Is de CO₂-stijging uitzonderlijk?

In het artikel ‘Grote natuurlijke CO₂-stromen’ is geconcludeerd dat de opwarming van de aarde de drijvende kracht is achter de gestegen CO₂-concentratie in de atmosfeer. Dit zou echter betekenen dat deze concentratie ook in eerdere warme periodes hoog moet zijn geweest. Het IPCC stelt echter dat de CO₂-concentratie voor lange tijd (vele duizenden jaren) onder de 300 ppm is geweest; de stijging heeft zich alleen voorgedaan in de afgelopen 150 jaar.

De CO₂-niveaus vóór 1958 zijn bepaald aan de hand van ijskernmetingen, in het bijzonder de onderzoeken die zijn uitgevoerd op Antarctica na 1985. Alvorens in te gaan op de ijskernmetingen op Antarctica van na 1985, kijken we eerst naar andere waarnemingen. Het gaat hier om onderzoeken die duidelijk andere resultaten laten zien, maar die niet terug te vinden zijn in de conclusies van het IPCC.

Andere historische CO₂-waarnemingen

Naast de ijskernmetingen op Antarctica zijn er andere waarnemingen die een indicatie geven over historische kooldioxidewaarden.

Atmosferische metingen van voor 1958

Het overgrote deel van deze metingen is door het IPCC buiten beschouwing gehouden. Een belangrijke basis hiervoor vormde de publicatie van Callendar uit 1958, waarin een selectie is gemaakt van de vele meetresultaten die beschikbaar waren. In de volgende figuur is duidelijk zichtbaar dat hij uitsluitend gekozen heeft voor metingen die een lage CO₂-concentratie laten zien; alle hogere waarden zijn buiten beschouwing gelaten.

Het is moeilijk om in te schatten hoe betrouwbaar de verschillende metingen zijn. Er zullen ongetwijfeld metingen bij zitten die een vertekend beeld geven, bijvoorbeeld door locale invloeden op de meetopstelling. Tegelijkertijd gaat het om wetenschappelijke publicaties van gerespecteerde wetenschappers en is er gebruik gemaakt van meettechnieken, waarvan de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid redelijk goed bekend zijn. De resultaten vormen in ieder geval een indicatie dat variëteit in meetwaarden groter is dan de ijskernmetingen suggereren.

Plantstomata

Planten die op het land verblijven, hebben meestal duizenden huidmondjes aan de onderkant van hun bladeren. Het blijkt dat de dichtheid van de stomata (het aantal per cm²) een indicatie is voor de CO₂-concentratie in de atmosfeer: bij een hogere concentratie hebben planten een lagere dichtheid aan stomata en omgekeerd. Het grote voordeel van het gebruik van stomata is dat de verhouding met de atmosferische CO₂-concentratie experimenteel kan worden aangetoond.

Het blijkt dat analyses op basis van historische plantstomata ook een veel grotere variëteit en hogere waarden laten zien in de CO₂-concentratie dan bij ijskernmetingen. De volgende grafieken zijn uit een onderzoek van Jessen et al. uit 2005 en uit een Nederlands onderzoek van Friederike Wagner et al. uit 2002. Beide onderzoeken laten (over verschillende periodes) een aanzienlijk hogere concentratie zien dan bij ijskernmetingen.

Ook de conclusie uit een onderzoek van Wagner et al. uit 1999 is duidelijk: “Our results falsify the concept of relatively stabilized Holocene CO₂ concentrations of 270 to 280 ppmv until the industrial revolution. SI-based CO₂ reconstructions may even suggest that, during the early Holocene, atmospheric CO₂ concentrations that were >300 ppmv could have been the rule rather than the exception” “Onze resultaten weerleggen het idee van relatief gestabiliseerde Holoceen CO₂-concentraties van 270 tot 280 ppmv tot de industriële revolutie. Op SI-gebaseerde CO₂-reconstructies suggereren zelfs dat, tijdens het vroege Holoceen, atmosferische CO₂-concentraties van >300 ppmv eerder regel dan uitzondering waren."

IJskernmetingen op Groenland

De grafiek van afbeelding 1 is gebaseerd op metingen op Antarctica. Er hebben echter ook op Groenland ijsboringen plaatsgevonden. De wetenschappelijke publicaties over deze metingen laten over het algemeen veel hogere concentraties CO₂ zien dan de waarden die het IPCC presenteert. Een voorbeeld is het onderzoek van Schwander et al., 1993 dat waarden op Groenland laat zien die variëren tussen 357 to 641 op 20 meter diepte en tussen 243 en 436 ppm op 70 meter diepte. Zie verder deze blog-post van Kenneth Richard: Uncovered: CO2 In Modern Ice Reaches 900 – 70,000 ppm – Wildly Incompatible With Atmospheric Levels, waarin hij een opsomming geeft van studies met vergelijkbare resultaten.

