De invloed van temperatuur op natuurlijke CO₂-stromen

Menselijke activiteiten, met name de verbranding van fossiele brandstoffen, zorgen voor veel CO₂-uitstoot. Toch is deze uitstoot minder dan 5% van de jaarlijkse natuurlijke stromen. Het is moeilijk de menselijke uitstoot te onderscheiden van de 20 keer grotere natuurlijke stromen. Bovendien is de natuurlijke uitstoot van kooldioxide onder invloed van de temperatuur veel sterker gestegen dan de menselijke emissie.

Afbeelding 1: CO₂-stijging zoals gemeten op Mauna Loa

Het algemene beeld is dat de CO₂-concentratie in de atmosfeer stijgt door de menselijke uitstoot. Sinds 1958 vinden betrouwbare metingen plaats in Mauna Loa (Hawai). Het aandeel CO₂ in de lucht ging van 315 ppm

(ppm = parts per million; 315 ppm CO₂ komt dus overeen met 0,0315% van alle luchtmoleculen) in 1958 naar 415 ppm nu. Het IPCC gaat ervan uit dat het pre-industriële CO₂-niveau (1750) ongeveer 280 ppm bedroeg. Op dit moment is de stijging ongeveer 2,1 ppm per jaar terwijl de menselijke uitstoot ongeveer 4,6 ppm per jaar is.

Het klinkt in eerste instantie plausibel dat de menselijke uitstoot de oorzaak is van de toename. Ook het IPCC schrijft de volledige stijging van 135 ppm toe aan de menselijke uitstoot van CO₂. Bij nadere bestudering blijkt echter dat het erg onaannemelijk is dat deze redenering klopt. Dat heeft enerzijds te maken met de kleine omvang van menselijk CO₂ ten opzichte van de natuurlijke stromen. Anderzijds is het zo dat de natuurlijke CO₂-uitstroom richting atmosfeer onder invloed van de temperatuur sterk is gegroeid, veel meer dan de totale emissie van menselijke CO₂.

Omvang menselijk CO₂ is relatief klein

Het beeld dat veel mensen hebben en dat het IPCC ook uitdraagt, is dat de menselijke uitstoot van CO₂ cumuleert in de atmosfeer. Oftewel dat jaarlijks de menselijke uitstoot van CO₂ aan de atmosfeer wordt toegevoegd, en dat in ieder geval een deel daar niet meer weggaat.

Afbeelding 2: De koolstofkringloop volgens het IPCC (AR5). De zwarte pijlen betreffen de ‘natuurlijke’ CO₂-stromen per jaar (vanaf 1750), de rode de gemiddelde antropogene stromen per jaar (2000-2009). Bron: IPCC-AR5

Het is echter zo dat het aandeel menselijke CO₂ relatief klein is. Het gaat om minder dan 5% van de totale hoeveelheid CO₂ die jaarlijks in en uit de atmosfeer stroomt. De totale hoeveelheid uitstoot CO₂ door verbranding van fossiele brandstoffen en ander landgebruik bedraagt jaarlijks ongeveer 9 Petagram koolstof

1 Petagram = 10¹⁵ gram = 1.000.000.000.000.000 gram = 1 Gigaton, wat overeenkomt 4,6 ppm CO₂.

Zowel via de oceanen als het land is er een veel grotere in- en uitstroom van CO₂. Jaarlijks stroomt er zo'n 80 Petagram koolstof in en uit de oceanen richting atmosfeer. De oceanen vormen een grote buffer voor CO₂: 98% van alle CO₂ op aarde bevindt zich in de oceanen. Naast de uitwisseling met het zeewater zorgen planten, dieren en de bodem jaarlijks voor een in- en uitstroom van 120 Petagram koolstof.

Volgens het IPCC hoopt iets minder dan de helft van menselijke CO₂-uitstoot zich op in de atmosfeer. De jaarlijkse stijging van 2 ppm in de atmosfeer is in die redenering voor 100% het gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen, de productie van cement en ander landgebruik.

