Hoopt menselijk CO₂ zich op in de atmosfeer?

De menselijke uitstoot van CO₂ heeft bijgedragen aan de stijging van de concentratie in de atmosfeer. De vraag is echter in welke mate dat het geval is. In dezelfde periode is de natuurlijke uitstoot veel sterker toegenomen. Om de invloed van de verschillende factoren te kunnen bepalen zijn modellen ontwikkeld. Terwijl het model van het IPCC stelt dat menselijke uitstoot voor 100% verantwoordelijk is voor de stijging, is dat in een eenvoudiger fysisch model maar voor 13% het geval.

In het eerste artikel over dit onderwerp is besproken dat in de afgelopen decennia niet alleen de menselijke uitstoot van CO₂ is toegenomen, maar ook die vanuit land en zee. Om toch te kunnen beargumenteren dat de menselijke CO₂ de oorzaak is van de gestegen concentratie, maakt het IPCC gebruik van een complex model dat de verschillende stromen beschrijft.

Ophopend CO₂ volgens het IPCC-model

De grote natuurlijke in- en uitstroom van meer dan 200 Petagram per jaar betekent dat elk jaar ongeveer een kwart van alle CO₂ in de atmosfeer wordt uitgewisseld. Dus in een periode van ruim 4 jaar is een hoeveelheid uitgewisseld die gelijk staat aan de totale massa in de atmosfeer. De (gemiddelde) verblijfsduur van CO₂ is dus ongeveer 4 jaar.

Om te kunnen beargumenteren dat alleen menselijk CO₂ verantwoordelijk is voor de stijging van de CO₂-concentratie van 280 naar 415 ppm, behandelt het IPCC deze menselijke CO₂ in het gebruikte rekenmodel heel anders dan natuurlijke CO₂. Terwijl de verblijfsduur van natuurlijk CO₂ ongeveer 4 jaar is, hanteert men voor de menselijke CO₂ een veel langere verblijfsduur. Het IPCC is van mening dat het enkele tientallen jaren duurt voordat ongeveer de helft van het menselijk CO₂ is verdwenen. Het resterende deel blijft duizenden tot honderdduizenden jaren in de atmosfeer: "The removal of all the human-emitted CO₂ from the atmosphere by natural processes will take a few hundred thousand years (high confidence)" "Het verwijderen van alle door de mens uitgestoten CO₂ uit de atmosfeer door natuurlijke processen duurt een paar honderdduizend jaar (hoog vertrouwen)"; (IPCC, AR5, Chapter 6, Box 6.1).

Het IPCC komt tot deze conclusie vanuit de veronderstelling dat er een volledig stabiel natuurlijk evenwichtsniveau is in de atmosfeer van 280 ppm (het pre-industriële niveau), waarbij in- en uitstroom perfect in balans zijn en de korte verblijfduur van toepassing is. Als er echter een verstoring optreedt bijvoorbeeld door extra uitstoot van CO₂ door menselijk handelen, gaat het IPCC-model ervan uit dat het land en de zee deze extra hoeveelheid niet kunnen opnemen en dat het daardoor vele malen langer duurt om die verstoring weg te werken.

Een dergelijke veronderstelling is echter opmerkelijk. Hermann Harde van de Helmut-Schmidt-University in Hamburg stelt dat het heel onlogisch om te veronderstellen dat de opnamecapaciteit van de oceanen bij 280 ppm heel groot is (een kwart van alle CO₂ wordt uitgewisseld), maar dat deze bij een iets grotere concentratie in een keer factoren kleiner wordt. Hij merkt hierover op: "There exists no evidence that the absorption was suddenly saturating and the residence time τ_R jumping up by one or two orders of magnitude (..) when the atmospheric concentration exceeded a level of 280 ppm". "Er is geen bewijs dat de absorptie plotseling verzadigde en de verblijfstijd τ_R met een of twee orden van grootte omhoog sprong (..) wanneer de atmosferische concentratie een niveau van 280 ppm overschreed."

