Deel 2a – Aanvulling toename CO2

Deel 2a – Aanvulling toename CO2

Inleiding

In deze aanvulling op deel 2 – toename CO2 – wil ik me bezighouden met 2 dingen. Eén is het optreden van seizoen patronen in de stijging van het CO2-gehalte. Dit is van belang omdat ik er naar streef om een model op te stellen die de opwarming van de Aarde probeert te verklaren via een model dat de opwarming opsplits in de breedtegraden en de seizoenen. Het is dus zaak om dit goed weer te geven. Dit gebeurt via het analyseren van een grafiek.

Uit deze grafiek volgt een ander interessant feit en dat is dat het CO2-gehalte al een aantal jaren op rij niet langer meer exponentieel stijgt maar slechts lineair. Waarom is dit zo? En wat zijn de gevolgen hiervan? Het is de moeite waard om verder te onderzoeken. Het kan grote gevolgen hebben voor de voorspellingen van het CO2-gehalte aan het einde van deze eeuw. En dit is niet onbelangrijk voor de voorspellingen over de mate waarop de Aarde zal opwarmen. We zullen zowel de gangbare ABF variant als wel de alternatieve FA variant uitproberen en van beide zullen we kijken naar de variant met vaste waarde en die met een trendmatige verandering. We zullen bekijken in hoeverre dit iets uitmaakt. We zullen proberen een uitspraak te doen welke van de vier varianten als beste uit de bus komt. Het geheel wordt afgesloten met conclusies en een literatuurlijst.

Het plaatje

Laat ik eerst het plaatje weer geven waar het om draait. Dan heeft u een idee van wat ik probeer uit te leggen. Het plaatje komt van de website van NOAA, het National Oceanic and atmospheric Adminstration uit de VS. De rode en blauwe lijnen heb ik zelf toegevoegd om mijn tweede punt te demonstreren;

Figuur 1 – CO2-gehalte met seizoen patroon

Het figuur geeft per dag het CO2-gehalte aan voor een aantal meetstations. Barrow bevindt zich in Alaska en Mauna Loa in Hawaii. Beide stations liggen op het noordelijk halfrond. American Samoa en Southpole (Zuidpool) liggen op het zuidelijk halfrond. Het CO2-gehalte blijft stijgen. Dit gebeurt zo’n beetje overal in het zelfde tempo. Maar op het noordelijk halfrond is een duidelijk seizoen patroon te zien dat op het zuidelijk halfrond nagenoeg ontbreekt. Het seizoen patroon laat lagere waarden zien voor de zomer en hogere voor de winter. Dit hangt samen met de fotosynthese. Dit is in de zomer veel actiever dan in de winter. In de zomer is er meer zon en warmte en dat is wat planten nodig hebben tenslotte. De bandbreedte van het seizoen patroon is voor Barrow, Alaska heel breed. Namelijk maar liefst ruim 20 ppmv. Voor Mauna Loa, Hawaii is het een stuk smaller namelijk zo’n 8 ppmv. Voor Amerikaans Samoa is het nog maar zo’n 2 ppmv en voor de Zuidpool zelfs nog minder dan dit. Voor zover het seizoen patroon in de stijging van het CO2-gehalte.

Het bestaan van een (sterk) seizoen patroon is relevant voor mijn poging om de opwarming van de Aarde te willen verklaren met behulp van een model dat opgesplitst is in breedtegraden en seizoenen. Dit zal ik in het geheel van mechanismen die tot opwarming kunnen leiden zoals de stijging van het CO2-gehalte mee nemen. Hoe dit te doen komt aan de order in Deel 9 – Opwarming van de Aarde verklaard met een model per breedtegraad en seizoen. Maar daar is nog niet eens een begin mee gemaakt. Er zijn eerst nog een set aanvullingen nodig. De aanvulling van deel 1a is er al. Hierna volgt deel 3a – Aanvulling op het verband tussen de toename van CO2 en de opwarming van de Aarde. Dit is het volgende in de aanvullingen in de nieuwe serie. Het is de bedoeling om er een boek van te maken. Maar zover is het nog niet. Verder met het plaatje.

