www.lars-kamel.se

Koldioxidhalten har ju inte varit högre på många tusen (eller miljoner) år?

Det påstås så ibland, trots att det inte finns regelbundna mätningar så långt tillbaka i tiden. Det finns data, som säger att dagens koldioxidhalter är exceptionellt höga, och att halten före industrialismens genombrott var nästan konstant. Detta har gett upphov till den konventionella bilden av vad naturen och människan har gjort. Och så finns det andra, sällan omtalade, data som ger en helt annan bild.

Isluftbubblemetoden

De regelbundna mätningarna började i samband med det internationella geofysiska året 1957-58, på Mauna Loa, en vulkan på Hawaiöarna, och på Amundsen-Scottbasen som ligger nästan mitt på sydpolen. Sedan dess har regelbundna mätningar startat på en rad andra platser på jorden. Det finns dock metoder att få fram atmosfärens koldioxidhalt också för tidigare perioder. Ett exempel är att när snö faller, så fångas luftbubblor in i snön. Om snön så skulle packas ihop och bli till glaciäris, blir luftbubblorna kvar, förhoppningsvis med sitt innehåll kvar. Sedan kan människor borra i glaciärisen, ta upp borrkärnor och analysera luftbubblorna. Med denna metod, går det att skapa diagram som detta:

Diagram 1.

Detta diagram är en kombination av data från luftbubblor i en isborrkärna på en plats i Antarktis och från mätningarna vid sydpolen. Som synes berättar detta diagram att luftens halt av CO₂ från år 1000 fram till mitten av 1800-talet pendlade lite kring 280 miljondelar (ppm). Den var inte riktigt konstant, men nästan. Därefter har den stigit kraftigt, upp till dagens värde på knappt 380 miljondelar.. Eftersom ökningen började ungefär samtidigt med att industrialismen började breda ut sig i världen, är det rimligt att tro på ett samband. Ökningen beror alltså helt eller nästan helt på människan. Det finns dessutom andra isborrkärnor som går längre tillbaka i tiden och som visar att luftens halt av koldioxid under flera hundra tusen år aldrig var högre än cirka 320 miljondelar, sällan över 300, och alltid bara med långsamma förändringar av halten. Fram till i modern tid, alltså, då den har blivit högre, och det snabbt. Däremot har halten ibland varit betydligt lägre, ner mot 200 miljondelar eller mindre. Detta har inträffat under istiderna. Enligt isbubblemetoden ändras nämligen först temperaturen och sedan, efter 600-1000 år, ändras koldioxidhalten. När det är riktigt kallt är också koldioxidhalten låg, om än med lite fördröjning.

Diagram liknande det ovan dyker upp lite här och där. Ofta är presenteras de som bevis för att människan har stört den naturliga balans som fanns före industrialismens genombrott.

När jag berättade om försök att rekonstruera temperaturer i det förflutna, dök ju hockeyklubban upp. Diagrammet ovan liknar ju en liggande hockeyklubba, eller kanske snarare en (innebandy?)klubba. Men ger data från isborrkärnor en rättvisande bild av koldioxidhaltens variation i det förflutna?

