↑ Åter till BOKEN

Kapitel 9: Kolcykelmodeller

Om vetenskapliga modeller och
kolcykelmodellers förmåga att beskriva
observerade variationer av luftens koldioxidhalt.

  Samt obekväma fakta för alarmistiska klimatmodellerare

 

 

9.1   Vetenskapliga modeller

När folk i allmänhet talar om modeller syftar man ofta på personer som i likhet med fotomodeller låter sig avbildas som motiv i olika sammanhang, eller om modelljärnvägar och andra skalenliga avbildningar av olika slags föremål. När vetenskapare använder sig av modeller handlar det också om försök att avbilda verkligheten, men på ett intellektuellt plan. En vetenskaplig modell beskriver de observationer man gjort i abstrakta termer, vanligen i form av matematiska samband.

I enklaste fallet kan modellen utgöras av en enda matematisk funktion, till exempel ett polynom. Ett förstagradspolynom svarar mot räta linjens ekvation och duger utmärkt som modell om mätpunkterna ser ut att falla längs en rät linje. Siple/Mauna Loa-värdena faller inte längs en rät linje. Ett andragradspolynom (en parabel) ger inte heller någon tillfredsställande beskrivning av dessa mätvärden. Men med hjälp av en dator är det lätt att till exempel konstruera ett sjättegradspolynom som ansluter sig väl till mätpunkterna. Det finns nämligen datorprogram som kan anpassa vilken funktion som helst till en given uppsättning av mätvärden. Anpassningen går så till att datorn räknar ut vilka värden på konstanterna i polynomet som får motsvarande kurva att ansluta sig så bra som möjligt till mätpunkterna. Vad som menas med ”så bra som möjligt” i detta sammanhang redde statistiker ut på 1930-talet.

Ett polynom kan alltså ge en godtagbar beskrivning av Siple/Mauna Loa-kurvan och fungerar utmärkt som en rent deskriptiv modell. Men polynomet säger inte ett dugg om orsakerna till att koldioxidnivåerna ökat så som mätvärdena visar. Därför nöjer sig forskare vanligen inte med rent deskriptiva modeller, utan arbetar med modeller som bygger på skeendena bakom de observationer man gjort. De matematiska sambanden i sådana modeller härleds från kända fysikaliska lagar på basis av vad man tror sig veta om de bakomliggande skeendena.

 

9.2   Kinetiska kolcykelmodeller

Kinetik är ett ämnesområde som behandlar reaktioners hastighet och mekanism. Det har utvecklats inom teoretisk och fysikalisk kemi, men är av stort intresse för naturvetenskap i allmänhet och den klimatologiskt inriktade kolcykelforskningen i synnerhet. De största vetenskapliga kontroverserna inom den senare forskningen rör problem av rent kinetisk art. Hur snabbt omsätts kolföreningar i naturen? Hur länge stannar utsläpp av antropogen koldioxid kvar i luften?

Kinetiska modeller av reaktionsflödena i kolcykeln kan göras mer eller mindre komplicerade beroende på vad det är man vill modellera. Är man bara intresserad av att beskriva hur snabbt ett utsläpp av koldioxid försvinner från luften räcker det i princip med att betrakta ett system bestående enbart av atmosfären. Ett system bestående av en enda box, skulle en modellerare säga. Sedan kan man tillämpa massverkans lag för att härleda den avklingningsfunktion som bestämmer hur snabbt koldioxid enligt modellen flödar ut från boxen om utflödet förutsätts vara praktiskt taget irreversibelt. Samt testa i vilken mån modellen ger en godtagbar beskrivning av de observationer som gjorts.

Med tanke på jämviktslägena för utbytet av koldioxid mellan olika reservoarer bör oceanerna vara den helt dominerande sänkan för atmosfäriska koldioxidutsläpp. Kolcykelforskare använde sig därför till en början av enkla kolcykelmodeller som endast beaktade de två boxarna luft och hav. Det var ett sådant tvåboxsystem som definierades och kinetiskt modellerades i Avsnitt 7.7–7.8 (Bild 33 respektive Ekv. 7.4–7.6).

I ett senare skede föredrog oceanografer att beakta förfinade modeller där hydrosfären i princip delats in i flera boxar. Skälet är att att spridningen av ämnen i oceanerna befunnits ske över olika tidsskalor i yt-, mellan- och djuphav. Man anser att det kan ta hundratals, eller rent av tusentals, år för utsläpp av ämnen att tränga ner från ytvattnet till djuphavsgravarna.

I biosfären omsätts kolföreningar likaså över vitt skilda tidsskalor beroende på om det handlar om växters fotosyntes, organismers andning och tillväxt, nyttjandet av biobränslen, eller förmultningsprocesser. Kommer därtill att det finns en biosfär såväl på land som i sjöar och hav.

På grund av denna naturens heterogenitet har det funnits ett behov inom forskningen att kunna beskriva kolcykelreaktionerna i system som beaktar ett stort antal boxar. Modeller för sådana system tas fram genom att karakterisera koldioxidflödet mellan de olika boxarna med hjälp av ett antal differentialekvationer och diverse tillhörande reaktionskonstanter (så kallade parametrar). Sedan får en dator lösa ekvationerna för de valda parametervärdena.

Den i Avsnitt 7.7–7.8 beaktade tvåboxmodellen (luft-hav) definierar två parametrar (k12 och k21), men eftersom k12 >> k21 bestäms modellens förutsägelser vid konstant temperatur i praktiken av en enda parameter (k12, eller om man så vill av dess inverterade värde vilket IPCC definierar som koldioxidens atmosfäriska uppehållstid). Storleken av denna enda parameter är lätt att bestämma genom att anpassa modellen till experimentella resultat rörande koldioxidutbytet.

Multiboxmodeller inkluderar ett flertal parametrar (normalt två per box), vilkas värden man likaså försöker uppskatta genom att anpassa modellkurvorna till experimentella resultat. Det stora antalet parametrar (samt de begränsade möjligheterna att genomföra klarläggande experiment för vissa boxar) gör det svårt att objektivt bestämma storleken av samtliga parametrar. Multiboxmodellernas förutsägelser blir därför i hög grad beroende av modellerarens subjektiva val av vilka boxar man ska särskilja och vilka värden man tilldelar kritiska parametrar i modellen.

Boxmodellernas styrka ligger i att de bygger på massverkans lag, vars giltighet är väl befäst i såväl teori som praktik. Men för att massverkans lag ska kunna tillämpas måste de beaktade reaktanterna förutsättas vara välblandade inom varje box, så att deras koncentrationer kan tilldelas ett för boxen representativt värde. Det kravet anser modellerare sig vanligen kunna tillfredsställande uppfylla med lämpligt val av av boxar, t. ex. genom att dela in oceanerna i yt-, mellan- och djuphav. Men inom modern forskning har man även satsat på den alternativa möjligheten att beskriva blandningen av ämnen i oceanerna med så kallade strömningsmodeller. Dessa tar hänsyn till blandningsfaktorer som konvektion och diffusion enligt andra fysikaliska samband än massverkans lag.

Det finns alltså många sätt att modellera kolcykelhändelserna. Teoretiskt sett borde modellerna vara bättre ju mer detaljerade de görs. I praktiken medför dock stor detaljrikedom ofta att modellerna blir underbestämda, dvs. att de definierar fler parametervärden än vad gjorda observationer förmår ge skattningar av. I sådana fall bestäms modellens utfall inte längre av fysikaliska principer, utan av modellerarens val av parametervärden. Med enklare modeller blir det dessutom vanligen lättare att utröna vilka skeenden som är av störst betydelse för specifika observerade företeelser.

Koldioxidutbytet mellan atmosfären och hydrosfären kan på goda grunder förväntas vara av störst betydelse för bortskaffandet av luftöverskott av koldioxid. Detta övervägande låg till grund för de klimatologiska pionjärernas val att modellera kolcykelskeendena utgående från det enkla luft/hav-systemet i Avsnitt 7.7–7.8. Efterföljande tre avsnitt belyser hur man med kinetisk modellering av detta system även kan få god information om den termiska avgasningens bidrag till ökningen av luftens koldioxidhalt under industriell tid.

 

9.3   Arrheniusekvationen och termisk avgasning

Reaktioners temperaturberoende karakteriserades 1889 av fysikalkemisten Svante Arrhenius med följande ekvation som bär hans namn:

                          k = A Exp[-Ea/RT]                                                                         (9.1)

Arrheniusekvationen beskriver hur hastighetskonstanten (k) för en reaktion ökar med ökande storlek av den absoluta temperaturen (T). R står för den allmänna gaskonstanten, och A är en för reaktionen specifik konstant. Temperatureffektens styrka bestäms av konstanten Ea, vilken kallas reaktionens aktiveringsenergi. Arrheniusekvationen står i samklang med modern termodynamisk teori och har empiriskt visat sig hålla för såväl enskilda reaktionssteg som komplexare termiskt styrda processer.