Renee Hannon heeft de resultaten van enkele onderzoeken op Groenland samengevat in onderstaande grafiek.

De metingen op Groenland laten niet alleen hogere waarden zien dan op Antarctica, ook de variëteit is groter. Vanwege deze afwijking hebben sommige onderzoekers, o.a. Anklin et. al, 1997, hun twijfel over de betrouwbaarheid van de metingen op Groenland gegeven. De suggestie was dat CO₂ mogelijk in het ijs werd gevormd door bepaalde chemische processen. De aanwezigheid van dit soort processen is echter niet direct aan te tonen. Hoewel verontreiniging niet is uit te sluiten, vertonen de resultaten over het algemeen een goede correlatie met de temperatuurwaarnemingen en de methaanconcentraties.

IJskernmetingen van vóór 1985

Halverwege de jaren vijftig is men gestart met het bepalen van kooldioxideconcentraties in sneeuw en ijs in gletsjers en op Groenland en Antarctica. Het is opvallend om te zien dat vrijwel alle onderzoeken in de periode tot ongeveer 1985 veel hogere concentraties CO₂ lieten zien dan latere onderzoeken. In de volgende schermafdruk heeft Jaworowski (1992) verschillende van die onderzoeken samengevat. Zoals te zien is, is er een grote spreiding in de gevonden waarden (van 100 tot 7400 ppm) en liggen de hoogste waarden ver af van de latere waarnemingen.

De grote vraag is hoe het mogelijk is dat zo veel onderzoeken in die periode deze grote spreiding in concentratie hebben waargenomen, terwijl dat later niet het geval was. We gaan hieronder nader in op dit vraag.

IJskernmetingen op Antarctica

Een ijskern is een lange cilinder van ijs die met behulp van een speciale boor van een gletsjer of ijskap is verwijderd. IJskernen zijn verzameld van elk continent, maar de meeste komen uit Groenland en Antarctica. De ijskap zoals op Antarctica is gevormd door opgehoopte lagen sneeuw. Elke laag sneeuw is anders in chemie en textuur, zomersneeuw verschilt van wintersneeuw, enzovoorts. Na verloop van tijd comprimeert de begraven sneeuw onder het gewicht van de sneeuw erboven en vormt ijs.

In dit proces zijn verschillende stadia te onderkennen. In de mixing zone vindt er via de bovenliggende lagen nog in ruime mate uitwisseling met lucht in de atmosfeer plaats. Deze laag (in het Engels ‘firn’ genoemd) is een tussenvorm van sneeuw en ijs. Door het toenemende gewicht gaan de poriën van de luchtbellen geleidelijk meer gesloten raken in de diepere lagen. De sealing zone (of Lock-in-Zone) is een overgangsfase waarbij de poriën in de luchtbellen steeds sterkere mate meer gesloten worden. Pas in het zogenaamde sealed ice zijn de luchtbellen geïsoleerd van de atmosfeer. De ingesloten luchtbelletjes vormen de basis voor de bepaling van de CO₂-concentratie. Het idee is dat de samenstelling van de lucht in de belletjes de informatie geeft over de concentraties uit de tijd dat de luchtbellen werden gevormd.

Om de betrouwbaarheid van ijskernmetingen te kunnen inschatten, zijn er twee cruciale vragen.

• Is of de gemeten concentratie in de gasbellen ook daadwerkelijk de concentratie was in de atmosfeer op het moment dat de gasbollen werden gevormd?
• Wat is de impact van het geleidelijk sluiten van de luchtbellen in het ijs op de gemeten concentratie?

Is de concentratie in de luchtbellen gelijk gebleven?

Een van de belangrijkste vragen bij ijsboringen is of de concentratie in de luchtbellen in het ijs ook daadwerkelijk overeenkomt met die van de atmosfeer op het moment dat de luchtbellen werden gesloten. Het onderliggende idee is dat de opgesloten lucht in het ijs daar goed geconserveerd is en dat er dus geen uitwisseling met de omgeving plaatsvindt. De stellige presentatie van de historische CO₂-waarden zoals het IPCC, NASA en andere organisaties dat doen, suggereert dat het een uitgemaakte zaak is. Maar in werkelijkheid zijn er nog veel vragen onbeantwoord.

Een belangrijke indicatie voor de betrouwbaarheid van de ijskernmetingen komt van het onderzoek van Etheridge et al. uit 1996., die metingen van 3 boringen op verschillende plaatsen op Antarctica met elkaar heeft vergeleken. Hij heeft hiervoor de concentraties in de hogere firn-lagen van een boring vergeleken met atmosferische metingen en met de metingen uit de diepere lagen van een andere boring. Daarin trof hij geen significante verschillen aan en concludeerde zo dat de luchtbellen een betrouwbare weergave vormen van de historische concentratie in de atmosfeer. De onnauwkeurigheid van de concentratie op basis van dit onderzoek bedroeg slechts 1,2 ppm.

