Hoe werkt klimaatverandering deel 6: komt het wel van de mens?

Goeiedag, het is vandaag zondag 16 augustus 2020, ik ben Jozef Van Giel en dit is de 407^de aflevering van deze podcast.
De wetenschappelijke bewijzen dat het klimaat opwarmt als gevolg van menselijke uitstoot van CO₂ stapelen zich op. Toch lopen er nog veel te veel mensen rond die deze feiten ontkennen. Daarom ben ik hier een reeks over gestart. Vorige keer legde ik uit hoe broeikasgassen werken en ik hoop dat het duidelijk was dat deze kennis stevig verankerd zit in onze wetenschappelijke basis. Het staat niet op zich, maar past in het grotere geheel. De wetenschap die het broeikaseffect verklaart, verklaart heel veel andere fenomenen die in onze dagdagelijkse technologie gebruikt wordt. In tegenstelling tot wat klimaatontkenners zeggen had Tyndall wel degelijk gelijk en worden zijn bevindingen dagelijks gerepliceerd. Als je dat niet inziet moet je nog eens naar aflevering 403 luisteren en eventueel ook de afleveringen ervoor en erna waar ik nog wat extra fysica achtergrond geef om het punt van aflevering 403 duidelijker te maken. Maar is de CO₂ die door de mens in de lucht geblazen wordt wel voldoende om het klimaat te beïnvloeden? De mens is toch maar een nietig wezen! Het kan toch niet dat zo’n klein wezen invloed kan hebben op het milieu?

De koolstofcyclus

Aan het einde van de rit willen we weten in hoeverre er koolstof in onze atmosfeer zit afkomstig is van menselijke activiteit.

Om dat beter te begrijpen moeten we starten met wat uitleg te geven over de koolstofcyclus. Ik heb in de notitiepagina verschillende links gestoken, maar een groot deel van de uitleg die hierna volgt is vooral gebaseerd op een document met als titel “Carboncyclebackground” van de universiteit van New Hampshire.

Koolstof is één van de meest voorkomende stoffen in het heelal en op aarde. In het heelal komt het op de vierde plaats na waterstof, helium en zuurstof. Als je je nog de 34^ste aflevering van deze podcast, “Het heelal in een notendop”, uit 2009 herinnert, zal je ook begrijpen waarom dat zo is. Bij de oerknal was er enkel waterstof en een beetje helium. Sterren begonnen waterstof via kernfusie te “verbranden” tot helium. Wanneer al het waterstof op is, gaat de ster, als ze groot genoeg is, helium te verbranden tot zuurstof en koolstof.

In de aardkorst is koolstof het 17^de element. Het komt dus ook redelijk veel voor. Het zit overal. Diep in de aardkorst, op het aardoppervlak, in de lucht in de zee. Meestal in andere vormen. De koolstofcyclus is een model dat beschrijft hoe al deze koolstofvoorraden met elkaar interageren.

Het is een vrij complex proces dat ik hier niet helemaal zal uitleggen, maar het is belangrijk dat je kern mee hebt. Wie dieper wil gaan kan eens kijken in de links in de notitiepagina.

De hoeveelheden koolstof in deze voorraden wordt uitgedrukt in gigaton. Een gigaton is één miljard ton.

De grootte van die cijfers zijn als volgt: in de aardkorst zit ongeveer 100 miljoen gigaton koolstof. Het grootste deel daarvan gebonden in gesteenten. De grond, dat is de bovenlaag van de aarde, bevat zo’n 1500 GT vooral in de vorm van dode planten en zo’n 560 GT aan levende planten, in de oceanen zo’n 38 000 GT en in de atmosfeer zo’n 750 GT. De fossiele brandstoffen die nog in de grond zitten zijn goed voor zo’n 4000 GT.

Al die bronnen van koolstof interageren met elkaar. Er zijn processen die koolstof uit de grond naar de lucht brengen, andere die koolstof uit de lucht in de zee doen oplossen en nog andere processen die koolstof uit de zee in de grond doen verdwijnen. Maar ook processen die net het omgekeerde doen.

Als de som van de bewegingen van al deze processen elkaar compenseren spreken we van een dynamisch evenwicht. Wanneer daar een verschil op zit dan betekent dat dat een bepaalde voorraad zal stijgen en een andere zal dalen.

