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. Volgens het IPCC hoopt de menselijke CO₂ zich op in de atmosfeer. Terwijl de normale verblijftijd van CO₂-moleculen ongeveer 4 jaar is, veronderstelt men dat het tientallen tot vele duizenden jaren duurt voordat de natuur zich kan herstellen van de extra menselijke uitstoot. Een nadere analyse van alle CO₂-stromen laat echter zien dat de adjustment time, dus de tijd om te herstellen van een verstoring, nooit langer kan duren dan de normale verblijftijd van CO₂ in de atmosfeer.

Een van de belangrijkste punten in de klimaatdiscussie is de veronderstelling dat de CO₂-uitstoot van fossiele brandstoffen de allesbepalende oorzaak is van de stijgende concentratie in de atmosfeer. De natuurlijke CO₂ stromen van en naar land en zee zijn weliswaar 20 keer groter, maar die zijn volgens de gevestigde theorie altijd keurig met elkaar in evenwicht. Het overschot aan menselijke emissies hoopt zich op in de atmosfeer, zo is het idee. De normale verblijftijd (of residence time) van CO₂-moleculen in de atmosfeer is ruim 4 jaar. Dat wil zeggen dat jaarlijks een kwart van alle CO₂ uit de atmosfeer naar land en zee stroomt (en vice versa). Maar de extra CO₂ die mensen toevoegen, verstoort het natuurlijke evenwicht en cumuleert in de atmosfeer. De tijd die nodig is om te het evenwicht te herstellen, de zogenaamde adjustment time, is in die redenering veel langer: “The removal of all the human-emitted CO2 from the atmosphere by natural processes will take a few hundred thousand years (high confidence)” (IPCC 2015).

Vanuit de Portugese Algarve heeft de Nederlandse hoogleraar Peter Stallinga begin in 2023 een artikel gepubliceerd, dat weinig heel laat van deze accumulatietheorie (Stallinga 2023). Met een eenvoudig model en wat wiskunde, laat hij zien dat de adjustment time nooit langer kan zijn dan de residence time. Het herstellen van het evenwicht na een verstoring door de mens, gaat dus minstens zo snel als wat geldt voor de natuurlijke stromen. Onder het motto ‘je gaat het pas zien als je het door hebt’, vat ik in dit artikel zijn belangrijkste bevindingen samen.

2-box-model

Om aan te tonen dat het herstel van een verstoring nooit langer duurt dan de ‘normale’ verblijftijd, maakt Stallinga gebruik van een eenvoudig model met twee reservoirs: de atmosfeer en de combinatie van land en oceaan (sink), zie de figuur hieronder (alle waarden dit voorbeeld zijn afgerond).

Een centraal begrip is de verblijftijd of residence time. De reservoirs hebben allebei een eigen verblijftijd. Voor de atmosfeer is die verblijftijd ongeveer 4 jaar, dat wil zeggen dat de moleculen gemiddeld 4 jaar in de atmosfeer blijven. Als er 800 PgC CO₂ in de atmosfeer is, is de jaarlijkse uitstroom dus 200 PgC per jaar. Het land/oceaan-reservoir bevat veel meer CO₂ dan de atmosfeer, maar omdat ook de verblijftijd langer is, is de opwaartse stroom ook 200 PgC per jaar. De twee stromen zijn daarmee in evenwicht. Volgens het IPCC is de hoeveelheid CO₂ in het land/oceaan-reservoir ongeveer 40.000 PgC, dus 50 keer zo veel. De verblijftijd is daarbij 200 jaar.

Er is dus een vaste verhouding tussen de CO₂-massa van een reservoir, de residence time en de stroom. Uitgedrukt in een formule: Flow = hoeveelheid CO₂ / residence time. Je vindt die formule voor zowel atmosfeer als land/oceaan terug in de figuur. Die vaste verhouding betekent dat als door een verstoring de hoeveelheid CO₂ in een reservoir toeneemt, ook de uitstroom evenredig groeit. Die eigenschap kunnen we gebruiken om te kijken wat er gebeurt als we menselijk CO₂ (uit de verbranding van fossiele brandstoffen) toevoegen aan de atmosfeer.