Er zijn echter andere onderzoeken die deze conclusies in twijfel trekken. Al in 1978 lieten Stauffer en Berner zien, dat de CO₂-concentratie in de luchtbelletjes geen goede afspiegeling is van de oorspronkelijke concentratie: “We estimate the fraction of CO₂, present in bubbles to be only about 20%. The remaining part is dissolved in the ice.” “We schatten het aandeel CO, aanwezig in bellen, op slechts ongeveer 20%. Het resterende deel lost op in het ijs.” Dit betekent dus dat de oorspronkelijke concentraties veel hoger waren dan waar we nu van uitgaan. Het grootste deel van de oorspronkelijke CO₂ is opgelost in het ijs.

Ook de Poolse wetenschapper Zbigniew Jaworowski heeft uitgebreid gepubliceerd over de in zijn ogen onterechte aannames, als zouden de luchtbelletjes in het ijs een gesloten systeem vormen zonder enige interactie met de omgeving. Zie o.a. CO2: The Greatest Scientific Scandal of Our Time. Jaworowski die zelf veel onderzoek op dit gebied heeft verricht, stelt dat er verschillende chemische reacties zijn, die invloed hebben op de gasconcentraties, en dat een deel van de gasmoleculen oplost in water. CO₂ is 70 keer beter oplosbaar in water dan stikstof en 30 keer beter dan zuurstof, terwijl vloeibaar water tot -73 °C in ijs kan voorkomen.

Dit verklaart ook dat onderzoeken van vóór 1985 een veel grotere spreiding in de gemeten waarden laten zien. Bij latere onderzoeken keek men alleen naar de concentratie in de luchtbellen in de veronderstelling dat die luchtbellen een gesloten systeem vormen.

De concentratie neemt af met de diepte in het ijs

Een indicatie dat de ijskernmetingen afwijkingen kunnen hebben, is de waarneming dat de concentratie afneemt met de diepte van de luchtbellen in het ijs. Verschillende onderzoeken, bijvoorbeeld dat van Oeschger et al. uit 1982, hebben geconstateerd dat de gemeten kooldioxideconcentratie in diepere lagen lager is dan in de hogere lagen. Om dit te illustreren heeft Renee Hannon in een blog-post de resultaten van ijskernboringen van verschillende plaatsen op Antarctica in één grafiek weergegeven.

De diepte van de Lock-in-Zone van de 5 verschillende ijsboringen varieert per plaats. Dit heeft vooral te maken met de gemiddelde temperatuur en hoeveelheid neerslag op die plaats. Het is goed te zien dat de concentratie in het begin geleidelijk afneemt. De gemiddelde afname is 2,3 ppm per meter. In de Lock-in-Zone is de gemiddelde afname veel sterker: 34 ppm per 10 meter.

Dezelfde grafiek is ook weer te geven met verticaal de leeftijd van het ijs. De Lock-in-Zone is minder dik dan de bovenliggende laag, maar de lagen per jaar zijn veel dunner, waardoor het een groot aantal jaren bestrijkt. In de grafiek is te zien dat in de hogere laag de afname 13 ppm per 10 jaar is en in de diepere laag 3 ppm per 10 jaar.

De specifieke knik in bovenstaande grafieken is terug te zien in alle verschillende ijsboringen en is gekoppeld aan de diepte van de Lock-in-Zone die voor de betreffende plaats van toepassing is. Dit maakt het erg onwaarschijnlijk dat veranderingen in de atmosferische concentratie hiervan de oorzaak is.

Dit betekent dat er andere processen zijn die de concentratie in de luchtbellen beïnvloeden, met name in het proces van de geleidelijke sluiting van de poriën van de luchtbellen. Het kan daarbij gaan om de inwerking van water en ijs op de kooldioxideconcentratie, maar ook andere (chemische) processen zijn niet uit te sluiten.

In alle gevallen laten de CO₂-concentraties in de luchtbellen lagere waarden zien dan de concentraties in de periode dat de luchtbellen werden gevormd. Dit bevestigt dus het hierboven genoemde onderzoek van Stauffer en Berner dat ijskernmetingen de kooldioxideconcentraties uit het verleden te laag inschatten.

