Kan de gemiddelde temperatuur dalen door een verlaging in CO₂ uitstoot?

Gemakshalve bekijken we hier alleen het effect van menselijke broeikasgasemissies op de mondiaal gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak (vanaf nu gewoon “temperatuur” genoemd), dus niet bijvoorbeeld het effect van landgebruik (licht gras weerkaatst meer zonlicht dan donker bos) of de uitstoot van andere stoffen zoals zwavelaerosol.

Hoe de temperatuur van de broeikasgasconcentratie afhangt

Twee effecten bepalen de respons van de temperatuur op broeikasgassen.

1. Als je de concentraties van broeikasgassen constant houdt en lang genoeg wacht, ontstaat een evenwicht; de temperatuur in dit evenwicht hangt af van de concentratie.
2. De eerste helft van de opwarming gebeurt binnen ca. 10 jaar, maar het duurt enkele eeuwen totdat dit evenwicht (bij goede benadering) is bereikt.

Even een simpel gedachtenexperiment: stel, we gaan terug naar het jaar 1750 (vóór de industriële revolutie). Nu verviervoudigen we in één klap de atmosferische concentratie van CO₂ en houden deze vervolgens constant op dit hoge niveau; verder nemen we geen invloed van bijvoorbeeld andere broeikasgassen of veranderingen in vegetatie en ijsbedekking mee. Wat gebeurt er dan met de temperatuur? Dit experiment is door een grote groep klimaatmodellen uitgevoerd en is te zien in Figuur 1.

Figuur 1: Temperatuurstijging in Kelvin volgens klimaatmodellen (zwart) als in het jaar 1750 (pré-industriële revolutie) de CO₂ concentratie in de atmosfeer in één keer verviervoudigd word en daarna constant blijft. Overgenomen van Millar et al., 2017 [1].

We kijken alleen naar de zwarte dunne strepen; elke streep is één klimaatmodel. De temperatuur stijgt in alle modellen in de eerste ca. 15 jaren na de toename vrij hard, vervolgens stijgt hij steeds langzamer. Dit komt doordat sommige onderdelen van het klimaatsysteem zich vrij snel aan de hoge CO₂-concentraties aanpassen, maar bijvoorbeeld de diepe oceaan eeuwen nodig heeft om op te warmen. We kunnen afschatten dat je na 15 jaar al 2/3 van de uiteindelijke opwarming al hebt gekregen, en dat daarna het systeem nog langzaam wat verder opwarmt. Laten we dit het “restopwarmingsseffect” noemen. Dus: als we vanaf nu de broeikasgasconcentratie constant zouden houden, dan zou de temperatuur eerst nog wat toenemen (restopwarming), en uiteindelijk een evenwicht bereiken. Om de temperatuur te laten dalen, moeten de broeikasgasconcentraties afnemen.

Even terzijde: In de plot is ook te zien dat klimaatmodellen het niet erover eens zijn hoe warm het nou uiteindelijk gaat worden. De uitkomst van zulke modellen wordt vaak uitgedrukt in termen van de “klimaatgevoeligheid”: de opwarming die je in evenwicht krijgt als je de CO₂-concentraties verdubbelt. De huidige afschatting hiervan is best onzeker, volgens het nieuwste IPCC-verslag is er 67% kans dat de opwarming tussen 2,5 en 4,0 graden per verdubbeling van CO₂ bedraagt [2]. Deze onzekerheid is heel lastig, onder andere omdat we op die manier niet precies kunnen zeggen hoe veel CO2 we maximaal nog kunnen uitstoten, het zogenaamde carbon-budget, om de (over de aarde gemiddelde) opwarming onder 2 graden te houden. Wil je meer weten over de klimaatgevoeligheid? De KlimaatHelpdesk heeft hier een uitgebreide uitleg op de website staan.

De natuurlijke reductie van broeikasgasconcentraties

Gelukkig zijn er ook natuurlijke processen die de broeikasgasconcentraties kunnen laten afnemen. CO₂ wordt bijvoorbeeld opgenomen door planten en de oceaan. En methaan ondergaat in de atmosfeer chemische reacties waarbij o.a. CO₂ vrij komt (wat “winst” is, omdat methaan een veel sterker broeikasgas is dan CO₂). Stel we beginnen weer met een voorindustriële aarde. In die tijd was de CO₂-concentratie van de lucht ca. 275 ppm (parts per million; dus van 1 miljoen moleculen in de lucht waren er 275 CO₂-moleculen) wat overeenkomt met 2160 Gt (CO₂) (1 Gt is een gigaton ofwel 1 Miljard ton). Wat gebeurt er als we nu CO₂ aan de atmosfeer toevoegen?