In een eenvoudige simulatie in een Excel-sheet heb ik per maand doorgerekend wat er gebeurt als we in één keer een grote hoeveelheid CO₂ (400 PgC) aan de atmosfeer toevoegen. Omdat de hoeveelheid toeneemt van 800 naar 1200 PgC, zal de neerwaartse stroom in de eerste maand groeien van 200 naar 300 PgC per jaar. Vervolgens leidt het ertoe dat maand voor maand de hoeveelheid in de atmosfeer afneemt en in land/oceaan toeneemt, zodat na verloop van tijd een nieuw evenwicht ontstaat. Zie de grafiek in Figuur 1.

Het 2-box-model en de invloed van een verstoring — Afbeelding 1: Links: Het 2-box-model. De CO₂ in de atmosfeer in het bovenste reservoir is aanvankelijk in evenwicht met land en oceaan. Rechts: het effect dat optreedt als we in het jaar 0 in één keer 400 PgC CO₂ toevoegen. De extra massa verdeelt zich snel over de atmosfeer en land en oceaan. Het grootste deel van de toegevoegde 400 PgC CO₂ komt uiteindelijk in land en oceaan terecht.

In het verloop van de grafiek vallen twee dingen op. In de eerste plaats herstelt het evenwicht zich snel. De tijd die nodig is om te het evenwicht te herstellen, de adjustment time, is zelfs korter dan de residence time van de atmosfeer. En in de tweede plaats is te zien dat het overgrote deel van de 400 PgC CO₂ uiteindelijk terecht komt in het land/oceaan-reservoir en maar een klein deel (1/50) in de atmosfeer. Er is dus geen sprake van ophoping van CO₂ in de atmosfeer.

Stallinga heeft in zijn artikel beide zaken in zijn algemeenheid uitgewerkt. De adjustment time (τ) is rechtstreeks afhankelijk van de twee residence times volgens de formule 1/τ = 1/τa +1/τs. Hieruit volgt dat de adjustment time altijd kleiner is dan de kleinste residence time. Ook de verhouding waarin de extra toegevoegde CO₂ zich verdeelt over beide reservoirs, hangt af van de verhouding van de twee residence times. Omdat de hoeveelheid in land/oceaan 50 keer groter is dan in de atmosfeer, gaat ongeveer 49/50 deel naar land en oceaan en maar 1/50 deel naar de atmosfeer. De wiskundige afleiding van beide zaken is niet erg ingewikkeld; wie het wil narekenen, moet even zelf het artikel van hem raadplegen (Stallinga 2023). In de Excel-sheet heb ik ter illustratie ook een voorbeeld gegeven waarbij er evenveel CO₂ is in beide reservoirs en de verblijftijden gelijk. In dat geval verdeelt de CO₂ zich gelijkelijk over beide reservoirs.

Werkelijke emissies

Vervolgens is het interessant hoe dit allemaal uitpakt als we uitgaan van de werkelijk emissies sinds 1850 (Friedlingstein et al. 2022). In de Excel-sheet heb ik op een apart werkblad een simulatie gemaakt met de formules van Stallinga. Elk jaar is één iteratieslag, waarbij de CO₂-hoeveelheid in de atmosfeer en in land/oceaan worden berekend aan de hand van de flows en de emissies van het jaar ervoor.

Simulatie op basis van het 2-box-model. — Afbeelding 2: Simulatie op basis van het 2-box-model met de werkelijke jaarlijkse emissie van fossiele brandstoffen. In 2021 is van de 475 PgC aan emissies minder dan 10% nog aanwezig in de atmosfeer, de rest is opgenomen in land en zee

Het grootste deel van de menselijke emissies komt terecht in land en oceaan en maar circa 10% in de atmosfeer. Mocht de wereld besluiten vanaf nu geen CO₂ meer uit te stoten (net zero), dan daalt dit percentage in 10 jaar naar 2%.