Toename natuurlijke uitstroom is groter

Maar ook in een ander opzicht is het idee dat alleen menselijke CO₂ zich ophoopt in de atmosfeer erg onlogisch. Zoals in het eerste artikel over dit onderwerp is toegelicht is de natuurlijke uitstroom van CO₂ onder invloed van de temperatuur veel sterker toegenomen dan de door mensen veroorzaakte stroom. In de figuur van het IPCC in dat artikel is goed te zien dat ook de natuurlijke stromen van en naar land en zee in de afgelopen tijd zijn veranderd (het rode deel van de pijlen).

Afbeelding 1: 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. 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.

De oorzaken van de toename van de natuurlijke stromen zijn heel verschillend. 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). De grotere natuurlijke opname (+41 Pg/jr) staat onder invloed van de concentratie in de atmosfeer. Op basis van de Wet van Henry neemt de zee bij een hogere concentratie (en dus hogere partiële luchtdruk) meer kooldioxide op. Voor de opname op land gaat het vooral om de fotosynthese van planten. Door de vergroening (onder invloed van de hogere concentratie) is de opname van CO₂ per saldo toegenomen. In het artikel over de natuurlijke stromen zijn deze oorzaken toegelicht.

Bij al deze processen maakt de natuur geen onderscheid naar de herkomst van de CO₂-moleculen. Het zou heel onlogisch zijn dat alleen kooldioxide van menselijke oorsprong zich zou ophopen in de atmosfeer, terwijl dat niet zou gelden voor natuurlijke CO₂.

Metingen laten een ander beeld zien

De werkelijke afname van <sup>14</sup>C-isotopen (lichtblauwe lijn) gaat veel sneller dan het IPCC-model veronderstelt (rode lijn) — Afbeelding 2: De werkelijke afname van ¹⁴C-isotopen (blauwe lijn) gaat veel sneller dan het IPCC-model veronderstelt (rode lijn). Bron: Harde, 2019

Het model van het IPCC geeft volgens Amerikaanse hoogleraar Murry Salby ook geen verklaring voor de daling van ¹⁴C-isotopen die nog in de atmosfeer zijn aangetroffen na de bovengrondse kernproeven begin jaren zestig van de vorige eeuw. Uit de geleidelijke daling is een gemiddelde verblijfsduur af te leiden van circa 15 jaar, vele malen korter dan wat volgens het IPCC-model mogelijk is. Dat de verblijfsduur langer is dan de eerder aangegeven 4 jaar laat zich eenvoudig verklaren. In de eerste plaats laten de zwaardere ¹⁴C-isotopen zich minder gemakkelijk absorberen, waardoor de verblijfduur langer is dan van normale koolstofatomen. Bovendien komt een substantieel deel van de ¹⁴C-isotopen ook weer terug in de atmosfeer, bijvoorbeeld door planten die de isotopen eerst hebben opgenomen en bij rotting weer afgeven aan de atmosfeer.

In de grafiek van afbeelding 2 zijn de gemeten concentraties van de ¹⁴C-isotopen met rose bolletjes en groene driehoekjes weergegeven. De lichtblauwe lijn is de berekende exponentiële daling van de concentratie. De rode lijn is de verwachte daling volgens het Bern-model dat het IPCC gebruikt.

Fysisch model

In zijn artikel in 2019 komt Harde tot de conclusie dat het IPCC een onnodig complex model hanteert om te kunnen beargumenteren dat uitsluitend menselijk CO₂ verantwoordelijk is voor de stijging. Hij maakt duidelijk dat dit model niet houdbaar is omdat het alleen klopt als de natuur onderscheid zou kunnen maken tussen menselijke CO₂-moleculen en natuurlijke CO₂-moleculen, iets wat onzinnig is. Harde is niet de eerste met deze kritiek. Al vanaf de jaren 90 zijn er verschillende wetenschappelijke publicaties die dit aankaarten.

Het model dat Harde gebruikt om het verloop van CO₂ in de atmosfeer te beschrijven, houdt rekening met de temperatuursinvloed op de uitstoot van CO₂. Voor wat betreft de oceanen is de in- en uitstroom gebaseerd op de Wet van Henry. Deze wet 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. Er is daarbij geen onderscheid in de herkomst van de CO₂-moleculen. Zoals eerder toegelicht, is ook de uitstoot vanuit land afhankelijk van de temperatuur.