Teorin bakom luftbubblor i iskärnor är mer exakt denna: När snön faller, följer luft med och bildar luftbubblor. Dessa luftbubblor kan röra sig i snötäcket, både uppåt och nedåt och åt sidorna. Om de rör sig uppåt, kan de komma ut i atmosfären igen. Allt eftersom mer snö faller, kommer snö längre ner att pressas ihop, och luftbubblor där att få allt svårare att röra sig. Vid ett givet snödjup, kommer snön att pressas ihop till is, och luftbubblorna fastnar för gott och blir kvar därnere, med sitt innehåll av gaser intakt. Eftersom luftbubblorna har rört sig i förhållande till snötäcket, kommer de att vara av en annan ålder än den is de återfinns i. Det är till och med så att luftbubblor har lättare att röra sig uppåt i snötäcket än nedåt, så i genomsnitt kommer luftbubblor i ett visst skikt i isen alltid att vara yngre än den omgivande isen. Anledningen till detta är bland annat att luftbubblorna inte kan tränga in i isen vid snötäckets botten, medan de däremot kan lämna snötäcket uppåt genom att åter bli en del av atmosfären. Både isens och luftbubblornas ålder ökar ju med djupet, men i genomsnitt har de luftbubblor som finns på en viss nivå rört sig lite uppåt sedan de en gång fastnade i snön. Isens ålder går att bestämma ganska exakt med olika metoder. Detsamma gäller sällan för luftbubblorna, utan deras åldrar får ofta räknas ut med modeller. Undantaget är bland annat luftbubblor från 1940-talets slut och framåt. Under kärnvapenerans första decennier testades nämligen atom- och vätebomber genom explosioner i atmosfären. Dessa explosioner skapade stora mängder kol-14, som ju är känt som en isotop som används för åldersdateringar. Efter överenskommelser mellan kärnvapenmakterna att sluta med atmosfäriska tester, har halten av kol-14 åter minskat. Genom att mäta halten kol-14 i luftbubblor går det alltså att se endera hur gamla de är, om de fastnade i isen efter cirka år 1945, eller om de är äldre än från mitten av 1900-talet.

Går det då inte att använda kol-14-datering på luftbubblorna? Nej, det fungerar sällan. Dels är ger den inte så exakta tidsbestämingar som nog många tror. Vanligen är osäkerheten flera decennier, och det är ungefär lika mycket som skillnaden i isens och luftbubblorna ålder brukar vara. Dels går kol-14-metoden inte att använda på för ungt eller för gammalt material. Kol-14:s halveringstid är ungefär 6400 år. Om för lite tid har gått, så har inte tillräckligt mycket kol-14 sönderfallit för att det ska gå att göra någon tidsbestämning. Om mer än 40-50000 år har förflutit, har så mycket kol-14 sönderfallit att det som finns kvar knappt är mätbart.

Stämmer då teorin ovan? Är till exempel luftbubblorna opåverkade när de väl har fastnat i isen? Ja, det är inte så säkert. Även i tätt packad och mycket kall glaciäris, förekommer det små mängder flytande vatten. När luftbubblorna kommer i kontakt med sådant vatten, kan det hända saker. Koldioxid löst i vatten ger till exempel kolsyra, vilket är en process som ju används av läskedrycksindustrin. Dessutom rör sig glaciäris alltid. Den flödar, som om den vore en mycket trögflytande vätska. Kan detta påverka luftbubblorna så att de rör sig i isen, vilket de inte kan göra enligt standardteorin? Dessutom betyder låg temperatur inte att kemiska reaktioner upphör helt. De går bara mycket långsammare, men i en is som är tusentals eller mer år gammal har de ju haft gott om tid på sig. Ja, det finns många obesvarade frågor vad gäller denna teori.

Mätningar före 1957

Regelbundna mätningar av luftens CO₂-halt startade visserligen först 1957, men det betyder inte att mätningar aldrig förekom tidigare. Ända sedan 1797 har nämligen människor försökt att mäta hur mycket koldioxid atmosfären innehåller. Det finns tydligen drygt 90000 kända sådan mätningar. Det är mätningar som utspridda i tid och rum, och antagligen ibland av tvivelaktig kvalitet, men de gjordes. Här är ett diagram som visar de flesta av dessa mätningar (Nej, diagrammet visar inte i närheten av 90000 punkter, men de flesta av punkterna är medelvärden av åtskilliga mätningar):

Diagram 2.

Som synes ger detta en helt annan bild än den att CO₂-halten var nästan konstant, kring 280 miljondelar, fram till 1800-talets mitt och sedan ständigt har ökat. De inringade världena är de som en gång valdes ut för att dels bestämma det förindustriella värdet och dels räkna ut hur snabb ökingen varit sedan dess. Varför just dessa valdes ut, och inga andra, vet jag faktiskt inte. Som synes finns en hel del mätningar som ligger högre, och faktiskt också några som ligger lägre. Med detta urval för att räkna ut medelvärdem, blir det förindustriella värdet 292 miljondelar. Om alla värden används, tycks i stället koldioxidhalten då ha fluktuerat omkring 335 miljondelar, betydligt högre än vad luftbubblor i isborrkärnor indikerar. Om alla dessa mätningar skulle vara korrekta, så betyder det att koldioxidhalten kan variera ganska mycket, mellan olika platser, mellan olika tidpunkter, eller bägge delarna. Alla är dock knappast korrekta. Mätfel förekommer alltid och är ibland stora. Vanligen brukar dock mätfel kunna ge både för stora och för små värden. Sedan kanske mätningar i och för sig är korrekta, men utförs på olämpliga ställen. Med olämpliga ställen menar jag då ställen som inte är representativa för världen som helhet, till exempel nära en skorsten som släpper ut koldioxid och den lokala halten därmed är onormalt hög.

