Tot 2100 nog maar 0,6 graden stijging

Een gastbijdrage van Ad Huijser overgenomen van Climategate.nl

Tijdens een zomers warm weekje in augustus komen de verhalen over de door de mens veroorzaakte opwarming net als rond die hete 19 juli van dit jaar, weer in ruime mate aan bod in de media.

De kwalijke effecten van CO2 als broeikasgas zijn er inmiddels wel ingeramd bij het grote publiek, maar het nieuwe gevaar biedt zich aan: Methaan (CH4). Misschien niet helemaal toevallig, maar het ligt natuurlijk wel weer aan die agrarische sector. En dat versterkt mooi het narratief rond de huidige “stikstofcrisis”. Kortom, boeren moeten nu maar eens inbinden met natuurverpestende, nu ook klimaat opwarmende, en al lang bekritiseerde, dieronvriendelijke activiteiten. Toch?

Methaan lijkt plotseling wel het meest “verschrikkelijke” broeikasgas dat we kennen. Wel “25x sterker dan CO2”, of meer koppen de media zonder enige kennis van zaken. Als ’t maar “erg” klinkt.

Maar, is dat terecht? Tijd voor een simpele berekening van het maximale temperatuureffect van al die broeikasgassen in het geval we nu eens zouden besluiten helemaal niets meer te doen om het huidige tempo waarmee we de atmosfeer volpompen met CO2 en CH4, af te remmen.

Het IPCC noemt dit het “business as usual scenario” met codenaam RCP8.5 [12], waar o.a. ook het KNMI mee rekende toen ze ons een klein jaar geleden angst probeerden aan te jagen met 1,2 m zeespiegelstijging. Dat scenario is echter niet realistisch, zoveel fossiele brandstoffen kunnen we niet eens verstoken. Maar wat is dan wel een realistisch business as usual scenario?

Kees le Pair en ik hebben 2 jaar geleden een eenvoudig model opgesteld over hoe de Aarde die extra CO2 die wij a.g.v. antropogene emissies de atmosfeer in blazen, verdeelt over alle andere opslagreservoirs, zoals de oceanen, gesteentes/grond en biomassa’s [1]. De uitwisseling van CO2 tussen die diverse reservoirs is een simpel interface proces, bepaald door het verschil in concentratie tussen die reservoirs en het gemak waarmee een CO2-molecule dat interface kan passeren. Is N(t) de CO2-concentratie in de atmosfeer en die in een van de andere reservoirs door NR, dan is (N(t) -NR) de drijvende kracht van dit proces.

De “rate” van het bijbehorende massatransport wordt nu bepaald door (N(t) -NR)/τR. Daarin is 1/τR een maat voor de kans waarmee CO2 het atmosfeer-reservoir interface passeert, vermenigvuldigd met het oppervlak van dat interface. Zo heeft τR de dimensie van tijd en heeft ieder reservoir zo z’n eigen specifieke [NR, τR] combinatie. Als CO2-moleculen on-onderscheidbaar zijn en de reservoirs vertonen geen verzadigingsverschijnselen (zien we ook niet in de gemeten data), dan kan mathematisch eenvoudig bewezen worden dat het hele Aardse systeem beschreven kan worden als de atmosfeer plus slechts één (virtueel) reservoir, gekarakteriseerd door [N0, τ0]. Dat levert de volgende vergelijking voor de atmosferische CO2-concentratie N(t):

dN(t)/dt = B(t) – (N(t) – N0)/τ0 (1)

waarin B(t) onze jaarlijkse, antropogene emissie. Op basis van 60 jaar aan data over die jaarlijkse CO2-emissies en metingen van N(t) tussen 1960 en 2020 [11], hebben we de bijbehorende waardes N0 = 287 ppm en τ0 = 53,5 jaar met een hoge nauwkeurigheid kunnen bepalen [1]. Ook anderen komen op dit soort karakteristieke tijden, zij het echter veelal op basis van curve-fitting en het gegeven van een pre-industriële CO2-concentratie van 280 ppm [2].