Zwembadmodel

Om het model van Harde te illustreren is een vergelijking gemaakt met een zwembad met een afvoer: de snelheid waarmee het water uitstroomt is evenredig met hoe hoog het water staat. Als het water laag staat, stroomt er weinig water uit en als het water hoger staat neemt de uitstroomsnelheid evenredig toe. De hoogte van het waterpeil is in deze analogie te vergelijken met de CO₂-concentratie. De absolute stijging of daling van de CO₂-concentratie in de atmosfeer in een bepaalde periode hangt af van de omvang van de instroom en de uitstroom. In de vergelijking met het zwembad: als er in een periode meer water wordt toegevoegd dan er wegstroomt, zal het waterpeil in die periode stijgen.

In de twee figuren hieronder is het essentiële verschil weergegeven tussen de twee benaderingswijzen weergegeven. In de visie van het IPCC ontstaat bij een kleine verhoging van de instroom geen nieuw evenwicht, maar blijft de concentratie (of hier waterpeil) elk jaar stijgen. In het model van Harde ontstaat bij eenzelfde toename een nieuw evenwicht. Bij een verblijfsduur van 4 jaar ontstaat zo een eenmalige stijging van 16 ppm.

IPCC-model als verklaring voor de co2-concentratie — Afbeelding 3: IPCC-model in analogie met een bak water. Het verhogen van de instroom met 4 ppm per jaar (in het watervoorbeeld met 4 liter per uur) zorgt elk jaar weer voor een stijging van 2 ppm (of elk uur 2 liter). Er ontstaat geen evenwicht.

Fysisch-model als verklaring voor de co2-concentratie — Afbeelding 4: Fysische model van Harde in analogie met een bak water. Het verhogen van de instroom met 4 ppm per jaar (of 4 liter per uur) zorgt eenmalig voor een stijging van 16 ppm (16 liter). Er ontstaat een nieuw evenwicht dat past bij de verhoogde instroom.

Het model dat Harde op die manier beschrijft, is analoog aan vele andere processen in de natuur. Het is bijvoorbeeld ook te vergelijken met de verwarming van een huis in de winter: een constante stroom energie in de vorm van gas zorgt ervoor dat de temperatuur in huis op het gewenste niveau blijft. De uitgaande energiestroom (warmte) via dak, muren, ramen, enzovoorts is in evenwichtstoestand gelijk aan ingaande stroom. Ook in dit voorbeeld ontstaat bij een iets hogere aanvoerstroom een nieuw evenwicht. Als we de energietoevoer in ons huis een klein beetje verhogen (iets meer aardgas per uur) zal de temperatuur stijgen, bijvoorbeeld van 20 naar 21 °C. In het model van het IPCC zou die iets grotere aanvoerstroom ertoe leiden dat de temperatuur in huis zou blijven stijgen, zonder dat er een nieuw evenwicht wordt bereikt.

Bijdrage van menselijke CO₂ slechts 17 ppm

Om te kunnen berekenen hoe groot de bijdrage van mensen werkelijk is aan de toegenomen CO₂-concentratie hanteert Harde in zijn model de volgende uitganspunten.

De CO₂-concentratie in 1880 (voordat er sprake was van substantiële menselijke invloed) bedroeg 280 ppm.
De menselijke uitstoot is sinds die tijd toegenomen tot 9 Pg/jr, ruim 4 ppm/jr (cijfers van het IPCC).
De stroom CO₂ vanaf land en oceanen richting atmosfeer is evenredig toegenomen met de temperatuurstijging.
De jaarlijkse opname van CO₂ in (met name) oceanen is evenredig met de concentratie in de atmosfeer (Wet van Henry).

