Hoe lang gaat de CO2-opname nog door?

Guido van der Werf van de VU heeft mede naar aanleiding van het Lewis/Crok-rapport een uitgebreid blogbericht geschreven dat vooral kijkt naar naar de scenario’s. Ik verwacht de komende jaren veel aandacht voor de scenario’s. Momenteel zitten de emissies boven het zogenaamde RCP8.5 scenario, het hoogste van de vier IPCC-scenario’s. Een relatief lage klimaatgevoeligheid kan nog altijd aanzienlijk wat opwarming geven als de concentratie aan broeikasgassen in de atmosfeer snel toeneemt.

Onderstaand blogbericht is ook geplaatst op de blog van Bart Verheggen.

Gastblog van Guido van der Werf

Samenvatting
Met simpel doortrekken van de ontwikkelingen van de laatste 15 jaar komen we dicht in de buurt van het hoogste IPCC scenario wat CO2-uitstoot betreft, het zogenaamde RCP8.5-scenario.

Onzekerheden in hoeverre het land en oceanen CO2 blijven opnemen zijn belangrijk en vormen een van de grote onzekerheden wat toekomstige klimaatverandering betreft.

Ongeveer een kwart van de forcering van het RCP8.5-scenario zit in niet-CO2 factoren waarin met name methaan een belangrijke rol speelt.

Zelfs als je deze niet-CO2 factoren buiten beschouwing laat kom je met lage waardes van klimaatgevoeligheid rond of boven de 2 graden opwarming in 2100 uit. Het meenemen van deze factoren of hogere klimaatgevoeligheden leveren uiteraard meer opwarming op, en vice versa.

Om toekomstige klimaatverandering te berekenen zijn grofweg vier factoren van belang: klimaatgevoeligheid, de netto klimaatforcering, de benodigde tijd om een nieuw evenwicht te bereiken, en natuurlijke factoren. De klimaatgevoeligheid heeft de laatste weken veel aandacht gekregen, met name vanwege een rapport van Nic Lewis en Marcel Crok waar een lagere klimaatgevoeligheid uit kwam dan de 1.5-4.5 graden opwarming per CO2 verdubbeling van het laatste IPCC rapport.

Dit blogbericht gaat over de klimaatforcering en dan met name over de toekomstige uitstoot en atmosferische concentratie van CO2. Met behulp van acht grafieken laat ik zien wat voor factoren belangrijk zijn en wat de toekomstige CO2-concentratie zou kunnen zijn bij ‘business as usual’, oftewel bij geen mitigatie. Naast CO2 zijn er uiteraard ook andere factoren van belang inclusief emissies van methaan (CH4) en lachgas (N2O) maar die laat ik hier grotendeels buiten beschouwing.

Ontbossing
Allereerst gaan we naar de metingen van de laatste pakweg 50 jaar kijken (de eerste drie grafieken) en daarna naar de toekomst (grafiek 4 tot en met 8). De data die ik gebruikt heb is van het Global Carbon Project. De twee belangrijkste bronnen van toename van CO2 zijn verbranding van fossiele brandstoffen en ontbossing. Emissies van ontbossing zijn behoorlijk onzeker maar waarschijnlijk afgenomen de laatste decennia, zie onderstaande Figuur 1. Tegelijkertijd zijn emissies van fossiele brandstoffen toegenomen door zowel bevolkingsgroei als groei van de welvaart. Deze getallen zijn redelijk goed bekend.

Figuur 1. CO2-emissies door verbranding van fossiele brandstoffen en ontbossing, uitgedrukt in equivalente aantal deeltjes per miljoen (parts per million, ppm) van de CO2-concentratie in de atmosfeer.

Als deze emissies de enige factor in de zogenaamde koolstofcyclus zouden zijn dan zou je verwachten dat de toename in de atmosfeer gelijk is aan de emissies. Figuur 2 laat zien dat dit niet zo is! Deze atmosferische metingen zijn de best bekende factor in de koolstofcyclus en er vallen meteen twee dingen op. Allereerst is er veel variatie van jaar tot jaar in de toename van CO2, en ten tweede is de toename in de atmosfeer kleiner dan de emissies (vergelijk de waardes op de verticale assen om dit in te zien).