Een discussiepunt bij deze aanpak is de omvang van het land/oceaan-reservoir. De CO₂-massa is 50 keer groter dan die van de atmosfeer, maar het is de vraag of je het als één reservoir kunt beschouwen. Voor de oceaan maakt het IPCC in haar rapporten onderscheid tussen de bovenste ‘surface’ laag en de diepere lagen, waar zich het overgrote deel van de CO₂ bevindt. Maar de uitwisseling tussen surface en diepere lagen is groot: volgens de eigen cijfers van het IPCC gaat het om 280 PgC per jaar, dus 50 keer zo veel als de netto jaarlijkse opname van land en oceaan gezamenlijk. De grote horizontale en verticale oceaanstromen maken het mogelijk dat ter hoogte van de evenaar vrijwel altijd netto emissie plaatsvindt en op veel andere plaatsen netto opname (Levy et al. 2013).

Je zou ook een simulatie kunnen opzetten waarbij je niet twee reservoirs neemt, maar vier: de atmosfeer, het land (vegetatie, grond), de bovenste laag van de oceaan en de diepere lagen van de oceaan. In 2021 heeft de Amerikaanse onderzoeker Ed Berry dat al een keer gedaan. De berekening is iets ingewikkelder, maar levert een vrijwel vergelijkbare uitkomst op (Berry 2021).

Bovendien blijkt uit de formules van Stallinga dat de exacte omvang er eigenlijk niet zo veel toe doet. Ook als de effectieve massa van land en oceaan maar 10 of 20 keer die van de atmosfeer zou zijn, verdwijnt nog steeds het overgrote deel van de menselijke CO₂-uitstoot in land en zee. De belangrijkste conclusie uit zijn onderzoek is dat de lange adjustment time die de hoeksteen vormt van de accumulatietheorie, niet bestaat. Die adjustment time is nooit langer dan de residence time van 4, maximaal 5 jaar. Daarmee laat hij op transparante wijze zien dat ophoping van CO₂ helemaal niet mogelijk is.

Netto opname door de natuur

Veel mensen hebben moeite om te begrijpen hoe het kan dat de menselijke uitstoot niet de oorzaak is van de stijging, terwijl de natuur een netto sink is. Wij stoten 11 PgC per jaar uit terwijl de hoeveelheid in de atmosfeer met 5 PgC/j stijgt en de rest wordt opgenomen door land en zee. Er lijkt dus boekhoudkundig geen andere oorzaak te kunnen zijn. Maar we moeten ons realiseren dat alleen die twee getallen nauwkeurig bekend zijn. De natuurlijke stromen van 210 PgC/j hebben een onnauwkeurigheid van ±20%, dus 40 PgC/j. Ook de CO₂-massa in de oceanen en in en op land is alleen bij benadering bekend. Een kleine onbalans, zelfs over een langere periode, is niet meetbaar.

Ter illustratie heb ik hieronder een variant op de bekende Global Carbon Budget gemaakt, om te laten zien dat er ook andere (natuurlijke) oorzaken kunnen zijn voor de stijging. De linker grafiek geeft het gebruikelijke plaatje van het budget. In de rechter grafiek is verondersteld dat 90% van de menselijke uitstoot in land en oceaan terecht komt en maar voor 10% bijdraagt aan de stijging in de atmosfeer. Op basis van wat we kunnen meten, is het rechterplaatje even goed mogelijk. De natuur is nog steeds een netto sink, terwijl de menselijke emissie toch maar een kleine bijdrage levert.

Het Global Carbon Budget in twee varianten — Afbeelding 3: Links: het Global Carbon Budget zoals dat altijd wordt gepresenteerd, waarbij de menselijke uitstoot de enig mogelijke oorzaak lijkt van de CO₂-stijging. Rechts: hetzelfde budget, maar nu inclusief een natuurlijke verstoring, terwijl de menselijke emissie voor het grootste deel in land en oceaan terecht komt. Omdat alleen de menselijke emissie en de CO₂-concentratie nauwkeurig bekend zijn, is de rechter grafiek even goed mogelijk.

Een natuurlijke verandering is heel wel mogelijk, bijvoorbeeld door de invloed van de temperatuur. De geleidelijke opwarming sinds de kleine ijstijd zorgt voor meer emissies vanuit zee en vanuit de grond. Zie het artikel over de invloed van temperatuur op natuurlijke CO₂-stromen.