Het blijkt dat dit eenvoudige model de toegenomen concentratie in de atmosfeer uitstekend kan beschrijven en ook logische verklaringen biedt voor alle andere waarnemingen die tot nu toe zijn gedaan. In de volgende grafiek geeft de blauwe lijn de concentratiestijging weer die het gevolg is van antropogene emissie (menselijk CO₂) en de paarse lijn de concentratiestijging als gevolg van de uitstoot door de gestegen temperatuur. De groene lijn is de optelsom van die twee. De groene lijn komt goed overeen met de metingen in Mauna Loa (blauwe blokjes).

alt — Afbeelding 5: De groene lijn in de grafiek geeft de berekende CO₂-stijging weer. Deze correspondeert goed met de metingen van Mauna Loa (donkerblauwe stippen). De lijn is het resultaat van de temperatuurafhankelijkheid (paarse lijn) en de menselijke uitstoot (blauwe lijn). Bron: Harde, 2019

Het blijkt dat de menselijke uitstoot maar voor een klein deel verantwoordelijk is voor de gestegen CO₂-concentratie. In zijn berekeningen is slechts 17 ppm van de totale stijging van 135 ppm (13%) het gevolg van menselijke CO₂. Het overgrote deel van de stijging (87%) is het gevolg van de gestegen temperatuur op aarde.

Te simpel model?

De benadering van Harde (en andere wetenschappers als Salby en Berry) gaat in tegen de gevestigde opvatting over de oorzaak van de stijging van de CO₂-concentratie in de atmosfeer. Het verwijt is vooral dat het model geen rekening houdt met de complexe koolstofcyclus in zee en op land.

Afbeelding 6: Complexe biologische en chemische processen in de diepere lagen van de oceaan. Bron: Ocean-climate.org

In 2017 heeft Peter Köhler in een publicatie aangegeven dat het model van Harde te simpel is omdat het geen rekening houdt met verschillende chemische en biologische processen in de oceaan. Zo geeft hij aan dat CO₂ in het water wordt omgezet in carbonaten HCO₃⁻ en CO₃²⁻. Slechts 1% blijft in het water achter als opgelost CO₂. Deze chemische processen hebben een veel langere doorlooptijd en belemmeren in zijn visie de opname van CO₂ uit de atmosfeer zoals Harde dat voorstelt. In de opvatting van Köhler is de absorptiesnelheid van CO₂ door water niet evenredig met de concentratie in de atmosfeer, omdat die absorptie ook afhangt van de genoemde chemische processen.

Het klopt dat er in de oceaan (en ook op land) vele complexe processen aan de orde zijn, die gezamenlijk de koolstofkringloop vormen. Op wikipedia is daar veel informatie over te vinden. Maar al deze processen vormen geen valide argument tegen de redenering van Harde. In zijn analyse laat hij zien dat het absorptievermogen niet gelimiteerd is. CO₂ kan in de bovenste laag van de oceanen in veel grotere hoeveelheden oplossen dan waar we het hier over hebben (denk bijvoorbeeld aan de hoeveelheid CO₂ in een glas bier). De concentratie is in vroegere perioden ook vele malen hoger geweest. De chemische en biologische processen in zee spelen wel een rol, maar vormen geen beperkende factor en zijn daarmee niet relevant in het proces zoals Harde dit beschrijft.

Een vergelijking met het zwembadmodel kan dat gemakkelijk illustreren. Stel dat de afvoer van het zwembad via het riool is aangesloten op een waterzuiveringsinstallatie. Deze installatie kan veel water zuiveren maar het proces gaat relatief langzaam. Maar ook al is de verblijfsduur (van bijvoorbeeld een week) veel langer dan de verblijfsduur in het zwembad zelf, dan is dat toch niet relevant voor het evenwichtsniveau in het zwembad, zolang het riool maar niet overloopt. Dit geldt ook voor de omzetting van CO₂ in carbonaten: de omvang is veel groter en het proces is trager, maar het is niet relevant voor de werking van de Wet van Henry in de bovenste waterlaag.

Verklaring verleden

Een vraag die opkomt bij de benadering van Harde is hoe hoog de CO₂-concentratie in het verleden dan is geweest. Het IPCC stelt dat deze concentratie voor lange tijd (vele duizenden jaren) onder de 300 ppm is geweest; de stijging heeft zich alleen voorgedaan in de afgelopen 150 jaar. Als de temperatuur zo'n grote invloed heeft op de CO₂-concentratie, zou je verwachten dat die concentratie in vroegere warme periodes ook zo hoog moet zijn geweest. In het artikel over de historische CO₂-concentraties gaan we hier nader op in.