Figuur 2. Jaarlijkse toename van CO2-concentratie in de atmosfeer. Deze is lager en meer variabel dan de antropogene uitstoot. Dit komt door CO2-opname van de oceanen en het land en door natuurlijke variaties in de jaarlijkse balans tussen natuurlijke CO2-opname en -uitstoot.

In de jaren ’80 en ’90 werd hier veel onderzoek naar gedaan en hier komt de term ‘missing sink’ vandaan. Men zag dat een gedeelte van de emissies niet in de atmosfeer bleef maar ergens anders naartoe gaat. Tegenwoordig weten we met enige zekerheid dat ongeveer de helft van onze emissies door de oceanen en het land wordt opgenomen, in ongeveer gelijke delen (allebei een kwart dus). Op zich is dit niet verwonderlijk. Planten groeien in principe beter bij hogere CO2-concentraties en het oceaanwater zal meer CO2 opnemen op het moment dat de concentratie in de lucht hoger is dan in het water. Dit laatste zorgt er wel voor dat de oceanen zuurder worden.

Op het land spelen ook nog andere processen mee zoals hogere stikstofconcentraties in de lucht, herstel van voorheen gekapt bos op met name gematigde breedtegraden, en hogere temperaturen in boreale gebieden. Al deze factoren bevorderen de plantengroei waardoor een gedeelte van onze uitstoot weer opgenomen wordt. De processen zijn goed bekend, maar we weten nog steeds niet goed waar precies op het land de meeste koolstof wordt opgenomen. Hoogstwaarschijnlijk nemen de bossen het grootste gedeelte van deze opname voor hun rekening maar de mate waarin noordelijke versus tropische bossen van belang zijn is nog een twistpunt.

El Niño
We begrijpen dus grotendeels waarom niet al onze emissies in de atmosfeer blijven, maar waarom varieert de toename in de atmosfeer nu zo sterk? Niemand kan die vraag precies beantwoorden maar we kunnen veel leren door te kijken in welke jaren er relatief veel dan wel weinig van onze emissies in de atmosfeer blijven (Figuur 3).

Figuur 3. Verhouding tussen jaarlijkse toename in de atmosfeer en emissies van CO2, oftewel de fractie van onze emissies die in de atmosfeer blijft, de zogenaamde airborne fraction. Deze is in het algemeen laag in koude jaren (La Niña of vulkanen) en hoog in warme jaren (El Niño).

Wat je ziet in Figuur 3 is dat jaren met een hoge airborne fraction in het algemeen El Niño jaren zijn waarin het relatief warm en droog is in met name de tropen. Jaren met een relatief lage airborne fraction zijn meestal La Niña jaren of jaren van of na grote vulkaanuitbarstingen, beide zorgend voor relatief koude omstandigheden. De laatste jaren hadden in het algemeen een La Niña karakter en mede hierdoor steeg de CO2-concentratie in de atmosfeer niet zo hard als je zou verwachten op basis van de snelle groei in uitstoot, hoogstwaarschijnlijk is dat dus een tijdelijk effect.

Om deze fluctuaties beter te begrijpen moeten we de natuurlijke koolstofcyclus bij dit verhaal betrekken. We hebben tot nu toe alleen gekeken naar de menselijke uitstoot van CO2 maar de natuurlijke fluxen van CO2 zijn veel groter, ongeveer een factor tien voor zowel het land als de oceanen. Het grote verschil met menselijke uitstoot is uiteraard dat de natuurlijke CO2-bronnen worden gecompenseerd door CO2-opname, zodat er netto geen uitstoot is. Maar je kan je meteen voorstellen dat een kleine onbalans in de natuurlijke uitstoot en opname de variatie van jaar tot jaar die we in Figuren 2 en 3 zagen goed kan verklaren.

Maar waarom dan? Er zijn een aantal hypotheses en waarschijnlijk spelen ze allemaal een rol, maar helaas is het nog niet duidelijk hoe groot die rol precies is. Ik geef twee voorbeelden.

