Climate Scene Investigation: Jakten på CO2-drevet oppvarming

Jeg lovet for et par uker siden å skrive en hel blogg om jakten på ”fingeravtrykk” etter antropogen global oppvarming. Som sagt, så gjort, selv om det tok en hel søndag å skrive draft-versjonen. Så her skal det være noe for enhver smak, som grunnlag for debatt. Aller først noen ord om debattreglene denne gangen:

Utgangspunktet for debatten

Vi kan ikke diskutere alt samtidig. Jeg vil legge følgende to elementer til grunn:

1) Verden er varmere nå enn på 1930- og 1940-tallet, og enda varmere enn for hundre eller to hundre år siden. (Det har vært mye krangling om dette tidligere, men temperatur-seriene er enige om at verden er varmere nå).

2) Globalt CO2-nivå er høyere nå enn på 1930- og 1940-tallet, og enda høyere enn for hundre eller to hundre år siden.  (Også dette har det tidligere vært reist tvil om, men de nyere publikasjonene er entydige på dette punktet).

Gitt dette utgangspunktet, hva finnes så av bevismateriale for eller imot at det er den observerte CO2-økningen som har gitt den observerte temperaturøkningen? For hver indikator må man da også drøfte mulige alternative forklaringer.

En metodisk utfordring

Det kan innledningsvis nevnes at det har vært økende CO2-innhold i hele den perioden man har gjort (nesten) globale temperaturmålinger. Vi har altså ikke direkte empirisk kunnskap om hvordan, eller hvor raskt, Jorda responderer på en langvarig endring i naturlig pådriv når CO2-nivået er konstant. Dette er selvsagt en metodisk utfordring. (Og paleo-klima er ikke dagens tema.)

 

Global temperatur (sort) målt på land kan fint beskrives som en lineær kombinasjon (rødt) av logaritmen til CO2-nivået og svovelutslippene fra vulkaner, sier Berkeley Earth. Men så enkelt er det vel ikke ...? (Foto: (Rohde et al 2012 / Berkeley Earth))
Global temperatur (sort) målt på land kan fint beskrives som en lineær kombinasjon (rødt) av logaritmen til CO2-nivået og svovelutslippene fra vulkaner, sier Berkeley Earth. Men så enkelt er det vel ikke ...? (Foto: (Rohde et al 2012 / Berkeley Earth))

 

Spektralanalyse

Innledningsvis må det sies at målinger fra stor høyde har vist at utstrålt effekt fra toppen av atmosfæren (TOA) på spesifikke CO2-absorbsjonsbånd har gått ned. Samtidig har målinger ved bakken vist at tilbakestrålingen har økt på akkurat disse smale frekvensene. Det er ingen uenighet om dette.

Men: Dette utelukker selvsagt ikke at Jordas klimasystem kan kompensere ved å øke utstrålingen på andre frekvenser, f. eks. der hvor vanndamp regjerer.

Merk at: Naturen er ikke synsk, og vil derfor hele tiden måtte ligge litt på etterskudd så lenge CO2-innholdet øker. Samtidig har naturen sykluser på døgn- , års- og tiårs basis som gjerne dominerer i målingene. 

Jordas energibalanse og falsifisering vs. bekreftelse

Kloden vår kvitter seg nå med energi på tre måter:
- Varmestråling (Outgoing Longwave Radiation – OLR)
- Lys fra lyspærer og radiobølger fra radiosendere
De to siste representerer foreløpig så små energimengder at de kan neglisjeres i klimaregnskapet (men astronomene plages allerede av denne nye utstrålingen).

Strålingen fra sola kan splittes i to deler:
- Solstråling som reflekteres ut i rommet (fra skyer, aerosoler eller fra bakken)
- Solstråling som absorberes (absorbed short wave radiation - ASR)

Absorbsjon av solstråler kan skje på ulike steder i Jord-systemet:
- I atmosfæren på vei nedover
- Ved bakken eller i havet
- I atmosfæren på vei oppover etter refleksjon fra bakken

En CO2-drevet økning i drivhuseffekten skal etter læreboka ”holde igjen mer varme”, og må dermed vise seg på følgende måte:

- Hvis ASR er konstant, så skal OLR avta.
- Hvis ASR øker, så skal ikke OLR øke like raskt.
- For en passe økning i ASR, så skal OLR være konstant.