Kallt vatten löser mer koldioxid än varmt vatten. Det innebär att global uppvärmning med säkerhet ger upphov till termisk koldioxidavgasning av hydrosfären. För att utröna vad som kinetiskt karakteriserar sådan termisk avgasning måste man minimalt beakta ett system bestående av atmosfären och hydrosfären, dvs. luft/hav-systemet som definierades av Bild 33 i Avsnitt 7.8. Den kinetiska differentialekvationen för luftens koldioxidhalt (x) i detta system gavs (Ekv. 7.4) av

                                dx/dt = – k12 x + k21 y                                                                      (9.2)

där temperaturens kända effekt på koldioxidens vattenlöslighet enklast modelleras med antagandet att hastighetskonstanten k21 (den som beskriver koldioxidflödet från hav till luft) är temperatur- beroende enligt Arrheniusekvationen.

Temperatureffekter på hastighetskonstanter är momentana. En ökning av temperaturen leder enligt Arrheniusekvationen till att k21 omedelbart ökar i storlek, vilket medför att även derivatan dx/dt (luftkoldioxidhaltens ändringsfart) momentant ökar och därmed ger upphov till termisk avgasning. En temperaturminskning leder analogt till att ändringsfarten momentant minskar.
Om temperaturen fluktuerar, så kommer ändringsfarten att fluktuera i takt med temperatur-variationerna utan någon som helst tidsmässig eftersläpning.

Nu vet vi att den Södra Oscillationens temperatursvängningar (El Niño vs. La Niña) har globalt genomslag; årsutjämnade globala havsvattentemperaturer uppvisar El Niño-fluktuationer. Därför kan vi på basis av vår kännedom om temperaturberoendet av koldioxidens vattenlöslighet och ovan beskrivna kvalitativa implikationer av Arrheniusekvationen förutsäga att luftkoldioxid-haltens ändringsfart måste uppvisa motsvarande fluktuationer. Har dessa kunnat upptäckas vid analyser av Keelingkurvan?

Ja, helt visst! Keeling själv har påpekat att luftkoldioxidhaltens ändringsfart fluktuerar momentant i takt med havstemperaturens El Niño-variationer (Avsnitt 8.10 och Bild 40). Dessa fluktuationer av ändringsfarten måste med säkerhet delvis återspegla hydrosfärens termiska koldioxidavgasning. Frågan är om de helt kan förklaras som en effekt av termisk avgasning. Svaret ges i nästa avsnitt.

 

9.4   Keelingkurvans temperaturberoende

Analyser av temperatureffekter på Keelingkurvan kompliceras av att den senare med säkerhet även återspeglar effekter av utsläpp av antropogen koldioxid. På grund av dessa utsläpp måste Ekv. (9.2) kompletteras med en term E(t) som beskriver med vilken fart antropogen koldioxid har tillförts luften och sålunda bidragit till luftkoldioxidhaltens ändringsfart:

                                  dx/dt = E(t)k12 x + k21 y                                                           (9.3)

Enligt föregående avsnitt kan man enklast ta hänsyn till temperaturens kända effekt på koldioxidens vattenlöslighet med antagandet att effekten härrör från hastighetskonstanten k21 och funktionellt anges av Arrheniusekvationen. Vidare kan det förindustriella värdet av k21 relateras till storleken av k12 genom att nyttja IPCC:s kolcykeldata för det förmodade förindustriella jämviktsläget, vilket bestäms av kvoten k21/k12. Ekv. (9.3) utgör därför en modell som endast involverar två parametrar med fritt valbara värden, hastighetskonstanten k12 (vars inverterade värde IPCC definierar som koldioxidens atmosfäriska uppehållstid) och aktiveringsenergin Ea för hydrosfärens termiska avgasning av koldioxid. Jag kommer fortsättningsvis att referera till denna modell som den termiska luft/hav-modellen.

Utgående från av IPCC stödda data om utsläppsmängderna och temperaturutvecklingen kan man med datorhjälp lösa Ekv. (9.3) för att analysera om den förmår beskriva de observationer som gjorts. En sådan analys är av rent matematisk karaktär och kan genomföras på olika sätt. Min egen analys av problemet75 har utgått från att en skattning av modellens två parametervärden kräver minst två välvalda observationer. Som sådana valdes koldioxidhalten år 1985 (Keelingkurvans nuvarande mittvärde) och amplituden av ändringsfartens El Niño-fluktuation år 1998 (temperaturhöjningen under 1998 års El Niño var osedvanligt stor och gav ett osedvanligt renodlat gensvar i koldioxidens ändringsfart). Analysen gav vid handen att dessa två observationer är förenliga med Ekv. (9.3) för ett enda par av parametervärden, nämligen aktiveringsenergin 165 kJ/mol/K och uppehållstiden 14 år.

Bild 41 fluktuationer


Bild 41 (återgiven från kontrollberäkningar utförda av Pehr Björnbom inom ramen för Stockholms-initiativets klimatupplysning) visar att den termiska luft/hav-modellen för de skattade parametervärdena inte enbart ger en förträfflig beskrivning av 1998-års fluktuationstopp, vars amplitud den anpassats till, utan även tillfredsställande återger amplituderna av ändringsfartens El Niño-fluktuationer ända sedan dess uppmätningarna av Keelingkurvan påbörjades. Svaret på förra avsnittets avslutande fråga är att fluktuationernas existens och väsenliga huvuddrag förvisso kan förklaras som en effekt enkom av termisk avgasning.

Bild 42 visar analogt att den termiska luft/hav-modellen för samma skattade parametervärden inte enbart återger 1985-års luftkoldioxidhalt, som den anpassats till, utan även ger en i det närmaste perfekt beskrivning av Keelingkurvan i sin helhet. Det lär inte vara en slump, med tanke på att Keelingkurvan summerar effekterna av två oberoende och starkt varierande jämviktsstörningar (de antropogena utsläppen och temperaturvariationerna); utsläppsmängder och temperaturer vid Keelingkurvans start, liksom vid dess slut, är helt andra än de som gällde år 1985. Modellens goda beskrivning av Keelingkurvan i sin helhet, och av kurvans El Niño-fluktuationer i sin helhet, ger starkt belägg för att effekterna av de två skilda slagen av jämviktsstörningar faktiskt huvudsakligen styrts av de enkla matematiska sambanden i Ekv. (9.3).

Bild 42 termisk luft:hav o Keeling


Utgående från den termiska luft/hav-modellen kan man också beräkna de individuella bidragen av antropogena utsläpp och termisk avgasning till Keelingkurvans långsiktiga trend mot allt högre luftkoldioxidhalter. Bild 42 inkluderar resultaten av sådana beräkningar, vilka konfirmerar att den temperatureffekt som ger upphov till Keelingkurvans El Niño-fluktuationer är av sådan styrka att den även högst signifikant bidragit till kurvans långsiktiga trend. Konsekvenserna av detta för kolcykelbudgeten ska jag återkomma till i Avsnitt 9.6–9.8.

Modellresultaten i Bild 41–42 framkommer med matematisk stringens som den unika lösningen till Ekv. (9.3) enligt föreliggande statistik över utsläppsmängder och temperaturutvecklingen under industriell tid. Dessvärre är det tämligen omöjligt att intuitivt inse detta, dvs. att till exempel känna sig övertygad om att Keelingkurvan svarar mot uppehållstiden 14 år. I nästa avsnitt ska jag därför dra uppmärksamhet till observationer som ger en långt mera intuitivt lättförståelig bild av hur snabbt uppkomna luftöverskott av koldioxid elimineras genom att överföras till naturen i övrigt.

 

75   G. Pettersson, 2014, False Alarm (Paper 4)

 


9.5   Bombprovskurvan

Naturligt kol består till 99% av isotopen C12, där tolvan står för atomvikten. Resten utgörs av den lite tyngre isotopen C13, men i atmosfärens koldioxid (och i förnyelsebara kolreservoarer) finns det även små mängder av den radioaktiva isotopen C14. Denna isotop bildas kontinuerligt genom den kosmiska strålningens inverkan på luftens kvävemolekyler, och sönderfaller sedan spontant med halveringstiden 5 730 år. Balansen mellan dessa två processer medför att atmosfärisk koldioxid naturligt innehåller en tämligen konstant jämviktsmängd av C14.

Vi vill veta vad som händer med atmosfäriska utsläpp av koldioxid. Då vore ett idealt experiment att släppa ut ett överskott av C14-märkt koldioxid i luften och se vart (och med vilken fart) överskottet försvinner. Ett sådant experiment skulle aldrig strålskyddsmyndigheter tillåta oss att genomföra. Men vi behöver inte vara ledsna för det. Experimentet har redan genomförts av militärer.