Het zgn. Bern-model waar het IPCC de toekomstige CO2-scenario’s mee uitrekent, sommeert de diverse reservoirs niet, maar laat ze werken afhankelijk van de origine van de CO2-moleculen: snel voor de “natuurlijke” CO2 of traag, voor de “antropogene” CO2 met karakteristieke tijden tot bijna 200 jaar toe. Zo blijft de antropogene CO2 ontzettend lang in de atmosfeer en krijg je dus hele hoge concentraties in 2100. Maar hoe weten ze van elk individueel CO2-molecule in de atmosfeer waar het vandaan komt, en hoe lang het al in de atmosfeer zit? Kortom, fysisch gezien weinig plausibel [3].

Ik noem ons model wel gekscherend het “lekke fietsband” model. De analogie moge duidelijk zijn: net als bij het oppompen van een lekke fietsband, pompen we de atmosfeer voortdurend vol met antropogene CO2 die vervolgens ook continu weer deels weglekt. Zo bepaalt de grootte van dat integrale “lek”, plus de snelheid waarmee we de band proberen op te pompen de maximale druk die kan worden gehaald. Voor de atmosfeer geldt dat net zo. Ook daar is er een maximale CO2-concentratie NMAX bij een gegeven emissie BMAX, op het moment dat dN(t)/dt = 0 in vgl.1, ofwel:

NMAX = N0 + BMAX. τ0 [2]

Deze vgl.2 bepaalt nu de maximale broeikasgasconcentraties in ieder toekomstscenario, ook die van het IPCC. Met onze, al eerder bepaalde waarden voor N0 en τ0, is BMAX nog maar de enige onbekende in vgl.2. En die is, op grond van demografische ontwikkelingen, vrij eenvoudig te voorspellen.

Naar een realistisch CO2-scenario

Het IPCC “business as usual”-scenario RCP8.5 (sinds kort aangeduid als SSP5-8.5) voorspelt een antropogene forcing van 8,5 W/m2 rond 2100 [12]. Dit is teruggerekend, gelijk aan een concentratie van 1400 ppm aan CO2-equivalent, meer dan het viervoudige van de pre-industriële waarde van 280 ppm. Dat komt o.a. door die lange verblijftijd van antropogene CO2 in IPPC’s Bern-modellen.

Maar sinds kort realiseert het IPCC zich ook, dat we dat nooit gaan halen (wordt nu gekwalificeerd als zijnde highly unlikely), maar iedereen gebruikt dit nog wel in allerlei studies over die, daarom altijd catastrofale effecten van de antropogene opwarming.

Maar wat zijn wel reële broeikasgasniveaus in 2100? Voor ons realistisch Business as Usual (BaU) scenario gebruiken we de volgende aannames: 1) het aantal aardbewoners piekt in 2060 bij 10 miljard mensen en daalt daarna licht (recente schattingen); 2) de gemiddelde CO2-uitstoot per hoofd van de wereldbevolking groeit van 4,7 nu, tot het huidige niveau binnen de EU: 6 tCO2/jaar. Een prima welvaartsniveau, en het is nog maar de vraag of alle ontwikkelingslanden dat in 2100 al halen.

Met τ0 = 53,5 jaar en N0 = 287 ppm [1], levert vgl.2 voor dit realistische BaU-scenario, een maximale CO2-concentratie in 2100: NBaU = 700 ppm. Dit maximum is echter een veel te ruime schatting. Die tijd van 53,5 jaar, is op basis van enkel de fossiele uitstoot, en dat maakt die waarde te hoog [1]. De op één na belangrijkste antropogene CO2-bijdrage in de uitstoot, die t.g.v. de Change of Land Use (CLU), is in onze analyse (met opzet) niet apart verdisconteerd. Die uitstoot zit daarmee echter wel impliciet in de waarde van τ0, net als die van eventuele (onbekende) natuurlijke bronnen [1].

Op dit moment is die CLU-bijdrage ongeveer 1/6 van de fossiele uitstoot [5], en daarvoor gecorrigeerd zou dat leiden tot τ0 ≈ 45 jaar. Maar zonder verandering in de CLU is de bronterm in vgl.2 weer navenant groter en blijft het netto-effect op NBaU beperkt tot een eindniveau van 650 ppm. Echter, in 2100 moet die CLU-bijdrage in principe flink gereduceerd zijn. Verstedelijking, uitbreiding van agrarische grond, etc., nemen sterk af bij een niet groeiende wereldbevolking. In de CLU- schattingen zie je dat effect nu al terug [5]. Met de helft van huidige CLU in 2100, komen we dan op ongeveer 625 ppm.

