Samenvatting
De toevoer naar de atmosfeer van CO2 afkomstig van fossiele brandstof is meer dan de gemeten toename. Een deel verdwijnt in de oceaan. De snelheid, waarmee dat gebeurt. is af te leiden uit de data. De halfwaarde van de verblijftijd van exces CO2 is 69 jaar. Indien het fossiele brandstofverbruik stabiliseert op het huidige niveau, bevat over 100 jaar de atmosfeer 583 ppM. De veronderstelling, exces CO2 is zo goed als geheel afkomstig van verbruik van fossiele brandstof, is in overeenstemming met harde data.
(Dit artikel gebruikt data verkregen uit aflezingen van grafieken, die deels zijn verglad door middeling over trajecten van 10 jaar en lineaire interpolatie. Vervolgens is een geïntegreerde rekenmethode gebruikt. Het lokte commentaar en de beschikking over de volledige gepubliceerde data. Daarmee en met een differentiële rekenwijze maakten Dr. A Huijser en ik een revisie. Daarin staan o.i. harde conclusies over het toekomstig CO2 verloop. Kwalitatief blijven die over de trage natuurlijke opname en eind van de CO2 toename overeind.)
Inhoud
- Inleiding
- Oceaan en atmosfeer
- Instelling van evenwicht
- Betrouwbare data
- Berekening oplossnelheid CO2 in de oceaan
- Gevoeligheid voor variatie in de veronderstellingen
- Conclusies, discussie en consequenties
- Noten
- Appendix
1. Inleiding
Koolstof (C) is vitaal voor het leven op aarde. Dat is opgebouwd uit moleculen die koolstof bevatten. Planten en dieren nemen het op en geven het ook weer af. Een belangrijk proces is de opname van CO2 uit de lucht door planten op land en in zee. Die zetten het met behulp van zonlicht om in voor hun bestaan benodigde verbindingen. Dieren verkrijgen hun koolstof niet direct. Zij leven direct of indirect van planten. Zonder CO2 in de atmosfeer zou er geen leven bestaan, zoals wij het kennen.
In 2020 is de concentratie van CO2 moleculen in de lucht ~ 415 ppM. (415 CO2 moleculen in een miljoen moleculen lucht.) 20.000 jaar geleden, aan het eind van de laatste ijstijd, was het beduidend minder: ~ 180 ppM. Dat was gevaarlijk laag. Want bij 150 ppM groeien planten niet meer. Dan is het met het leven gedaan.
Ook te veel CO2 is niet goed. Wanneer het enkele procenten van de lucht zou uitmaken, zouden mensen stikken. In de laatste 600 miljoen jaar was het nooit hoger dan 7000 ppM, dus 0,7%. Ruim onder de stikgrens. In de laatste 150 miljoen jaar is het met wat vallen en opstaan gestaag gedaald van 2000 ppM tot het niveau van heden.
Op dit moment is er naar boven en naar beneden een veilige marge. Toch is er in de samenleving zorg over het atmosferisch CO2. De concentratie neemt toe met ~ 2,4 ppM per jaar [ppM/jr]. Dat wordt gemeten op Mauna Loa, een eiland in de Grote Oceaan.
Wanneer we in een vat met lucht (voornamelijk stikstof en zuurstof) wat CO2 brengen, zal dat zich door diffusie uniform door het vat verdelen. Diffusie kost tijd. Het is afhankelijk van de aard en hoeveelheid van de gassen en de temperatuur. In een groot vat als de aardse atmosfeer, zou uniformiteit alleen door diffusie lang duren. Hier zorgt de wind echter voor snelle menging. Die is zo goed dat algemeen wordt aangenomen dat meting van CO2 concentratie op die ene plek representatief is voor de atmosfeer als geheel en vrijwel instantaan tot stand komt. NASA Goddard's Space Centre maakte van zijn satelliet waarnemingen een animatie film(1). Die toont de menging. De concentratie varieerde toen tussen 377 en 395 ppM wereldwijd, ± 10 ppM rond de Mauna Loa opgave. Van de atmosfeer kennen we daarom voor veel klimaatbeschouwingen nauwkeurig genoeg de CO2 inhoud en het verloop ervan.
Andere koolstofreserves zijn talrijk. Bomen, boeken, meubels, houten huizen en schepen, planten en hun bladeren, schelpen, rotsen, hele gebergten, turf, steenkool, olie, gas, de ondergrond van land en zee enz. bevatten veel meer C dan de lucht. En ze zijn er mee in wisselwerking. Sommige processen zijn traag, sommige gaan snel. Ontgassen en verdwijnen van de krijtrotsen bij Dover is een proces van honderden miljoenen jaren evenals het opbergen van CO2 door olivijn, het meest voorkomende aards mineraal. Koralen bouwen eilanden in enkele jaren. Vliegende insecten, die 10 x zoveel CO2 in de lucht brengen als de mens met al zijn machines, doen het sneller. Zij sterven meestal binnen een jaar, ontbinden en geven terug wat ze genomen hebben. Tijdens hun leven houden ze opruiming onder het groen en maken zo plaats voor nieuw groen, dat ontstaat door CO2 uit de lucht op te nemen. De insectencyclus is in een jaar aardig rond. Bij een boom duurt het zo'n 40 jaar voor iemand hem verbrandt. En vulkanen sproeien onregelmatig en wisselend veel of weinig.
Bergings- en (re-)emissie processen van diverse koolstofreserves zijn onderzocht. Ferdinand Engelbeen7 releveerde die met een oog op de atmosferische samenstelling. Hij komt kwalitatief tot dezelfde uitkomst als ik. En beter nog, hij rechtvaardigt de veronderstellingen. Zie § 7.