Under det kalla kriget på 1950- och 60-talet ägnade sig de dåvarande stormakterna flitigt åt att provspränga kärnvapen i det fria. Strålningseffekterna av dessa test ledde till att halten C14 i luftens koldioxid steg långt över den naturliga jämviktsnivån. När provsprängningarna ovan jord upphörde år 1963 hade mängden C14-koldioxid ungefär fördubblats. Ett stort antal forsknings-grupper har därefter studerat hur det producerade överskottet av C14-koldioxid försvunnit ur atmosfären, närmre bestämt ur troposfären där gasutbytet med biosfären och hydrosfären sker.

Resultaten av sådana studier illustreras i Bild 43 av den observationsserie som norrmännen Nydal och Lövseth uppmätt nära Nordkap med hjälp av norska flygvapnet.76 De redovisade ∆C14-värdena ger initialt ett gott approximativt mått på mängden C14-koldioxid och tyder på att denna efter provstoppsavtalet sjunkit enligt en exponentiell avklingningskurva karakteriserad av en halveringstid på ungefär 10 år (svarande mot relaxationstiden 14 år). De norska mätningarna avslutades 1993, men centraleuropeiska studier visar att ∆C14-värdena även därefter fortsatt att sjunka (färgade punkter i Bild 43).77

Bild 43 bombprov okorrigerad


Avklingningen av ∆C14-värdena har inte något att göra med
14C-isotopens radioaktiva sönderfall; de norska mätpunkterna i Bild 43 är korrigerade för detta obetydliga sönderfall. ∆C14 är emellertid beräknad på basis av uppmätta C14/C12-kvoter. Därför påverkas mätvärdena i kurvans senare del påtagligt av den så kallade Suess-effekten, dvs. av den utspädning av koldioxidens C14-halt som utsläppen av C14-fri koldioxid från fossila bränslen ger upphov till. Genom att korrigera för denna effekt kan man översätta ∆C14-värdena i Bild 43 till en storhet n14/n14r som är proportionell mot den uppmätta mängden C14. För att få fram värden som åskådliggör hur bombprovsöverskottet av C14 bortskaffats ur atmosfären krävs dessutom en mindre korrektion för industriella utsläpp av C14 efter 1963.78

Svarta och blå mätpunkter i Bild 44 visar den sålunda korrigerade bombprovskurvan, vilken anger tidsförloppet för relaxationen av bombprovsöverskottet av C14-märkt koldioxid. De observerade värdena beskrivs förträffligt av bildens röda kurvan, vilken har beräknats från Ekv. (9.2) för samma parametervärden (uppehållstiden 14 år och aktiveringsenergin 165 kJ/mol/K) som de som erhölls vid analysen av Keelingkurvans långsiktiga trend och El Niño-fluktuationer.

Bild 44 korrigerad bombprov


Detta analytiska resultat ger klart belägg för att C14-koldioxid och utsläpp av antropogen koldioxid som förväntat bortskaffas ur atmosfären enligt samma mekanism och med i stort sett samma hastigheter. Den korrigerade bombprovskurvan ger därför en direkt bild av hur snabbt en överskottspuls av koldioxid försvinner ur luften och överförs till naturen i övrigt. Bilden har bekräftats av ett flertal observationer och beräkningar som dokumenterat
79 att försvinnandet av bomb-C14 ur luften svarat mot ett kvantitativt överensstämmande upptag av bomb-C14 i biosfären och hydrosfären.

Den termiska luft/hav-modellen förmår alltså beskriva såväl bombprovskurvan som Keelingkurvan och Keelingkurvans El Niño-fluktuationer, med parametervärden som är förenliga med de som har bestämts experimentellt (se Appendix). Den är unik i detta avseende. I nästa avsnitt utgår jag därför från att den termiska luft/hav-modellen för närvarande ger den tillförligaste informationen om hur snabbt överskott av koldioxid bortskaffas ur luften (och därmed om kolcykelbudgeten).

 

76    R. Nydal & K. Lövseth, 1996, Carbon Dioxide Information Analysis Center
77    I. Svetlik et al., 2007, Czechoslovak Journal of Physics56:Suppl. D1
78    G. Pettersson, 2014, http://www.false-alarm/paper-5/
79    A. K. Jain et al., 1997, Journal of Geophysical Research102:1327

 


9.6   Budget för ökningen av luftens koldioxidhalt

För varje molekyl kol som förbränns till koldioxid går det åt en molekyl syre. De senaste decennierna har man genomfört mätningar som konfirmerar att förbränningen av fossilt kol lett till en minskning av luftens halt av syre i det förväntade ett-till-ett-förhållandet. Molekylärt räknat har minskningen av syrgashalten dessutom befunnits vara signifikant större än ökningen av luftens koldioxidhalt. Det bekräftar att luftutsläppen av antropogen koldioxid i avsevärd utsträckning har tagits upp i biosfären och hydrosfären, men ger ingen information om hur mycket den oupptagna delen av utsläppen bidragit till att öka luftens koldioxidhalt jämfört med bidraget från hydrosfärens termiska avgasning.

Det gör däremot den kinetiska analys av empiriska data som beskrevs i Avsnitt 9.4 och fastställde att den termiska luft/hav-modellen är deskriptivt tillförlitlig. Analysresultaten i Bild 42 illustrerade att såväl antropogena utsläpp som termisk avgasning lämnat högst signifikanta bidrag till ökningen av luftens koldioxidhalt under industriell tid, ehuru i olika mån under olika tidsperioder. Tabell 5 anger hur stora bidragen enligt analysresultaten varit under några representativa tidsperioder. Den visar att antropogena utsläpp genomsnittligt bidragit något mer (54%) än termisk avgasning under den industriella eran i sin helhet (1850–2010). Men på senare tid (t. ex. 2000–2010) har ökningen av luftens koldioxidhalt företrädesvis orsakats av termisk avgasning.

tabell 5


Det sistnämnda analysresultatet kan förefalla paradoxalt, med tanke på att det inte förelegat något ökning av den globala yttemperaturen under perioden 2000–2010. Paradoxen är emellertid skenbar och uppstår endast om man utgår från att temperaturförändringar leder till en momentan jämvikts- anpassning av luftens koldioxidhalt. Så är inte fallet, utan uppvärmningsframkallade havsöverskott av koldioxid avges lika långsamt till luften som utsläppsframkallade luftöverskott av koldioxid tas upp i havet. Båda relaxationsprocesserna sker via samma reaktionsmekanismer och styrs av en och samma relaxationstid, i den mån en sådan kan definieras.

Den termiska luft/hav-modellen föreskriver att överskott av koldioxid i hav eller luft elimineras med en relaxationstid nära 14 år, svarande mot halveringstiden 10 år. Haven kan alltså förväntas avge koldioxid i flera decennier efter en höjning av temperaturen. Tidsförloppet för avgasningen kommer att följa en ”omvänd” bombprovskurva, så att hälften av överskottet avges under de första tio åren medan huvudparten av den resterande hälften avges under efterföljande två decennier. Det förklarar varför termisk avgasning förblivit en dominerande bidragskälla till ökningen av luftens koldioxidhalt under perioden 2000–2010. Bidraget härrör från resterande effekter av den starka globala uppvärmningen under föregående två decennier.

 

9.7   Biosfärens andel av upptaget av antropogen koldioxid

Från 1850 fram till 2010 har vi enligt CDIAC:s statistik sammanlagt släppt ut 530 GtC antropogen koldioxid. Resultaten i Tabell 5 ger belägg för att utsläppen under denna tidsperiod bidragit till att öka luftens koldioxidhalt med 58 ppm, vilket svarar mot 123 GtC. Endast 23% av utsläppen tycks alltså ha stannat kvar i luften. Resten (77%, dvs. cirka 410 GtC) har tagits upp av naturliga sänkor.

Skillnaden mellan minskningen av luftens syrgashalt och ökningen av luftens koldioxidhalt ger ett mått på upptaget av luftburen antropogen koldioxid i dessa sänkor (hydrosfären och biosfären). Klimatologer som räknat på sådana resultat har för enkelhets skull förutsatt att hela detta upptag skett i oceanerna, en approximation som också alla luft/hav-modeller tekniskt sett nyttjar sig av. Godtar man denna approximation, så blir modellresultaten i Tabell 5 även budgetmässigt representativa för de antropogena koldioxidutsläppen. Den del av utsläppen som inte förblivit luftburen och bidragit till ökningen av luftens koldioxidhalt har tagits upp i hydrosfären.

En mera realistisk tolkning av modellresultaten är att de ger en god bild av hur snabbt koldioxid-överskott avlägsnats ur luften, eftersom de baserar sig på observationer av tidsmässiga variationer av luftens koldioxidhalt. Däremot säger resultaten inte så mycket om var koldioxiden hamnat efter det att den avlägsnats ur luften. Enligt IPCC:s kolcykelschema är nämligen hastighetskonstanterna för överföring av luftkoldioxid till hydrosfären respektive biosfären ungefär lika stora. Det innebär att bortskaffandet av luftburna koldioxidöverskott kan förväntas ske med i stort sett samma fart vare sig hydrosfären eller biosfären är den dominerande sänkan. Boxen ”hav” i luft/hav-modeller kan, vad upptaget av koldioxidutsläpp beträffar, betraktas som en kombinerad hydrosfär/biosfär-box. Man måste nyttja sig av ytterligare observationer för att skatta de två sänkornas relativa betydelse.

