van deze samenhang wordt beschreven met de correlatiecoëfficiënt.  Een correlatiecoëfficiënt  heeft een grootte die tussen  -1 en  +1 ligt. Bij +1 is er een volledige positieve correlatie, bij -1 een volledig negatieve correlatie, en bij 0 is er geen correlatie tussen twee verschijnselen.  Onderstaande figuur  toont mogelijke vormen van de grafische weergave  die bij een bepaalde correlatiecoëfficiënt  kan behoren.

cor11

Men is geneigd om op basis van een puntenwolk  als snel conclusies te trekken  over de correlatie tussen verschijnselen. Maar dat dient met voorzichtigheid te geschieden. Onderstaande grafieken hebben alle een correlatiecoëfficiënt  van + 0,816 , en kijk eens hoe divers de puntenwolken er uit zien.

cor12

Maar van groter belang is uiteraard of er sprake is van een causale correlatie, dus van een oorzakelijk verband tussen verschijnselen.  In een aantal gevallen is het  mogelijk om op basis van gezond verstand in te zien dat een bepaalde correlatie niet causaal zal zijn.  Zo is er op onderstaande grafiek een positief verband te zien tussen  de vruchtbaarheid van vrouwen en het voorkomen van ooievaars in de Elzas. (S. Mousset & J.R. Lobry, 2006, Epreuve Biologie et Modélisation, Université Lyon1).

cor1

Of deze: Twitteren doet de Dow Jones Index dalen:

cor6

Ook de sterke correlatie tussen het aantal rocksongs in de top500 van het blad Rolling Stone en de productie van ruwe olie in de USA moet wel op toeval berusten:

cor8

Ook  correlatie tussen het voorkomen van lynxen in Noord Amerika en het aantal zonnevlekken zal waarschijnlijk niet causaal zijn en op toeval berusten, ook al is de correlatie opvallend:

cor2

Dat dit zo is zie je als je een wat langere periode bekijkt dan de 2 decennia van bovenstaande grafiek. Als je beide verschijnselen bekijkt  van 1820 tot 1940, dan is te zien dat beide verschijnselen een periodiciteit vertonen, maar dat die van het voorkomen van lynxen iets verschilt van die van zonnevlekken. Verandering van tijdschaal  kan soms dus inzicht vertonen in de causaliteit van een correlatie.  Hier komen we later op terug, omdat dit ook een rol speelt bij de correlatie tussen CO2-gehalte en temperatuur.

cor3

Ook interessant is de correlatie die er lijkt te bestaan tussen het gebruik van elektronische apparaten en de mate van sociale interactie  (zie grafiek hieronder). Hier is men al snel geneigd om een oorzakelijk verband te veronderstellen Immers, zorgt  meer tijd besteden aan elektronische apparaten niet vanzelfsprekend voor minder tijd voor de medemens? Iedereen kan zich hier wat bij voorstellen denk ik.

cor5
 

Maar ook hier is het de vraag of er werkelijk sprake is van een causale correlatie. Er kan hier ook sprake zijn van een zogenaamde “third cause fallacy” , waarbij  het ene verschijnsel (tijd besteden aan elektronische apparaten) en het andere (minder tijd voor sociale interactie)  het gevolg zijn van een derde factor. Men zou zich bijvoorbeeld kunnen voorstellen dat mensen die graag dergelijke apparaten gebruiken ook vaak lieden zijn die minder behoefte hebben aan sociale contacten, met andere woorden dat beide verschijnselen het gevolg zijn van een bepaald gedragspatroon (de derde factor) . Of nog sterker: dat beide verschijnselen correleren met meerdere externe fatoren, zodat er van een partiële correlatie sprake is.

Er is nog een andere mogelijkheid: het verschijnsel “tijd besteden aan elektronische apparaten” wordt veroorzaakt door de hoeveelheid sociale contacten. Dit noemt men in de statistiek “reverse causation”. Ook daar kan men zich wat bij voorstellen meen ik. Mensen met weinig sociale contacten zullen wellicht sneller naar apparaten grijpen dan mensen met een druk sociaal leven.