Laten we dit zelf modelleren in een héél simpel klimaatmodel genaamd C-ROADS [3] (voetnoot 1). In onze mini-klimaatsimulatie negeren we alle broeikasgassen behalve CO₂, en stoten na 10 jaar 37 Gt (CO₂) uit, dus evenveel als in 2019 door fossiele brandstoffen is uitgestoten [4].

Figuur 2: Resultaten met het C-ROADS-model, scenario 1: We beginnen met een voorindustriële toestand en stoten in jaar 10 van de simulatie 37Gt CO₂ uit. Links (plot 2a): De toename van de CO₂ 2-concentratie in atmosfeer, biosfeer (planten), humus (grond), en de oceaan. De stippellijn is de totale uitstoot van CO₂ tot nu toe. Rechts (plot 2b): de temperatuurverandering t.o.v. voorindustrieel in de vijf lagen van de oceaan (de temperatuur in bovenste laag is de oppervlaktetemperatuur). De stippellijn is de oppervlaktetemperatuur die we zouden krijgen als de aanpassing van de temperatuur aan de CO₂ -concentratie oneindig snel zou gaan (ofwel, als we de concentratie heel lang constant zouden houden totdat de temperatuur is aangepast). Alleen CO₂ is meegenomen in deze simulatie.

Het uitgestoten CO₂ belandt in eerste instantie in de atmosfeer, daar is de toename (t.o.v. voorindustriëel) aanvankelijk het grootst (zie plot 2a). We zien echter dat de CO₂ -overschot in de loop van de tijd afneemt tot ongeveer 20% van de oorspronkelijke emissie. De rest belandt in de oceaan, biosfeer (vooral planten) en humus (grond). Planten nemen CO₂ op, maar geven het ook weer af als ze bladeren verliezen of doodgaan. Dit dode materiaal vergaat, en de koolstof gaat voor een deel terug naar de atmosfeer en wordt voor een deel tot humus verwerkt. Ook humus kan op lange termijn weer CO₂ naar de lucht afgeven. Voor de industriële revolutie was dit systeem ongeveer in evenwicht: planten en grond namen evenveel CO₂ op als ze afgaven. Planten groeien echter beter als er meer CO₂ is. Na de uitstoot in onze simulatie onttrekken de planten veel CO₂ (bijna 10 Gt) aan de lucht (de snelle toename van CO₂ in de biosfeer in de figuur). Na ca. 20 jaar neemt de hoeveelheid CO₂ in de biosfeer weer wat af omdat meer groei ook meer productie van dood materiaal betekent, dus meer humusproductie. De koolstofopslag in humus neemt toe, totdat uiteindelijk ook hier het principe gaat spelen: meer humusproductie -> meer humusdegradatie. Ongeveer 40 jaar na de uitstoot nemen biosfeer en humus geen extra CO₂ meer op, al blijft de hierin opgeslagen hoeveelheid wat groter dan vóór de uitstoot (uiteindelijk zo’n 5 Gt elk).

De oceaan blijft veel langer doorgaan met CO₂ op te nemen. De oceaan neemt CO₂ op omdat dit in water oplosbaar is. De bovenste laag van de oceaan, die door wind en golven goed doormengd raakt, onttrekt vrij snel ca. 6Gt (CO₂ ) aan de lucht. Vervolgens wordt langzaam oppervlaktewater naar diepere lagen gemengd, dus de oceaan blijft lang CO₂ opnemen, al gaat het steeds langzamer. Tot nu toe heeft de oceaan ca. 30-40% van alle menselijke CO₂-uitstoot opgevangen (voetnoot 2).

Wat betekent dit voor de temperatuur (voetnoot 3)? De temperatuur in de bovenste oceaanlaag (in dit simpele model ook gelijk aan de luchttemperatuur) schiet vlak na de uitstoot omhoog tot 0,02 graden opwarming (t.o.v. voorindustriëel) en neemt vervolgens maar langzaam af (rode lijn in plot 2b), terwijl de diepe oceaan langzaam blijft opwarmen. De reden voor dit gedrag van de oppervlaktetemperatuur - plotselinge stijging en dan redelijk constant - is een combinatie van twee factoren: Het feit dat de temperatuur ongeveer 15 jaar nodig heeft om zich enigszins aan de nieuwe CO₂-concentratie aan te passen (Figuur 1), en het feit dat na 15 jaar de CO₂-concentratie in de lucht alweer flink is afgenomen (Figuur 2a). Vervolgens is er een vrij goede compensatie tussen de verder afnemende CO₂-concentratie en het langzame ‘restopwarmingseffect’ van de temperatuur vanaf ca. jaar 15 (Figuur 1). Alleen als de temperatuur zich oneindig snel aan de CO₂-concentraties zou aanpassen, dan zou ze de zwarte stippellijn in figuur 2b volgen, dus een veel hogere piek in het begin.

