Wat is de samenhang tussen CO₂ en temperatuur?

De toename van CO₂ in de atmosfeer wordt vaak beschouwd als de oorzaak van de opwarming van de aarde. Alle beleidsdoelstellingen zijn ook geformuleerd in termen van de hoeveelheid CO₂-uitstoot in plaats van dat het is uitgedrukt in de maximaal acceptabele temperatuurstijging in Nederland. Op het eerste oog lijkt er inderdaad een verband tussen de temperatuurstijging op aarde en de toename van CO₂ in de atmosfeer.

De afgelopen 100 jaar is de temperatuur op aarde met ongeveer 1°C gestegen. Tegelijkertijd is de concentratie van CO₂ in de atmosfeer gestegen van ongeveer 0,03% naar ruim 0,04% (415 ppm, parts per million). Het IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change van de Verenigde Naties) vindt de opwarming zo extreem dat het concludeert dat deze niet uitsluitend door natuurlijke factoren te verklaren is.

Maar dat betekent niet automatisch dat die twee zaken ook echt een verband (correlatie) hebben, laat staan dat CO₂ de oorzaak is van de temperatuurstijging. Uit het plaatje hierboven lijkt er een verband te zijn tussen de temperatuur en de CO₂-concentratie, maar het stelt in werkelijkheid niet zo veel voor. Het gaat hier om twee redelijke gelijkmatige stijgende lijnen. Die correleren inderdaad, maar dat geldt voor alles wat in die periode geleidelijk is gestegen (of gedaald: negatieve correlatie), bijvoorbeeld de prijs van woningen, de toename van de wereldbevolking of de verkoop van ijslolly's. Zo zijn er vele voorbeelden van onzinnige correlaties. Een hoge correlatie is pas echt interessant wanneer het verloop van pieken en dalen van de twee lijnen samenvallen. Maar zelfs dan weet je alleen nog dat er een samenhang is tussen de verschijnselen; het is nog niet duidelijk of de een de oorzaak is van de ander, of andersom, of dat er misschien een derde aspect in het spel is waarvan beide verschijnselen afhankelijk zijn, of dat het gewoon toeval is.

Overigens geldt voor de huidige opwarming dat deze al veel eerder is begonnen dan de stijging van de CO₂-concentratie. Zoals te zien is in de laatste grafiek in het artikel over Hockeystick, stijgt de temperatuur op aarde al sinds het eind van de 17e eeuw, lang voor de industrialisatie.

Historische samenhang

De samenhang tussen CO₂ en temperatuur is op verschillende tijdschalen uitgebreid wetenschappelijk onderzocht. De resultaten hiervan staan hieronder beschreven. Het blijkt dat er op een tijdschaal van miljoenen jaren in het geheel geen correlatie is. Op kortere tijdschalen is er wel een duidelijke correlatie zichtbaar, maar daarbij is het zo dat de veranderingen van de CO₂-concentratie altijd met enige vertraging volgen op de temperatuurveranderingen. Veranderingen in de CO₂-concentratie kunnen dus nooit de oorzaak zijn, maar alleen het gevolg van de temperatuursveranderingen.

De afgelopen 425 miljoen jaar

Professor W. Jackson Davis van de Universiteit van Californië (Santa Cruz) heeft onderzoek gedaan naar de relatie van CO₂-concentratie en temperatuur over de afgelopen 425 miljoen jaar. Zijn conclusie: "The principal findings of this study are that neither the atmospheric concentration of CO2 nor ΔRFCO2 is correlated with T over most of the ancient (Phanerozoic) climate" "De belangrijkste bevindingen van deze studie zijn dat noch de atmosferische concentratie van CO2 noch ΔRFCO2 gecorreleerd is aan de temperatuur over het grootste deel van het Phanerozoïsche klimaat". Dus noch de CO₂-concentratie in absolute zin, noch de verandering van CO₂ is gecorreleerd aan de temperatuur. Zie Davis, 2017 Om in het verre verleden een inschatting te kunnen doen van de temperatuur en de CO₂-concentratie wordt bij dit type onderzoek gebruik gemaakt van indirecte metingen (proxies) op basis van isotopen van koolstof en zuurstof. In onderstaande figuur is het verloop van de temperatuur (rode lijn) en de CO₂-concentratie (groene lijn) in de tijd weergegeven. De tijdas gaat terug tot 450 miljoen jaar geleden.

De afgelopen 420.000 jaar

Op basis van de gegevens van de ijsboringen waren wetenschappers (Petit et al, 1999) in staat een inschatting te maken van de temperaturen en de variaties in de CO₂-concentraties over een periode tot 420.000 jaar geleden. Zoals te zien is in de volgende figuur is sprake van een duidelijke samenhang tussen deze twee variabelen. Het opmerkelijke is alleen dat alle veranderingen in de CO₂-concentratie steeds iets later plaatsvinden dan de temperatuursveranderingen. De tijdvertraging varieert van 600 tot 1500 jaar en is gemiddeld ongeveer 900 jaar (Indermühle et al., 2000). Er is geen enkel voorbeeld waarbij de CO₂-verandering niet achterloopt op de temperatuur. CO₂ volgt dus de temperatuur en niet andersom. Dit betekent dat als er een oorzakelijk verband is, temperatuur de oorzaak is en CO₂ het gevolg.

