Hva vi vet og ikke vet om global oppvarming

Det kan være vanskelig å få oversikt over hva vi vet om klimaendringene, men i en ny artikkel fra tidsskriftet Naturen kommer det fram at det er seks hovedfaktorer som har bidratt til jordens klima i prehistorisk tid:

• Drift av kontinentene
• CO2 knyttet til forvitring av bergarter som inneholder silikat
• Varme fra jordens indre
• Varme fra havene
• Metanutslipp
• Endring i varmestråling fra solen

Den første faktoren kan ha betydd noe for 60 millioner år siden. Da hang for eksempel Europa og Nord Amerika sammen, slik at oseanene hadde annerledes form og dybde enn de har nå. Silikat-forvitring kan endre CO2-nivået i atmosfæren, omtrent med 1 ppm (milliontedel) per 1000 år.

Den femte faktoren, metan, som har en kort oppholdstid i atmosfæren, kan ha vært en betydelig drivhusgass, men det vet vi lite om. Det samme gjelder varme og utslipp av CO2 fra jordens indre, men utgassing av CO2 har da skjedd i et tidsperspektiv på millioner av år (Huybers og Langmuir 2009, 2017; Iverson 2017).

I tillegg har det vært store enkeltutbrudd fra vulkaner, og store meteorer har truffet jorden. Disse kan ha endret levevilkårene på jorden betydelig, men neppe endret jordens klima over lengre tid, det vil si over 100-årsperioder.

Hva betyr solens og planetenes stilling i forhold til jorden, for den globale temperaturen?

Solen har 10–12-årssykluser, som viser seg ved endring av solflekkintensiteten. Den direkte virkningen av endringene i solens 10-årssykluser, kan svare til 10 % av endringene i den globale temperaturen.

De totale temperaturendringene betegnes på engelsk som global temperature anomaly (GTA), der bare avviket fra en gjennomsnittstemperatur rapporteres. I tillegg kan det se ut til at solintensiteten også har sykluser av lengre varighet (Seip og Grøn 2017).

Jorda har sykluser på 100 000 år, 41 000 år og 23 000 år (Milankovich-sykluser) (Imbrie mfl. 1993), som i sin tur kan endre klimavirkningene av solstrålingen som treffer jorden, men det ser ut til at disse syklusene ikke er tilstrekkelige til å endre jordens temperatur i den størrelsesorden som er målt de siste 800 000 år.

Likevel kan disse mindre endringene virke som en metronom, eller taktmarkør, og være tilstrekkelige til å styre andre prosesser som har en større virkning på jordens temperatur. Karakteristisk for en metronom – og for planetenes stilling – er at de fører til regulære sykluser. Hvordan de større virkningene fremkommer, vet vi bare skissemessig.

Hvor varm og hvor kald kan kloden faktisk bli?

I løpet av de siste 400 millioner årene har CO2 i atmosfæren endret seg, muligens syklisk, og vært over 2000 ppm to ganger (figur 1) (Foster mfl. 2017).

Den siste gangen dette skjedde var for ca. 200 millioner år siden, men vi kjenner ikke temperaturen verken globalt eller lokalt på den tiden.

Vi har imidlertid mulige holdepunkt for temperaturnivåene for ca. 50 millioner år siden. Da var CO2-konsentrasjonen i overkant av 1100 ppm, og vanntemperaturen i elvebasseng sesongvarierte da mellom 20 °C og 35 °C (Lowenstein og Demicco 2006).

På samme tid var overflatetemperaturen i havet på rundt 40 °C ved ekvator, men nede på 30– 35 °C sør og nord for et belte mellom 45 °N og 45 °S (Hollis mfl. 2019; Bijl mfl. 2010).

Det burde være mulig å finne ut hvor varme havene eller landjorden var for 200 millioner år siden (den Mesozoiske tid: 240–200 millioner år siden), altså da CO2-konsentrasjonene i atmosfæren nærmet seg 2000 ppm.

Et mulig scenario er at de prosessene som langsomt økte CO2-konsentrasjonen til 2000 ppm for 200 millioner år siden, nå er «erstattet» av menneskeskapte CO2-utslipp.

