ofwel: Het signaal van veranderde emissies van fossiele brandstoffen in de atmosfeer
Werner Kutsch, Alex Vermeulen and Ute Karstens
Zodra kooldioxide (CO2) vrijkomt in de atmosfeer wordt het geleidelijk gemengd door de wind en verdeeld over de hele aarde. Dit mengproces neemt één tot twee maanden voor de noordelijke en zuidelijke hemisfeer en meer dan een jaar voor de hele aarde, door de langzame uitwisseling tussen noord en zuid over de hindernis van de tropen. Onze atmosfeer bevat al veel CO2, planten hebben het nodig om te groeien, en heel veel processen nemen CO2 op en/of stoten het uit, wat allemaal bijdraagt aan de variaties in tijd en ruimte van atmosferisch CO2.
Hoe fossiele brandstoffen het CO2 signaal in de atmosfeer beïnvloeden kunnen we het beste uitleggen aan de hand van een analogie ofwel een model: laten we eens aannemen dat we een zwembad hebben waar het water staat voor de CO2 in de atmosfeer. We hebben dan een aanvoer van regen die overeenkomen met de natuurlijke emissies van CO2, we hebben verdamping dat staat voor de opname door planten, een lek in de bodem dat staat voor de opname door oceanen. Tenslotte stellen we de emissies vanuit gebruik van fossiele brandstoffen voor met aanvoer van vers drinkwater uit een kraan.
Als één petagram (=1015g =1 000 000 000 000 000 g) koolstof hier voorgesteld wordt als 1 kubieke meter (m3) water, hebben we het over een zwembad van 25 bij 15 meter en een waterdiepte van 1,57 meter. Regen brengt ieder jaar ongeveer 110 m3 vers water in het zwembad, en ongeveer eenzelfde hoeveelheid stroomt het zwembad uit door de combinatie van het lek en verdamping. Gemiddeld genomen blijft het niveau van het zwembad gelijk, al is er wel een variatie in de seizoenen door minder verdamping en meer regen in de winter dan in de zomer. Deze variatie is klein en over het jaar ongeveer een centimeter. Gemiddeld varieert het waterniveau maar met ongeveer 0.1 mm per dag, al zijn de veranderingen tijdens hele doge of hele natte periodes groter.
Ongeveer 200 jaar geleden is er een kraan geïnstalleerd waarmee vers drinkwater aan het zwembad wordt toevoegd, naar analogie van onze uitstoot door verbranding van fossiele brandstoffen. Deze stroom water is met de tijd toegenomen en bedraagt nu 10 m3 extra per jaar, merk op dat dit minder dan 10% van de natuurlijke in/uitstroom van 110 m3 per jaar is. Hierdoor is ook de uitstroom toegenomen met 5,7 m3 per jaar (ecosystemen en oceaan nemen meer op), maar netto komt er nog altijd 4,3 m3 per jaar bij in het zwembad. Daardoor is het niveau in het zwembad de laatste 200 jaar al gestegen met 64 cm tot de huidige stand van 2,21 meter. Ieder jaar neemt nu de waterstand toe met 11 mm, gemiddeld 30 µm per dag. Dat komt overeen met de dikte van een dunne mensenhaar.
Het effect van de Covid-19 shutdown – bijna onmogelijk te zien
Door de Covid-19 shutdown is de kraan een klein stukje dichtgedraaid en de netto instroom is verminderd van 4,3 naar 3,8 m3 per jaar, ofwel de dagelijkse toename in waterniveau gaat van 32 naar 28 µm. Dit is het verschil tussen een erg dunne haar en een nog dunnere haar. Maar, het verschil telt op over de tijd en neemt toe over de duur van de shutdown.
We kunnen een belangrijke les leren uit deze oefening: de Covid-19 shutdown heeft bijna geen invloed op de gemiddelde toename van CO2 in de atmosfeer. Het is nog steeds slecht, alleen een beetje minder slecht – meer daarover aan het eind van dit artikel. En nu komen we op de meest belangrijke vraag die al vele malen tijdens deze pandemie gevraagd is: kunnen we het signaal van de shutdown in de atmosfeer zien?
Het antwoord is, zoals zo vaak in wetenschap: “In theorie JA”. Het zou simpel het verschil tussen de twee curves zijn en onze meetinstrumenten zijn gevoelig genoeg. Maar tussen droom en werkelijkheid staan wetten in de weg en praktische bezwaren. In dit geval blijkt de zaak extreem ingewikkeld en lastig, en wel hierom:
1. We meten maar één curve. We hebben geen gecontroleerd experiment met twee planeten, één met en één zonder shutdown. Dus hebben we alleen de rode curve van figuur 4 en we moeten deze curve vergelijken met een kunstmatige (gemodelleerde) blauwe curve of vergelijken met de curve van vorige jaren. Beide benaderingen hebben zo hun problemen. Een kunstmatige blauwe curve geeft altijd kritiek op de model veronderstellingen en vergelijken met vorige jaren brengt ons op het volgende probleem:
2. De globale koolstofcyclus loopt niet regelmatig als een simpele klok. De op en neer gaande lijnen in Figuur 1 zijn niet zo regelmatig, want het weer varieert van jaar tot jaar. We kunnen een warme winter met een vroeg voorjaar hebben (zoals deze winter van 2019-2020), het volgende jaar juist een laat voorjaar, droge en natte zomers en ga zo maar door.
Door de twee problemen van hierboven te combineren komen we tot de meest logische benadering om het shutdown signaal te detecteren met waarnemingen. We vergelijken nu in figuur 9 de shutdown periode met andere jaren.