Av någon anledning var dessa mätningar länge nästan bortglömda. Helt nyligen har den tyske forskaren Ernst Beck lyckats leta reda på de flesta av dem. Låt oss ta en närmare titt på mätningarna före år 1900, och jämföra med CO₂-halter från isbubblor i Law Dome-glaciären:

Diagram 3.

Som synes ligger alla mätningar under första halvan av 1800-talet systematisk över värdena från isluftbubblemetoden. Inte förrän omkring år 1865 börjar de flesta av mätningar ligga på ungefär samma värden som isluftbubblemetodens resultat. Den första mätningen i denna serie behöver kanske en egen kommentar. Det är medelvärdet av en antal mätningar i Paris år 1797 av Humboldt. Medelvärdet ligget på 150 och mätningarna i sig låg på 50 till 180 miljondelar. Jag har svårt att tro att dessa mätningar gav riktiga värden. Det skulle nämligen innebära att Paris vid den tiden hade en lägre koldioxidhalt än vad isluftbubblemetoden ger för istiderna.

Alla mätningar under perioden 1800-1865 då? Mätte verkligen alla som försökte då systematiskt för höga värden? Eller är det värdena från isluftbubblemetoden som är systematiskt för låga? Jag vet inte hur exakt den tidens forskare alls kunde mäta koldioxidhalter. Men även dåliga mätmetoder kan ge ganska bra medelvärden, om två villkor är uppfyllda. Dels måste man göra många mätningar under kort tid. Dels måste mätfelen vara slumpmässiga och lika ofta ge för stora som för små värden. Medelvärdet av alla mätningarna hamnar då sannolikt nära det verkliga värdet. Många av punkterna i diagram är medelvärden av ett stort antal mätningar. Det är heller inte bara mätningar i städer. Det finns mätningar från landsbygd, till exempel berg, dalgångar och slätter. Tydligen tog några personer med sig mätutrustning på sjöresor, för det finns mätningar från Irländska sjön och Atlanten. Tyvärr vet jag inte om dessa mätningar gjordes på segelfartyg eller ångfartyg. I det sistnämnda fallet kan det tänkas att de koldioxidrika avgaserna från ångmaskinen har påverkat mätningarna. I det förstnämnda fallet borde den mänskliga påverkan på luften som användes i mätningarna vara försumbar. Två franska forskare gav sig åren 1881-83 tydligen ut på en slags mätturné och mätte på många ställen i världen. De räknade till och med ut medelvärden för norra och södra halvklotet, med resultaten 282 respektive 272 miljondelar som resultat. Det är ju värden som stämmer bra med isluftbubblemetoden, men det gör också de flesta andra mätningar från denna tid. Skillnaden mellan halvkloten är dock större än i nutida mätningar.

Det finns några regelbundna mätningar från samma ställen också. Här är är diagrammen för de fyra platser som har den största täckningen i tid:

Diagram 4.

London var vi den här tiden redan en miljonstad, med många industrier, otaliga eldstäder och många andra utsläppskällor för koldioxid. Det är troligt att mätningarna där ger högre värden än vad som var typiskt för världens atmosfär på den tiden. London var, och är, sannolikt ett olämpligt ställe att mäta på, helt enkelt. I Geneve tycks värdena minska med tiden, på tvärs mot vad man skulle förvänta från en begynnande industrialisering och folkökning. I Mountsouris ligger värdena på samma nivå som isluftbubblemetodens värden, bortsett från två år i rad. Dessa år ligger nästan på nutida värden, för att sedan sjunka tillbaka igen. Visar det en verklig variation eller är det mätfel? Alla mätningar utfördes av samma person, med förmodligen samma mätutrustning och alla punkterna är medelvärden av flera mätningar.

