De invloed van temperatuur op natuurlijke CO₂-stromen
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.
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.
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
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.
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).
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
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.
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.”
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.