Die grote bewegingen zijn ook in kaart gebracht. Zo’n 60 GT koolstof komt jaarlijks van de aarde in de lucht terecht door rottingsprocessen van dood materiaal op het aardoppervlak, maar ook door erosie van koolstof houdende gesteenten en zo’n 60 GT komt van de ademhaling van levende wezens, vooral planten. Die twee worden bijna perfect gecompenseerd door fotosynthese dat zo’n 120 GT koolstof terug in biologisch materiaal omzet. Ook zo’n 60 GT aan organisch materiaal verandert van levend naar dood materiaal waardoor het op het aardoppervlak terecht komt. Oceanen nemen ongeveer 92 GT koolstof uit de lucht weg. Vooral doordat CO₂ met water het zuur H₂CO₃ vormt, koolzuur, dat redelijk goed oplost in water en beter oplost naarmate het water kouder is. Dat is hetzelfde gas dat voor de bubbels zorgt in bruiswater, Cola, schuimwijn en bier. Ongeveer 90 GT koolstof uit de zee gaat terug de lucht in. Het is ook belangrijk om de weten dat men in de interactie van de oceanen met de atmosfeer spreekt over een korte cyclus en een lange cyclus. De korte cyclus gebeurt in een interactie met het oppervlaktewater en duurt tussen enkele dagen tot een jaar. De lange cyclus gaat over koolzuurgas dat in de diepte van de oceaan terecht komt en daar eeuwen en langer kan blijven zitten.

Jaarlijks verdwijnt 0,1 GT koolstof uit de zee in de aardkorst in de vorm van sedimenten en komt er 0,8 GT koolstof via rivieren in de zee. Sedimenten bevatten koolstof afkomstig van levende organismen. Een belangrijk deel daarvan zijn schalen van schaaldieren die na miljoenen jaren door druk en temperatuur onder andere kalkrotsen worden. De kalkrotsen in Calais en Dover die geleidelijk aan door de branding worden afgebroken, zijn dus in de zee ontstaan in de loop van miljoenen jaren.

Dan is er ook nog 0,1 GT koolstof dat in de lucht terecht komt via vulkanen.

Dan de menselijke activiteit: De mens blaast zo’n 6 GT aan koolstof in de atmosfeer door het verbranden van fossiele brandstoffen, de productie van cement en nog eens 0,9 GT door ontbossing.

De reden dat ik hier cement noem en niet andere productieprocessen zoals siderurgie is omdat een deel van de CO₂-uitstoot van cement afkomstig is van de kalkrijke gesteenten die als grondstof gebruikt worden en waar de koolstof dioxide uit de kalkbinding onttrokken wordt en die in de atmosfeer vrij komt. Bij siderurgie daarentegen komt de koolstof uit vooral kolen, een fossiele brandstof en wordt gebruikt om de zuurstof die gebonden zit in het ijzererts te onttrekken.

Dat zijn een heleboel cijfers die je nu niet moet onthouden, maar ik vond het belangrijk om ze op te sommen om te laten zien dat onderzoekers deze goed in kaart gebracht hebben. Er zitten er enkele belangrijke bij waar ik later op terug zal komen.

 

We weten hoe dik de atmosfeer is en wat de oppervlakte van de aarde is, dus kunnen we het volume van de atmosfeer berekenen. We kennen de samenstelling van de atmosfeer. Ze bestaat voor meer dan 99% uit stikstof, zuurstof en waterdamp in die volgorde. Van een volume gas bij een specifieke druk weten we dankzij Avogadro hoeveel deeltjes erin zitten en van die deeltjes weten we hoeveel ze wegen als we weten welke stof het is. Dat laatste hebben we al uitgelegd in de introductieafleveringen rond de fysica en chemie van het klimaat. Op basis van die zaken kan je de hoeveelheid berekenen van elk gas dat zich in de atmosfeer bevindt. Hoeveel deeltjes er zijn, hun totale massa… Het is iets ingewikkelder dan dat omdat de samenstelling en de druk wijzigen met de hoogte, maar voor iemand die wat bedreven is met wiskunde en integraalrekening kan dat geen probleem zijn.

Je hebt ongetwijfeld al gehoord dat er ondertussen al meer dan 400 ppm CO₂ in de lucht zit. Dat betekent dat er voor elk miljoen andere deeltjes, dus voor stikstof, zuurstof en waterdamp, er 400 deeltjes CO₂ in de lucht zitten. Dat komt overeen met die totale massa van 750 Gigaton koolstof. Let wel, die 750 is het gewicht van de koostofatomen, het totale gewicht aan CO₂ is dus meer dan drie keer zoveel omdat elk koolstofatoom telkens gebonden is met twee zuurstofatomen. Om juist te zijn weegt een CO₂ molecule 3,66 keer meer dan een koolstofatoom. Als je dus de totale hoeveelheid gasmoleculen in de atmosfeer zou delen door een miljoen en vermenigvuldigen met 400, dan kom je het totale aantal CO₂ moleculen uit. Deel dat door 3,66 en vermenigvuldig dat met het atoomgewicht van koolstof en je zal uitkomen op die 750 GT, niet helemaal omdat er ook een beetje methaangas in de lucht zit dat we niet meerekenden. Maar opnieuw, als je wat meer moeite doet, kan de berekening nauwkeuriger worden.