Wat ook niet verwaarloosbaar is, is de eventuele onderrapportage in de huidige emissiecijfers van m.n. ontwikkelingslanden. Overigens, door de EU als “groen” verklaarde CO2-emissies uit biomassa-centrales, zullen door westerse landen waarschijnlijk ook niet in alle opgaves even correct worden meegenomen. Hoewel laakbaar, is onderrapportage wat mij betreft “heel goed nieuws”. Immers, onderrapportage verkleint de waarde voor τ0 nog verder, want kennelijk neemt de natuur nu al een relatief groter deel van de antropogene CO2-uitstoot op, dan we in ons CO2-budget meenemen [5].

Dat de mondiale CO2 uitstoot, en daarmee de groei in atmosferische CO2-concentratie 1:1 gekoppeld is aan de groei van de wereldbevolking over de afgelopen 170 jaar, heeft Willis Eschenbach recentelijk overtuigend laten zien [4]. Hij voorspelt op basis van die analyse een CO2-concentratie van ongeveer 610-620 ppm rond het jaar 2100.

Een keuze van 650 ppm voor de maximale CO2-concentratie in 2100 op basis van vgl.2, lijkt dan zeker niet te optimistisch. We komen zelfs vast nog wel zo’n 10-15% lager uit, o.a. met een andere mix aan energieopwekking: meer gasgestookte i.p.v. kolencentrales, kernenergie en uiteraard “renewables” als zon- en windcentrales.

China als grootste CO2-emittent zal het gebruik van kolen tegen 2100 behoorlijk hebben teruggeschroefd. M.i. niet vanwege de CO2-uitstoot, maar vanwege de luchtvervuiling: op sommige plaatsen is die daar nu al letterlijk “verstikkend”. Het CO2-niveau wordt zo hooguit 2x pre-industrieel i.e. 560 ppm, maar natuurlijk niet helemaal “business as usual” meer.

We houden het voor de “impact” berekeningen verderop, daarom maar op NBaU = 650 ppm.

En dan het CH4-scenario. Ook daar moet het lekke fietsband model van toepassing zijn, alleen kennen we historisch gezien, de brontermen niet zo goed als bij de emissies van CO2. De recente ontdekking door NASA dat grote vuilnisbelten enorme bronnen van CH4-emissies zijn, is niet verrassend, maar wel veelzeggend over ons niveau aan kennis. Vandaar dat we de aanname dat het model toepasbaar is op het CH4-verloop, alleen op geloofwaardigheid kunnen verifiëren met de meest recente gegevens volgens het Global Carbon Project “Global Methane Budget 2020” [6].

Hoewel behept met grote onzekerheidsmarges, leren we daaruit dat de antropogene bijdrage aan Methaan uitstoot (best estimates 2017) door de “industrie” 108 TgCH4/jaar, door de agrarische sector 227 TgCH4/jaar en door het verbranden van biobrandstoffen nog eens 28 TgCH4/jaar is. Opgeteld 363 TgCH4/jaar, naast natuurlijke bronnen van m.n. “natte gronden” van 233 TgCH4/jaar.

Qua “sinks” wordt meer dan 90%, of wel 531 TgCH4/jaar afgebroken in de atmosfeer door oxidatie van Methaan tot CO2 en water. Die oxidatie verloopt middels OH-radicalen die zelf een hele korte levensduur hebben (< 1 sec) maar o.i.v. zonlicht continu geproduceerd worden uit andere chemische reacties in de atmosfeer. Er is geen duidelijke bron als oorzaak van de iets snellere CH4-toename gedurende het laatste decennium, maar er is waarschijnlijk wel een relatie met de geconstateerde afname in de concentratie van OH-radicalen [6]. Echt begrijpen doen we dat niet.

Hoe dan ook, rekenen we die emissie-data om naar concentraties dan kunnen we met vgl.1 bijvoorbeeld de verblijftijd τ0 bepalen. Met al die gegevens uit 2017 en een omrekeningsfactor van 2,78 TgCH4/ppb [6], berekenen we op basis van 750 ppb als pre-industriële concentratie, een verandering in de gemeten concentratie van 8 ppb/jaar (gemiddelde over de laatste 10 jaar), een antropogene bron van 363/2,78 = 131 ppb/jaar en een concentratie van 1840 ppb , een waarde voor τ0 = 8,9 jaar. Dat lijkt “spot on” met de 9 + 2 jaar uit de analyse van het Carbon Project [6]. Geen “bewijs”, zeker gezien de grote onzekerheden in de data, maar wel “een goede indicatie” dat het lekke fietsband model ook voor Methaan in de atmosfeer redelijk realistische resultaten oplevert.