Als we nu, in 2021, ineens zouden stoppen met CO₂ uit te stoten (Figuur 3), dan zou de temperatuurstijging snel afvlakken, maar een lichte stijging zou nog enkele jaren of tientallen jaren doorgaan, omdat het “restopwarmingseffect” (Figuur 1) dan nog speelt. Pas na die tijd begint de afname van CO₂ in de atmosfeer het te winnen van de restopwarming en gaat de temperatuur langzaam dalen.

Figuur 3: Resultaten met het C-ROADS-model scenario 2: als in figuur 2, behalve dat het nu luidt: We gebruiken historische CO₂-uitstoot tot 2020 en stoppen in 2021 de uitstoot volledig. Links (plot 3a): De toename van de CO₂-concentratie in atmosfeer, biosfeer (planten), humus (grond), en de oceaan. De stippellijn is de totale uitstoot van CO₂. Rechts (plot 3b): de temperatuurveranderingl in de vijf lagen van de oceaan (de temperatuur in bovenste laag is de oppervlaktetemperatuur). Alleen CO₂ is meegenomen in deze simulatie.

Let wel, we hebben in deze simpele simulaties alleen het belangrijkste broeikasgas CO₂ meegenomen. Methaan, het op één na belangrijkste, verdwijnt sneller uit de atmosfeer dan CO₂ , dus hier tonen reducties van de uitstoot sneller een effect op de temperatuur. Aan de andere kant bestaan er ook broeikasgassen - zoals fluorchloorkoolwaterstoffen, die o.a. in koelkasten worden gebruikt - die in de atmosfeer bijna niet worden afgebroken en dus heel lang een effect op het klimaat hebben

Kunstmatige reductie van broeikasgasconcentraties

Dus, om een expliciet antwoord op de vraag te geven: we moeten de uitstoot van CO₂ bijna tot nul reduceren om de toename van de temperatuur te stoppen. Pas na lange tijd zal de afname van CO₂ in de atmosfeer tot een merkbare, langzame afname van de temperatuur leiden (zie ook: Matthews et al., 2009) [5].

Als we een snellere afkoeling willen bereiken, dan moeten we niet alleen de uitstoot fors reduceren, maar ook CO₂ uit de lucht halen of zonlicht terugkaatsen [6,7]. Voor het eerste zijn er meerdere ideeën, bijvoorbeeld een combinatie van herbebossing en aanplanten van planten die snel CO₂ opnemen, of het gebruik van biomassa voor energieproductie (elektriciteit, warmte of biobrandstoffen), waarbij het vrijkomende CO₂ kan worden opgevangen en onder de grond opgeslagen (BECCS genoemd). Geen van deze technieken wordt tegenwoordig op grote schaal ingezet, en waarschijnlijk is de maximale hoeveelheid CO₂, die per jaar kan worden verwijderd en opgeslagen flink kleiner dan de huidige uitstoot. Zonlicht terugkaatsen, ofwel Solar Geoengineering, kan mogelijk door reflecterende deeltjes in de stratosfeer (atmosfeer boven ca. 20km hoogte) te brengen of lage wolken witter te maken. Solar Geoengineering is zeer controversieel en ook hier is de maximaal haalbare (of wenselijke) afkoeling vermoedelijk beperkt [8]. We moeten dus sowieso de uitstoot terugdringen.

—————————————————————————————————

Voetnoot 1: Als je zelf een beetje met het C-ROADS-model wilt spelen, is er hier een webversie: https://c-roads.climateinteractive.org. De webversie heeft maar een beperkt aantal scenario’s, maar neemt het wel andere broeikasgassen mee, en heeft de mogelijkheid om de uitstoot van verschillende regio’s te bekijken. Wat is een klimaatmodel? Dat staat hier uitgelegd.

Voetnoot 2: Hoewel goed voor het klimaat, is de opname van CO₂ de grootste bijdrage tot de verzuring van de oceaan, die een bedreiging vormt voor calcificerende organismen (zoals schelpdieren en coralen) en dus de maritieme voedselketen.

Voetnoot 3: C-ROADS werkt met een klimaatgevoeligheid van 3 graden opwarming per verdubbeling CO₂ (in evenwicht), de beste (maar nog steeds onzekere) afschatting volgens het nieuwste IPCC-verslag.