Vi vet ikke om temperaturøkningen i paleontologisk tid, også skyldtes tilbakekoblingseffekter, slik som smelting av is rundt polene, eller om det vesentlig skyldtes drivhuseffekten. En tredje faktor som kan ha virket inn, er kontinentaldrift.

I historisk tid, det vil si de siste 2000 år, og sammenlignet med gjennomsnittstemperaturen i det 20. århundret, endret temperaturen seg mellom +0,7 og +1,0 °C (i romertiden og vikingtiden) og –1 °C (den lille istid) (figur 2).

Hva betyr høye temperaturer for livet i havet og på land?

En øvre temperatur for livet i havet er på rundt 38 °C (Wotte mfl. 2019). I vår tid er havtemperaturene mellom –2 °C og 36 °C, med et gjennomsnitt på 17 °C, men 26 °C til 30 °C rundt ekvator (Hollis mfl. 2019).

Med en gjennomsnittstemperatur i havet rundt ekvator på 40 °C for 56 til 48 millioner år siden, ville altså temperaturen være dødelig for nåtidens vanlige arter (figur 3).

Det er viktig å bestemme fysiologien og økologien til det dyre- og plantelivet som eksisterte ved høye globale temperaturer i paleontologisk tid. Tilpasset planter og dyr seg et varmere hav, enten fysiologisk eller ved å bevege seg bort fra varme havområder eller ned til kalde vertikale havsjikt?

Den samme problemstillingen gjelder for livet på landjorden, men tilfluktssteder er da bare områder bort fra ekvator eller opp mot store høyder.

Er planter og dyr i vår tid så forskjellige fra planter og dyr i paleontologisk tid, at de vil oppføre seg annerledes hvis den globale temperaturen stiger?

Hvorfor kommer global oppvarming av og til, og i tusen-årsperspektiv, ofte før endring i CO2?

Over de siste 800 000 årene har vi observasjonsdata både av CO2-konsentrasjoner i atmosfæren og av temperaturen.

Over dette tidsrommet endret temperaturen seg i Antarktis stort sett før CO2-konsenstrasjonen i atmosfæren endret seg, eller de endret seg samtidig.

Samtidigheten kan skyldes at tidsoppløsningen er så grov at det ikke er mulig å skille mellom før og etter. I visse perioder, som stort sett svarer til pauser på 9000 år med små endringer i oppvarming og avkjøling (istidene har gjerne omtrent 100 000-årsperioder), endret imidlertid nivået av CO2 seg før temperaturen endret seg (Seip mfl. 2018).

I sen-historisk tid, det vil si siden 1850-tallet, kommer temperaturendringene stort sett etter endringene i CO2-nivå, bortsett fra en temperaturendring mellom 1966 og 2010. I den perioden kommer temperaturendringene før CO2-endringene (Seip og Grøn 2017; Lindberg og Thomson 1990).

En forklaring på veksling mellom CO2-nivå og temperatur i påvirkning på den globale temperaturen (GTA), kan være at både CO2 i atmosfæren og varme/kulde fra havet påvirker GTA.

Hvis varmen fra havet øker den globale temperaturen raskt, mens CO2-konsentrasjonen i atmosfæren øker langsomt, vil det kunne se ut som om temperaturøkningen kommer før CO2 økningen.

Vi vet ikke hvorfor CO2-konsentrasjonen kommer før temperaturendringene når det er pauser med små endringer over paleontologisk tid.

Hva betyr bevegelsene i havstrømmene for globale temperaturendringer?

De store havene (slik som Atlanterhavet og Stillehavet) lagrer varme på ulike dybder. Når det oppstår endringer i havstrømmene, kan temperaturen i overflatelaget, ned til ca. 10 meter, endre seg, og det er denne overflatetemperaturen som definerer GTA.

Et vesentlig spørsmål er derfor hvor mye varme som kan lagres på dypet i de store havene. Det kan se ut til at pauser i den globale oppvarmingen (pausene varer flere tiår) kan skyldes at kaldt vann fra havdypene kommer til overflaten, og da stabiliserer GTA på et relativt konstant nivå.

Den første målte pausen varte fra 1894 til 1912, den neste fra 1943 til 1975, og den siste fra 1998 til 2014.