We gebruik voor de berekening van de CH4-uitstoot in 2100, nu dezelfde koppelingen aan de groei van zowel de wereldbevolking als die in welvaart, zoals hierboven in het CO2-scenario. De agrarische bijdrage groeit zo naar schatting met de bevolkingsaanwas, plus de helft van de groei in welvaart.

Enerzijds zal door effectievere (westerse) productiemethoden de CH4-uitstoot per capita voor die sector verlagen, maar anderzijds zal bij stijgende welvaart, de totale productie door extra consumptie gaan toenemen. Met de waarheid ergens in het midden, is de bijbehorende groeifactor dan

10/8x(0,5x(4,7+6)/4,7) = 1,42.

De CH4-uitstoot groeit dan naar 1,42×227 = 323 TgCH4/jaar in 2100. Voor de industriële sector met ongetwijfeld die eerdergenoemde vuilnisbelten daarbij gerekend, geldt de groeicurve van de CO2-uitstoot: aantal mensen plus welvaartsverbetering (= meer afval!), dus een vermenigvuldigingsfactor van 10/8×6/4,7 = 1,60. Als we het aandeel “biobrandstoffen” voor de eenvoud maar bij “industrieel” tellen, levert dat totaal 1,60x(108+28) = 218 TgCH4/jaar.
Tezamen is dat in 2100 een jaarlijkse antropogene Methaan-emissie van afgerond 540 TgCH4/jaar.

Dat is equivalent aan een bijdrage in de atmosfeer van 194 ppb/jaar tegenover de huidige 131 ppb/jaar. Kortom, net als bij de CO2-emissies een factor 1,5 in toename. Volgens vgl.2 levert dat uiteindelijk een stabiele CH4-concentratie: NBaU(CH4) = 750 + 194 x 9 = 2500 ppb in 2100.

Gezien de data, zijn dit schattingen met zeker 10% onzekerheidsmarge in beide richtingen. Het IPCC’s RCP8.5/SSP5-8.5-scenario haalt die waarde van 2500 ppb al in het jaar 2030 en lijkt door te groeien naar 3800 ppb in 2100, een verdubbeling van het huidige niveau. Een echt realistische basis onder die getallen ontbreekt [12].

Overigens is 3800 ppb verre van voldoende om die 1400 ppm CO2-equivalent in RCP8.5 te verklaren; CH4 is nu ook weer niet zo’n sterk broeikasgas (zie verderop).

Onze 2500 ppb is gelukkig qua verhoging t.o.v. pre-industrieel, echter wel identiek aan wat anderen al 16 jaar geleden berekenden op basis van curve fitting aan de historische concentratie-data m.b.v. het Fisher-Pry model [7]. Een originele toepassing van een model voor ‘groei + verzadigings’-processen uit heel andere disciplines (o.a. logistiek en product-marketing), dat niet gebonden is aan enig inzicht in de achterliggende oorzaken. Ook de groei van de wereldbevolking is met zo’n model uitstekend te beschrijven, c.q. te voorspellen. Dat het net als het model van Eschenbach [4] bij dit soort processen goed werkt, is in dat licht ook niet al te verrassend.

Dit bovenstaande, en m.i. realistische Business as Usual scenario is in nevenstaande figuren opgenomen in de grafische representatie van de diverse IPCC-RCP’s als weergegeven in [12]. Daarbij zijn het beginpunt (2022-waardes [5][6] en [11]), en het eindpunt uit de eerdere CO2- en CH4-emissie/concentratie-schattingen voor 2100, verbonden door een groeikromme met een verzadiging na 2060. Die zijn niet getekend op basis van een grondige analyse, maar het geschetste verloop geeft toch redelijk de verschillen met het RCP8.5-scenario’s weer.