Er is meer te zien in het plaatje dan het optreden van een seizoen patroon. Hier over gaat de volgende paragraaf.

Wat is er meer te zien

Er is echter meer te zien aan dit plaatje dan alleen het bestaan van het seizoen patroon. Wat verder nog opvalt is dat het CO2-gehalte niet langer exponentieel stijgt maar “slechts” lineair. Het stijgt wel is waar nog steeds maar op een langzamer tempo dan de afgelopen decennia. En dit doet het al zeker vanaf 2012 en dat is van ver voor de corona pandemie. Waar ligt dit aan? Het ligt er aan dat het brandstofverbruik door een reeks van oorzaken niet meer gestegen is maar is gestabiliseerd. Hierdoor is ook de CO2-emissie gestabiliseerd. Dit zal leidt tot een verminderde want slechts lineaire stijging van het CO2-gehalte. De oorzaken van verminderd brandstofverbruik is enerzijds de lock down maatregelen die nu al zo’n anderhalf jaar duren en die transport, personen vervoer, de horeca en de toeristen en evenementen branche maar ook de industrie hard hebben geraakt. Vorig jaar viel het brandstofverbruik dan ook een stuk lager uit. Dit effect zal vermoedelijk slechts tijdelijk zijn. Er zal uiteindelijk herstel van de economie optreden. Dat is na iedere van de vele crises nog gebeurd. Dit zal ook nu het geval wel zijn. Maar anderzijds neemt men wereldwijd steeds meer concrete maatregelen om de CO2-emissies terug te dringen. Denk bijvoorbeeld aan grootschalige windmolenparken op zee, de vele zonnepanelen en tal van maatregelen om het nu eenmaal niet gratis energieverbruik terug te dringen. Het effect van dit geheel aan maatregelen is niet tijdelijk maar blijvend. De kans bestaat dus dat het deze keer anders zal gaan en het wel lukt om het energieverbruik en dus ook de CO2-emissies langdurig te bevriezen op het huidige hoge niveau. Als dit lukt gaat de wereld uiteindelijk op een vlot tempo over van het scenario business as usual(BasU) naar het scenario stabilisatie op het huidig hoog niveau(stabilisatie). Dit heeft gevolgen voor de projecties van het CO2-gehalte aan het eind van deze eeuw. Dat zal een stuk lager uitvallen dan in het oude scenario BasU. Hoeveel lager? Dat is voor de volgende paragraaf.

Hoeveel lager valt het CO2-gehalte uit

De vraag hoeveel lager het CO2-gehalte zal uit vallen aan het einde van de eeuw bij het scenario stabilisatie hangt af van welke van de vier varianten voor CO2-uitval we kiezen. In deel 2 zagen we dat alle 4 varianten over de onderzochte periode (1958-2014) evengoed voldoen. We kunnen op grond van dat onderzoek geen keuze maken welke variant beter is. We zullen dan ook alle 4 varianten dienen mee te nemen in ons onderzoek voor beide mogelijke scenario’s namelijk BasU en stabilisatie. Het eerste scenario is al sinds 1958 geldig. Het tweede stabilisatie leek mogelijk bij een hele reeks van crises die zich voordeden maar iedere keer herstelde de economie en koos de wereld voor het eerste scenario. Zou het deze keer anders gaan? Geen idee. Het is mogelijk. Daarom dienen we de vier varianten voor beide scenario’s te onderzoeken en kijken wat hier uitkomt. We beginnen met BasU.