Pausene ser ut til å henge sammen med at de store havstrømmene skifter med å påvirke hverandre; først vil den ene overføre sine temperatursvingninger til den andre, men etter noen år er det den siste som overfører sine svingninger til den første (Seip og Grøn 2018).

Kuldeperiodene under den lille istid var stadig avbrutt av varme mellomspill som sjelden varte mer enn en tjuefemårs tid.1

Temperaturendringene kan ha hatt sammenheng med et skifte mellom hvilken av to havstrømmer som overfører sine svingninger til den andre. Når skiftet mellom havstrømmer har en stor styrke, oppstår pausene.

Når og hvorfor to havstrømmer skifter i å være drivere, vet vi ikke. Klimamodeller gjenskaper bare delvis disse svingningene, hvorfor de ikke gjør det, det vet vi heller ikke (Mann mfl. 2020; Seip og Wang 2018).

Havstrømmene, slik som El Niño i Stillehavet, ser ut til å endre klimaet i Sør-Amerika hvert syvende år. Hvorfor er det slik?

De store havstrømmene måles oftest ved temperaturforskjeller mellom to punkter på kloden. Også andre mål for variasjoner i havene er brukt.

Uttrykket havstrømmer ble mye brukt før, og indikerer at temperaturforskjeller og lufttrykkforskjeller driver vindstrømmer, som igjen driver vannstrømmer.

Det kan se ut til at temperaturendringene i havene viser flere overlagrede oscillasjoner, som hver har bølgelengder som er primtall.

Tallet 7 er et primtall, slik at værendringer hvert syvende år i Sør-Amerika vil kunne være drevet av en syklus med periode på 7 år. Det kan imidlertid se ut til at det er flere delstrømmer med primtallsbølgelengde, som sammen danner de store havstrømmene.

Havstrømmer med perioder på 3, 5, 7, 18, 23, 29 og 37 år har blitt registrert (Seip og Grøn 2019a), noe som styrker teorien om at tilfeldige variasjoner og gjensidig påvirkning mellom havstrømmene, er viktige mekanismer for klimaendringer (Seip og Grøn 2019b).

Hvorfor noen delstrømmer har større styrke enn andre, vet vi ikke. Hvordan dette vil endre seg når GTA øker i fremtiden, vet vi heller ikke, men det kan se ut som om syklustidene (dvs. bølgelengdene) for de store havstrømmene blir kortere (Li 2020). Vi vet heller ikke om det er delstrømmer som har veldig lange bølgelengder, det vil si hundrevis av år.

Men i «den andre enden» er det kjent at det er sykluser på opptil 100 000 år.

Hvor stor del av den globale temperaturendringen skyldes CO2, og hvor stor del skyldes varme i havet?

Dette spørsmålet henger sammen med hvor mye varme som kan lagres i oseanene.

Det kan se ut til at varmen i havene i den første av pausene i global oppvarming, etter ca. 1870 (18 år), var tilstrekkelig til å redusere GTA. Ved den andre pausen (32 år) var reduksjonen mye mindre, samtidig som økningen i CO2 i atmosfæren var større.

I den tredje pausen (16 år) var det egentlig bare en stillstand, det ble ingen økning i landtemperaturen, til tross for at CO2-konsentrasjonen var større enn noen gang før.

Et estimat er at 70 % av endringene i den globale temperaturen skyldes drivhusgasser, og 30 % skyldes varmeendringer i havet (Wu 2019). Det kan derfor se ut til at varmen i havet kan senke den globale temperaturen så lenge CO2 i atmosfæren er mindre enn ca. 400 ppm.

Hvilke kilder og sluk har vi til drivhusgasser?

Ser vi først bare på CO2, er det tre viktige kilder:

• Over paleontologisk tidsskala eksister den såkalte karbonat-silikat geokjemiske syklusen. Den frigir og tar opp CO2. Prosessen er imidlertid meget langsom, med en endring på ca. 1 ppm per 1000 år.
• Knyttet opp mot vulkanisme og økt globalt isdekke, er tidsperspektivet imidlertid millioner av år (Penman og Rooney 2019).
• Oseanene har tatt opp ca. 40 % av den CO2-mengden som har blitt tilført atmosfæren siden den industrielle revolusjonen startet, det vil si siden karbon (kull) ble en viktig energikilde (Fernandez-Martinez mfl. 2019; DeVries mfl. 2019). Oseanene kan også være en viktig kilde og et viktig sluk over tid, og styrken av de ulike mekanismene kan endres, i hvert fall over decennier (tiår). Vi har også varme fra jordens indre som frigis ved vulkanske utbrudd.