Både en fallende, konstant eller økende varmestråling ut fra Jorda ved TOA kan således være forenlig med CO2-hypotesen. CO2-hypotesen kan på øverste nivå bare forkastes dersom man også har veldig nøyaktige målinger av ASW som sammen med observert OLR beviser at mer varme ikke holdes tilbake. Og målingene må selvsagt gjøres over lang nok tid til å midle ut, eller i hvert fall hensynta, indre svingninger i klimasystemet.

OLR kan måles direkte fra satellitter, men i praksis er det umulig å måle ASR her nede på Jorda. Derimot kan man i prinsippet måle både utstrålingen fra sola, og reflektert solstråling fra Jorda. Dermed kan ASR beregnes som forskjellen mellom disse to. Problemet er at dette krever meget stor målenøyaktighet og stabilitet med tre forskjellige instrumenter involvert.

Hvor godt kjenner vi disse ulike strålingsfluksene? Ikke godt nok (eller lenge nok) til noen falsifisering av CO2-hypotesen, i hvert fall. Satellittmålingene ERBS og CERES har hatt noen målemessige svakheter og stabilitetsproblemer, spesielt når det gjelder de korte bølgelengdene.

Det mest nøyaktige estimatet for klodens energibalanse, kommer derfor fra de mange tusen bøyene i verdenshavene. De målingene tyder på at kloden for tiden samler varme med en rate på ca 0,6 W/m2. For tiden er altså absorbsjonen større enn utstrålingen, og det har den vært lenge.  

 

Havet blir stadig varmere, og økt CO2-pådriv er en mulig forklaring. Hvis sola var hovedårsaken, så bør vi vel snart se en utflating? Og hva med skyene? (Foto: (NOAA))
Havet blir stadig varmere, og økt CO2-pådriv er en mulig forklaring. Hvis sola var hovedårsaken, så bør vi vel snart se en utflating? Og hva med skyene? (Foto: (NOAA))

 

Foreløpig er det altså ikke noe grunnlag for å forkaste CO2-hypotesen ut fra satellitt- og bøyemålingene av Jordas energibalanse, men vi kan heller ikke utelukke at mye av den observerte oppvarmingen skyldes andre faktorer.  Så derfor: Fins det noen ”fingeravtrykk” eller ”signaturer” som entydig kan skille mellom CO2-drevet oppvarming og andre forklaringsalternativer?

 

Døgnvariasjon i temperatur

Klimamodellene sier at mer CO2 skal gi mindre forskjell mellom dag- og natt-temperatur (diurnal temperature range - DTR).
Fakta: Det ble rapportert i IPCC4 at DTR har krympet – ja, faktisk at DTR har krympet mer enn modellene forutsa.

Men: Her kommer den ferske artikkelen fra Berkeley Earth (Rohde et al. 2012) med ny informasjon: DTR har, samlet sett, falt signifikant de siste 100 årene.  Men DTR nådde faktisk en bunn midt på 1980-tallet, og har gått noe opp siden.

Altså: Multidekadiske variasjoner i skydekket må nok også tas hensyn til her – og husk at Berkeley Earth bare har målinger over land.

DTR er et meget interessant bevismateriale. Vil DTR falle ytterligere etter hvert? Det vil i så fall styrke CO2-hypotesen. Hvis DTR fortsetter å stige de kommende tiårene, så har CO2-hypotesen (eller i hvert fall modellene) et alvorlig problem. 

 

Interessant utvikling i forskjellen mellom dag- og natt-temperatur (DTR). Hmmm, hvor går denne kurven videre? (Foto: (Rohde et al. 2012 / Berkeley Earth))
Interessant utvikling i forskjellen mellom dag- og natt-temperatur (DTR). Hmmm, hvor går denne kurven videre? (Foto: (Rohde et al. 2012 / Berkeley Earth))

 

Kaldere stratosfære

CO2-økning skal gi en kaldere stratosfære. 
Fakta: Det er målt et betydelig temperaturfall i stratosfæren, både fra værballonger og satellitter.

Men:  Både svakere sol og mindre ozon skal også gi kaldere stratosfære.

Altså: Det er ikke i stratosfæren vi finner svaret.

 

Lavtrykksbanene

CO2-hypotesen sier at lavtrykksbanene skal flytte seg nærmere polene.
Fakta: Dette er observert.

Men:  Ozonhullet over Antarktis (og mini-hullet over Arktis) har også bidratt til å flytte lavtrykksbanene nærmere polene, trolig mer enn hva CO2 har gjort.