Business as Usual

Bij dit scenario gaan we er van uit dat de terugval in verbruik van fossiel brandstof en dus de CO2-emissies tijdelijk zal zijn. De economie zal zich herstellen en de vraag naar energie zal weer toenemen en daarmee de CO2-emissies. Dit is tenslotte altijd nog gebeurd na een van de vele economische en andere crises die de wereld heeft doorstaan. We zullen een projectie uitvoeren hoe hoog het CO2-gehalte zou kunnen zijn aan het eind van deze eeuw. Dit is geen voorspelling want ik weet niet welk scenario zal uitkomen en weet op voorhand ook niet welke variant juist is. Ook heb ik geen enkele methode omdat te achterhalen. In het jaar 2100 ben ik al lang dood en begraven. Dat geldt ongeveer voor alle wetenschappers en onderzoekers. Dit zijn dingen om bij stil te staan. Het zijn alleen maar projecties gebaseerd op aannames. Dit ziet er grafisch als volgt uit;

Figuur 2 – Business as Usual

Het CO2-gehalte zal in alle vier varianten stijgen. Maar niet in de zelfde mate. De variant airbornfraction(ABF) met vaste gemiddelde waarde stijgt veel sneller dan de overige varianten. Bij de variant fractie antropogeen CO2(FA) trendmatig is de stijging het geringst. De beide andere varianten liggen in het midden en ontlopen elkaar nauwelijks. Ze vallen bijna volledig samen. De verschillen zijn best wel groot tussen de projecties.

Dit resultaat is eigenlijk best wel verrassend want voor de onderzochte periode vonden we in deel 2 geen enkel verschil voor de vier varianten. Dit roept natuurlijk de vraag op welke variant de juiste is. De mainstream wetenschap gaat er blijkbaar van uit dat de variant ABF vast de juiste is. Klopt dit ook? Voor we met deze vraag aan de slag gaan is het goed om eerst het tweede scenario stabilisatie van de het verbruik van fossiel brandstof op het huidige hoge niveau te bekijken en te zien wat daar uitkomt.

Stabilisatie op hoog niveau

In dit scenario gaan we er van uit dat de wereld wel lukt om het verbruik van fossiele brandstof te stabiliseren en dat het de groei van de vraag naar energie weet op te vangen door het gebruik van duurzame bronnen van energie zoals zonne-energie, en windenergie. Het is mogelijk en dient op grond van talloze verdragen, afspraken, plannen en wetgeving toch echt een keer gebeuren. Men kan pas beginnen met reduceren van CO2-emissies als men de groei ervan tot staan weet te brengen. Het is hoogst ambitieus en verre van zeker of dit gaat lukken maar je kunt er wel degelijk een scenario over schrijven en kijken wat er met het CO2-gehalte aan het eind van de eeuw gebeurt als het werkelijk zou plaats vinden. Het resultaat ziet er als volgt uit;

Figuur 3 – Stabilisatie op huidig hoog niveau

Het CO2-gehalte valt in alle vier varianten een stuk lager uit in dit scenario dan bij BasU. Maar ook hier zijn er grote verschillen tussen de varianten. De ABF varianten scoren veel hoger dan de FA. De varianten met trendmatige verandering scoren lager dan de varianten met vaste waarde. De FA met trendmatige stijging vertoont als enige van de varianten een piekwaarde, ergens ca. 2065, en valt dan terug. Ook hier dus veel verschil in de voorspellingen van wat je kunt verwachten van de CO2-ontwikkeling over de rest van deze eeuw. Laat ons de resultaten weergeven in tabelvorm voor alle vier varianten voor beide scenario’s.

De mogelijke combinaties van scenario en variant

Er zijn twee scenario’s en vier varianten. Laat ons deze in tabelvorm weergeven. Dat is een stuk overzichtelijker en laat zien wat er theoretisch mogelijk is op dit gebied. Dit ziet er als volgt uit;

Tabel I – 4 varianten en 2 scenario’s

De ABF vast BasU combinatie laat de hoogste waarde zien namelijk 722 ppmv. De FA variabel stabilisatie laat de laagste waarde zien. In deze combinatie is het CO2-gehalte aan het einde van de eeuw nauwelijks hoger met 427 ppmv dan dat het nu is namelijk 412 ppmv. In de volgende tabel is dit beter te zien door alleen de meest gunstige en de minst gunstige combinatie te laten zien;