De zorg om de toename van het atmosferisch CO2 is niet een naderende verstikkingsdood. De veronderstelling heerst dat meer atmosferisch CO2 de temperatuur van de aarde verhoogt. Daardoor smelt landijs en zet het zeewater uit. De zeespiegel stijgt en lage gebieden overstromen. Er zijn nog veel meer bedreigingen bedacht, (ook voordelen). Los daarvan is de 'vraag waar de toename van het atmosferisch CO2 vandaan komt?' ook zelf interessant. Zie twee eerdere artikelen(2,4).
2. Oceaan en atmosfeer
De oceaan bevat in opgeloste toestand tenminste 50 x zoveel CO2 als de lucht. En er is wisselwerking over een groot oppervlak. 2% concentratie verandering in het water zou dus een verdubbeling van de hoeveelheid in de lucht geven. In evenwicht tussen zee en lucht, geregeld door de wet van Henry(3), verdwijnt van elke 1000 g CO2 die bij gebruik van fossiele brandstof vrij komt, 960 g in de oceaan. Daardoor zou die bij lange na niet genoeg zijn om de toename in de atmosfeer te verklaren(2).
Bij temperatuurstijging vermindert de oplosbaarheid in water. Als de oceaan opwarmt, ontgast die. Dat effect is bekend. Het is toereikend om de CO2 toename sinds de laatste ijstijd tot het begin van grootschalig gebruik van fossiele brandstof te verklaren. Maar niet voor de stijging sinds ~ 1880 tot heden(4,5). Tenzij er een onwaarschijnlijk, ongekend groter effect van veranderende saliniteit zou zijn.
Het ligt dus voor de hand terug te grijpen op menselijk toedoen en de snelheid waarmee het CO2 evenwicht oceaan-atmosfeer instelt. Zoals algemeen onder klimatologen gebruikelijk is. Veel onderzoekers hebben zich daarmee ingelaten. Een overzicht staat in noot 3 van(4). In 37 artikelen zijn verschillende halfwaarde tijden voor het verblijf van exces (meer dan evenwicht) CO2 in de atmosfeer te vinden. Ze variëren van 2 - 26 jaar. Er is één uitzondering. Het IPCC, dat een andere maat voor de procestijd gebruikt, gaat uit van 100+ jaar. Bij die lange tijd nodig om het evenwicht te bereiken is de menselijke CO2-uitstoot meer dan voldoende om de atmosferische stijging te verklaren.
De gerapporteerde procestijden verschillen onderling te zeer voor een realistische berekening.
3. Instelling van evenwicht
Communicerende vaten gevuld met vloeistof van ongelijke hoogte, of gas van ongelijke druk heffen, wanneer de verbinding wordt geopend, de ongelijkheid op. Hoe snel dat gaat, hangt af van allerlei factoren, wijdte van de verbinding, stroperigheid enz. Vaak is er een traject waarin de snelheid, waarmee het vereveningsproces verloopt, evenredig is met de overdruk. In dat geval is de overdruk die aan het begin ΔP0
was en op een later tijdstip ΔPt, te beschrijven met de formule:
Hierin is k de stroomsnelheidscoëfficiënt en t het tijdsverloop. Het is illustratief om de processnelheid uit te drukken in halfwaarde tijd th. Dat is het tijdverloop waarin ΔPt afneemt tot 0,5 ΔP0. De formule levert o.m. de betrekking tussen halfwaarde tijd th en k:
ln 0,5 = ln e-kth
0,693147... = kth (2)
Ook het transport CO2 lucht-oceaan en omgekeerd verloopt volgens deze wetmatigheid. (De coëfficiënten k hoeven in beide richtingen niet gelijk te zijn.). Bij elke temperatuur is er een evenwichtstoestand waarin de concentratie van het CO2 in de lucht in evenwicht is met de concentratie CO2 in water. Verhogen we de CO2 concentratie in de lucht dan zal afhankelijk van de stroomsnelheidscoëfficiënt ook die in het water na een tijdje hoger worden tot een nieuw evenwicht is bereikt. De fysische wet van Henry schrijft voor dat de concentratie verandering in het ene medium evenredig is met die in het andere. Hij is in feite afgeleid voor edelgassen, Die lossen evenredig met de partiële dampdruk op. Uit metingen blijkt dat hij voor koolzuuur in zuiver water over een relevant traject ook opgaat, figuur 1(4).
In zout zeewater zijn er complicaties, zie noot 5(4).
4. Betrouwbare data
Twee algemeen vertrouwde data reeksen staan te beschikking:
- De CO2 concentratie metingen van Mauna Loa.
- De jaarlijkse hoeveelheden verstookte fossiele brandstof (IEA/BP).
Er zijn geen vergelijkbaar betrouwbare data reeksen van andere CO2 bronnen en afvoer. Van de totale jaarlijkse in- en uitstroom in de atmosfeer is de fossiele CO2 ~ 4%. De veronderstelling dat in de bestreken periode in de overige 96% geen verandering optreedt, is dus gedurfd. Maar hoe gewaagd ook, het is wel het uitgangspunt van de maatregelen tegen CO2-uitstoot. En de berekening hierna stemt ermee overeen(5). Hetgeen overigens niets zegt over klimaatgevolgen van meer CO2.
Uit de figuren in de webpublicaties, fig.1 en fig.2, zijn de data reeksen in Tabel 1 en Tabel 2 afgelezen en geïnterpoleerd. Voor de jaren 2019 en 2020 zijn eerder vermelde cijfers gebruikt(2,4).