Een probleem in de redenering van het IPCC is echter, dat de variaties in de natuurlijke stromen (met name onder invloed van de temperatuur) veel groter zijn dan de stroom van de menselijke uitstoot.

Toename natuurlijke CO₂-stromen sinds 1880

In de periode vanaf het begin van de industrialisatie is de menselijke uitstoot van CO₂ toegenomen. Het gaat daarbij vooral om de verbranding van fossiele brandstoffen en daarnaast om ander landgebruik (ontbossing) en de productie van cement. In diezelfde periode is uitstroom vanaf zee en land echter veel sterker toegenomen. De gestegen concentratie in de atmosfeer is vooral het gevolg van de hogere temperatuur. In afbeelding 2 is de toename van de stromen ook te zien in de rood gekleurde pijlen.

Afbeelding 3: De toename van de CO₂-stromen van en naar de atmosfeer sinds het begin van de industriële periode. Bron data: IPCC, Zhang

In bovenstaande afbeelding zijn de pijlen in de juiste verhouding weergegeven op basis van de meest recente inschattingen. De antropogene uitstoot is maar 20% van de totale toename van de uitstroom sinds het begin van de industriële periode. De natuurlijke uitstroom is vooral gestegen door de hogere temperatuur, zowel voor land als voor zee. De opwarming van de aarde met ongeveer 1 °C zorgt voor fors hogere uitstoot (+36 Pg/jr). Ook de natuurlijke opname is gestegen, maar net iets minder dan de uitstroom. Per saldo komt er op dit moment elk jaar 4 Pg CO₂ in de atmosfeer bij.

Toegenomen uitstoot vanuit zee

Afbeelding 4: De oplosbaarheid van CO₂ in water neemt af bij hogere temperaturen. Bron: Engineering Toolbox

Temperatuur heeft belangrijke invloed op de CO₂-stroom vanuit zee. Zoals toegelicht in het artikel Is CO₂-verandering oorzaak of gevolg? is hierbij is de Wet van Henry van belang. Deze gaswet zegt dat de hoeveelheid opgelost gas in een vloeistof recht evenredig is met de concentratie van het gas. Dus bij een hoge CO₂-concentratie in de lucht neemt water meer CO₂ op en bij een lage concentratie is de opname lager. De mate waarin dat gebeurt, hangt af van de temperatuur. Bij een lage temperatuur kan water relatief veel CO₂ bevatten, bij een hoge temperatuur juist minder.

Sinds 1850 is de gemiddelde temperatuur op aarde met ruim 1 °C toegenomen. Dit geldt ook voor de temperatuur aan het zeeoppervlak. Op basis van de Wet van Henry is gemakkelijk uit te rekenen dat door deze temperatuurstijging de uitstroom naar de atmosfeer nu 19 Pg/j hoger is dan in 1850. Dat is ruim 2 keer zo veel als de jaarlijkse menselijke CO₂-stroom door de verbranding van fossiele brandstoffen en ander landgebruik. De berekening hiervan (inclusief bronvermeldingen) is terug te vinden in het artikel van Harde uit 2019. Nederlands Kort samengevat: de partiële CO2-druk in zeewater verandert met de temperatuur volgens de formule pCO2(T) = pCO2(T₀) · exp(0,0433(T-T₀)). Een toename van 1 °C veroorzaakt dus drukverandering van ongeveer 18 µatm, dat de instroom versterkt en de uitstroom verzwakt. Uit waarnemingen boven de Noord-Atlantische Oceaan blijkt dat een drukverschil van 1 µatm een verandering van de uitstroom van ongeveer 0,075 mol/m²/jr = 3,3 g/m²/jr tot gevolg heeft. Met een aardoppervlak van 320 miljoen km² aan oceanen en een drukverandering van ∆pCO2 = 18 µatm, levert dat voor een temperatuurstijging van 1 °C een extra CO₂-stroom van oceanen naar de atmosfeer op van 19 Pg/jr.

