Mælingar staðfesta kenninguna

Eftirfarandi spurningu svarar langmestur hluti vísindamanna játandi (sjá Doran og Zimmarman 2009):

Do you think human activity is a significant contributing factor in changing mean global temperatures?

Þar er almennt átt við að athafnir manna, þ.e. losun gróðurhúsalofttegunda – mest þó CO2 vegna bruna jarðefnaeldsneytis og því má búa til eftirfarandi fullyrðingu á íslensku – sem ætla má að flestir vísindamenn taka undir:

Jörðin er að langmestu leiti að hlýna vegna styrkaukningar CO2 í andrúmsloftinu af völdum losunar manna, þá mest vegna bruna jarðefnaeldsneytis.

En hvernig er vitað að þessi fullyrðing stenst skoðun. Er þetta ekki bara kenning eða eru einhverjar mælingar sem styðja þessa fullyrðingu?

Til að skoða það er mögulegt að skipta fullyrðingunni niður í þrjár spurningar og reyna að svara þeim, byrjum á fyrstu spurningunni:

1 – Er jörðin að hlýna?

Svarið við þessari spurningu er augljós ef skoðað er línurit með hitastigi frá því fyrir aldamótin 1900 að jörðin er að hlýna:

Hitastig jarðar frá 1880-2009 (gögn frá GISS).

Þrátt fyrir mótbárur efasemdamanna, þá er að hlýna en ekki að kólna, en síðasti áratugur var sá heitasti frá upphafi mælinga (sjá t.d. Stott o.fl. 2010):

Til að komast að andstæðri niðurstöðu – þ.e. að það hafi verið að kólna, þá þarf að sérvelja gögn og nota tölfræðilega ómarktækt tímabil. Til að fá marktæka niðurstöðu um leitni hitastigs, þá þarf að velja 20-30 ára tímabil – því náttúrulegar sveiflur yfir stutt tímabil eru meiri en sem nemur hlýnunina af mannavöldum (sem er tæplega 0,2°C á áratug). Náttúrulegar sveiflur geta því auðveldlega yfirgnæft undirliggjandi hlýnun fyrir svona stuttum tíma. En hlýnunin heldur áfram og fyrr en varir verður vart við uppsveiflu aftur eins og við erum að sjá nú í byrjun árs 2010 (sjá t.d. NOAA í janúar) vegna núverandi El Nino. Með því að leiðrétta fyrir náttúrulegum sveiflum í ENSO (El Nino/La Nina), þá fer ekki milli mála að enn er hlýnun í gangi:

Hér eru sýndir hitastigsferlar frá Hadley Center og GISS (brotalínur). Þykku línurnar sýna leiðréttingu fyrir ENSO (frá realclimate.org).

Það er reyndar spursmál hvort nokkur pása fynnist í hlýnunina, þótt ekki sé leiðrétt fyrir ENSO. Ef skoðað er hnattrænt hitastig frá GISS stofnuninni (Goddard Institute for Space Studies) þá er ekki hægt að sjá að nokkur pása hafi orðið, jafnvel þótt notað sé ómarktækt tímabil (þ.e. 10 ár):

Hnattrænt hitastig samkvæmt GISS gögnum frá árinu 1980-2009. Rauða línan sýnir árleg gögn, stóri rauði kassinn sýnir bráðabirgðagögn fyrir árið 2009 út frá hitastigi frá janúar-ágúst (síðar kom í ljós að 2009 var annað heitasta árið frá upphafi mælinga). Græna línan sýnir 25 ára leitnilínu (0,19°C á áratug). Bláa línurnar sýna síðustu tvær tíu-ára leitnilínur (0,18°C á áratug fyrir 1998-2007, 0,19°C fyrir 1999-2008).

Með því að greina tíu ára leitnilínur fyrir öll árin (þ.e. 1990-1999, 1991-2000 o.sv.frv), þá hafa allar línurnar sýnt leitni milli 0,17 og 0,34°C hlýnun á áratug – sem er svipað og búist er við að sé vegna hlýnunar af mannavöldum. Þar fyrir utan, þá reyndist árið 2009 vera annað heitasta árið frá upphafi mælinga (sjá t.d. Hitahorfur fyrir árið 2010).

Það er því nánast sama hvernig litið er á þessi gögn ef notaðar eru viðurkenndar aðferðir, að augljóst er að það er að hlýna.

Við skulum þó ekki láta þetta duga til að svara spurningunni. Mikill hluti hitans verðum við ekki var við í ofangreindum mælingum, sem eru á hita við yfirborð jarðar og sjávar.

Öll jörðin er að gleypa í sig hita vegna orkuójafnvægis. Lofthjúpurinn er að hitna og hafið er að gleypa varmaorku, sem og landið undir fótum okkar. Einnig er ís að taka til sín hita til bráðnunar. Til að skilja heildarmyndina hvað varðar hnattræna hlýnun, þá verðum við að skoða þá varmaorku sem jörðin í heild er að taka til sín.