Afgelopen tientallen jaren

Ook op een kortere termijn is een vergelijkbare samenhang zichtbaar. De Noorse hoogleraar Ole Humlum heeft aan de hand van actuele nauwkeurige metingen de relatie onderzocht van de CO₂-concentratie ten opzichte van de (lucht)temperatuur en de temperatuur van het zeewater. Zie Humlum et al., 2013. Hij heeft daarbij niet gekeken naar de absolute waarden van die variabelen, maar naar de verandering ten opzichte van het jaar ervoor. Op die manier elimineert hij de jaarlijkse seizoensvariaties. In onderstaand plaatje zijn die veranderingen weergegeven.

Op de website woodsfortrees.org is het mogelijk interactieve grafieken te maken op basis van vele verschillende actuele datasets. Onderstaande grafiek is gemaakt door de veranderingen van de temperatuur (Hadcrut4) te vergelijken met de veranderingen van CO₂-concentratie. Het is mooi te zien hoe CO₂ na-ijlt op de temperatuur. Als er een oorzakelijk verband is tussen CO₂ en temperatuur, dan is de verandering van de CO₂-concentratie het gevolg van de opwarming of afkoeling en niet de oorzaak. Klik op deze link om op de site van woodfortrees.org de grafiek te bewerken.

Oorzaak of gevolg?

1. CO₂ stuurt temperatuur. Deze redenering is gebaseerd op de broeikastheorie. De broeikasgassen in de atmosfeer als waterdamp en CO₂ hebben invloed op de warmtestraling vanaf de aarde en daarmee op het temperatuurverloop in de atmosfeer. Een verhoging van de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer zorgt voor iets hogere temperaturen aan het aardoppervlak.

2. Temperatuur stuurt CO₂. De Wet van Henry is een belangrijke gaswet, die zegt dat bij evenwicht 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. Vanuit land is er een vergelijkbaar effect: bij hogere temperaturen is de emissie vanuit de grond groter dan bij lagere temperaturen.

Tijdvolgorde

Een belangrijke aanwijzing dat de tweede hypothese veel aannemelijker is, blijkt uit het naijlen van de CO₂-concentratie op temperatuurveranderingen. In alle periodes waarin gegevens beschikbaar zijn over temperatuur en CO₂ is te zien dat veranderingen in de concentratie steeds enige tijd later plaatsvinden dan veranderingen in de temperatuur. Voor de ijskernboringen is dat te zien in afbeelding 5 en voor de meer recente periode in de afbeeldingen 6 en 7. Hiermee is feitelijk hypothese 1 weerlegd; het gevolg kan eenvoudigweg niet eerder plaatsvinden dan de oorzaak.

Correlatie met methaan

De ijskernmetingen laten zien dat er niet alleen een correlatie is tussen CO₂ en temperatuur, maar ook tussen de concentratie methaan (CH₄) en CO₂ en temperatuur. Deze samenhang is weergegeven in de linker grafiek.

In de eerste hypothese waarin CO₂ de oorzaak is van de temperatuurstijging, komt nu de vraag op hoe het kan dat ook de methaanconcentratie zo nauwkeurig gelijk loopt met de CO₂-concentratie. Methaan is weliswaar net als CO₂ een broeikasgas, maar dat verklaart niet de correlatie. Maar ook al ga je uit van de veronderstelling dat zowel CO₂ als CH₄ bijdragen aan de stijging van de temperatuur, dan is nog steeds niet verklaard waarom de concentratie van beide gassen zo precies gelijk fluctueren.

In de tweede hypothese waarin temperatuur de oorzaak is van de CO₂-stijging, is de verklaring eenvoudig: net als bij CO₂ zorgt de Wet van Henry voor een grotere uitgassing van methaan bij hogere temperaturen. Ook op dit punt geeft de Wet van Henry dus een eenvoudige en logische verklaring terwijl die verklaring er niet is als je uitgaat van CO₂ als oorzaak van de gestegen temperatuur.

Causaliteitstest

Demetris Koutsoyiannis van de Technische Universiteit van Athene heeft in een onderzoek uit 2020 een statistische analyse uitgevoerd op de samenhang van de temperatuurverandering ten opzichte van de verandering in de CO₂-concentratie in de periode vanaf 1980. Hij heeft hierbij gebruik gemaakt van de zogenaamde Granger-causaliteitstest om te kunnen bepalen wat oorzaak is en wat gevolg. De belangrijkste conclusie luidt: "While both causality directions exist, the results of our study support the hypothesis that the dominant direction is T ➜ CO2. Changes in CO2 follow changes in T by about six months on a monthly scale, or about one year on an annual scale." "Hoewel beide causaliteitsrichtingen bestaan, ondersteunen de resultaten van onze studie de hypothese dat T ➜ CO2 de dominante richting is. Veranderingen in CO2 volgen veranderingen in T met ongeveer zes maanden op maandschaal, of ongeveer een jaar op jaarschaal.".

Dit betekent dus dat het niet uitgesloten is dat de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer invloed heeft op de temperatuur, maar dat het omgekeerde veel belangrijker is. De dominante richting is van temperatuur naar CO₂.

De invloed van CO₂ volgens Patrick Moore

Patrick Moore, een van de oprichters van Greenpeace, geeft in de volgende video een samenvatting van de twijfel die er is over de invloed van CO₂ op het klimaat.