Toegenomen uitstoot vanuit land

Ook voor de CO₂-uitstoot vanuit de bodem (de zogenaamde soil-respiration of bodemademhaling) blijkt temperatuur een bepalende factor. Van de natuurlijke uitstoot vanuit land is ongeveer de helft (60 PgC/jaar) afkomstig van de grond. Het gaat hierbij om de afbraak van organisch materiaal in de bodem en het uitademen van plantenwortels. De afbraak is afhankelijk van twee belangrijke factoren: bodemtemperatuur en bodemvochtigheid. Voor de bodemtemperatuur geldt dat 1 graad temperatuurstijging zorgt voor 16,5% toename in CO₂-uitstoot (Bron: Wikipedia).

Afbeelding 5: Effect van temperatuurverandering van de bodem op de bodemademhaling in vier seizoenen en acht regio's in China in de periode 1962-2011. Bron: Zhang et al.,2016

Door de mondiale temperatuurstijging van 1 °C van de afgelopen tijd is ook de temperatuur van de grond aan het aardoppervlak is gestegen. Het is belangrijk om te vermelden dat we het hier niet hebben over seizoensgebonden variaties, maar om de absolute stijging die het gevolg is van de recente opwarming. Als dat gemiddeld ook 1 °C is, heeft dat gezorgd voor de toename van de uitstoot vanuit land van bijna 10 PgC per jaar. Dat is dus hoger dan alle jaarlijkse antropogene uitstoot.

In werkelijkheid is de uitstoot waarschijnlijk nog hoger. De onderzoekers Zhang et al. in China (Rising soil temperature in China and its potential ecological impact) hebben een toename van de gronduitademing gemeten van 28% over een periode van 50 jaar (1962-2011). Indien de trend die in China is gemeten ook van toepassing is in de rest van de wereld, gaat het (alleen al in die periode) om een jaarlijkse extra uitstoot van 17 PgC, bijna 2 keer zo veel als de jaarlijkse menselijke uitstoot.

Meer CO₂-opname op land en op zee

Afbeelding 6: De toename van de netto opname van CO₂ door vegetatie

Niet alleen de natuurlijke uitstroom is toegenomen, ook de opname door land en zee is nu veel groter dan voor het begin van de industriële periode. Onder invloed van de hogere CO₂-concentratie in de atmosfeer is de afgelopen 60 jaar de aarde veel groener geworden. Dat is met speciale satellieten goed te meten. Volgens NASA heeft de vergroening gezorgd voor een toename aan planten en bomen over een gebied dat gelijk staat aan twee keer de oppervlakte van de Verenigde Staten.

Door deze vergroening is de netto opname van CO₂ in de periode van 1960 tot 2010 toegenomen van 54,95 tot 66,75 Petagram (of Gigaton) koolstof per jaar. Dr. Craig Idso beschrijft dit op basis van een onderzoek van Peng Li uit 2017. Planten nemen dus op dit moment jaarlijks 11,8 Petagram méér koolstof op dan in 1960.

De hogere concentratie in de atmosfeer zorgt er ook voor dat de oceanen meer CO₂ opnemen. Zoals hierboven aangegeven is de Wet van Henry hiervoor bepalend. De hoeveelheid opgelost gas in het water is recht evenredig is met de concentratie in de atmosfeer. Dus bij een hoge CO₂-concentratie in de lucht nemen oceanen meer CO₂ op.