Vi vet ikke sikkert hvor stor betydning lag under havbunnen kan ha som kilde til CO2 i et 1000års- eller et millionårs-perspektiv.

Vi vet heller ikke sikkert hvilken betydning vegetasjon på landjorden og plankton i havet kan ha som kilder og sluk. Kanskje spiller sedimentering av silikatholdige planteplankton en rolle i et 1000års-perspektiv.

En kilde for drivhusgasser, slik som metan, er metan som er bundet i permafrost, men vilkårene for at disse drivhusgassene skal frigis til atmosfæren er ikke godt kjent (Voigt 2017).

Hvor raskt endrer jordens temperatur seg når det skjer endringer i CO2-konsentrasjonen i atmosfæren?

Det kan se ut til at temperaturendringene er raske. Gjennom året er det små, men tydelige endringer i CO2-konsentrasjonen, og det skyldes sannsynligvis absorpsjon og emisjon av CO2 fra grønne planter på jorden og i havet (10–40 % fra havet, 60–90 % fra jorden) (DeVries mfl. 2019).

En «øvre» tidsramme på 9 år for tidsforskjellen mellom endringer i CO2-konsentrasjonen og endringer i den globale temperaturen er foreslått i (Wu 2019), det vil si at GTA innen 9 år vil respondere på en endring i CO2-konsentrasjonen.

Vi vet ikke sikkert om det finnes direkte mekanismer som endrer temperaturen langsommere som følge av endringer i CO2-konsentrasjonen, eller hvor lenge drivhusgassene vil oppholde seg i atmosfæren, men et hundreårsperspektiv er ikke usannsynlig.

Hvor varmt vil det bli de neste 100 år?

Hvis CO2 har den betydning som vi mener den har, er det tilstrekkelige karbonkilder tilgjengelig til at CO2-konsentrasjonen i atmosfæren vil kunne bli 200 ppm høyere innen 100 år (tilsvarer 2 ppm per år, med den hastigheten karbon sendes ut i atmosfæren nå).

Dette ville svare til en global temperaturøkning på 2 °C i forhold til den temperaturen vi har nå.

Hvordan kan vi være absolutt sikre på at noe er årsak til noe annet?

Absolutt sikkert er ikke et vitenskapelig uttrykk. I toksikologi brukes betegnelsen sikkerheten er så stor at man ikke trenger å bekymre seg for at det skal være annerledes, eller level of no concern.

I juss brukes betegnelsen utover enhver rimelig tvil (Wenstøp og Seip 2009).

Det er fem kriterier som bør være oppfylt «i tilstrekkelig grad» for level of no concern:

1. Årsak og virkning følger hverandre i høy grad. Til det brukes ofte regresjonsmodeller. Jo særere de to kurvene som beskriver årsak og virkning er, jo lettere er det å være overbevist om at den ene kan være årsak til den andre når kurvene sammenfaller.
2. En årsak må komme før en virkning, men med flere årsaker kan det være vanskelig å skille delvirkningene fra hverandre (Wu 2019). Til å studere før/etter-relasjoner brukes ofte en teknikk der en tidsserie forskyves i forhold til den andre, for å overlappe bedre. Andre teknikker finnes også (Seip og Grøn 2017; Sugihara mfl. 2012; Kestin mfl. 1998).
3. Det hjelper på en forutsigelse at den mulige årsaken øker presisjonen i en prediksjonsmodell (Granger 2007). Dette kalles Granger-årsak.
4. Det må finnes en rimelig mekanistisk forklaring på sammenhengen mellom årsak og virkning.
5. På slutten av dagen: Hvor sikker du ønsker å være, avhenger faktisk av hvilken vitenskapsdisiplin du er i, og hvem du er (Li mfl. 2020).

Konklusjon

Vi vet at drivhusgasser, deriblant CO2, bidrar til den globale oppvarmingen. I tillegg vet vi at naturlige faktorer har påvirket klimaet gjennom tusener og millioner av år.