En er zijn nog meer problemen, een ander voorbeeld van een probleem is de invloed van de wind:
3. Stel je voor dat het zwembad buiten is. Dan veroorzaakt de wind golven met een amplitude van enkele centimeters en dat maakt het meten van het waterniveau heel lastig. Ook als we op meetstations of met satellieten CO2 meten hebben we te maken met dit soort ruis door atmosferische variaties (wind).
Samenvattend: het is een onmogelijke opdracht om een dunne haar in een groot zwembad te vinden wanneer het waterniveau verandert en er golven optreden.
Het antwoord vliegt, als altijd, in de wind
We zouden geen wetenschappers zijn als we hier opgaven. En inderdaad, er is een betere manier om hier naar te kijken dan ons alleen op gemiddelden te concentreren. Het antwoord zit in de informatie die de golven ons geven. Om dit te illustreren verlaten we het zwembad voorbeeld en kijken we naar de echte metingen van CO2 in de atmosfeer, zoals ICOS die verricht. Anders dan in het zwembad komt de instroom niet van één plek maar komen de instromen overal vandaan en worden vervoerd door de wind. In dit geval voert de wind (de golven in het zwembad) de informatie over de nabije instroom en wanneer we op meerdere plekken langdurig meten kunnen we deze instroom bepalen.
Om dit te illustreren nemen we in figuur 11 een kijkje bij de atmosferische CO2 metingen van een ICOS station, de toren bij Gartow in het noorden van Duitsland. Net als alle andere 22 ICOS atmosferische stations bemonstert dit de atmosfeer continu dus ook gedurende de shutdown. De concentratie wordt gemeten in moleculen CO2 per miljoen moleculen lucht (parts per million-ppm). We zien variaties veroorzaakt door de wind die, afhankelijk van het weer, de luchtmassa’s vervoerd vanaf verschillende locaties rondom de toren.
We zien hier de algemene curve met een afname in het voorjaar en de zomer, gevolgd door een toename in herfst en winter. En we kunnen duidelijk de fluctuaties zien veroorzaakt door het atmosferisch transport uit gebieden met verschillende emissies. Die gebieden noemen we invloedsgebieden of voetafdrukken en voor ieder moment in de tijd en gebied kunnen we deze voetafdruk berekenen. Op het eerste gezicht lijken de fluctuaties in de laatste twee weken sinds nu geringer te worden. Dat kan twee redenen hebben, of de wind brengt luchtmassa’s naar de meetplek met lage fluctuaties of dit is een voetafdruk van een gebied met lage emissies. Om dit precies vast te stellen is een gedetailleerde (model) analyse nodig die we nog niet hebben kunnen uitvoeren. We zijn er echter zeker van dat de voetafdruk van de Covid-19 shutdown zal kunnen worden teruggevonden inde variatie van de door ICOS gemeten CO2 concentraties in de atmosfeer.
Doe mee met de jacht en vind de haar in het zwembad!
De gegevens die ICOS verzamelt zijn geheel openbaar en de gegevens van de huidige 22 meettorens worden zonder vertraging ter beschikking gesteld. Wij moedigen wetenschappers wereldwijd aan om onze gegevens te analyseren en de haar in het zwembad te lokaliseren. De prijs hiervoor is in ieder geval een plaats in de eregalerij van de wetenschap van broeikasgassen, een hoog scorende publicatie en een keynote lezing op de volgende ICOS Science Conferentie in September 2020. Ter ondersteuning stellen wij rekencapaciteit ter beschikking op het ICOS datacentrum, de Carbon Portal, en verdere diepgaande discussies met onze wetenschappelijke gemeenschap en verder. De jacht is open, als u geïnteresseerd bent neem dan gerust contact met ons op en email naar: covid19.co2study@icos-ri.eu. Wij hopen op interessante statistische analyses of innovatieve en nieuwe ideeën voor data-analyse.
Aan het eind van dit artikel gekomen willen we nog even de analogie met het zwembad oppakken omdat we een droom hebben. Onze droom is dat de biljoenen euro’s en dollars die nu ingezet worden op het economisch herstel te bewerkstelligen op een wijze manier zullen worden gebruikt om tevens de koolstofarme en uiteindelijk koolstofvrije samenleving te bereiken.
Om deze droom te stimuleren hebben wij een variant op onze zwembad simulatie gemaakt. Het jaar van de Covid-19 shutdown is nu het eerste jaar van een vijf jaar periode. In de volgende vier jaar draaien we de kraan stapsgewijs steeds verder terug met iedere drie maanden 1 µm minder dagelijkse stijging. Aan het einde van de vijfjaars periode is de dagelijkse stijging teruggebracht van 32 naar nog maar 11 µm, zodat de waterstroom uit de kraan en dus de emissies van fossiel brandstoffen nog maar 50% van die in 2019 zijn. De maatschappij heeft de middelen en de technologie en het geld om dit uit te voeren. Het resultaat van deze investering is te zien in figuur 12:
De curve die het waterniveau beschrijft in ons “atmosferische zwembad” en dus de CO2 concentratie in de atmosfeer, zou aanzienlijk afgevlakt worden en zou zelfs (moeten) kunnen dalen in de tweede helft van deze eeuw om al te schadelijke klimaatverandering te vermijden. We staan voor een enorme uitdaging die extreem belangrijk is niet alleen voor onze maar zeker juist voor de toekomstige generaties. Over enkele tientalen jaren zullen de geschiedenisboeken onze politici en CEO’s beoordelen op hoe vakkundig ze de Covid-19 en de klimaatcrises gemanaged hebben: hebben hun beslissingen geen, één of allebei de curve’s plat gekregen.