Verschil met accumulatietheorie

Het is ten slotte goed om stil te staan waarin deze analyse precies verschilt van de accumulatietheorie. De aanpak van Stallinga maakt het mogelijk de adjustment time af te leiden uit de bekende residence times, terwijl in de gevestigde theorie adjustment time en residence time als volledig gescheiden kenmerken worden gezien. In hun ogen is de adjustment time gelijk aan de verstoring ΔA gedeeld door de ‘net sink’. Dus als de verstoring 400 PgC is en de natuur jaarlijks 5 PgC netto opneemt, is de adjustment time 80 jaar.

Nu is de ‘net sink’ het verschil van de twee grote tegengestelde stromen Fd en Fu (down en up). Dus de formule die ze gebruiken is τ = ΔA / (Fd – Fu). In de noemer staat niet de flow, maar het verschil van twee flows, waardoor τ elke waarde kan aannemen. In het eerste voorbeeld hierboven, waren de oorspronkelijke stromen in evenwicht en dus aan elkaar gelijk. Een verstoring (van welke omvang ook) zou dan oneindig lang in de atmosfeer blijven. Niet erg waarschijnlijk dus. Maar het voorbeeld laat ook zien dat een dergelijke berekening van de adjustment time onzinnig is. Door de verstoring van 400 PgC neemt de massa in de atmosfeer toe tot 1200 PgC. Als de moleculen daar gemiddeld 4 jaar verblijven, wordt de neerwaartse stroom een kwart van 1200, is … eh … 300 PgC per jaar, en dus niet 200 PgC per jaar zoals verondersteld in de accumulatietheorie. Kennelijk tellen de extra toegevoegde CO₂-moleculen daar niet mee: de verblijftijd voor die moleculen is oneindig en voor de oorspronkelijke moleculen blijft het 4 jaar. Ook niet erg waarschijnlijk.

Het gelijkstellen van de adjustment time aan de verstoring ΔA gedeeld door de netto sink, klinkt misschien logisch, maar mist elke onderbouwing. Het veronderstelt een soort magisch evenwicht waarbij de CO₂-stromen geen enkele relatie hebben tot de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer of andere reservoirs. Het gaat er bovendien op voorhand al van uit dat alleen de menselijke uitstoot verantwoordelijk is voor de netto opname, terwijl we dat (zie Figuur 3) helemaal niet kunnen weten.

Stallinga is zeker niet de eerste die de theorie van de accumulatie van CO₂ in de atmosfeer verwerpt. Ook wetenschappers als Salby, Harde, Essenhigh, Segelstad, Berry, hebben al laten zien dat het verhaal van het IPCC niet klopt. De kracht van de redenering van Stallinga is dat het op eenvoudige wijze laat zien dat de adjustment time direct samenhangt met de normale processen die de in- en uitstroom bepalen, en dat die adjustment time nooit langer dan de normale verblijftijd kan zijn. Ophoping van menselijk CO₂ in de atmosfeer kunnen we daarmee definitief naar het rijk der fabelen verwijzen.

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.

Referenties

Berry, Ed. 2021. “The Impact of Human CO2 on Atmospheric CO2.” Science of Climate Change 1.2 (September): 213–49. https://doi.org/10.53234/scc202112/13.

Friedlingstein, Pierre, Michael O’Sullivan, Matthew W. Jones, Robbie M. Andrew, Luke Gregor, Judith Hauck, Corinne Le Quéré, et al. 2022. “Global Carbon Budget 2022.” Earth System Science Data 14 (November): 4811–4900. https://doi.org/10.5194/essd-14-4811-2022.

IPCC. 2015. Climate Change 2014 : Synthesis Report : Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Ipcc, , Cop. https://www.ipcc.ch/assessment-report/ar5/.

Levy, M., L. Bopp, P. Karleskind, L. Resplandy, C. Ethe, and F. Pinsard. 2013. “Physical Pathways for Carbon Transfers between the Surface Mixed Layer and the Ocean Interior: PHYSICAL CARBON FLUXES.” Global Biogeochemical Cycles 27 (4): 1001–12. https://doi.org/10.1002/gbc.20092.

Stallinga, Peter. 2023. “Residence Time vs. Adjustment Time of Carbon Dioxide in the Atmosphere.” Entropy 25 (2): 384. https://doi.org/10.3390/e25020384.