På tal om olämpliga ställen, så släpper aktiva vulkaner ut koldioxid. Mauna Loa är faktiskt en slumrande, och inte död, vulkan. Då och då borde det ske utsläpp av koldioxid. Kanske kommer ett utbrott i framtiden. Kanske är det en döende vulkan som inte kommer att få några fler stora utbrott. Det finns dock ingenting som tyder på att data från Mauna Loa påverkas av vulkanisk aktivitet. De ökar i samma takt som data från sydpolen. Visserligen ligger de på en högre nivå, men det beror på att norra halvklotet allmänt har lite högre halt av koldioxid i atmosfären än södra halvklotet. De flesta utsläppskällorna ligger norr om ekvatorn, både vad gäller mänskliga och naturliga källor.

Kan variationerna i diagrammen 2-4 då till stora delar vara verkliga och inte en följd av dåliga mätningar? Ett vanligt argument mot att se dem som riktiga brukar vara att det skulle kräva att stora mängder koldioxid på kort tid kunde tillföras eller föras bort från atmosfären. Några processer som klarar detta är inte kända. Det verkar helt enkelt omöjligt. Här vill jag dock tillföra en personlig reflektion. Det har då och då visat sig att det som av vetenskapen trotts vara (i stort sett ) omöjligt visat sig förekomma när mätningar har väl har kunnat göras. Ett exempel från senare tid är stora planeter som cirklar mycket nära stjärnor. Det var en gång allmänt accepterat att planeter inte kan bildas där och därmed inte finnas där heller. När väl observationsmetoderna utvecklades så att det blev möjligt att finna dem, om de verkligen existerar, så började man också hitta dem.

Moderna mätningar

Dessutom visar nutida mätningar av luftens koldioxidhalt faktiskt samma sorts variationer som indikeras i diagrammen 2-4. Här är några exempel, hämtade från World Data Center for Greenhouse Gases:

Diagram 5.

Detta visar koldioxidhaltdata från Mauna Loa på Hawaii under år 2004. Detta är data som är tagna praktiskt taget en gång i timmen under året. De visar som synes fluktuationer på upp till sex miljondelar under loppet av några dygn eller mindre. Detta är originaldata, som sedan används för att göra diagram som detta:

Diagram 6.

Detta visar dagliga medelvärden för samma plats under en trettioårsperiod. Som synes ökade CO₂-halten i stort sett linjärt under denna period. Också här ser vi variationer i halten, men det är variationer av en helt annan sort. Det är nämligen regelbundna årstidsvariationer. På hösten och vintern slutar nämligen en stor mängd gröna växter på norra halvklotet med fotosyntesen för att det blir för kallt och för lite solljus. Då stiger också koldioxidhalten. På våren och sommaren börjar deras fotosyntes igen och då sjunker koldioxidhalten.

Diagram 7.

Mätningarna från sydpolen visar mindre variationer timme för timme än på Mauna Loa, frånsett några väldigt avvikande punkter som säkert beror på mätfel.

Diagram 8.

De dagliga medelvärdena från sydpolen visar däremot ungefär samma förändringar som de från Mauna Loa. Årstidsvariationerna är dock mindre, eftersom det inte finns någon växtlighet i närheten av sydpolen, och är dessutom omvända, eftersom årstiderna på södra halvklotet ligger förskjutna ett halvår jämfört med samma årstider på norra halvklotet.

Antarktis är trots allt inte ett särskilt industrialiserat område i världen, och inte heller Hawaii, även om det finns lite mer mänsklig aktivitet där. Låt oss titta på mätningar från områden med många människor och mycket industri, och, icke att förglömma, också i närheten av mycket växtlighet:

Diagram 9.

Diagram 10.

Först två stationer i Japan, från åren 1999 respektive 1994 . Mätningar (nästan) varje timme visar variationer på ibland 40-60 miljondelar under kort tid.

Diagram 11.