Tijdens een vulkaanuitbarsting komen er veel aerosolen (stofdeeltjes) hoog in de atmosfeer. Omdat deze het licht verstrooien zorgen aerosolen ervoor dat het zonlicht veel diffuser wordt waardoor niet alleen de bladeren hoog in de boom profiteren van het zonlicht, maar ook bladeren lager in de boom. Dit verhoogt de natuurlijke opname van CO2. Tegelijkertijd is het relatief koud waardoor verrotting van plantenmateriaal langzamer gaat. Dit verlaagt de natuurlijke uitstoot. Beide factoren zorgen er dus voor dat de airborne fraction tijdens jaren met of na grote vulkaanuitbarstingen laag is.

Het tweede voorbeeld gaat over mijn eigen werk. Tijdens het extreem sterke El Niño jaar 1997-1998 was het droge seizoen in Indonesië erg intens. Net daarvoor was een enorm groot veengebied ontgonnen en gedraineerd. Tijdens het droge seizoen werd dit in brand gezet en zo kwamen grote hoeveelheden CO2 in de atmosfeer. Wij kwantificeren dit soort emissies en zien dat deze mede de hoge piek in 1998 kunnen verklaren.

Toekomst
Maar nu, de toekomst. De scenario’s die in het IPCC gebruikt worden heten Representative Concentration Pathways (RCP) en Nederlandse wetenschappers van o.a. het PBL hebben hier actief aan bijgedragen. Er zijn er vier scenario’s ontwikkeld en het RCP8.5 is het scenario met de hoogste emissies en concentraties. De 8.5 staat voor 8.5 Watt per vierkante meter, de forcering die we in 2100 zullen bereiken als dat scenario uitkomt. Vaak wordt dit het ‘business as usual’ scenario genoemd omdat de andere drie scenario’s van een meer of mindere mate van mitigatie uitgaan en dus lager uitkomen.

Er liggen enorm veel aannames ten grondslag aan de RCP-scenario’s, hier versimpelen we alles en gaan we er van uit dat de trends van de afgelopen 15 jaar door te trekken zijn naar de toekomst. Figuur 4 laat zien hoe de emissies van fossiele brandstoffen dan door stijgen en verdriedubbelen in 2100 ten opzichte van nu. Emissies van ontbossing nemen af en zouden dan verwaarloosbaar zijn over 20 jaar. Dat betekent overigens niet dat er geen ontbossing meer zou zijn, maar dat er lokaal een balans gevonden kan zijn tussen ontbossing en herbebossing. Bij beide trends kan je uiteraard vraagtekens zetten maar het gaat er hier vooral om wat er zou kunnen gebeuren als we doorgaan op de huidige weg.

Figuur 4. Menselijke emissies gebaseerd op metingen (tot aan 2012) en geëxtrapoleerd door de trend van de laatste 15 jaren door te trekken tot aan het jaar 2100.

We zagen eerder al dat niet al deze emissies in de atmosfeer blijven, ongeveer 55% wordt door de oceanen en het land opgenomen. Echter, het is onbekend of dit in de toekomst in dezelfde mate doorgaat. Daarom laat ik twee scenario’s zien, eentje waarin het land en de oceanen ongeveer 55% van onze uitstoot blijven opnemen zoals ze nu doen (de blauwe lijn in Figuur 5) en eentje waarin de – niet statistisch significante – trend van de laatste 50 jaar doorzet en zelfs steiler wordt. Dit betekent overigens niet dat de opname opeens ophoudt, de absolute hoeveelheid CO2 die wordt opgenomen blijft grofweg constant in dit geval. Aangezien de emissies toenemen neemt dan wel de relatieve opname af. Met andere woorden, de airborne fraction neemt toe, zie de rode lijn in Figuur 3. Dit wordt een koolstof-klimaat terugkoppeling genoemd.

Figuur 5. De fractie van de antropogene emissies die in de atmosfeer blijft. Tot aan 2012 op basis van metingen, daarna gebaseerd op twee scenario’s. 1) Geen terugkoppeling geeft aan dat er geen zogenaamde “klimaat-koolstof terugkoppeling” is, oftewel dat de oceanen en land eenzelfde fractie van onze emissies zullen opnemen. 2) Wel terugkoppeling betekent dat het land en de oceanen weliswaar een gedeelte van onze uitstoot blijven opnemen, maar dat de opnamecapaciteit geen gelijke tred houdt met de uitstoot.