Interessant: Etter hvert som ozon-laget repareres, skal lavtrykkene i årene framover først flyttes litt nærmere ekvator, før enda mer CO2 igjen skal dytte dem nærmere polene. Dette kan testes, men det vil ta noe tid.

 

De to ozonhullene i stratosfæren over polene var på sitt dypeste rundt årtusenskiftet. Både modeller (blått), bakkemålinger (rødt), amerikanske satellitter (grønt) og europeiske satellitter (gult) er enige. (Foto: (Fra ESAs web-side))
De to ozonhullene i stratosfæren over polene var på sitt dypeste rundt årtusenskiftet. Både modeller (blått), bakkemålinger (rødt), amerikanske satellitter (grønt) og europeiske satellitter (gult) er enige. (Foto: (Fra ESAs web-side))

 

Høyere troposfære

CO2-økning skal flytte tropopausen (skillet mellom værsonen og stratosfæren) oppover. Ingen er uenige i dette.

Fakta: En heving av troposfæren er observert.

Men: Dette må også ses i forhold til uttynningen av ozonlaget, som dro i samme retning inntil for noen få år siden.

Merk at: Redusert solaktivitet kan neppe forklare at tropopausen fortsatt flytter seg oppover.

 

Den ytre atmosfæren

Fakta: Termosfæren (inkludert ionosfæren) krymper.
Dette er også en varslet virkning av CO2-økningen.
Men: Den reduserte solaktiviteteten (som særlig er merkbar på ekstremt høye UV-frekvenser) er nok en viktigere årsak til dette.

Altså: Vi kan ikke finne svaret i ionosfæren.

Varmen i havet

Varmemengden i havet har fortsatt å øke, til tross for at vi nå er midtveis i den svakeste solsyklusen på hundre år.
Dette er en sterk indikator på CO2-drevet oppvarming, og svekker sola som mulig forklaringsfaktor for den observerte globale oppvarming.

Men: Mindre skyer må sjekkes ut som alternativ forklaring.

Husk: Havet er tregt, så kanskje bør vi vente ytterligere fem år før vi konkluderer?

 

Havet varmes fra toppen

Fakta: Profilen på oppvarmingen i verdenshavene viser tydelig at oppvarmingen foregår fra toppen.

Altså: Undersjøiske kilder som hovedårsak til global oppvarming kan derfor utelukkes.

 

Vanndamp

CO2-hypotesen sier at mer CO2 skal gi oppvarming og mer vanndamp i atmosfæren, hvilket igjen vil forsterke oppvarmingen noe. Samtidig er mengden vanndamp i atmosfæren påvirket av hvilken modus ENSO er i. 1998 og 2010 er toppårene for total kolonne vanndampinnhold i atmosfæren.  

Fakta: Det er vanlig oppfatning blant meteorologer at vanndamp-innholdet i atmosfæren har økt gjennom de senere årtiene (det synes f eks å være en tydelig trend siden slutten av 1980-tallet i “BAMS State of the Climate in 2011”).

Men: Det vakte derfor mye oppsikt da artikkelen “Weather and climate analysis using improved global water vapor observations” (T. Vonder Haar et al.) ble publisert i fjor. Her sier forfatterne at de for dataserien 1988 - 2009 verken kan fastslå eller motbevise at det er en trend. Dataserien deres stanser imidlertid rett før El Ninjo-året 2010, som tydelig drar trenden opp i BAMS 2011. 

Altså: Vi får se hva som oppsummeres om vanndamp i sluttversjonen av IPCC5. Vanndamp er et svært viktig tema.

Inntil videre: Det har nok vært en positiv trend i globalt vanndampinnhold over hele perioden som er målt. Og siden både 2006, 2008, 2009, 2011 og 2012 nå har vist seg å være La Nina år, så er det ikke rart at vanndampkurven har ligget nokså flatt i det siste tiåret, i likhet med global temperatur. CO2-hypotesen kan ikke forkastes på basis av dette.  

 

Nedturen på 1960- og 1970-tallet, og utflatingen det siste tiåret

CO2-økningen kan selvsagt ikke forklare at global temperatur flatet ut og gikk noe ned på 1960- og 1970-tallet. Men måten man forklarer denne “dumpa” på, har konsekvenser for dagens situasjon.

Dersom man sier at den middels svake solsyklus nr 20 var en viktig forklaringsårsak på 1960-tallet, så må man også akseptere at dagens enda svakere solsyklus burde gjort verden enda kaldere i våre dager. Hvilket styrker CO2-hypotesen.