Enligt de av IPCC angivna förindustriella jämviktslägena för kolföreningars fördelning i naturen borde på lång sikt (och vid bibehållen temperatur) 94% av upptagna luftöverskott av koldioxid hamna i hydrosfären och endast 6% i biosfären. Situationen är dock inte så enkel att upptaget av en koldioxidpuls direkt fördelar sig i dessa proportioner. Initialt kommer nämligen biosfären att ta upp ungefär lika mycket av koldioxidpulsen som hydrosfären, eftersom hastighets-konstanterna för de två upptagsprocesserna befunnits vara av approximativt samma storlek. Detta belyses av Bild 45, vilken beskriver tidsförloppet för upptaget av bomb-C14 i hydrosfären och biosfären.

Bild 45 c14 inventory


Bild 45 baserar sig på den analys av militärernas ”bombprovsexperiment” som genomförts av tyska kolcykelforskare på basis av ett synnerligen omfattande observationsmaterial.
80 När de ovanjordiska kärnvapentesten upphörde 1963 började luftöverskottet av C14-koldioxid att sjunka, samtidigt som C14-nivåerna steg i såväl biosfären som hydrosfären. Stigningen var till en början ungefär lika snabb i båda sänkorna. Hydrosfärens C14-nivåer fortsatte sedan att stiga med avklingande fart fram till 2005 (slutåret för inventeringen). I biosfären passerade däremot C14-nivån ett flackt maximum efter tio år och har därefter sjunkit så sakteliga. Det återspeglar att hydrosfären utgör den jämviktsmässigt djupaste sänkan. Stora delar av det C14-upptag som initialt hamnade i biosfären har med tiden vidarebefordrats till hydrosfären.

Den röda kurvan i Bild 45 visar hur biosfärens andel av upptaget av 1963 års överskottspuls av C14-koldioxid har sjunkit enligt den tyska forskargruppens C14-inventering. 1965 återfanns 40% av den upptagna mängden bomb-C14 i biosfären. 2005 hade andelen sjunkit till cirka 20%. Följaktligen är det omöjligt att generellt ange i vilken utsträckning överskottpulsen av bomb-C14 har tagits upp i biosfären respektive biosfären. En kvantitativ precisering av de två sänkornas relativa betydelse för upptaget av pulsmässiga utsläpp kräver en precisering av vilken tidsperiod man beaktar.

Å andra sidan kan man med hjälp av den röda kurvan beräkna hur stor del av en utsläppspuls av koldioxid man vid ett givet senare tillfälle kan förvänta sig återfinna i biosfären. Baserar man sådana beräkningar på den termiska luft/hav-modellen, så ger de vid handen att biosfären efter 1950 innehållit ungefär 20% av den sedan 1850 totalt utsläppta mängden antropogen koldioxid.

De antropogena utsläppen tycks med andra ord ha lett till en högst påtaglig ökning av jordens biomassa. De ökade lufthalterna av koldioxid har haft en signifikant ”gödslingseffekt”, så som IPCC förmodade i 2013-års rapport. Vi har fått en grönare jord.

 

80   T. Naegler & I. Levin, 2006, J. Geophys. Res.111:211

 


9.8   Budget för utsläppen av antropogen koldioxid

Resultaten av modellberäkningarna i Avsnitt 9.4–9.7 kan nu sammanfattas som följer: Av den totala mängden utsläpp av antropogen koldioxid från 1850 fram till 2010 har uppskattningsvis 57% tagits upp i hydrosfären och 20% i biosfären. Resten (23%) har stannat kvar i atmosfären och svarat för ungefär hälften av den uppskattade ökningen av luftens koldioxidhalt under industriell tid.

Den beräknade fördelningen av de antropogena koldioxidutsläppen på olika sänkor (för enkelhets skull betraktar jag även luften som en sänka) har varierat något från decennium till decennium, men endast i ringa mån. Det framgår till exempel av Tabell 6, vilken visar budgetläget under perioden 1990–1999 så som det angivits av IPCC respektive framkommit genom i detta kapitel redovisade beräkningar (kolumnen ”här”). Parentetiskt anges de olika sänkornas andel av utsläppsupptaget i procent av den totala utsläppsmängden.

tabell 6


Enstaka skeptiker har med hänvisning till 1900-talets globala uppvärmningen hävdat att de stigande lufthalterna av koldioxid under förra århundradet troligen härrör från termisk avgasning
i stället för från antropogena utsläpp. Det är en orimlig ståndpunkt. Alarmister har med rätta påpekat att det finns empiriska belägg för att havet genomsnittligt inte varit en källa till, utan en sänka för, de luftöverskott av koldioxid som uppstått på grund av antropogena utsläpp. Nettoflödet av koldioxid från luft till hav har skattats med ett flertal metoder, och är enligt IPCC:s senaste bedömning (år 2013) 2,2 (± 0,7) GtC/år för 1990-talets vidkommande.

Men IPCC har intagit den lika ensidiga ståndpunkten att detta nettoflöde endast återspeglar havets upptag av antropogena utsläpp. Det är på grundval av denna förutfattade mening man kommit fram till att 1990-talets havsupptag av utsläppen varit så låg som 2,2 GtC/år (Tabell 6), varför man råkat i svårigheter med att förklara vart resten av de antropogena koldioxidutsläppen tagit vägen.

I själva verket är det inte fråga om antingen-eller utan om både-och. Såväl antropogena utsläpp som termisk avgasning har med säkerhet bidragit till att öka lufthalterna av koldioxid under 1900-talet. Avsnitt 9.4 beskrev hur man genom strikt analys av föreliggande observationer kan skatta storleken av dessa två säkerställda källors bidrag. Data i kolumnen ”här” i Tabell 6 är baserade på de sålunda erhållna analysresultaten. Nettoflödet av koldioxid från luft till hav bestäms av skillnaden mellan havets upptag av antropogen koldioxid och havets termiska avgasning. Under 1990-talet har denna skillnad enligt Tabell 6 uppgått till 4,8 – 2,3 = 2,5 GtC/år, helt förenligt med de experimentella skattningarna av nettoflödet.


9.9   IPCC-stödda kolcykelmodeller

Samtliga IPCC-rapporter präglas av den alarmistiska grundsynen att våra utsläpp av antropogen koldioxid på grund av växthuseffekten leder till en global uppvärmning som kan få katastrofala följder om vi inte vidtar åtgärder för att minska utsläppen. För alarmister och IPCC har det därför varit väsentligt att framställa de antropogena utsläppen som det huvudsakliga skälet till att luftens koldioxidhalter ökat under 1900-talet (eller åtminstone efter 1958, enligt Keelingkurvan).

Mot den bakgrunden är det förståeligt att IPCC föredragit att negligera termisk avgasning och att utan belägg förutsätta att de ökande lufthalterna av koldioxid ger ett direkt mått på mängden antropogen koldioxid som stannat kvar i luften. Problemet är att en uppsjö av experimentella skattningar visat att koldioxidens atmosfäriska uppehållstid är i storleksordningen 10 år (Avsnitt 7.8). Konventionellt utvärderad är uppehållstiden därmed enligt Avsnitt 7.9 alldeles för kort för att antropogena utsläpp ska kunna vara den helt dominerande orsaken till att lufthalterna av koldioxid ökat så som Keelingkurvan anger.

Alarmister har därför långt innan IPCC inrättades sökt argumentera att de experimentellt bestämda uppehållstiderna inte ger någon relevant information om hur snabbt antropogena koldioxidutsläpp avlägsnas ur luften. Många av de anförda argumenten har varit uppenbart orimliga genom att bygga på tanken att koldioxid av antropogent ursprung bär sig annorlunda åt än naturlig koldioxid. IPCC tog omsider (1995-års rapport) klart avstånd från sådana vanföreställningar.

Andra forskare har tagit fasta på att luft/hav-modeller ger en förenklad bild av verkligheten. Det har lett till konstruktionen av mera detaljerade kolcykelmodeller som inkluderar biosfären, och som boxindelar såväl hydrosfären som biosfären och ibland även atmosfären. IPCC:s första tre rapporter beaktade ett flertal sinsemellan likartade kolcykelmodeller av sådan multiboxkaraktär. I den fjärde rapporten framhölls en av dessa som mönstergill genom att användas för alla modellberäkningar av data rörande naturens omsättning av koldioxid. Denna utvalda modell har prominenta fysiker vid Berns universitet som upphovsmän och kallas Bernmodellen.