Welnu, laten we terugkeren naar de grafiek die het begin vormt van dit artikel, het vermeende verband tussen CO2-gehalte en de temperatuur. Laten we eerst eens kijken naar de tijdschaal van deze grafiek,  die loopt van 1880 tot 2010. Op het eerste gezicht lijkt de opgaande trend van de temperatuurlijn  aardig overeen te komen met die van het CO2-gehalte. Wat gebeurt er als we de tijdschaal oprekken naar 400.000 jaar? Dat gaat er dan als volgt uitzien:

cor10

De periode beslaat het laatste deel van het Pleistoceen , waarin de 4 meest recente glacialen te zien zijn, en het huidige Holoceen. Er is sprake van een tamelijk duidelijke correlatie tussen CO2-gehalte en temperatuur. De oorzaak van deze grootschalige schommelingen in aardse temperatuur is de relatie tussen de aarde en de zon, ontdekt door de Servische wetenschapper Milankovic  (zie hoofdstuk Nieuwe Inzichten). Ook bij alarmisten staat dit mechanisme, dat zijn oorsprong vindt in  excentriciteit van de aardse baan rond de zon en obliquiteit en precessie van de aardas, vast. Deze correlatie tussen temperatuur en CO2 is door Al Gore handig in zijn documentaire An Inconvenient Truth gebruikt om te “bewijzen”  dat het CO2-gehalte de temperatuur stuurt.

Dat dit onjuist is blijkt als men als het ware inzoomt op de data. Al in 1990 hebben Claude Lorius en Jim Hansen  in hun publicatie over de Vostok ijskern aangetoond dat de fluctuaties van het CO2-gehalte de fluctuaties van de temperatuur volgen in plaats van sturen. ( Lorius e.a., 1990, The ice core record: climate sensitivity and future greenhouse warming, Nature vol.347)

De timelag die tussen temperatuur en CO2 waarneembaar is werd toen geschat op ongeveer 1000 jaar, tegenwoordig gaat men uit van een waarde van 800 jaar.  Die vertraging is het gevolg van vertraagde opname en uitstoot van CO2 door oceanen. Koud water kan immers veel meer CO2 oplossen dan warm water. Die tijdschaal van 800 jaar is gebaseerd op de  veranderingen in de oceaancirculatie en de sterkte van de “carbon pomp” (dwz de mariene biologische fotosynthese) die CO2 uit de atmosfeer naar de diepe oceaan transporteert. In onderstaande figuur is de CO2-cyclus met de uitwisseling tussen atmosfeer en oceanen weergegeven.

co2 balans

Lorius e.a. gaan er van uit dat CO2  vooral een versterkend effect heeft gehad op de temperatuurschommelingen. Overigens zijn er recente studies die op een kleinere timelag uitkomen, tot 200 jaar, zoals in een paper van Loulerge (Loulergue, L., Parrenin, F., Blunier, T., Barnola, J.-M., Spahni, R., Schilt, A., Raisbeck, G., and Chappellaz, J.: New constraints on the gas age-ice age difference along the EPICA ice cores, 0–50 kyr, Clim. Past Discuss., 3, 435-467, doi:10.5194/cpd-3-435-2007, 2007 ).

De correlatie tussen temperatuur en CO2-gehalte is op een geologische tijdschaal  een fraai voorbeeld van wat hiervoor al genoemd is “reverse causation”: niet het CO2-gehalte stuurt de temperatuur maar andersom. Maar hoe zit het met de correlatie op een kortere tijdschaal? Als men weer een blik werpt op de grafiek van temperatuur en CO2 van de afgelopen 400.000 jaar, dan is te zien dat op vele momenten er sprake is van een stijgende temperatuur en dalend CO2-gehalte, en andersom.

Maar laten we de eerste grafiek nog eens bekijken:

cor0

Met de kennis die we nu hebben van causatie en van het verloop van CO2-gehalte en temperatuur in het verleden is het niet moeilijk om te zien dat het gebruiken van deze grafiek om te “bewijzen”  dat de recente temperatuurstijging het gevolg is van de CO2-stijging  statistisch onjuist is. De grafiek zelf geeft ook enkele aanwijzingen hiervoor: zo daalt de temperatuur tot 1910, terwijl het CO2-gehalte  stijgt .  Bovendien begint de stijging van het CO2-gehalte pas sterk te worden na 1950, hetgeen overeen komt met de sterke industriële groei en welvaartsgroei na de Tweede Wereldoorlog.  Echter, de sterke stijging van de temperatuur tussen 1910 en 1940 is niet te verklaren door de tamelijk geringe CO2-stijging in die periode. Bovendien daalt de temperatuur tussen 1940 en 1980, terwijl in deze periode het CO2-gehalte flink gaat stijgen. Tenslotte stijgt CO2 vrolijk verder, terwijl na 2000 de temperatuurstijging stagneert.

Wat kan men nu concluderen? In de eerste plaats dat het geologisch verleden toont dat het CO2-gehalte in de atmosfeer vooral de temperatuurveranderingen volgt in plaats van initieert, als gevolg van uitwisseling van CO2 tussen atmosfeer en oceanen. Er is sprake van een third cause fallacy, namelijk de relatie tussen zon en aarde. In de tweede plaats  is het zo dat op een tijdschaal van ruim een eeuw er geen duidelijke correlatie te zien is tussen CO2-gehalte en temperatuur.