Vi vet ikke sikkert hvor stor den relative betydningen av disse to faktorene er. Det vi vet med betydelig sikkerhet, er at noen naturlige faktorer endrer CO2-konsentrasjonene meget langsomt (dvs. over millioner av år) (Lunt mfl. 2013), mens andre faktorer endrer varmemengder i havet og på land, og virker over tiårs- og kanskje hundreårs-perioder.

Over tid observerer vi regelmessige variasjoner, som i noen tilfelle kvalifiserer som oscillasjoner (variasjoner som gjentar seg regelmessig over lengre tid).

Mekanismene som fører til oscillasjoner, har imidlertid ofte for lite energi til i seg selv å føre til store temperaturvariasjoner (Imbrie mfl. 1993). Det betyr at disse sannsynligvis fungerer som metronomer og utløser større variasjoner.

Årsakskjede fra metronom til store variasjoner er imidlertid lite kjent.

Likevel, etter min vurdering vet vi nok om varmevirkningene av CO2 til å være føre var.

Med andre ord; vi er ved level of no concern for å sette i gang tiltak for å hindre oppvarming.

(Saken ble opprinnelig publisert i tidsskriftet Naturen)

 

Referanser og videre lesning

Bijl PK mfl. 2010. Transient Middle Eocene Atmospheric CO2 and Temperature Variations. Science 330: 819–821. Doi: https://doi.org/10.1126/science.1193654.
 DeVries T mfl. 2019. Decadal trends in the ocean carbon sink. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 116: 11646–11651. Doi: https://doi.org/0.1073/pnas.1900371116.
 Fernandez-Martinez M mfl. 2019. Global trends in carbon sinks and their relationships with CO2 and temperature. Nature Climate Change 9: 73-+. Doi: https://doi.org/10.1038/s41558-018-0367-7.
 Foster GL, Royer DL og Lunt DJ. 2017. Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years. Nature Communications, 8. Doi: https://doi.org/10.1038/ncomms14845
 Granger CW. 2007. Causality in economics, in Thinking about causes. From Greek philosophy to modern physics. Machamer P and Wolters G, red. 2007, University of Pittsburgh press: Pittsburgh. s. 284–296. ISBN. 978-0-8229-4309-9.
 Hollis CJ mfl. 2019. The DeepMIP contribution to PMIP4: methodologies for selection, compilation and analysis of latest Paleocene and early Eocene climate proxy data, incorporating version 0.1 of the DeepMIP database. Geoscientific Model Development 12: 3149–3206. Doi: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.06.012.
 Huybers P og Langmuir CH. 2017. Delayed CO2 emissions from mid-ocean ridge volcanism as a possible cause of late-Pleistocene glacial cycles. Earth and Planetary Science Letters 457: 238–249. Doi: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.09.021.
 Huybers P og Langmuir C. 2009. Feedback between deglaciation, volcanism, and atmospheric CO2. Earth and Planetary Science Letters 286: 479–491. Doi: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2009.07.014.
 Imbrie J mfl. 1993. On the Structure and Origin of Major Glaciation Cycles .2. The 100,000- Year Cycle. Paleoceanography 8: 699–735. Doi: https://doi.org/10.1029/93pa02751.
 Isson TT mfl. 2020. Evolution of the Global Carbon Cycle and Climate Regulation on Earth. Global Biogeochemical Cycles 34. Doi: https://doi.org/10.1029/2018GB006061.
 Iverson NA mfl. 2017. The first physical evidence of subglacial volcanism under the West Antarctic Ice Sheet. Scientific Reports, 7. Doi: https://doi.org/10.1038/s41598-017-11515-3.
 Kestin TS mfl. 1998. Time-frequency variability of ENSO and stochastic simulations. Journal of Climate 11: 2258–2272. Doi: https://doi.org/10.1175/1520-0442.
 Kuo C, Lindberg C og Thomson DJ. 1990. Coherence Established between Atmospheric Carbon-Dioxide and Global Temperature. Nature 343: 709–714. Doi: https://doi.org/10.1038/343709a0.
 Li S. 2020. The Pacific decadal oscillations. Nature climate change. Doi: https://doi.org/10.1038/s41558-019-0663-x.