Bon, als we alle CO₂-uitstoot door de mens samennemen voor een bepaalde periode, dan kunnen we berekenen hoeveel die uitstoot is in verhouding tot die 750 GT koolstof. We kunnen ook berekenen hoeveel ppm dat is in vergelijking tot de totale hoeveelheid gas in de atmosfeer. We zagen daarstraks dat de mens verantwoordelijk is voor zo’n 7 GT aan koolstof in de vorm van CO₂. Zoals net uitgelegd is dat het gewicht van de koolstofatomen en komt dat overeen met wat meer 28 GT aan CO₂.

7 GT ten opzichte van de totale hoeveelheid van 750 GT maakt iets minder dan 1% aan koolstof die de mens jaarlijks toevoegt aan de atmosfeer. Dus ten opzichte van die 400 ppm betekent dat dat we jaarlijks 4 ppm toevoegen.

In 1959 was de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer 316 ppm. In 2016 was dat al 404 ppm. Een snelle berekening geeft aan dat in die periode de CO₂-concentratie jaarlijks met gemiddeld 1,5 ppm gestegen is. Waar zit nu het verschil tussen die 4 ppm en die 1,5 ppm?

Om te beginnen hebben we niet gedurende gans die tijd evenveel CO₂ uitgestoten als nu, maar is de hoeveelheid gestegen met de economische groei in te wereld. Maar als we ook daarmee rekening houden, dan is de CO₂-concentratie in de lucht nog steeds lager dan ze zou moeten zijn volgens die berekening vertrekkende van de waarden van 1959.

Ik zei daarstraks dat de zee 92 GT koolstof uit de lucht opneemt en 90 GT afgeeft aan de atmosfeer. Er blijft dus 2 GT in de zee. Een deel daarvan zinkt naar de diepte waar het zeer lang kan blijven zitten en een klein deel dààrvan verdwijnt als sediment in de zeebodem. Maar dat betekent dus dat de concentratie aan koolzuur in de zee steeds stijgt. En het gevolg is dat de zee steeds zuurder wordt.

Goed, we zien dus dat de toename van de CO₂-concentratie in de lucht de uitstoot door de mens wel degelijk volgt.

Als je alle koolstof die jaarlijks in de lucht komt optelt en even geen rekening houdt met wat er weer verdwijnt dan hebben we: 120 GT door organismen op het land en de grond, 0,1 GT van vulkanische activiteit, 90 GT uit de zee, 0,9 GT door ontbossing en 6 GT door het verbranden van fossiele brandstoffen, dan komen we aan een totaal van 217 GT koolstof. De mens stoot dus ongeveer 7 gigaton aan koolstof uit, 6 door verbranding en 1 door ontbossing. Dat is 3 procent van het totaal. Dat is geen verwaarloosbare hoeveelheid zoals de klimaatontkenners ons graag laten geloven. Bovendien gebeurt dat jaar na jaar en is er geen compensatiemechanisme zoals dat bij de andere processen duidelijk wel is.

Het probleem is eigenlijk het volgende. Als je naar de koolstofcyclus kijkt en even de uitstoot van de mens wegdenkt, dan kan je twee belangrijke cycli onderscheiden. Een snelle of korte cyclus en een lange cyclus. De korte cyclus loopt over periodes van enkele maanden tot enkele decennia, misschien enkele eeuwen en wordt vooral beheerst door twee processen: de uitwisseling tussen de atmosfeer en het oppervlak van de zee, die over enkele maanden loopt, en de uitwisseling tussen de atmosfeer en het aardoppervlak dat varieert tussen een jaar, voor bijvoorbeeld éénjarige planten tot enkele eeuwen voor langlevende bomen en organismen. De lange cyclus bestaat uit sedimentvorming, erosie, adsorptie door rotsgesteente en vulkanische activiteit. De lange cyclus loopt over een periode van miljoenen jaren. Dat wilt zeggen, de koolstof die in die cyclus wordt uitgestoten heeft miljoenen jaren in de aardkorst of de diepzee gezeten en omgekeerd kan het ook zo lang duren eer het terug in de aardkorst of de diepzee terecht komt.

