Wat legt het beste CO₂ vast in de natuur?

Eerst een samenvatting

In het natuurlijke systeem is er altijd uitwisseling van koolstof (C) tussen allerlei plekken. Planten, bijvoorbeeld, nemen CO₂ op uit de atmosfeer (fotosynthese) en leggen het C vast in biomassa. Aan het eind van het seizoen worden bladeren weer afgebroken en komt CO₂ weer de atmosfeer in. Normaal gesproken komt er ongeveer net zoveel in als dat eruit gaat en dus blijft de CO₂ concentratie in de atmosfeer gelijk. Voor de industriële revolutie was ‘de koolstofcyclus’ behoorlijk in evenwicht. De mens heeft iets unieks bedacht: koolstof uit gesteentes (fossiele brandstoffen) direct de atmosfeer in brengen als CO₂. Maar de mens heeft (nog) geen manier ontwikkeld om die extra CO₂ weer uit de lucht te halen en onder de grond te stoppen. Daarom stijgt de CO₂ concentratie.

The Global Carbon Project, een groep wetenschappers die de koolstofcyclus monitort en daar jaarlijks open access over rapporteert (zie hier het laatste rapport), berekende dit jaar dat we in totaal ongeveer 645 petagram aan C in de vorm van CO₂ geproduceerd hebben door de verbranding van fossiele brandstoffen (zo’n 440 petagram) en ontbossing (ongeveer 205 petagram). Eén petagram is zo’n 200 miljoen flinke Afrikaanse olifanten (…).

Die extra CO₂ van fossiele brandstoffen is niet allemaal in de atmosfeer gebleven, maar deels door de natuur weer opgenomen. Met metingen en modellen is bepaald dat de biologie op het land bijna 200 petagram opgenomen heeft die aan het eind van de seizoenen niet weer werd teruggegeven aan de atmosfeer. En ongeveer 160 petagram is opgelost in oceanen. Dat zijn goede CO₂ vastleggers dus. Maar de biosfeer en oceaan kunnen niet alle extra CO₂ opnemen (er wordt veel onderzoek gedaan om te zien hoe we dit zouden kunnen versterken) en dus zit er inmiddels ongeveer 255 petagram extra koolstof in de vorm van CO₂ in de atmosfeer. Na eeuwen zal zich een nieuw evenwicht instellen tussen opname uit en afgifte aan de atmosfeer, maar dan is de CO₂ concentratie in de atmosfeer nog steeds erg hoog. Om CO₂ echt op te ruimen moet het als vaste stof in sedimenten worden begraven. Dat gaat heel langzaam, normaal gesproken met zo’n 0.2 petagram per jaar. Maar uiteindelijk ruimt dat de menselijke CO₂ helemaal op, binnen zo’n 150 duizend jaar. Sedimenten zijn dus de echte kampioen CO₂ vastleggen maar ze zijn niet vooruit te branden.

Koolstofcyclus in beeld, van het laatste rapport van "The Global Carbon Project"

Lange antwoord

Ontzettend naar als je een simpele vraag stelt en een wetenschapper zegt: “dat is maar hoe je het bekijkt”. Ik weet het, die nuance en ziekelijke neiging om compleet te zijn in antwoorden bevordert niet altijd de toegankelijkheid van wetenschappers. Maar in het klimaatdossier is het van enorm belang dat de kwaliteit van het gesprek hoog is. Vandaar ook hier een wat uitgebreid antwoord.

De vastlegging van koolstof (C) wordt bepaald door de koolstofcyclus. Op tijdschalen van seizoenen zijn landplanten hierin heel belangrijk. In het voorjaar en de zomer nemen ze heel veel CO₂ op door fotosynthese. Als de bladeren in de herfst van de bomen vallen worden ze afgebroken en komt de koolstof weer als CO₂ vrij in de atmosfeer. Omdat er op het Noordelijk Halfrond meer land is dan op het zuidelijk halfrond wordt er in ons groeiseizoen meer CO₂ opgenomen dan tijdens het zuidelijke groeiseizoen. Daarom zie je jaarlijkse variaties in de CO₂ concentratie in de atmosfeer. Die schalen naar de hoeveelheid CO₂ vastgelegd op het noordelijk en zuidelijk halfrond. Op seizoenale schaal zijn planten dus wereldkampioen CO₂ vastleggen: per jaar zo’n 100 petagram. Een petagram is 10¹⁵ gram (1.000.000.000.000.000 gram) en dat is een groot getal. In mijn oratie vertelde ik dat het schaalde naar honderden miljoenen olifanten, tientallen miljoenen bultruggen, enkele miljoenen afgeladen 747s en honderdduizenden gevulde olympische zwembaden. In een stabiele situatie van de koolstofcyclus, zeg voordat de mens grond ging ontginnen, wordt er echter net zoveel biomassa gemaakt als dat er afgebroken wordt. Elk jaar zuigt de biosfeer de atmosfeer voor ongeveer 1/6 leeg om hem in hetzelfde jaar weer met dezelfde hoeveelheid aan te vullen. De netto balans op jaarlijkse schaal is dan dus 0. Typische korte-termijndenkers dus, planten. Ook in zee zit koolstof in opgeloste vorm. Heel veel zelfs. En op tijdschalen van een paar duizend jaar zijn ook oceanen in evenwicht met de atmosfeer en biosfeer.

Maar bladeren (laten we het biomassa noemen) kunnen ook jarenlang worden opgeslagen op de bodem van meertjes. En soms ontsnapt biomassa voor nog veel langere tijd aan afbraak en wordt het permanent begraven in aardlagen. Dan is de CO₂ uit de atmosfeer dus voor heel lange tijd uit de seizoenale cyclus verdwenen. De netto balans slaat dan dus negatief uit zodat de CO₂ concentratie daalt.