Amazone
Hier wil ik wat langer bij stilstaan. Niemand weet precies wat de airborne fraction zal doen in de toekomst, en de twee scenario’s zijn vooral bedoeld om aan te geven waarom de klimaat-koolstof terugkoppeling belangrijk is. Modelresultaten liggen ver uit elkaar hoewel ze allemaal hoger dan de blauwe lijn in Figuur 5 zitten, en soms zelfs boven de rode lijn. Ikzelf zou mijn geld ook liever op de rode lijn dan op de blauwe lijn zetten. De reden is simpel: het effect van de factoren die nu voor opname zorgen is niet lineair door te trekken naar de toekomst. Neem CO2-fertilisatie bijvoorbeeld. Tuinders pompen CO2 in de kassen zodat planten sneller groeien. Maar op een gegeven moment maakt extra CO2 niet zo heel veel meer uit o.a. omdat het effect verzadigd of omdat andere factoren limiterend worden. Bomen groeien niet tot aan de hemel. Ook neemt de opnamecapaciteit van de oceanen af met toenemende concentratie en met toenemende temperatuur.

Daarnaast worden de getallen ook erg groot. Rond 2100 zouden we met ‘business as usual’ rond de 30 Pg (1015 gram) koolstof per jaar uitstoot zitten. Dit staat gelijk aan de 14 ppm CO2-equivalent van Figuur 4. Als de natuur nog steeds ongeveer 55% van onze uitstoot zou opnemen zoals ze nu doet dan betekent dit dat er elke vier jaar een hoeveelheid CO2 wordt opgenomen gelijk aan de totale biomassa in de Amazone!

Via emissies en airborne fraction gaan we uiteindelijk naar concentraties, zie Figuur 6. Dit is niks meer of minder dan het product van emissies en airborne fraction. Met de aannames die we hier hebben gedaan komen we rond de 800 ppm CO2 zonder klimaat-koolstof terugkoppeling of 1000 ppm met terugkoppeling. Uiteraard zijn deze getallen afhankelijk van een aantal dingen, met name van de trend in fossiele brandstofuitstoot. In dit voorbeeld ben ik van de trend over de laatste 15 jaar uitgegaan, als je langer terug in de tijd gaat is de trend lager (zie Figuur 1) en komen er dus ook lagere concentraties uit. Maar de verschillen zijn niet heel groot, als we bijvoorbeeld de trend van de laatste 30 in plaats van de laatste 15 jaar doortrekken komen we 50 ppm lager uit in 2100.

Figuur 6. Atmosferische CO2-concentratie, het product van onze uitstoot (Figuur 4) en de fractie die in de atmosfeer blijft (Figuur 5). Ook deze grafiek laat weer zien wat de rol van koolstof-klimaat terugkoppelingen zijn.

Als laatste moeten we deze simpele exercitie vergelijken met de RCP-scenario’s, en wellicht is het goed om nu niet meer naar concentraties maar naar forcering te kijken zodat we op het einde van deze post ook nog wat over temperatuurveranderingen kunnen zeggen. We beperken ons hier tot de forcering van CO2. Wij kwamen tussen de 800 en 1000 ppm CO2 uit in 2100, de daarbij behorende forcering is tussen de 5.6 en 6.8 Watt per vierkante meter, zie Figuur 7. Merk op dat de toename in forcering redelijk vlak is terwijl de concentratie steeds steiler gaat lopen (Figuur 6), dit komt door verzadiging in een gedeelte van de golflengtes waarin CO2 infrarode straling absorbeert.

Het hoogste RCP-scenario (RCP8.5) zit rond het jaar 2100 op 6.5 Watt per vierkante meter voor CO2, iets onder ons scenario met klimaat-koolstof terugkoppeling. In dat RCP-scenario zitten trouwens de klimaat-koolstof terugkoppelingen ook ingebouwd, het grootste verschil is dat in het RCP8.5-scenario de toename van CO2-uitstoot in het begin harder gaat dan in ons voorbeeld maar op het einde wat afvlakt. De andere RCP scenario’s gaan van mitigatie uit en komen, afhankelijk van de ontwikkelingen in uitstoot lager uit.

Figuur 7. Forcering van CO2 op basis van de CO2-concentraties van Figuur 6 (blauwe stippellijn is geen terugkoppeling, rode wel terugkoppeling), inclusief de CO2-forceringen van de vier RCP-scenario’s.