Skoðað hefur verið orkujafnvægi jarðarinnar frá 1950-2003 (Murphy o.fl 2009), þar sem lögð eru saman hitainnihald hafsins, lofthjúpsins, lands og íss. Hafið sem er langstærsti hitageymirinn var mældur í efstu 700 metrunum, að auki var tekið með gögn niður á 3000 metra dýpi. Hitainnihald lofthjúpsins var reiknaður út frá yfirborðsmælingum og hitainnihaldi veðrahvolfsins. Hitainnihald lands og íss (þ.e. orkan sem þarf að bræða ís) var einnig tekið með:

Hitainnihald jarðar frá 1950-2003 (mynd frá Skeptical Science byggð á gögnum frá Murphy o.fl. 2009 og Domingues o.fl 2008).

Það er nokkuð greinilegt á þessari mynd að hlýnun jarðar hefur verið töluverð frá 1950 til allavega 2003 – samt má sjá nokkuð af náttúrulegum sveiflum. Þessi gögn ná þó ekki lengra en til ársins 2003, en eins og sést á myndinni þá er hafið langstærsti hitageymirinn og því rétt að skoða hvað er búið að vera að gerast í hafinu síðan 2003.

Frá 2003 hafa farið fram hitamælingar með Argos-baujunum, sem er kerfi bauja sem að mæla hitastig sjávar (ásamt seltu og fleira), niður á 2000 metra dýpi. Þessar baujur sökkva niður á ákveðið dýpi með vissu millibili og fljóta til yfirborðs og mæla gögn í leiðinni – senda þau síðan til gervihnatta sem skrásetja gögnin. Úrvinnsla gagnanna sýnir greinilega hlýnun (sjá t.d. Cazenave o.fl. 2009).

Eitt af þeim teymum vísindamanna, sem mælt hefur hitainnihald sjávar frá 2003-2008 út frá gögnum Argo-baujanna herur kortlagt hitadreifingu niður á 2000 metra síðustu ár (Schuckmann o.fl. 2009). Þeir hafa gert eftirfarandi línurit sem sýnir hnattrænan hita sjávar:

Línurit sem sýnir hnattræna hitageymslu sjávar frá árinu 2003-2008 (Schuckmann o.fl. 2009).

Samkvæmt þessari mynd þá hafa úthöfin haldið áfram að safna í sig hita fram til loka ársins 2008. Ef hún er síðan sett í samhengi við gögnin í næstu mynd þar fyrir ofan þá hefur hlýnunin verið stöðug frá árinu 1970 og út árið 2008 allavega.

Með ofangreindum upplýsingum þá má nokkuð ljóst vera að það er að hlýna bæði við yfirborð jarðar, en þó mest í úthöfunum. Beinar mælingar sýna því að jörðin er að taka til sín hita í auknu magni, hún sankar að sér meiri orku en hún geislar aftur út í geiminn. Hlýnun jarðar heldur því áfram.

Þá er komið að næstu spurningu:

2 – Veldur CO2 hlýnuninni?

Til að byrja með, þá gengur kenningin um gróðurhúsaáhrifin í stuttu máli út frá því að inn í lofthjúpinn koma geislar frá sólu og hafa þeir stutta bylgjulengd. Jörðin geislar frá sér hita á lengri bylgjulengd, sem gróðurhúsalofttegundirnar gleypa í sig, hitna við það og geisla bæði út í geiminn og aftur til jarðar. Við aukið magn CO2 þá geislast meira af langbylgjugeislum til jarðarinnar – jörðin hlýnar.

Gróðurhúsaáhrif CO2 hafa verið þekkt í yfir öld og hafa menn mælt þau samviskusamlega og skráð á rannsóknastofum. Fyrsta tilraunin sem sýndi fram á þessi áhrif CO2 var framkvæmd af John Tyndal (1861), en tilraun hans sýndi fram á að CO2 gleypir langbylgju á innrauðu sviði. Síðan þá hafa ýmsir staðfest þennan eiginleika CO2 (t.d. Herzberg og Herzberg 1953 og Burch o.fl. 1970). Eðlis- og efnafræði gróðurhúsalofttegundarinnar CO2 er því vel þekkt og viðurkennd.

Samkvæmt kenningunni ættum við að búast við því, að við aukið magn CO2 í lofthjúpnum þá ætti hann að gleypa meira af langbylgjugeislun frá jörðinni, þegar þeir kastast aftur út í geim. Sem sagt ef minna sleppur út í geim, þá kemur ekkert annað til greina en aukin gróðurhúsaáhrif.

Mæld hefur verið breyting á útgeislun langbylgja frá jörðinni á milli áranna 1970 og 1997 (Harries o.fl. 2001). Gervihnöttur frá NASA (IRIS) mældi úgeislun árið 1970 og japanska geimferðastofnunin sendi annan gervihnött árið 1996 sem meðal annars mældi það sama. Við samanburð á útgeislun milli þessara ára fékkst eftirfarandi mynd:

Breytingar í útgeislun á mismunandi bylgjulengdum milli árana 1970 og 1996, vegna gróðurhúsalofttegunda (Harries o.fl 2001).