 

9.10   Bernmodellen

Bernmodellen behandlar atmosfären som en box, medan biosfären uppdelas i flera boxar. Även hydrosfären är i princip boxindelad, och beaktar transport/diffusionsprocesser för spridningen av koldioxid i olika vattenskikt. Bernmodellen var från början en oceanmodell. Därför har man sökt välja parametervärden som medför att Bernmodellen bibehåller den ursprungliga oceanmodellens förmåga att tillfredsställande beskriva spårämnens observerade spridning i havet.

Vad omsättningen av atmosfärisk koldioxid beträffar, förutsätter Bernmodellen att antropogena utsläpp är det enda som bidrar till ändringar av luftens koldioxidhalt. Om så är fallet ska Mauna Loa-kurvan ge en indirekt bild av hur länge utsläppen stannar kvar i luften. Parametervärdena har därför valts på sådant sätt att modellen nära nog perfekt återger Mauna Loa-kurvan när man som indata använder sig av föreliggande uppgifter om de antropogena koldioxidutsläppen.

Med sådana parameterval ges modellens avklingningsfunktion (impulse response function) för bortskaffandet av en utsläppspuls av koldioxid enligt IPCC av

   Kvarvarande del = 0,19 Exp{–t/1,2} + 0,34 Exp{–t/19} + 0,26 Exp{–t/173} + 0,22        (9.4)

Ekv. (9.4) säger att naturens upptag av en utsläppspuls av koldioxid sker i tre distinkta faser med vitt skilda hastigheter. Tidskonstanterna 1,2, 19 och 173 i de tre exponentialfunktionerna anger relaxationstiderna i år för de tre faserna. Den gröna kurvan i Bild 46 visar hur grafen för Ekv. (9.4) ser ut över ett tidsintervall där endast ekvationens två snabbast avklingande faser klart kan urskiljas. De efterföljs av en ännu långsammare fas som inte avklingat till 95% förrän efter cirka 500 år.

Bild 46 bombprov och Bernmodellen


De tre faserna anses uppkomma genom att en mindre del av en utsläppspuls av koldioxid först tas upp i havets ytskikt med en fart svarande mot den experimentellt bestämda uppehållstiden. Men ytvattnets förmåga att ta upp koldioxid förutsätts vara starkt begränsad av
Revelleeffekten (vilken behandlas i nästa avsnitt). Därför kommer huvudparten av utsläppspulsen enligt IPCC:s syn att tas upp betydligt långsammare, med en fart som begränsas av långsam överföring av kolföreningarna från ytvattnet till djupare belägna delar av oceanerna.

Bernmodellen vann genast alarmisternas gehör. Den visar att det är möjligt att matematiskt beskriva Keelingkurvan som ett resultat av antropogena koldioxidutsläpp. Skeptikernas invändning att de experimentellt skattade värdena på koldioxidens uppehållstid leder till rakt motsatt slutsats bemöttes med påståendet att de empiriskt skattade uppehållstiderna inte har någon relevans för hur snabbt utsläppen försvinner ur luften, eftersom detta enligt Ekv. (9.4) styrs av tre olika relaxationstider.

Det senare argumentet är ohållbart. Bombprovskurvan (Avsnitt 9.5) ger experimentellt belägg för att avklingningen av den militärt åstadkomna pulsen av C14-koldioxid skett i en enda dominant fas, vilken kan beskrivas med en enda uppehållstid i bemärkelsen relaxationstid (röd kurva i Bild 46). De empiriskt skattade uppehållstiderna är därför högst relevanta för beräkningar av hur snabbt koldioxidutsläpp försvinner ur luften. I stället är det Bernmodellen som saknar relevans, eftersom den inte förmår beskriva de observationer som gjorts enligt Bild 46 och data i Appendix.

För mig som kinetiker är det uppenbart att IPCC grundar sina kolcykelbedömningar på modeller som är teoretiskt osunda och ger en felaktig bild av kinetiken för koldioxidutbytet mellan luft och hav. Efterföljande avsnitt i detta kapitel belyser detta genom att påvisa felaktigheterna i de arbeten och resonemang som varit av fundamental betydelse för IPCC:s ställningstaganden.

 

9.11   Revelleeffekten och havets karbonatkemi

Henrys lag säger att jämviktstrycket av en gas ovanför en vätskefas är proportionellt mot gasens koncentration i vätskan. Partialtrycket (p) av koldioxid i luften är alltså vid jämvikt proportionellt mot havets koldioxidhalt, och därmed mot havets totala halt (y) av karbonatföreningar (koldioxid, kolsyra, bikarbonat- och karbonatjoner). Det innebär att ändringar (∆p) av koldioxidens partialtryck vid konstant pH och temperatur måste ge upphov till proportionella ändringar (∆y) av havets jämviktshalt av karbonatföreningar enligt sambandet

                       ∆p/p = (∆y/y)                                                                              (9.5)

I ett klassiskt arbete år 1957 fann Revelle och Suess81 att antropogena utsläpp inte kan vara den huvudsakliga orsaken till att luftens koldixidhalt ökar om Ekv. (9.5) gäller, men skulle kunna vara det om ökningar av p leder till cirka 10 gånger mindre ökning av y än vad Ekv. (9.5) föreskriver. De föreslog därför att överföringen av luftöverskott av koldioxid till havet styrs av sambandet

                    ∆p/p = R (∆y/y)                                                                           (9.6)

där den så kallade Revellefaktorn R betraktades som en konstant med ett värde nära 10. Införandet av denna faktor minskar formelmässigt vattnets förmåga att ta upp luftkoldioxid med en faktor 10. Det innebär att antropogena koldioxidutsläpp modellmässigt stannar kvar i luften avsevärt längre och i långt högre grad än vad man har anledning förmoda på grundval av empiriska bestämda data för koldioxidens atmosfäriska uppehållstid och förindustriella jämviktsfördelning mellan luft och hav (Avsnitt 7.9 och 9.4–9.5).

Som motivering för införandet av faktorn R ≈ 10 anförde Revelle-Suess ”vattnets speciella buffertmekanism” (Revelleeffekten). Vad klimatologer omsider kom att avse med detta klargjordes året efter av Bolin och Eriksson i ett arbete82 där de påpekade att koldioxidupptag i rent vatten försurar detta. Genom att granska effekten av försurningen på proportionerna mellan olika karbonatföreningars halter ansåg sig de senare författarna kunna fastställa att Revellefaktorns värde är 12.5.

Nu är det så att Henrys lag har fått namnet ”lag” eftersom dess giltighet är utomordentlig väl befäst. Teoretiskt kan den härledas från grundläggande termodynamiska samband, t. ex. massverkans lag. Experimentellt har den för koldioxidens del befunnits gälla för temperaturer upp till 100 ˚C och för tryck från bråkdelar av en atmosfär till 1000 atmosfärer. Revelle och Suess presenterade Ekv. (9.6) som ett jämviktssamband gällande havet i sin helhet och vid konstant pH. Därför kan man direkt konstatera att deras förslag att R ≈ 10 strider mot Henrys lag, vilken föreskriver att R = 1.

Bolin och Eriksson tycks ha varit medvetna om detta, eftersom de betecknade Ekv. (9.6) som ett apparent jämviktsamband gällande enbart för upptaget av luftöverskott av koldioxid i oceanernas ytvatten. En grundförutsättning i deras resonemang var nämligen att luftens koldioxid befinner sig i omedelbar jämvikt med ytvattnets karbonatföreningar. Dessutom vände de sig mot Revelle-Suess förmodan att Ekv. (9.6) gäller vid konstant pH genom att tvärtom hänföra Revelleeffekten till den försurning av havet som utsläppen av antropogen koldioxid antogs ge upphov till.

Men Ekv. (9.6) förblir osund, även så som den härletts av Bolin-Eriksson, Härledningen har inte tagit adekvat hänsyn till att jämviktssystem skiljer sig från system som inte nått jämvikt.

 
81  
R. Revelle & H, Suess, 1957, Tellus9:18
82   B. Bolin & E. Eriksson, 1958, In The atmosphere and the sea in motion, pp. 130–142

 

 

9.12   Jämvikt versus icke-jämvikt

Utsläpp av antropogen koldioxid stör rådande förhållanden och startar eller vidmakthåller processer som strävar mot att åstadkomma jämvikt i systemet. Det vi vanligen uppfattar som naturens upptag av utsläppen är kinetiskt sett relaxationen (jämviktsinställningen) av ett system som på grund av utsläppen inte längre är i jämvikt och som enligt IPCC inte har varit i jämvikt sedan den industriella eran inleddes. Koncentrationsvariabler i sådana system uppvisar ett tidsberoende som kinetiker normalt försöker beskriva med modeller som utgår från de beaktade variablernas tidsderivator och lösningarna till motvarande kinetiska differentialekvationer.

Det var den metod Revelle & Suess (1957) använde sig av fram till den osunda introduktionen av Revellefaktorn. Det var likaså den metod jag anslöt mig till i Avsnitt 9.4, där den sunt härledda delen av Revelle-Suess luft/hav-modell utvidgades till att även inkludera temperaturberoendet av koldioxidens vattenlöslighet.