De invloed van het geleidelijk sluiten van de luchtbellen

Al eerder is aangegeven dat in de lagen boven en in de Lock-in-Zone de poriën van de luchtbellen heel geleidelijk afsluiten. Dat betekent dat ze nog in meerdere of mindere mate open staan en er uitwisseling van lucht kan plaatsvinden. In welke mate dat precies gebeurt is moeilijk vast te stellen. Totdat de luchtbellen in het ijs werkelijk zijn gesloten, hebben alle jaren die daaraan vooraf zijn gegaan in een bepaalde mate invloed gehad op de concentratie in die luchtbellen.

Dit betekent dat de waarnemingen op basis van ijskernmetingen een lage resolutie hebben. Kortdurende variaties van de CO₂-concentratie worden niet waargenomen. Volgens Neftel et al. (1988), kunnen CO₂-fluctuaties die korter duren dan tweemaal de tijd die nodig is om de bellen in te sluiten, maar gedeeltelijk worden gedetecteerd. Fluctuaties die korter duren dan de sluittijd van de luchtbellen, zijn helemaal niet zichtbaar. Bij de meting in Law Dome (DE08) sluiten de luchtbellen in ongeveer 10 jaar en is de resolutie dus 20 jaar. Maar bij metingen die veel verder in de historie kunnen terugkijken, gaat het om honderden jaren. Petit et al., 1999 geven aan dat de CO₂-resolutie voor Vostok gemiddeld 1500 jaar is. In Fuji Dome is het verschil in leeftijd van de gevangen lucht en het ijs waarin de luchtbel zich bevindt zelfs 1000 tot 5000 jaar (Kawamura et al., 2003).

Dit afvlakken van de waarden over een lange periode heeft grote consequenties voor de meetresultaten van de ijskernboringen. Variaties in de atmosferische concentratie die kort duren, zijn door die afvlakking niet meer zichtbaar. Stel dat er een relatief korte periode van 5, 25 of 100 jaar sprake was van substantieel hogere waarden, dan is dat in de ijskernresultaten niet of nauwelijks zichtbaar.

Om dit te illustreren zijn in de volgende grafiek de meetresultaten van Kouwenberg, et al., 2005 op basis van plantstomata vergeleken met de gegevens die het IPCC hanteert op basis van de ijskernmetingen. Het trage proces in het ijs fungeert als een soort laagdoorlaatfilter waarbij alle hoge frequenties zijn weggedrukt.

Vertekenende hockeystick

Het in één grafiek weergeven van meetwaarden met een sterk wisselende resolutie zoals hierboven NASA doet in afbeelding 1, levert een vertekend beeld op. Het suggereert dat de piek aan het eind op basis van de metingen in Mauna Loa zeer uitzonderlijk is: voor het eerst in 800.000 jaar is de concentratie gestegen tot boven de 300 ppm. Maar door de lage resolutie van de voorafgaande jaren is dat helemaal niet te concluderen. Het grootste deel van de grafiek heeft een resolutie van 1500 jaar. Het zou heel goed kunnen dat er in het verleden ook dit soort pieken waren.

De lage resolutie blijkt ook uit het aantal jaren per waarneming: voor de NASA-grafiek gaat het om gemiddeld 728 jaar per waarneming, met uitschieters tot meer dan 5000 jaar. Korte fluctuaties (korter dan 1000 tot 1500 jaar) zijn daarmee helemaal niet zichtbaar (Paleo Data Search).

Om de grafiek correct weer te geven, moeten alle perioden dezelfde resolutie hebben, namelijk de laagste resolutie die in een bepaalde periode is gebruikt. Het betekent dus dat de waarnemingen van de laatste 60 jaar ook uitgemiddeld moeten worden over 1500 jaar, en dan is de piek helemaal niet te zien. Dit alles betekent niet dat de huidige CO₂-concentratie niet hoog is. Het is heel goed mogelijk dat het een van de hoogste waarden is in lange tijd, maar dat is op basis van de meetgegevens van de ijskernmetingen niet te bepalen.

Is de CO₂-stijging uitzonderlijk?

Gezien de sterke correlatie die te zien is met de temperatuur is het aannemelijk dat ijskernmetingen een goede afspiegeling geven over de variaties in de concentratie die over een langere periode optreden. De metingen geven echter geen betrouwbare indicatie over de absolute hoogte van de gemiddelde CO₂-concentratie in een bepaalde periode. De onzekerheid over de inwerking van water en ijs en mogelijke chemische reacties is daarvoor te groot. Andere waarnemingen doen vermoeden dat de werkelijke concentraties (veel) hoger liggen dan waar nu van wordt uitgegaan.

Verder geven de metingen geen inzicht in snelle fluctuaties in de concentratie. Door de lage resolutie van wel 1500 jaar is er geen uitspraak mogelijk over veranderingen die korter duren. Het is daarmee niet vast te stellen of de huidige stijging van de CO₂-concentratie in de atmosfeer uitzonderlijk is.