Það kom því í ljós að útgeislun á vissum bylgjulengdum minnkaði á þessu 26 ára tímabili, á þeim bylgjulengdum sem að gróðurhúsalofttegundir, líkt og CO2 og metan (CH4) draga í sig orku. Breytingarnar voru í samræmi við kenningar um gróðurhúsaáhrif CO2. Beinar mælingar sýna því að gróðurhúsaáhrif jarðar hafa aukist undanfarna áratugi. Niðurstöður þeirra mælinga hafa síðar verið staðfestar með samanburðarrannsóknum annarra vísindamanna á þeim gögnum og gögnum frá öðrum gervihnöttum.

En gróðurhúsalofttegundirnar hitna við að gleypa langbylgjugeislana frá jörðinni og geisla einnig langbylgjugeislum. Því ættum við einnig að búast við aukinni langbylgjugeislun niður til jarðar við aukningu gróðurhúsalofttegunda. Það hefur einnig verið staðfest, langbylgjugeislar niður til jarðar hafa aukist og ekki nóg með það, heldur er búið að staðfesta hvaða gróðurhúsalofttegundir hafa mestu áhrifin (Evans 2006).

Með ofangreindum upplýsingum þá má nokkuð ljóst vera að það er búið að staðfesta gróðurhúsaáhrifin með beinum mælingum. Það sem við vitum þá eftir spurningu 1 og 2 er að jörðin er að hlýna af völdum aukningar CO2 í andrúmsloftinu.

Þá er það lokaspurningin.

3 – Er aukningin á styrki CO2 í andrúmsloftinu af völdum manna?

Fyrstu mælingar á styrk CO2 í andrúmsloftinu voru gerðar af Charles Keeling árið 1958 á Hawaii. Sú mælistöð hefur lengstu samfeldu beinar mælingar á CO2 í andrúmsloftinu. Nú eru starfræktar mælistöðvar út um allan heim sem mæla CO2 í andrúmsloftinu, meðal annars er ein á Stórhöfða í Vestmannaeyjum – allar sýna þær sömu leitni í styrk CO2 andrúmsloftsins. Til að áætla styrk CO2 í andrúmsloftinu fyrir tíma beinna mælinga hafa menn efnagreint loftbólur í ískjörnum. Síðastliðin 10 þúsund ár hefur magn CO2 í andrúmsloftinu verið frekar stöðugt eða um 275-285 ppm, en undanfarin 250 ár hefur það aukist um sirka 100 ppm. Nú eykst magn CO2 í andrúmsloftinu um 15 gígatonn á hverju ári.

CO2 magn í andrúmsloftinu síðastliðin 10.000 ár. Bláa línan sýnir magn fengið úr ískjarnanum Taylor Dome, Suðurskautinu (NOAA). Græna línan sýnir magn fengið úr ískjarnanum Law Dome, Austur Suðurskautinu (CDIAC). Rauða línan sýnir beinar mælingar frá Mauna Loa, Hawaii (NOAA).

Hnattræn losun manna á CO2 er reiknuð út frá alþjóðlegum orkugögnum, þ.e. notkun á kolum, olíu o.sv.frv. frá öllum þjóðum heims á hverju ári. Þetta þýðir að hægt er að reikna hversu mikið við losum, ekki aðeins undanfarin ár heldur einnig aftur til ársins 1751 – en svo langt aftur ná gögnin. Nú er það svo að losun CO2 af mannavöldum er um 29 gígatonn á ári.

Áætluð heildarlosun manna á kolefni frá 1750 til 2006 (mynd af Skeptical Science)

Með öðrum orðum, menn eru að losa næstum tvisvar sinnum meira CO2 heldur en að verður eftir í andrúmsloftinu. Náttúran hefur hingað til náð að binda stóran hluta af CO2 og er þar sjórinn hvað mikilvirkastur í því, með tilheyrandi súrnun sjávar (sjá t.d. færslur loftslag.is um súrnun sjávar).

Það sem staðfestir síðan að aukning á CO2 í andrúmsloftinu er vegna losunar manna, er efnagreining á CO2 úr andrúmsloftinu. Kolefnisatómið er gert úr mismunandi samsætum (e. isotopes), sem þýðir að það hefur mismunandi fjölda nifteinda. Kolefni 12 hefur 6 nifteindir, kolefni 13 hefur 7 nifteindir. Plöntur hafa lægra hlutfall á milli C13/C12 en andrúmsloftið. Ef aukið CO2 í andrúmsloftinu kemur frá jarðefnaeldsneyti þá ætti hlutfall C13/C12 að vera að lækka. Það er akkúrat það sem menn hafa verið að sjá og fellur það ágætlega saman við losun manna á CO2 (Ghosh og Brand 2003):

Árleg losun CO2 (svört lína) og árlegt meðaltal hlutfalls 13C/12C mælt á Mauna Loa Hawai frá 1981-2002.

Með ofangreindum upplýsingum þá má nokkuð ljóst vera að það er búið að staðfesta, með beinum mælingum, að aukning CO2 í andrúmsloftinu er af völdum manna.