Sedan mätningar från en station i Ungern. Lite mindre fluktuationer än i Japan, kanske, men definitivt rejäla variationer över så korta tidsrymder som dagar och veckor.

Med tanke på vad diagrammen 5-11 visar, är det inte alls orimligt att de flesta mätningarna i diagrammen 2-4 är ganska korrekta och faktiskt visar vad luftens koldioxidhalt var just då på respektive plats.

Stomatametoden

Länge var luftbubblor från isborrkärnor den enda metod som fanns för att uppskatta koldioxidhalter från före den tid då mätningar började göras. De senaste åren har emellertid en ny metod utvecklats. Idén bakom den metoden är att träd har öppningar i löv eller barr för att ta upp koldioxid från luften. Dessa öppningar kallas stomata. När dessa är öppna tar trädet upp koldioxid, men de släpper också ut vatten, som ju trädet behöver och vill vara sparsamt med. Trädet har alltså ett intresse av att ha så få stomata som möjligt och att ha dem öppna så lite som möjligt. När koldioxidhalten i atmosfären går upp, behöver ju trädet färre stomata. Och omvänt, går halten ner, behöver trädet fler stomata för att ta upp tillräckligt koldioxid för fotosyntesen. Det finns alltså ett samband mellan antalet stomata per löv eller barr och koldioxidhalten i luften, ett samband som ser lite olika ut för olika trädarter. Löv och barr från tidigare decennier, när koldioxidhalten var lägre, finns sparade i herbarier. Därför går det att bestämma hur sambandet ser ut matematiskt för olika arter. Sedan finns förhoppningsvis fossila lämningar av samma trädart bevarade i mossar, torvar, sediment eller i berggrunden. Då går det att uppskatta vad koldioxidhalten var vid det tillfälle då dessa forntida träd levde. Här är ett exempel:

Diagram 12.

Detta diagram visar koldioxidhalten för cirka 6800-8700 år sedan. Till skillnad mot de tidigare diagrammen finns tiden på Y-axeln och koldioxidhalten på X-axeln. Den vänstra linjen visar CO₂-halten beräknad från luftbubblor från isborrkärnor i Taylor Dome i Antarktis. Den högra visar samma halt beräknad från fossila delar av björkar vid en sjö i Danmark. SI betyder Stomata Index och är ett mått på hur tätt stomata ligger. Om dessa två metoder gav samma resultat, skulle det inte finnas en vänstra och en högra kurva. De skulle ligga över varandra. Tydligen ger stomatametoden systematiskt högre värden än luftbubblemetoden. Och inte bara det. Medan isbubblemetoden ger bara långsamt varierande koldioxidhalter, ger stomatametoden stundtals snabba och kraftiga variationer.

Danmark ligger ju på norra halvklotet och Antarktis på det södra. Jag nämde ovan att koldioxidhalten är högre på norra halvklotet än på det södra. I modern tid har skillnaden dock bara varit några miljondelar, medan skillnaden i diagram 10 är 20-60 miljondelar. Förklaringen kan knappast vara assymmetrin mellan norra och södra halvklotet. De två metoderna ger verkligen olika resultat för forntida koldioxidhalter, med högre värden från stomatametoden. Detsamma gäller för i stort sett varje tidpunkt i det förflutna för vilka bägge metoderna har kunnat prövas.

Så vad vi har är dels en standardbild av koldioxidhaltens utveckling i det förflutna. Dels har vi både gamla och nya data som ifrågasätter denna standardbild.

Spelar det någon roll då vad koldioxidhalten var i mitten av 1800-talet? Ja, det tycker jag. Om koldioxidhalten naturligt kan variera med tiotals miljondelar på ganska kort tid, har vi människor kanske mindre skuld till den ökande koldioxidhalten än vi har trott. En del skuld till den har vi dock. Det kan knappast råda någon tvekan om det. Om koldioxidhalten var hög, om än inte nödvändigtvis riktigt lika hög som nu, i mitten av 1800-talet, när det var kallare än nu, så är det ännu ett indicium för att koldioxidens klimatpåverkan är liten.

Tillbaka till startsidan för min vetenskapsavdelning.