Er is nog een manier om CO₂ permanent uit de atmosfeer te krijgen. Dat gaat door middel van een chemische reactie: verwering. CO₂ is een zuur. Dus opgelost in regenwater reageert het met gesteentes op het land (alle regen is zuur). Dit is vergelijkbaar met de aantasting van kerkgebouwen en beelden in de buitenlucht. Daarbij wordt CO₂ omgezet in een andere stof: HCO₃-, ofwel waterstofcarbonaat of bicarbonaat. Dit bicarbonaat stroomt met rivieren mee naar de zee. Daar leven eencelligen die het gebruiken om hun kalkskeletje (CaCO₃) van te bouwen. Een deel van die skeletjes zinkt naar de zeebodem waar ze deel uit gaan maken van het sediment en, net als de bladeren hierboven, permanent begraven kunnen worden in aardlagen.

De jaarlijkse begraving van C in gesteentes (biomassa en kalk) is ongeveer 0.2 petagram. Een fractie dus van de uitwisseling van koolstof in de korte koolstofcyclus tussen biomassa en atmosfeer. Maar het is wel de enige manier om de hoeveelheid C in het geheel van biomassa, atmosfeer en oceanen te verlagen. Maar waarom is er, na al die geologische tijd dan nog steeds C in oceanen en de atmosfeer? Waarom is niet alles inmiddels in gesteentes? Dat is omdat er ook in de natuurlijke situatie koolstof uit gesteentes naar de atmosfeer gaat: met name door vulkanen. En ook hier is de onttrekking van koolstof door sedimentatie en input door vulkanisme in de natuur ongeveer in balans.

Een fractie van de begraven biomassa is door geologische krachten omgezet tot fossiele brandstoffen (olie, steenkool, gas). Die verbranden we nu op grote schaal. Jaarlijks brengen we momenteel zo’n 10 petagram koolstof uit fossiele brandstoffen in de vorm van CO₂ de atmosfeer in; 50 keer de natuurlijke input van CO₂ vanuit gesteentes. Het permanent vastleggen van CO₂ door de natuur moet dus 50 keer worden versneld om de huidige uitstoot te balanceren. The Global Carbon Project , een groep wetenschappers die de koolstofcyclus monitort en daar jaarlijks open access over rapporteert (zie hier het laatste rapport), berekende vorig jaar dat we in totaal ongeveer 645 petagram aan C in de vorm van CO₂ geproduceerd hebben door de verbranding van fossiele brandstoffen (zo’n 440 petagram) en ontbossing (ongeveer 205 petagram). Die is ten dele opgenomen door biomassa (~200 petagram) en oceanen (~160 petagram), maar de rest veroorzaakt nu klimaatverandering als CO₂ in de atmosfeer.

Hoe weten we deze getallen?

We houden nauwlettend bij hoeveel brandstof we verbranden. De toename in CO₂ in de atmosfeer kunnen we heel goed meten, want de concentratie is bij benadering overal ter wereld hetzelfde. De CO₂ concentratie in zeewater is ook heel goed te meten. CO₂ is een zuur en verandert de pH van het zeewater. Dat wordt op verschillende plekken gemonitord, en omdat het gedrag van CO₂ en pH in zeewater heel goed bekend is kunnen we de rest van de oceaan heel precies modelleren, wat met 9 verschillende modellen gebeurt. De grootste onzekerheid is de hoeveelheid koolstof die in biomassa is opgenomen; die wordt (met 16 verschillende modellen) berekend op basis van de huidige kennis, maar is het lastigst om goed te meten.

Zie het als een lening. Stel je hebt een inkomen van 0.2 euro per jaar en je geeft ook elk jaar zoveel uit (helaas zijn er nog steeds heel veel mensen die het hiermee moeten doen). Maar nu leen je de komende tien jaar elk jaar 10 euro van een weldoener en die geef je ook direct uit. Als je dan na tien jaar weer terugvalt naar je inkomen van 0.2 euro is die lening niet zo vlot terugbetaald aan de eigenaar. Je moet dus proberen om ergens die 0.2 euro een klein beetje hoger te maken zodat je op de lange termijn je lening van 100 euro kunt terugbetalen. Maar tjonge, je voelt wel aan dat dat even gaat duren.

De aarde werkt precies zo. Tot de mens ging morrelen met de koolstofcyclus kreeg de atmosfeer elk jaar 0.2 petagram koolstof van het gesteente door vulkanisme en gaf net zoveel terug door sedimentatie. De atmosfeer heeft nu een lening van honderden petagrammen gekregen van de gesteentes door de verbranding van fossiele brandstoffen. Maar omdat er elk jaar nog steeds maar 0.2 petagram wordt gesedimenteerd blijft de CO₂ concentratie hard stijgen. Klimaatverandering zal waarschijnlijk zorgen voor een kleine toename in de sedimentatie. Op lange termijn zal de menselijke CO₂ weer in sedimenten verdwijnen, maar dat duurt wel 150 duizend jaar. Misschien kunnen we de verweringsreactie versnellen of toch CO₂ opslaan in oude gasvelden. Ook onderzoeken wetenschappers hoe we CO₂ in de dieptes van oceanen kunnen opslaan; dan zijn we er voorlopig wel even vanaf.

Kortom, we zijn al kampioen uitstoot maar het is hard nodig om ook kampioen CO₂ vastleggen te worden.