Recente waarnemingen van temperatuur en CO₂

Sinds 1958 hebben we betrouwbare metingen van de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer en sinds 1979 zijn er betrouwbare metingen van de mondiale temperatuur op basis van satellietgegevens. Verschillende onderzoekers hebben nauwkeuriger naar deze gegevens gekeken om te zien welk verband er precies is tussen temperatuur en CO₂. In het artikel over de samenhang tussen temperatuur en CO₂ is al geconstateerd dat beide de afgelopen decennia zijn gestegen. Er is weliswaar sprake van een correlatie, maar deze is niet erg overtuigend; die samenhang geldt voor alles wat in die periode is gestegen.

De verandering van de CO₂-concentratie ten opzichte van de temperatuur. — Afbeelding 7: De verandering van de CO₂-concentratie ten opzichte van de temperatuur laat een sterke correlatie zien. De rode lijn geeft de temperatuur aan; de groene lijn geeft de verandering in de CO₂-concentratie weer. Bron: WoodForTrees

Het beeld wordt veel duidelijker als we niet alleen naar de absolute concentratie van CO₂ kijken, maar naar de verandering in die concentratie in de tijd. Hierboven is immers geconstateerd dat temperatuur vooral invloed heeft op de stroom vanuit land en zee naar de atmosfeer; die stroom vertaalt zich in een verandering in de concentratie.

In een blogpost heeft Lon Hocker de verandering van de concentratie uitgezet tegen de temperatuur in de periode vanaf 1980. In de grafiek hiernaast is dit weergegeven op basis van de interactieve website WoodForTrees. De rode lijn geeft de temperatuur aan; de groene lijn geeft de verandering in de CO₂-concentratie weer.

De correlatie is nu veel significanter. Het is opmerkelijk om te zien dat alle belangrijke veranderingen in de temperatuur, onder andere onder invloed van El Niño's, terug te zien zijn in de CO₂-stroom.

Natuurlijk evenwicht?

Dat het IPCC de schuld van de CO₂-stijging volledig bij de menselijke uitstoot legt, is gebaseerd op de veronderstelling dat de natuurlijke stromen met elkaar in evenwicht zijn. Het IPCC refereert daarbij aan het CO₂-niveau uit 1750 van 280 ppm dat een soort natuurlijk evenwichtsniveau is. De menselijke uitstoot van CO₂ zou die balans hebben verstoord.

Het IPCC gaat ervan uit dat, ondanks de grote onzekerheden over de absolute omvang, de natuurlijke stromen altijd met elkaar in evenwicht zijn. In het AR5-rapport staat daarover: “Therefore, to achieve an overall balance, the values of the more uncertain gross fluxes have been adjusted so that their difference matches the Net land flux and Net ocean flux estimates.” “Daarom zijn, om een algemeen evenwicht te bereiken, de waarden van de meer onzekere bruto stromen aangepast zodat hun verschil overeenkomt met de schattingen van de netto landstroom en de netto oceaanstroom.”. Bron: IPCC AR5-rapport, pagina 471. Zie ook: klimaatgek.nl.

Het ‘aanpassen’ van meetwaarden zoals het IPCC doet, zou alleen toegestaan zijn als je zeker weet dat de ingaande en uitgaande natuurlijke stromen altijd precies met elkaar in evenwicht zijn. Maar voor die veronderstelling is geen onderbouwing. Zoals hierboven toegelicht, zijn de onderliggende oorzaken van de variaties per CO₂-stroom zijn heel verschillend.

De veronderstelling dat de natuurlijke CO₂-stromen zonder verstoring door de mens altijd met elkaar in evenwicht zijn, heeft het IPCC nodig om aannemelijk te maken dat de stijging van de concentratie in de atmosfeer volledig het gevolg is van menselijk CO₂. Het heeft daarmee het karakter van een doelredenering: de gestegen concentratie moet wel het gevolg van de menselijke uitstoot, dus de natuurlijke stromen zijn volledig met elkaar in evenwicht.

In het tweede artikel dat gaat over de vraag ‘Hoopt menselijk CO₂ zich op in de atmosfeer?’ gaan we uitgebreider is op het model dat het IPCC hanteert om die conclusie te trekken.