Tabel II – Meest en mist gunstige resultaat combinatie

Het verschil tussen het meest gunstige (FA trend stabilisatie) en het minst gunstige(ABF vast BasU) combinatie is heel groot. In de meest ongunstige combinatie kun je een klimaat catastrofe verwachten. In het meest gunstige geval is de ramp af te wenden. Hieruit volgt dat het van groot belang is om te achterhalen welke combinatie van scenario en variant het meest waarschijnlijk is. Je kunt niet zomaar een combinatie pakken alleen maar omdat die beter scoort. Om uit te zoeken welke combinatie het meest waarschijnlijk en dus van toepassing is gaat de volgende paragraaf.

Welk scenario en welke variant

Wat het scenario betreft is het eigenlijk eenvoudig. De keuze ligt bij ons. Dat wil zeggende bij de mensheid en dan vooral bij de verantwoordelijke mensen van de overheid en het bedrijfsleven. Het is aan hun om te bepalen of we de overgang gaan maken. Tot nu toe besloten we altijd om bij iedere crisis terug te gaan naar het BasU scenario. Waarom zou het deze keer anders zijn? Omdat er een aantal dingen veranderd zijn en dat zijn de spelregels. Tot voor kort waren er wel is waar klimaatverdragen vol met mooie woorden en goede voornemens maar ze waren niet bindend. Het waren verdragen tussen landen met slechts een inspanningsverplichting. Dat wil zeggen tamelijk vrijblijvende overeenkomsten. De vrijblijvendheid is er nu wel een beetje af. Europese regelgeving, nationale wetgevingen en rechterlijke uitspraken maken het voor regeringen maar ook voor bedrijven een stuk lastiger om net te doen of er niets aan het handje is en ze gewoon hun gang kunnen blijven gaan. Die tijden zijn toch wel voorbij. Men neemt nu de nodige stappen maar het tempo waarop is nogal traag. Het mag en kan allemaal wel wat vlotter. Voor zover de keuze voor de scenario’s. Het is een kwestie van kiezen en de keuze ligt bij ons.

Wat de keuze voor een variant betreft dienen we eerst de keuze te maken tussen de airbornfraction(ABF) en fractie antropogeen CO2(FA). Daarbij lijkt het er op dat de FA variant betere papieren heeft. Dit is niet omdat de voorspellingen gunstiger zijn. Daar mag je niet vanuit gaan. Je kunt niet varianten om deze reden kiezen. Je dient je keuze te onderbouwen. De keuze voor de FA komt voort uit het feit dat de ABF variant slechts uitgaat van de verhouding tussen CO2 toename en CO2-emissies. Er zit geen theorie achter. De ABF schommelt over de onderzochte periode heel sterk tussen de 0,19 en 0,84. Het is weinig stabiel. In de periode voor 1958 wordt het nog veel bonter. Het gebeurt herhaaldelijk dat de ABF ver boven de 1 is en zelfs ver onder nul en dit is natuurlijk onzinnig. Om deze redenen, de afwezigheid van een theorie en absurde waarden, valt de ABF als variant af. De FA variant voldoet wel aan een theoretisch kader. Het stelt dat de CO2 toename gelijk is aan de CO2-emissie minus de CO2 uitval. Beide processen staan los van elkaar. De CO2-emissies zijn afhankelijk van het verbruik van fossiele brandstof. De CO2 uitval is een fractie van antropogeen CO2. En dat is gelijk aan het gehalte aan CO2 minus de natuurlijke pre-industriële waarde ervan en die is vastgesteld op 275 ppmv. Natuurlijk CO2 en dus ook antropogeen CO2 wordt voortdurend uit de atmosfeer verwijderd. Er is niet of nauwelijks een verschil tussen beide vormen van CO2. Processen die CO2 verwijderen zoals regen maar ook fotosynthese kunnen het verschil niet zien en maken geen keuze wat ze wel of niet uit de atmosfeer verwijderen. Dit alles levert een theoretisch kader op van het CO2 gebeuren voor zover relevant voor de toename van het CO2-gehalte van de atmosfeer.