In de korte cyclus worden zeer grote hoeveelheden koolstof uitgewisseld, maar zijn de voorraden niet gigantisch. In de korte cyclus is er ook een redelijk stabiel dynamisch evenwicht waarbij de uitstoot en de absorptie elkaar ongeveer compenseren. In de lange cyclus zijn de uitgewisselde hoeveelheden veel kleiner. Je zou eigenlijk ook kunnen spreken van een snelle en een trage cyclus.

Het probleem in dit verhaal is dat de mens, door fossiele brandstoffen zeer snel, over een periode van zo’n 200 jaar koolstof uit de trage cyclus toevoegt in de atmosfeer.

 

Goed, maar wanneer de CO₂ in de lucht komt is elke molecule toch identiek en kunnen we niet uitmaken wat de bron van die uitstoot is?

Herinner je dat ik in de aflevering over de chemie van klimaatverandering zei dat de kern van een koolstofatoom bestaat uit 12 kerndeeltjes, zes protonen en zes neutronen, maar dat sommige koolstofatomen 7 of 8 neutronen bezitten. Men spreekt dan van het isotoop koolstof-13 of koolstof-14 omdat het 13 of 14 in plaats van 12 kerndeeltjes bevat. Er zijn ook isotopen van koolstof met slechts 8 kerndeeltjes, tot en met hele zware met 22 kerndeeltjes, maar behalve koolstof-12, koolstof-13 en koolstof-14 zijn die zo onstabiel dat ze bijna onmiddellijk verdwijnen nadat ze zijn ontstaan. De meeste blijven maar fracties van een seconde bestaan, enkele overleven wat langer zoals koolstof-11 die het 20 minuten volhoudt vooraleer de helft van de isotopen verdwenen is. Men spreekt van de halfwaardetijd.

Koolstof-12 en koolstof-13 zijn stabiel en vervallen niet vanzelf. Bijna alle koolstof is koolstof-12, maar ongeveer 1% is koolstof-13.

Wat interessant is, is dat er verhoudingsgewijs minder koolstof-13 zit in fossiele voorraden (pag 138)  dan in oppervlakte-koolstof. De reden dat dat zo is, is dat in planten koolstof-12 sneller wordt opgenomen dan koolstof-13, omdat die eerste lichter is. En aangezien fossiele brandstoffen ontstaan uit organisch materiaal van miljoenen jaren geleden, bevatten die minder koolstof-13 dan dat er in de atmosfeer zit.

Dus, als de mens verantwoordelijk is voor de stijging van de CO₂ in de lucht als gevolg van het verbranden van fossiele brandstoffen, dan moet de verhouding tussen koolstof-13 en koolstof-12 in de lucht met de tijd dalen.

En dat is precies wat we vaststellen.

We kunnen dat historisch ook reconstrueren, want, naarmate er minder koolstof-13 in de lucht zit, zullen planten ook minder koolstof-13 opnemen, aangezien de planten hun koolstof uit de lucht halen. En omdat Koolstof-13 een stabiel isotoop is, verandert zijn hoeveelheid in een stuk hout niet met de tijd, waardoor je door oud hout te analyseren kan reconstrueren wat de koolstof-13 concentraties waren in het verleden.

En raad eens… de bevindingen komen overeen met de verwachtingen op basis van wat we verbranden.

Klimaatontkenners vragen dikwijls ook of de stijging van de CO₂ misschien het gevolg is van vulkanische activiteit. Maar zoals we zaken zijn vulkanen verantwoordelijk voor 0,1 GT koolstofuitstoot per jaar. Dat is 1,4% van wat de mens uitstoot. En aangezien koolstof van vulkanische oorsprong meestal niet afkomstig is van organisch materiaal is de verhouding tussen koolstof-13 en koolstof-12 niet anders dan in de lucht.

Er zijn nog andere manieren hoe we weten dat de effecten van de mens komen, misschien maak ik daar later nog een aflevering over.