In het RCP8.5-scenario neemt CO2 dus ongeveer driekwart van de forcering voor zijn rekening. In dat scenario speelt methaan ook een belangrijke rol met bijna een verdriedubbeling van de uitstoot. In mijn exercitie keek ik alleen naar CO2, en die “CO2 only” klimaatforcering (5.6 of 6.7 W/m2) is natuurlijk lager dan de totale forcering (in RCP8.5 is die 8.5 W/m2).

Verder is het noemenswaardig te vermelden dat dit scenario uitgaat van een “arme” wereld waarin de wereldbevolking relatief snel groeit en er weinig technologische vooruitgang is, wat o.a. de mogelijkheden tot emissiereductie beperkt. Gemiddeld zouden we dan met 12 miljard mensen op 10 ton CO2 per persoon zitten. Dit is gelijk aan wat de gemiddelde Rus of Nederlander nu uitstoot. De gemiddelde Chinees zit op ongeveer 7 ton CO2 per persoon per jaar.

Opwarming in 2100
Als allerlaatste is het uiteraard nog interessant om deze getallen te combineren met de getallen van klimaatgevoeligheid. Hierbij zijn twee dingen belangrijk:

1)     We berekenen hier alleen de effecten van antropogene klimaatverandering. Natuurlijke veranderingen zijn minder goed te voorspellen maar in het algemeen wordt aangenomen dat deze uitmiddelen over meerdere decennia.

2)     Er zijn twee “types” klimaatgevoeligheid: overgangs- en evenwichtsklimaatgevoeligheid. Het aardsysteem heeft tijd nodig om in evenwicht te komen, met name vanwege de hoge warmtecapaciteit van de oceanen. Vergelijk het met een badkamer. Op het moment dat je koud water in het bad hebt en de verwarming aan zet, zal de lucht in de badkamer weliswaar snel opwarmen maar het badwater heeft tijd nodig om evenwicht te bereiken. De overgangsklimaatgevoeligheid is dus altijd lager dan de evenwichtsklimaatgevoeligheid.

Figuur 8. Verandering in temperatuur op basis van forcering en klimaatgevoeligheid. Alle waardes zijn ten opzichte van pre-industrieel. De waardes van klimaatgevoeligheid van het IPCC en het rapport van Lewis & Crok staan bovenin de grafiek voor zowel overgangs- als evenwichts klimaatgevoeligheid. De stippen geven de “beste” schatting aan, de pijlen de onzekerheid. Het IPCC geeft geen beste schatting meer in hun laatste rapport. Veranderingen beneden de 2 graden zijn blauw gekleurd, rond de 2 graden wit, en hoger dan 2 graden rood, zie de kleurenschaal aan de rechterkant.

Het leuke van deze exercitie is dat iedereen nu grofweg kan bepalen wat de verandering in temperatuur wordt met de informatie die we nu voorhanden hebben. We hebben gezien dat de forcering bij ‘business as usual’ dicht in de buurt kan komen van 6.5 W/m2 voor CO2 alleen en richting 8.5 W/m2 gaat als we andere factoren meenemen. Laten we voor het gemak het gemiddelde van die 2 nemen, dan komen we op 7.5 W/m2. Zoek die waarde op de verticale as en dan kan je, op basis van de verschillende mogelijke waardes van klimaatgevoeligheid, naar rechts gaan om de verandering in temperatuur te berekenen.

Met de beste schatting van Lewis en Crok kom je dan iets boven de 2 graden uit in 2100 (overgangsklimaatgevoeligheid) en hoger na verloop van tijd (evenwichtsgevoeligheid). Mocht klimaatgevoeligheid lager uitvallen en/of mochten we onze uitstoot kunnen indammen dan kom je lager uit, en vice versa. Dat is de laatste boodschap in dit lange blogbericht: uiteraard zitten hier veel onzekerheden in, zowel in de waardes voor klimaatgevoeligheid als in de emissieschattingen als in de klimaat-koolstof terugkoppeling. Het is belangrijk om in te zien dat deze onzekerheden beide kanten opgaan.

Dr. Guido van der Werf is als onderzoeker verbonden aan de Faculteit der Aard- en Levenswetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam. Zijn focus ligt op daarbij op de koolstofcyclus en de interactie met het klimaatsysteem.