Dersom man i stedet aksepterer IPCC-skolens forklaring om at industrielle svovelutslipp var viktige på 1960-tallet, så må man akseptere at de industrielle utslippene fra Kina og India i vår tid kan ha stor betydning for temperaturutflatingen de siste ti årene. Hvilket styrker CO2-hypotesen.

Hvis man mener at det var en intern 60 års hav/sky-syklus som dro global temperatur ned på 1960-tallet, så vil CO2 være en mulig forklaring på hvorfor tilsvarende syklus nå synes å flate ut på et mye høyere nivå nå 60 år senere.

Men: En alternativ forklaring kan kanskje tenkes, nemlig ”kokeplate-teorien” for sola. Den sier at solaktiviteten under Maunder Minimum og den lille istid var så lav, og kjølte havet så mye ned, at selv dagens nokså lave solaktivitet kanskje er høy nok til fortsatt å varme havet noe.

 

Solaktiviteten har sunket de siste tyve årene. Og nåværende solsyklus er svakere enn den som toppet seg i 1969. (Foto: (Kurve fra Climate4you))
Solaktiviteten har sunket de siste tyve årene. Og nåværende solsyklus er svakere enn den som toppet seg i 1969. (Foto: (Kurve fra Climate4you))

 

Polar forsterkning

CO2-drevet oppvarming skal gi kraftig utslag ved polene, og på kort sikt særlig i Arktis.

Fakta: Global temperatur har, siden målingene startet,  steget raskere i Arktis enn ved ekvator.

Men: Jorda ville trolig også transportert mer varme nordover dersom oppvarmingen skyldtes sterkere sol eller mindre skyer ved ekvatorbeltet. Og det tar noe tid før den oseanografiske virkningen av solaktiviteten viser seg i polområdene.

 

Tropical troposphere hotspot

Et av de mest berømte CO2-fingeravtrykkene som man har lett etter, er en sterk oppvarming midt i troposfæren over ekvator.

Fakta: Man har ikke funnet en slik tydelig ”hotspot” i målingene.
Men: Debatten raser fortsatt over hvor tydelig denne signaturen skal forventes å være (det avhenger av hvilken klimamodell man kjører), og hvor lenge man bør observere for å midle ut ENSO-effekter.

Den nyeste publikasjonen som jeg kjenner til, er Fu et al (2011) ”On the warming in the tropical upper troposphere: Models versus observations” (GRL 2011). Der sies det:
“While satellite MSU/AMSU observations generally support GCM results with tropical deep-layer tropospheric warming faster than surface, it is evident that the AR4 GCMs exaggerate the increase in static stability between tropical middle and upper troposphere during the last three decades.”

Den opplagte konklusjonen på dette er at klimamodellene ikke er gode nok når det gjelder dynamikken i atmosfæren i tropene. Mye tyder nemlig på at klimamodellene undervurderer de tropiske syklonenes formidable evne til å løfte opp varme og kjøle ned havoverflaten. Kanskje er dette en av hovedgrunnene til at klimamodellene synes å overdrive den globale oppvarmingen. Men å forkaste CO2-hypotesen? Nei, men la oss heller justere ned klimasensitiviteten.

ENSO

Blant klimamodellene som ble kjørt for IPCC4, var det ingen enighet om hvorvidt Stillehavet vil gå mer mot El Niño- eller La Niña-tilstand i en verden med høyere CO2-nivå. CO2-hypotesen har altså ikke noen entydig prognose for ENSO, selv om flertallet stemte for mer El Niño forrige gang. Vi får se hva som kommer i IPCC5 (og jeg har ikke vært reviewer på det kapitlet). 

 

Rykende ferskt fra CMIP5

I løpet av det siste året har det kommet en rekke artikler som analyserer og oppsummerer hva som ligger i tallene fra den store kjøringen (CMIP5) av de nye klimamodellene som ble gjort forut for IPCC5. La oss se på noen av artiklene. Leserne oppfordres til å nevne flere. 

 

Hotspots på bakken

Diffenbaugh & Giorgi påpeker i artikkelen ”Climate Change hotspots in the CMIP5 global climate model ensemble” (Climate Change, okt 2012) at steder som Amazonas, Tibet og Middelhavsområdet skal oppleve vesentlig større temperaturendring enn f. eks. Argentina og India. Dette er selvsagt testbart. Spørsmålet er om alternative forklaringsmodeller gir samme resultat.