 Li SJ. mfl. 2020. The Pacific Decadal Oscillation less predictable under greenhouse warming. Nature Climate Change 10: s. 30-+. Doi: https://doi.org/10.1038/s41558-019-0663-x.
 Lowenstein TK og Demicco RV. 2006. Elevated eocene atmospheric CO2 and its subsequent decline. Science 313: 1928–1928. Doi: https://doi.org/10.1126/science.1129555.
 Lunt DJ mfl. 2013. Warm climates of the past-a lesson for the future? Philosophical Transactions of the Royal Society a-Mathematical Physical and Engineering Sciences 371. https://doi.org/10.1098/rsta.2013.0146.
 Mann ME, Steinman BA og Miller SK. 2020. Absence of internal multidecadal and interdecadal oscillations in climate model simulations. Nature communications 11. Doi: https://doi.org/10.1038/s41467-019-13823-w.
 Penman DE og Rooney AD. 2019. Coupled carbon and silica cycle perturbations during the Marinoan snowball Earth deglaciation. Geology 47: 317–320. Doi: https://doi.org/10.1130/G45812.1.
 Seip KL og Gron O. 2019. Atmospheric and Ocean Dynamics May Explain Cycles in Oceanic Oscillations. Climate 7. Doi: https://doi.org/10.3390/cli7060077.
 Seip KL og Grøn Ø. 2017. A new method for identifying possible causal relationships between CO2, total solar irradiance and global temperature change. Theoretical and Applied Climatology 127: 923–938. Doi: https://doi.org/10.1007/s00704-015-1675-8.
 Seip KL og Grøn Ø. 2018. Cycles in oceanic teleconnections and global temperature change. Theoretical and Applied Climatology. Doi: https://doi.org/10.1007/s00704-018-2533-2.
 Seip KL og Grøn Ø. 2019. On the statistical nature of distinct cycles in global warming variables. Climate dynamics 52: 7329–7337. Doi: https://doi.org/10.1007/s00382-016- 3508-6.
 Seip KL, Grøn Ø og Wang H. 2018. Carbon dioxide precedes temperature change during short-term pauses in multi-millennial palaeoclimate records. Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology 506: 101–111. Doi: https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2018.06.021.
 Seip KL og Wang H. 2018. The hiatus in global warming and interactions between the El Niño and the Pacific decadal oscillation: comparing observations and modeling results. Climate 6: 18. Doi: https://doi.org/10.3390/cli6030072.
 Sicre MA mfl. 2008. Decadal variability of sea surface temperatures off North Iceland over the last 2000 years. Earth and Planetary Science Letters 268: 137–142. Doi: https://doi.org/10.1016/j.eps1.2008.01.011.
 Sugihara G mfl. 2012. Detecting Causality in Complex Ecosystems. Science 338: 496–500. Doi: https://doi.org/10.1126/science.1227079.
 Voigt C mfl. 2017. Warming of subarctic tundra increases emissions of all three important greenhouse gases – carbon dioxide, methane, and nitrous oxide. Global Change Biology 23: 3121–3138. Doi: https://doi.org/10.1111/gcb.13563.
 Wenstøp F og Seip KL. 2009. Verdier og valg – verdibasert beslutningsanalyse i praksis. Oslo: The university press (Universitetsforlaget). ISBN 978-82-15-01410-4.
 Wotte T mfl. 2019. Isotopic evidence for temperate oceans during the Cambrian Explosion. Scientific Reports 9. Doi: https://doi.org/10.1038/s41598-019-42719-4.
 Wu TW mfl. 2019. New insights into natural variability and anthropogenic forcing of global/regional climate evolution. Npj Climate and Atmospheric Science 2. Doi: https://doi.org/10.1038/s41612-019-0075-7.
 Yunus Y, Seip KL og Schrõder M. 2019. Comparing Sentiment- and Behavioral-Based Leading Indexes for Industrial Production: When Does Each Fail? Economies, 7,4, Doi: https://doi.org/10.3390/economies7040104.
 Zhu J, Poulsen CJ og Tierney JE. 2019. Simulation of Eocene extreme warmth and high climate sensitivity through cloud feedbacks. Science Advances 5. Doi: https://doi.org/10.1126/sciadv.aax1874.