Henrys lag, å andra sidan, är en jämviktslag. Den beskriver hur luftens koldioxidhalt förhåller sig till havets halt av karbonatföreningar när systemet har nått jämvikt, så att reaktant-koncentrationer i systemet antagit fixa värden och inte längre är tidsberoende. Bolin-Eriksson härledde Ekv. (9.6) genom tillämpning av Henrys lag. Det betyder att ekvationen endast kan vara giltig när ∆p och ∆y hänför sig till skillnaden mellan två olika jämviktstillstånd av systemet. Därmed förlorar ekvationen varje som helst praktiskt intresse, eftersom vi på sin höjd har empirisk information om värdena på p och y vid ett enda jämviktstillstånd (det som enligt IPCC rådde i förindustriell tid). Ekvationen kan inte tillämpas förrän systemet ånyo nått jämvikt. Och det lär dröja, eftersom det kräver att de antropogena koldioxidutsläppen helt upphört samt att temperaturerna behagar hålla sig någorlunda konstanta på centennienivå.

Bolin-Eriksson och klimatologiska kolcykelforskare i gemen har saknat insikt om denna väsentliga begränsning av giltigheten av Ekv. (9.6). I stället har de utgått från att ekvationens ∆p och ∆y svarar mot den utsläppsbetingade skillnaden mellan p och y från en tidpunkt till en annan, dvs. mot dp/dt och dy/dt för variablernas tidsberoende jämviktsinställning. Det har fått dem att tolka Ekv. (9.6) som om den vore identisk med

                    (dp/dt) / p = R [(dy/dt) / y]                                                                         (9. 7)

så att den förmodats vara användbar för att beräkna hur snabbt antropogena koldioxidutsläpp avlägsnas ur luften (dvs. hur snabbt jämviktsinställningen sker). Det är den inte. Med en korrekt definiering av ekvationernas ∆p och ∆y utgör de från Henrys lag härledda Ekv. (9.5 – 9.6) tidsoberoende jämviktssamband som omöjligen kan säga något om jämviktsinställningens tidsberoende.

Bolin-Erikssons grundförutsättning att luftens koldoxid alltid befinner sig i jämvikt med ytvattnets karbonatföreningar innebär att man förutsätter att dp/dt = dy/dt = 0 enligt definitionen av jämvikt. Deras på denna förutsättning baserade analys av ytvattnets karbonatkemi kan därför omöjligen leda till slutsatsen att R = 12.5. Jämviktsförutsättningen reducerar nämligen Ekv. (9.7) till 0 = 0*R som inte kan lösas med avseende på R. Det går inte att fastställa något värde på R med Bolin-Erikssons analytiska tillvägagångssätt under de av dem angivna förutsättningarna.

Man kan inte både ha kakan och äta den. Man kan inte karakterisera den tidsberoende variationen av luftens koldioxidhalt (ändringarna  p) genom analyser som samtidigt förutsätter att det inte föreligger någon tidsberoende variation eftersom systemet antas befinna sig i jämvikt. Bolin-Eriksson har försökt använda sig av en tidshierarkisk jämviktsapproximation. Men de har infört den på ett oprofessionellt sätt som står i strid med kinetisk teori och har lett till en felsyn på vad som hastighetsbegränsar havets upptag av luftöverskott av koldioxid.    

 

9.13   Den tidshierarkiska jämviktsapproximationen

Vid relaxationskinetiska analyser introducerar man ofta approximationer som grundar sig på en tidshierarkisk uppdelning av processerna. Är man huvudsakligen intresserad av vad som sker på decennienivå, då kan man tillåta sig att helt bortse från reaktionssteg som är så långsamma att de kräver tusentals år för att ge signifikanta effekter. Analogt kan man särbehandla mycket snabba reaktionssteg med en approximation som innebär att reaktanterna i de snabba stegen förutsätts vara i ständig jämvikt med varann.

Luftkoldioxid löser sig mycket snabbt i vatten. I laboratorieskala inställer sig jämvikten för utbytet av koldioxid mellan luft och vatten praktiskt tagit fullständigt inom loppet av några sekunder eller minuter vid temperaturer och pH-värden som inte avviker alltför drastiskt från de naturligt föreliggande. Det betyder att luftens koldioxid jämviktar snabbt med havets ytvatten över de tidsskalor (årtionden till århundraden) som beaktas i diskussioner av de antropogena koldioxidutsläppens växthuseffekt. Om man så vill, kan man mycket väl införa en tidshierarkisk jämviktsapproximation baserad på luftkoldioxidens snabba jämviktning med ytvattnets karbonatföreningar.

Bolin & Eriksson beaktade i sitt arbete år 1958 ett treboxsystem bestående av atmosfären, havets ytvatten och resten av havet (fortsättningsvis kallat ”det egentliga havet” eftersom ytvattnet endast utgör en ringa del av den totala havsvolymen). Systemets relaxationskinetik styrs av tre differentialekvation som beskriver tidsberoendet av halten kolföreningar i respektive box. Lösningen till dessa differentialekvationer avgör hur snabbt antropogena koldioxidutsläpp tas upp i havet.

En tidshierarkisk approximation baserad på att luftkoldioxiden jämviktar snabbt med ytvattnet förenklar det matematiska lösningsförfarandet. En av de tre differentialekvationerna byts ut mot ett enkelt jämviktssamband som säger att ytvattnets halt av karbonatföreningar är proportionell mot luftens koldioxidhalt i enlighet med Henrys lag. Det för med sig att man inte längre kan särskilja luften och ytvattnet som två kinetiskt separata boxar. I stället måste de matematiskt behandlas som en enda box, där ytvattnet kan ses som en förlängning av atmosfären.83 

Inom denna kombinerade box styrs enligt jämviktsapproximationen kolets fördelning mellan luft och ytvatten av Henrys lag. Ytvattnets halt av karbonatföreningar är alltså i varje ögonblick proportionell mot luftens koldioxidhalt. Proportionalitetskonstanten avgör hur stor del av den totala mängden kol i boxen man återfinner i luften respektive i ytvattnet. Därmed avgör den också storleken av den del av ett koldioxidutsläpp som tas upp så snabbt i ytvattnet att upptaget enligt approximationen kan betraktas som omedelbart. Den delen är enligt bomb-C14-inventeringarna (Avsnitt 9.7, Bild 45) försumbart liten jämfört med delen som tas upp i havet med tidsfördröjning. Detta torde först och främst återspegla att ytvattnet utgör en försumbart liten del av den totala havsvolymen, men även försurning av ytvattnet kan vara en delförklaring.

Oavsett varför den omedelbart upptagna delen av bomb-C14-pulsen är försumbart liten ger själva observationen klart besked. Ytvattnet svarar för en försumbart liten del av det totala havsupptaget av antropogena koldioxidutsläpp. Hur snabbt utsläppen tas upp i havet avgörs så gott som enbart av det tidsberoende upptaget av koldioxid i det egentliga havet.

Det var en kort beskrivning av innebörden och konsekvenserna av en korrekt införd tidshierarkisk jämviktsapproximation. Då kan vi övergå till att granska i vilka avseenden en sådan approximation leder till samma eller andra slutsatser än de som Bolin-Eriksson och andra dragit på basis av förutsättningen att luftens koldioxid befinner sig i omedelbar jämvikt med ytvattnets karbonatföreningar.


83  
E. T. Sundquist & L. N. Plummer, 1981, in Carbon Cycle Modelling (ed. B. Bolin), Series 16, p. 259–269

 


9.14   Ytvattnet är ett gränsskikt med speciella egenskaper

När koldioxid löser sig i vatten som innehåller ett överskott av kalciumjoner får man en utfällning av kalciumkarbonat. Denna utfällning av kabonat i fast fas fixerar i princip lösningens pH-värde vid jämvikt. Ytterligare upptag av koldioxid från luften ovanför vattenytan ger inte längre någon varaktig försuring av vattnet, utan de vätejoner som frigörs när koldioxiden bildar kolsyra neutraliseras på sikt av att en motsvarande mängd av kaarbonatutfällningen återupplöses i vattnet.

Berggrunden lager av kalksten och krita har uppstått genom att karbonatutfällningar har ansamlats som sediment på havsbottnen och fossiliserats. Bolin-Eriksson var medvetna om att återupplösning av karbonatsediment motverkar de antropogena koldioxidutsläppens havsförsurande effekt. Sådana återupplösning förmodades endast vara av signifikans i bottennära delar av havet, varför analysen av försurningseffekterna begränsades till havets ytvatten. Bolin-Erikssons boxindelning av havet ställde alltså ytvattnet i motsats till vad som numera brukar betecknas som djuphavet. De bottennära delarna av havet förmodades uppvisa speciella egenskaper. Ytvattnets egenskaper förmodades vara representativa för havet i allmänhet.