 

Nedbør

Sarojina et al. ”Fingerprints of changes in annual and seasonal precipitation from CMIP5 models over land and ocean” (GRL, nov 2012) ser nærmere på forskjellene mellom antropogent og naturlige pådriv når det gjelder nedbør rundt om i verden etter 1950. CMIP5-modellene gir klare antropogene signaturer som man kan lete etter, bl a generelt fuktigere luft over både land- og havområder på høye nordlige breddegrader. Antall nøyaktige målestasjoner for nedbør er imidlertid såpass lite (og konsentrert til enkelte områder), at man rent statistisk må måle ganske lenge før man har sikre konklusjoner for verifisering/falsifisering.  

 

Saltholdighet

En av de sterkeste testene som er publisert, ser ut til å være Pierce et al. ”The fingerprint of human-induced changes in the ocean’s salinity and temperature fields” (GRL, nov 2012). I artikkelen gjøres det ”formal fingerprint-based detection and attribution analysis ” for saltholdighet og temperatur for perioden 1955 – 2004 i havets øvre 700 meter. Forfatterne skriver at de observerte endringer i perioden ikke er forenelig med kun naturlig variabilitet (ENSO, PDO, sol, vulkaner). Derimot er de observerte endringer konsistente med hva som forventes fra det menneskelige klimapådrivet.

Men: Det er selvsagt et spørsmål om forfatterne har modellert de naturlige effektene riktig.

 

Oppsummering:

Jordas klimasystem er utrolig komplisert, og vitenskapen fikk dessverre aldri gjort referanse-målinger før man satte i gang med CO2-økningen. Vi kjører et gigantisk eksperiment for første gang ved å pøse CO2 raskt ut i atmosfæren.

Det foreligger ikke noen falsifisering av teorien om CO2-drevet global oppvarming. Men for hver enkelt av de geofysiske indikatorene som diskuteres i CO2-sammenheng, kan det, isolert sett, finnes alternative forklaringer. Det er dermed totaliteten av bevismengden som må vurderes.

I og med at CO2 hele tiden øker, mens faktorer som solaktivitet og ozon-laget har skiftet retning i løpet av måleperioden, så har man unik mulighet i årene framover til å skille mellom bidrag fra de ulike faktorene.

Jeg skal ikke påstå å ha oversikt over alt, så det blir spennende å se hva som kommer i IPCC5. Men debatten stopper vel neppe der. 

Er CO2 skyldig? Min personlige konklusjon er at det fortsatt er skjellig grunn til mistanke. Det blir nok fem nye år i varetekt, ja. 

Og hva mener leserne om saken?

 

 

Etterord

Denne artikkelen ble i all hovedsak skrevet søndag 17 februar, og ble oppdatert 22-23 februar etter lesing av følgende artikler:

Lee & Feldstein: “Detecting Ozone- and Greenhouse Gas-Driven Wind Trends with Observational Data” (Science, 1 februar 2013). Denne omtaler hvordan svekkelsen av ozonlaget og økningen i klimagasser har gitt sterkere vinder rundt Antarktis og økt konveksjon i tropene. 

Waugh et al: “Recent Changes in the Ventilation of the Southern Oceans” (Science, 1 februar 2013). Denne omtaler hvordan nedblandingen i havet nå skjer raskere enn før på den sydlige halvkule.  

Roy Spencers blogg-artikler 20 februar og 21 februar. Der vises sammenhengen mellom havoverflatetemperaturen og konveksjon/nedbør i Tropene, og at havoverflatetemperaturen i Tropene stiger saktere enn hva klimamodellene i CMIP5 har spådd. Spencer filosoferer også over årsakene til dette.   

Kevin Trenberths foredrag “Attribution of Recent Increases in Atlantic Hurricane Activity”. Her går Trenberth i detalj inn på hvordan tropiske sykloner kjøler ned  havoverflaten ved organisert energitransport oppover i atmosfæren, og at dette trolig er dårlig modellert i klimamodellene. 

 

Bergen hadde det fineste vinterværet fredag 22. februar. Her sett fra NASAs satellitt Terra. (Foto: (NASA Terra MODIS))
Bergen hadde det fineste vinterværet fredag 22. februar. Her sett fra NASAs satellitt Terra. (Foto: (NASA Terra MODIS))

 

God helg, med eller uten debattinnlegg.