Er zijn natuurlijk nog vragen die een klimaatontkenner je zou kunnen stellen. De ene wat zotter dan de andere, misschien behandel ik die nog wel in een latere aflevering. Bijvoorbeeld, ligt het niet aan de activiteit van de zon? Nee, want de evolutie van de zonneactiviteit komt niet overeen met de evolutie van de klimaatopwarming. Wie het zich herinnert weet dat ik in 2015 het grote klimaatdebat heb opgenomen, vanaf aflevering 255. Daar beweerde Bas Van Geel dat het klimaat veranderde als gevolg van de zonneactiviteit. Ik heb toen aan hem en aan Dirk Verschuren expliciet de volgende vraag gesteld: “De voorbije jaren hebben we een toename in de zonnecyclus gezien. Normaal gezien zou die piek er binnenkort moeten komen. Stel dat na de piek het klimaat stopt met op te warmen of net wel doorgaat met opwarmen ga je dan jouw ongelijk toegeven?” Beide personen, bevestigden. ’t Is te zeggen, Bas van Geel was akkoord om zijn ongelijk toe te geven als de temperatuur daarna zou blijven stijgen en Dirk Verschuren was akkoord om zijn ongelijk toe te geven als het omgekeerde zou gebeuren. Ondertussen, in 2020 is die piek gepasseerd, het klimaat is blijven opwarmen, de klimaatontkenners hebben nog altijd hun ongelijk niet toegegeven.

Tegenwoordig komen ze af met: “Maar het klimaat en de CO₂-concentraties zijn altijd veranderlijk geweest.” Ja, maar wat we nu in 200 jaar zien gebeuren gebeurt normaal gezien in periodes van duizenden jaren en dat is precies wat we verwachten als de oorzaak van de mens komt, zoals ik hierboven heb uitgelegd.

En ze vinden er altijd wel nieuwe uit waar je als skepticus weer je tijd moet in steken om ze te ontkrachten.

Ok, maar is de wereld echt aan het opwarmen? Volgende keer kijken we nog eens naar de metingen en gaan dieper in op de vraag of simulaties wel betrouwbaar zijn.

Nog even voor de duidelijkheid: ik heb hier steeds met de hoeveelheid koolstof gerekend omdat in sommige gevallen die koolstof niet in de vorm van CO₂ voorkomt. Als je deze getallen met andere literatuur wilt vergelijken waar met CO₂-hoeveelheden gerekend wordt, dan krijg je een getal dat ongeveer 3,66 keer groter is omdat een CO₂-molecule 3,66 keer zwaarder is dan een koolstofatoom.

Volgende keer bekijken we of er wel bewijs bestaat dat de aarde echt opwarmt. https://www.kritischdenken.info/hoe-werkt-klimaatverandering-warmt-de-aarde-echt-op/

Het citaat van vandaag komt van Steven Pinker.
Pinker zei

Mensen worden bejubeld of vervloekt om wat ze geloven. Dus zou één functie van de geest wel kunnen zijn om die overtuigingen te weerhouden die de gelover het hoogste aantal medestanders, beschermers of volgers oplevert, eerder dan de overtuigingen die het meest waarschijnlijk juist zijn.

De koostofcyclus op WikipediA

Artikel bij de NASA over de koolstofcyclus

Het deel over koolstofcyclus is vooral gebaseerd op dit artikel.

En nog een artikel over de koolstofcyclus, dit keer van columbia university

In het periodiek systeem kan je zien dat koolstof op de vierde plaats na waterstof, helium en zuurstof voorkomt in het heelal.

In de 34^ste aflevering van deze podcast, “Het heelal in een notendop” heb ik uitgelegd waarom er zoveel waterstof, helium, zuurstof en koolstof in het heelal voorkomt en zo veel minder van de andere elementen.

Iedereen weet dat wel, maar in dit artikel kan nog eens bevestigd zien dat de atmosfeer voor meer dan 99% bestaat uit stikstof, zuurstof en waterdamp.

De hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer in 1959 en 2016 vind je ook terug op WikipediA.

De verschillende isotopen van koolstof op WikipediA, met hun halveringstijd.

Hier is een link naar het IPCC rapport 4, waar op pagina 138 uitgelegd wordt hoe dat zit met die koolstof 13

En in dit artikel leggen ze bij Carbonbrief uit hoe dat zit met die opname van koolstof 12 en koolstof-13 door planten.

De zon is niet verantwoordelijk voor de klimaatverandering. Waarom dat zo is lees je hier.

De website Sceptical Science zou nooit mogen ontbreken in een referentielijst over klimaatverandering, die website is zo goed dat klimaatontkenners het haten en sommige verspillen al hun pijlen op stropoppen van deze site. Hier is een artikel over de menselijke vingerafdruk op het klimaat en dit artikel is in het Nederlands vertaalt en gaat over de koolstofcyclus war je ziet dat de mens wat meer 28 GT aan CO₂ uitstoot.

Hier komt het citaat vandaan.