Den tidshierarkiska jämviktsapproximationen definierar ytvattnet som den del av havet där halten karbonatföreningar svarar väl mot jämviktsvärdena för den föreliggande lufthalten av koldioxid. Experimentella data har gett belägg för att det finns en sådan zon av havet, och att den sträcker sig från havsytan ner till några tiotals meters djup med hundra meters djup som ett absolut maximum.84 Denna zon utgör vad flertalet forskare numera avser med begreppet havets ytvatten. Den uppvisar på grund av koldioxidens snabba hydratisering speciella karakteristika som starkt avviker från vad som gäller för havet i övrigt.

Med hänvisning till Bolin-Erikssons arbete har ett otal klimatforskare och andra debattörer hävdat att antropogena koldioxidutsläpp på grund av Revelleeffekten leder till en successiv försämring av havets förmåga att ta upp koldioxid. Det är en missuppfattning som grundar sig på att man i likhet med Bolin-Eriksson inte förmått skilja mellan vad som gäller för ytvattnet respektive för det egentliga havet.

Det är möjligt att ökningen av luftens koldioxidnivåer har lett till en försuring av ytvattnet enligt de jämviktssamband som utretts av Bolin-Eriksson. Detta har i så fall försämrat ytvattnets förmåga att ta upp koldioxid och ytterligare minskat den lilla andel av luftöverskott av koldioxid som lösts i ytvattnet utan tidsfördröjning. Ytvattnets insignifikanta bidrag till havets totala upptag av antropogena koldioxidutsläpp kan därigenom endast ha blivit ännu insignifikantare.

Men framför allt återspeglar missuppfattningen grundtanken att ytvattnets egenskaper har stor inverkan på hur snabbt antropogena koldioxidutsläpp tas upp i havet. Den grundtanken emanerar från de samband som Bolin-Eriksson och andra härlett med hjälp av jämviktsförutsättningar, men felaktigt tillämpat på system som inte befinner sig i jämvikt för att få information om den tidsberoende delen av havsupptaget av utsläppen (Avsnitt 9.11–9.12).

Det är beträffande denna grundtanke som en korrekt införd jämviktsapproximation leder till helt andra slutsatser än de som dragit av Bolin-Eriksson m. fl. och anammats av IPCC. Ytvattnet kan inte ha någon signifikant inverkan på farten av utsläppens tidsberoende upptag i det egentliga havet. Varför inte borde vara uppenbart för alla, men har tydligen inte varit det. Därför klargörs skälet i nästa avsnitt.


84  
E. T. Sundquist & L. N. Plummer, 1981, in Carbon Cycle Modelling (ed. B. Bolin), Series 16, p. 259–269
arbonatfören

 

 

9.15   Hastighetsbegränsningen av havets koldioxidupptag

Ett gemensamt särdrag för alla IPCC-stödda kolcykelmodeller är att de, vanligen med hänvisning till Revelleeffekten, tillskriver ytvattnet en hastighetsbegränsande roll i havsupptaget av utsläppen av antropogen koldioxid. Grunden för detta synsätt lades av Bolin-Eriksson i deras arbete år 1958, där ytvattnet betecknades som en flaskhals för havets upptag av luftburna koldioxidöverskott.

I själva verket medför Bolin-Erikssons jämviktsförutsättning (liksom den i Avsnitt 9.13 beskrivna tidshierarkiska jämviktsapproximationen att ytvattnet i kinetiskt avseende hamnar så fjärran från en flaskhals man kan komma; koldioxiden förutsätts ju tagas upp omedelbart, dvs. oändligt snabbt. Den verkliga flaskhalsen, det som kinetiker brukar kalla processens hastighets-begränsande steg, utgörs i stället av karbonatföreningarnas transport från ytvattnet till det egentliga havet. Det är detta steg som ger upphov till tidsberoendet av koldioxidupptaget och som hastighetsmässigt svarar mot koldioxidens experimentellt uppmätta uppehålls- och relaxationstider.

Luftkoldioxidens snabba jämviktning med havets ytvatten medför alltså definitionsmässigt att ytvattnet inte bidrar signifikant till hastighetsbegränsningen av den tidsberoende delen av havets upptag av atmosfäriska koldioxidöverskott. Vidare svarar ytvattnet enligt Avsnitt 9.13 endast för en försumbar del av havets totalupptag av sådana överskott. Ytvattnet har med andra ord inte någon signifikant betydelse överhuvud taget för det egentliga havets upptag av luftöverskott av koldioxid, annat än som ett transportförmedlande gränsskikt. Därav följer att man vid beräkning av hur snabbt antropogena koldioxidutsläpp tas upp i havet inte vinner något på att göra åtskillnad mellan ytvattnet och det egentliga havet.

I Avsnitt 7.7–7.8 utvärderades koldioxidens experimentellt bestämda uppehålls- och relaxationstider i ljuset av en luft/hav-modell som hänför dessa parametrar till koldioxidutbytet mellan luft och hav. Avskiljer man ytvattnet som en separat del av havet, så medför koldioxidens snabba jämviktning mellan luft och ytvatten att parametrarna i stället (enligt en korrekt införd jämviktsapproximation) måste hänföras till koldioxidutbytet mellan luften och det egentliga havet. Beträffande tolkningen av de skattade parametervärdena ändras alltså ingenting annat än att man nomenklaturmässigt måste kalla havet för det egentliga havet.

Följaktligen förmår vare sig beaktandet av ytvattnet som en separat del av havet, förutsättningen att koldioxidens luft/ytvatten-jämvikt inställer sig snabbt, eller ytvattnets speciella karbonatkemi (så som den beskrivits av Bolin-Eriksson) undanröja det som ett otal forskare har påpekat sedan länge. Koldioxidens uppmätta relaxationstid/uppehållstid är alldeles för kort för att antropogena utsläpp ska kunna vara det enda eller det helt dominerande skälet till att luftens koldioxidhalt har ökat under industriell tid.

IPCC har bedömt att de experimentella skattningarna av koldioxidens relaxationtid/uppehållstid genomsnittligt svarar mot värdet 4 år, men har ignorerat observationerna med motiveringen att de endast hänför sig till luftkoldioxidens upptag i ytvattnet. IPCC anser alltså att det tar cirka 12 år innan koldioxidjämvikten mellan luft och ytvattnet inställt sig till 95%. Samtidigt ger IPCC fullt stöd åt kolcykelmodeller som undantagslöst härletts med förutsättningen avv jämviktsinställningen är omedelbar så att Henrys lag kan tillämpas.

Enligt IPCC inställer sig alltså koldioxidens luft/ytvatten-jämvikt omedelbart, samtidigt som den inte är uppnådd till 95% förrän efter 12 år. Det belyser vilka självmotsägelser IPCC hamnat i genom att stödja Bernmodellen och andra kolcykelmodeller som konstruerats på teoretiskt osunda grunder.

Så lås oss granska IPCC:s kolcykelbedömningar mera översiktligt!

 

9.16   Utvärdering av IPCC:s kolcykelbedömningar

I sin fjärde rapport påstår IPCC att man inte kan definiera någon uppehållstid för luftens koldioxid. Det påståendet strider mot IPCC:s egen definition av begreppet uppehållstid som inverterade värdet av specifika hastighetskonstanter. Sådana kan enligt massverkans lag definieras för alla utbyten av reaktanter i boxindelade system.

Vad IPCC i själva verket tycks försöka säga är att man inte kan definiera någon unik relaxationstid för upptaget av koldioxid, eftersom upptaget enligt Bernmodellen sker i tre distinkta faser. IPCC påpekar med rätta att uppehållstider enligt IPCC:s definition inte är samma sak som relaxationstider, vilket man tar som belägg för att de experimentellt skattade värdena på koldioxidens uppehållstid (se Appendix) saknar relevans för hur snabbt antropogena koldioxidutsläpp bortskaffas ur luften.

Därvidlag förbiser IPCC för det första att hastighetskonstanter är den primära fysikaliska storhet som bestämmer relaxationsbeteendet av ett boxindelat system. ”Uppehållstider” definierade som det inverterade värdet av hastighetskonstanter är därför högst relevanta för relaxationsbeteendet. I den mån systemet uppvisar definierbara relaxationstider, så är dessa en funktion av ”uppehållstiderna” och kan mycket väl approximativt överenstämma i storlek med någon av dessa (se Avsnitt 7.8).

Men framför allt förbiser IPCC att rapporterade experimentella mätvärden enligt sammanfattningen i Appendix beskrivits som skattningar av koldioxidens uppehållstid av forskare som haft en annan syn än IPCC på hur denna ska definieras. Några av dessa mätvärden har bestämts med metoder som relaterar uppmätta koldioxidflöden till luftens koldioxidhalt och representerar ”uppehållstider” enligt IPCC:s definition. Men flertalet värden i Appendix har bestämts med metoder som innebär att värdena faktiskt representerar direkta skattningar av koldioxidens relaxationstid.