Nu blijft nog de keuze over voor een vaste waarde voor de FA variant en of een met een trendmatige toename. Over de onderzochte periode is er geen verschil tussen beide FA varianten gevonden. Beide varianten kunnen de ontwikkeling van het CO2-gehalte over de onderzochte periode heel goed reconstrueren. Maar voor de voorspellingen over de ontwikkeling van het CO2-gehalte tot het eind van deze eeuw blijken de verschillen wel heel groot te zijn. Dit geldt voor beide scenario’s. De FA variant met trendmatige stijging geeft een veel lagere voorspelling van het CO2-gehalte. Omdat CO2 ook uit de atmosfeer wordt verwijderd door de regen en men aanneemt dat als het warmer wordt er meer verdamping zal zijn en uiteindelijk meer neerslag denk ik dat de trendmatige FA variant misschien wel beter zal voldoen. Dat er meer CO2 via regen uit de atmosfeer verdwijnt leidt tot zuurdere regen. En dit levert weer nieuwe problemen op zoals verzuring van de oceanen. Men mag een toename verwachten van fotosynthese. In een warmere en vochtige wereld zullen planten beter groeien maar extreem weer met bosbranden en stormen en overstromingen zullen weer niet bevorderlijk zijn. Maar of dit voldoende is om te zeggen dat de variant met trendmatige verandering beter voldoet dan variant met vaste waarde weet ik niet. Voorlopig doen we er goed aan om beide varianten mee te nemen. Die met een vaste waarde en die met een trendmatige verandering. Maar dat is iets voor Deel 3a – Aanvulling op het verband tussen de stijging CO2 en de opwarming. We zullen beide varianten mee nemen en zien wat er uit komt.

Conclusies

Laat ik de conclusies puntsgewijs weergeven voor een duidelijk beeld:

• De stijging van het CO2-gehalte laat een sterk seizoen patroon zien voor het noordelijk halfrond. Voor het zuidelijk halfrond is dit patroon een stuk zwakker. Dit is van belang voor mijn poging om de opwarming van de Aarde te kunnen verklaren in een model met seizoenen en breedtegraden. Deze poging zou dan deel 9 worden in de nieuwe serie.
• Wat verder opvalt is dat het CO2-gehalte lineair stijgt en niet langer exponentieel. Dit komt omdat de CO2-emisies niet meer stijgen maar zich stabiliseren op het huidig hoog niveau. Tijdens de lock down was zelfs sprake van een spectaculaire daling van de emissies. Deze stabilisatie komt voort uit het gelijk blijven en tijdens de lock down zelfs verminderen van de vraag naar energie. Voor het opwekken van energie gebruiken we nog altijd vooral fossiel brandstof. Dat verbruik lijkt gelijk te zijn gebleven en dit al sinds in elk geval vanaf 2012.
• Het lijkt er op dat de wereld de overgang van het ene scenario business as usual naar het volgende scenario maakt. Dit scenario is stabilisatie op het huidig hoog niveau. Of dit werkelijk gaat lukken weet ik niet. De inzinking van de vraag naar energie en dus de daaruit volgende daling van de CO2-emissies komen deels door de lock down. Zo gauw die over is volgt herstel. En dan is het afwachten of het deze keer anders gaat dan bij de vorige crises die de wereld steeds weer teisteren. Er is hoop. Dat wel. De vrijblijvendheid van de klimaatakkoorden is er nu wel af. Er liggen uitspraken van rechters richting overheid en bedrijven. Men moet nu echt wel een keer aan de slag. Veel meer dan in het verleden. Er is dus een kans dat de overgang daadwerkelijk zal plaatsvinden.
• Als deze overgang werkelijk plaats vindt heeft dit grote gevolgen voor de voorspellingen van de ontwikkeling van het CO2-gehalte. Bij het scenario stabilisatie zal het CO2-gehalte een stuk lager zijn dan bij BasU. De vraag is hoeveel lager. Dat hangt af van welke van de vier varianten je uit wilt gaan voor de ontwikkeling van het CO2-gehalte tot het einde van deze eeuw.
• Om deze vraag te kunnen beantwoorden heb ik 4 varianten ontwikkeld van een op zich heel simpel model. CO2 stijgt door de emissies. Dit kan op twee manieren bepaald worden. Gangbaar is om uit te gaan van het begrip airbornfraction(ABF). Dit is de fractie van de CO2-emissie die in de atmosfeer blijft hangen en zorgt voor de toename va het CO2-gehalte. Van dit gangbare model heb ik twee varianten ontwikkeld. Een met een vaste waarde voor de ABF die gelijk is aan het gemiddelde over de onderzochte periode en een tweede variant met een trendmatige vermindering van de ABF. De andere variant, de Fractie van het antropogeen CO2(FA), gaat er vanuit dat de toename van het CO2-gehalte over een jaar gelijk is aan de CO2-emisie minus de CO2-uitval. De CO2-uitval is een fractie van het antropogeen CO2. Antropogeen CO2 is het CO2-gehalte minus de het natuurlijke gehalte namelijk van voor het begin van de industriële revolutie. Dit gehalte is 275 ppmv. Ook voor deze variant zijn twee mogelijkheden. Een met een vaste waarde voor de FA, namelijk het gemiddelde voor de onderzochte periode en een met een trendmatige toename. Alle vier varianten zijn mogelijk. Uit deel 2 volgt dat er over de onderzochte periode geen statistische voorkeur is voor een van de vier varianten. Ze voldoen allemaal even goed. Vandaar dat de 2 scenario’s voor alle 4 varianten zijn uitgevoerd.
• Er zijn grote verschillen tussen varianten voor de voorspellingen van de ontwikkeling van het CO2-gehalte over de rest van deze eeuw. ABF vast geeft de hoogste verwachte waarden en de FA trend geeft de laagste waarden en geeft als enigste een piek weer in het CO2-gehalte. De uitkomsten voor het scenario stabilisatie liggen veel lager dan die van BasU. Welke variant voldoet beter. Dit te weten is belangrijk. De keuze dient onderbouwt en bij voorkeur te volgen uit theoretische gronden.
• ABF is geen theorie. Het is slechts een verhouding getal dat over de onderzochte periode sterk fluctueert en in de tijd voor de onderzochte periode absurde waarden aanneemt namelijk groter dan één en kleiner dan nul. Dit maakt dat de FA variant toch beter lijkt dan de ABF variant. Ook al is de ABF dan gangbaar. Dat de FA variant veel lager scoort mag geen rol spelen in de keuze. Het moet wel onderbouwd zijn op grond van het liefst ook theoretische argumenten. Het lijkt erop dat je een voorkeur kunt uitspreken voor de trendmatige verandering boven de vaste waarde. Dit komt omdat een deel van de CO2 uit de atmosfeer wordt geregend en verdamping en regen zal toenemen bij de opwarming. Dit leidt tot verzuring van de oceanen. Ook zal er een toename zijn van fotosynthese. De omstandigheden hiervoor worden in het algemeen beter bij warm en vochtig weer. Hoewel extreem weer niet erg bevorderlijk is. Denk daar bij aan een toename van bosbranden en stormen en overstromingen.
• De gevolgen van deel 1a en deel 2a op de relatie tussen CO2 toename en opwarming van de Aarde komen aan de order in deel 3a. Maar dat is voor volgende maand. Het is mijn voornemen om de serie artikelen om te zetten in een boek. Het schiet al mooi op maar er is nog veel te doen. Packen Wir es an.

Literatuurlijst

Overzicht nieuwe serie

Overzicht antropogeen CO2

Deel 2 – Toename CO2

Plaatje – NOAA website

CO2-emissies uit brandstof – IEA

Wikipedia – Oceaanverzuring