Uiteraard is het een feit dat CO2 een broeikasgas is, dat in elk geval in laboratoriumopstellingen infraroodstraling kan absorberen. In een dergelijk eenvoudig systeem is de sensitivity van een CO2-verdubbeling ongeveer 1,1 °C.  Maar de atmosfeer, of beter het atmosfeer-oceaansysteem is een onvoorstelbaar complex systeem in vergelijking met eenvoudige lab-opstellingen. Zo zijn er feedbacks die het verband tussen temperatuur en CO2-gehalte beïnvloeden. Bekend is dat de door het IPCC gehanteerde  klimaatmodellen uitgaan van een sterke tot zeer sterke positieve feedback, terwijl anderen uitgaan van kleinere effecten als gevolg van negatieve feedbacks. Het verst gaan Miskolzcy , van Andel en anderen,  die stellen dat de temperatuur zich in een natuurlijk evenwicht bevindt, dat slechts beïnvloed kan worden door externe factoren.  Zie hiervoor het hoofdstuk Nieuwe Inzichten. Er zijn aanwijzingen dat de recente temperatuurstijging van de afgelopen eeuw , het “terugveren”  van de temperatuur uit de dip van de Kleine IJstijd, mede het gevolg is van veranderingen van de zon. Zonnevlekken kunnen hierin een grote rol spelen.


CO2 als broeikasgas is de spil in de hypothese dat een stijging van CO2 opwarming van de aarde veroorzaakt. Niet iedereen is het daar mee eens, en dat zijn niet allemaal “gekken”  zoals vaak neerbuigend beweerd wordt door vele klimaatalarmisten. De komende afleveringen wil ik een andere kijk op  CO2 als broeikasgas aan de orde stellen. In dit inleidende deel een aantal basisgegevens op een rijtje.

CO2  is onderdeel van de koolstofcyclus op onze planeet. Verreweg het grootste deel van C is opgeslagen in dikke pakketten kalksteenafzettingen. Sedimentatie in zeeën en oceanen vullen deze opslag van C aan, verwering op het land maakt C weer vrij uit deze gesteenten, dat als CO2 in de atmosfeer terecht komt. Andere bronnen voor de atmosfeer  van C zijn de biosfeer, oceanen en de mens vanwege het verbranden van fossiele brandstoffen en veranderd bodemgebruik. Oceanen, biosfeer en gesteenten vormen aan de andere kant ook weer sinks voor C. Onderstaande figuren komen uit het laatste rapport van het IPCC.

co2 emissies ippc1

co2 emissies ippc2

Antropogeen C is in zoverre een vreemde eend in de bijt omdat het geen sink vormt en pas sinds het eind van de 19e eeuw een rol is gaan spelen.  Die rol is beperkt: slechts 3% van alle CO2 die jaarlijks in de atmosfeer terecht komt is van antropogene oorsprong, de rest is “natuurlijk”. Schattingen van deze antropogene bijdrage lopen uiteen van 6 tot 10 gigaton C per jaar, terwijl geschat wordt dat 1/3  tot 1/2 daarvan binnen een jaar wordt opgenomen door de oceanen. Het recentste cijfer is een antropogene emissie vanwege fossiele brandstoffen in 2008 van 8,7 gigaton C (bron: BP statistical review of world energy).  De rest van de antropogene CO2 veroorzaakt samen met nog andere bronnen (o.a. oceanen) de stijging van het CO2-gehalte in de atmosfeer gedurende de afgelopen 250 jaar  van 280 ppm tot 390 ppm in 2010.

co2b

Cruciale vraag is nu : wat voor invloed heeft dit op de temperatuur op aarde? Velen wijzen naar de temperatuurstijging van de afgelopen eeuw. Die temperatuurstijging correleert echter slecht met de stijging van het atmosferische CO2. In de eerste plaats is begint de CO2-stijging al rond 1800  (zie figuur hierboven), terwijl er pas sprake is van enige uitstoot door fossiele brandstoffen vanaf 1850 (zie onderstaande figuur). Die antropogene uitstoot loopt dan langzaam op tot ongeveer 1,5 gigaton C/jaar in 1945, om daarna explosief te stijgen als gevolg van de naoorlogse “industrial boom”.

fossielc
 
 

In de tweede plaats is de recente temperatuurstijging geen geleidelijke beweging , maar een met sterke op- en neergaande bewegingen, terwijl het CO2-gehalte tamelijk gelijkmatig stijgt. Nu is daarover al veel geschreven, onder andere op  deze site. Cruciale vraag in het klimaatdebat momenteel is hoe groot de invloed is van CO2 op het wereldklimaat, de CO2-sensitivity.