Det föreligger alltså en uppsjö av experimentella resultat som visar att koldioxidens relaxationstid är i storleksordningen 10 år, och som dessutom visar att relaxationstiden är av approximativt samma storlek som det inverterade värdet av hastighetskonstanten för koldioxidöverföringen från luft till hav. De IPCC-stödda modellerna ger ingen förklaring till dessa empiriskt fastställda karakteristika för koldioxidutbytet, utan ignorerar dem. IPCC:s modellbaserade bedömning att koldioxidens effektiva relaxationstid är 50–200 år strider mot de experimentella observationer som gjorts.

Det gör även IPCC:s modellbaserade bedömning att pulsmässiga luftöverskott av koldioxid bortskaffas i tre distinkta faser och inte är 95-procentigt eliminerade förrän efter ett halvt årtusende. Bombprovskurvan i Bild 46 baserar sig på direkta mätningar och visar att den militärt skapade överskottspulsen av C14-koldioxid eliminerades i en enda urskiljbar fas inom loppet av 40 år. IPCC:s försök att bortförklara denna klargörande observation (bland annat med argumentet att C14-koldioxid bär sig annorlunda åt än antropogen koldioxid) är teoretiskt ohållbara och vittnar mest om en skrämmande brist på kemisk och reaktionskinetisk kompetens.

IPCC utgår i sina bedömningar från att temperaturen inte har någon signifikant effekt på utbytet av koldioxid mellan luft och hav. Det strider mot vad som sedan länge varit känt rörande temperatur-beroendet av koldioxidens vattenlöslighet och motsägs av observationen att Keelingkurvan uppvisar synnerligen signifikanta temperaturberoende El Niño-fluktuationer som tillfredsställande beskrivs av den termiska luft/hav-modellen (Bild 41).

Kort sagt förmår de IPCC-stödda kolcykelmodellerna inte förklara en enda av de ovan diskuterade fundamentala observationerna rörande relaxationen av atmosfäriska koldioxidöverskott, utan är i kritiska avseenden oförenliga med dem.

 


9.17   Sammanfattning av kolcykelkontroversen

Under industriell tid har det förvisso släppts ut stora mängder antropogen koldioxid, årligen ungefär dubbelt så mycket som den mängd atmosfärens koldioxidhalt samtidigt ökat med enligt Keelingkurvan. Utgår man enbart från denna observation, så ligger det nära till hands att tolka den som att vid pass hälften av utsläppen stannat kvar i luften. Men nu vet vi också att 1900-talet präglats av global uppvärmning. För naturvetenskapare med kunskap om temperaturberoendet av koldioxidens vattenlöslighet bör det därför ligga lika nära till hands att inse att Keelingkurvan även måste återspegla termisk avgasning.

Åtskilliga skeptiker har tagit fasta på det senare förhållandet. Några har föreslagit att de stigande lufthalterna av koldioxid orsakats av, i stället för att ge upphov till, den globala uppvärmningen. Andra har nöjt sig med att presentera belägg för att de stigande havstemperaturerna under senare delen av 1900-talet måste ha gett ett substantiellt bidrag till Keelingkurvan.85

Om man vill veta varför lufthalterna av koldioxid har ökat och det finns två säkerställda källor till ökningen, så är det enda vetenskapligt rationella att försöka uppskatta bidragen från vardera källan. Det är den linje som följts i detta kapitel och som ledde fram till den termiska luft/hav-modellen (Avsnitt 9.4). Enligt denna modell har den relativa storleken av bidragen från antropogena utsläpp respektive termisk avgasning varierat under industriell tid. Genomsnittligt har båda källorna varit av betydelse och hittills gett ungefär likstora bidrag till ökningen av luftens koldioxidhalt.

Den termiska luft/hav-modellen beaktar endast två boxar och nyttjar sig bara av koldioxidens uppehållstid samt den termiska avgasningens aktiveringsenergi som anpassningsbara parametrar. Trots denna extrema enkelhet förmår modellen ge en fullt tillfredsställande beskrivning av såväl Keelingkurvan som Keelingkurvans El Niño-fluktuationer och bombprovskurvan för en uppehållstid (14 år) vars storleksordning överensstämmer med de empiriskt skattade värdena (Bild 47). I motsats till de IPCC-stödda kolcykelmodellerna (föregående avsnitt) är den termiska luft/hav-modellen konsistent med fundamentala observationer som att luftens koldioxidhalt uppvisar ett temperaturberoende, att bombprovskurvan svarar mot en monofasisk relaxationsprocess, samt att koldioxidens relaxationstid befunnits överensstämma med dess uppehållstid och är av storleksordningen 10 år snarare än 100 år (Bild 47).

Bernmodellen och andra IPCC-stödda kolcykelmodeller utgår från den alarmistiska hypotesen att ökningen av luftens koldioxidhalt under industriell tid åstadkommits av oss människor. Modellerna har därför konstruerats på sådant sätt att de förmår återge Keelingkurvans långsiktiga trend. Det har fått alarmister att tro på modellerna och deras förmåga att även kunna förutsäga hur hög luftens halt av koldioxid kan förväntas bli i framtiden. Alla IPCC-stödda klimatmodellers prognoser rörande den förmodade framtida globala uppvärmningen på grund av koldioxidens växthuseffekt baserar sig på de förutsägelser av framtida koldioxidnivåer som anges av Bernmodellen eller snarlika kolcykelmodeller.

De IPCC-stödda kolcykelmodellernas förmåga att återge Keelingkurvan är emellertid helt fiktiv. Modellerna har bibringats denna förmåga genom applicering av samband och parametervärden som inkorrekt framställt koldioxidens effektiva uppehållstid som ungefär 10 gånger längre än vad den experimentellt befunnits vara (Bild 47). De applicerade sambanden är i fundamentala avseenden teoretiskt osunda (Avsnitt 9.11–9.15), och kritiska parametrar har tilldelats subjektivt valda värden som endast återspeglar modellkonstruktörens syn på vad modellerna bör ge för utfall. Dit hör till exempel de val av parametervärden som medfört att en av relaxationstiderna i Bernmodellens avklingningsfunktion (Ekv. 9.4) blir så lång som 173 år. En objektiv bestämning av tidskonstanter i den storleksordningen kräver kinetiska observationer som sträcker sig över flera århundraden, och något sådant observationsmaterial existerar inte.

Bild 47


Skälet till att alarmister och IPCC framhåller Bernmodellen och liknande kolcykelmodeller som mönstergilla tycks tämligen uppenbart. Modellerna överskattar gravt hur länge koldioxidutsläpp stannar kvar i atmosfären och får därmed utsläppen att framstå som ett större förment hot än de är. Överskattningen görs genom valen av parametervärden precis så stor som behövs för att utsläppen av antropogen koldioxid ska kunna framställas som skälet till att luftens koldioxidnivåer ökat enligt Keelingkurvan. Modellerna stöds av IPCC eftersom de är konsistenta med en av det alarmistiska budskapets centralaste grundhypoteser.

Ur vetenskaplig aspekt står det emellertid klart att de IPCC-stödda kolcykelmodellerna är teoretiskt osunda, oförenliga med basala empiriska data för koldioxidens relaxationskinetik, samt otjänliga för beräkningar av hur länge antropogena koldioxidutsläpp stannar kvar i luften. Det senare är främst en följd av att modellkonstruktörerna bortsett från att koldioxidens vattenlöslighet är temperatur- beroende. Detta har lett dem till att negligera havets termiska koldioxidavgasning, vilken enligt de teoretiskt sunda och empiriskt baserade modellberäkningarna i Avsnitt 9.4 ungefärligen svarat för hälften av 1900-talets ökning av luftens koldioxidhalt.

Så när de IPCC-stödda kolcykelmodellerna används för att beräkna framtida atmosfäriska koldioxidnivåer får man resultat som gravt överskattar det antropogena bidraget till kalkylerade framtida temperaturer. Likaså överskattar modellerna gravt vilken effekt en minskning av utsläppen av antropogen koldioxid kan få på de kalkylerade framtida temperaturerna. Men framför allt förleder de undermåliga kolcykelmodellerna klimatmodellerare till bortse från att luftens halt av koldioxid är temperaturberoende.

Klimatmodellerarnas negligering av temperaturberoendet av koldioxidens vattenlöslighet är vetenskapligt oförsvarbar, men lättförståelig. Klimatmodeller kräver skattningar av luftens framtida koldioxidnivåer som ingångsvärden vid beräkningar av förväntade framtida temperaturer. Om termisk avgasning har en icke-försumbar inverkan på koldioxidnivåerna ställs man inför problemet att man måste veta vad de framtida temperaturerna kommer att bli för att kunna beräkna dem. Det är inte någon ideal situation för en klimatmodellerare.

Mera därom följer i nästa kapitel, som bland annat behandlar klimatmodeller.


85  
O. Humlum et al., 2013, Global and Planetary Change 100:51