Duidelijk is de absurditeit van RCP8.5; niet alleen t.o.v. mijn BuA-, maar ook t.o.v. andere scenario’s. Klimaatmodellen met een toch al veel te hoge klimaatgevoeligheid, berekenen met RCP8.5 voor 2100 dan ook extreem hoge opwarming. In allerlei gevolgstudies die maar al te graag juist dat scenario misbruiken, leidt dat steevast tot de meest angstaanjagende voorspellingen over de gevolgen van klimaatverandering. Maximale media-aandacht verzekerd, zoals bij KNMI’s 1,2 m zeespiegelstijging.

Met 650 ppm voor CO2 en 2500 ppb voor CH4 in 2100, kunnen we die maximale opwarming die ons nog te wachten staat, ook zelf berekenen. De atmosfeer zal zich immers, qua samenstelling en dus qua antropogene opwarming, stabiliseren op of onder dit “Business as Usual” eindpunt.

Hiervoor gebruiken we het online MODTRAN-klimaatmodel van de University of Chicago [8]. Net als het nu al klassieke werk van Van Wijngaarden en Happer [9] rekent dat op basis van hun spectrale gegevens de forcing uit van broeikasgassen in een atmosfeer met een gegeven samenstelling en verticaal temperatuurverloop. De CO2- als de CH4-concentratie zijn vrijelijk te kiezen, bij zowel een vaste waterdampconcentratie, als een constante relatieve vochtigheid. Dat laatste is belangrijk om het effect van de zgn. “water vapor feedback” op een correcte wijze mee te nemen.

Verder geeft het de mogelijkheid bewolking in te brengen. De grote invloed van bewolking op de stralingsbalans kan ik niet genoeg benadrukken [10]. Van Wijngaarden en Happer [9] beschouwen helaas alleen het “clear sky” scenario. Voor die situatie met het (nagenoeg) standaard gemiddelde atmosfeermodel levert MODTRAN dezelfde resultaten als in [9]; een goede check dat het realistische output levert.

Uitgaande van 420 ppm CO2 en 1900 ppb CH4 voor de huidige (2022) situatie [11], is het nu tamelijk simpel te berekenen wat de respectievelijke forcings van de, te verwachten verandering tussen nu en 2100 zijn, en de daarbij behorende temperatuurverhogingen. Die berekeningen zijn hier gedaan voor de US Standard Atmosphere als een goed globaal gemiddelde en de Stratus/Strato CU Base 0.66km

Top 2.0 km bewolking.

Dat laatste is een bewuste keuze uit meerdere bewolkingsmodellen in MODTRAN [8] maar andere bewolkingsmodellen leiden niet tot significant andere getallen of conclusies. Resultaten van deze exercitie zijn samengevat in onderstaande tabel: ΔFTOA is de forcing a.g.v. de verhoging in de aangegeven concentraties van CO2 en/of CH4 op de Top of the Atmosphere hoogte (TOA is in MODTRAN op 70 km gesteld). ΔTS is de temperatuurverhoging op grondniveau nodig om die forcing ΔFTOA volledig te compenseren (herstel van evenwicht qua in- en uitstraling).

Om nu niet direct beticht te worden van een te lage inschatting van de CH4-concentratie in 2100 is ook nog de veel hogere waarde van 3000 ppb in de tabel opgenomen. Daarvoor is tegen die tijd 250 ppm Methaan uitstoot nodig i.p.v. die 194 ppb, die eerder al ruim was ingeschat. De antropogene CH4 uitstoot moet dan wel 1,9x zo groot worden, dus bijna verdubbelen t.o.v. de vergelijkbare uitstoot nu!

Opm.: Bijdrages van eventuele toenames in stikstofoxides en gechloreerde koolwaterstoffen zijn nog veel kleiner. Voor de eenvoud zijn die verder verwaarloosd; ze veranderen de tabel niet significant. Wat direct opvalt is dat het effect van meer CO2 al tamelijk beperkt is. Extra CH4-uitstoot, tot zelfs 1,9x de huidige antropogene emissie, draagt maar nauwelijks bij aan de temperatuurverhoging. Dat is een gevolg van de overlap met de absorptiebanden van waterdamp en de, bij de huidige concentraties, al verregaande optische “verzadiging” in de IR-absorptie van CO2, en m.n. ook van CH4.

Deze waardes zijn inclusief “water vapor feedback” middels de keuze in het model voor een constante relatieve vochtigheid (RH = 1), waarbij de absolute vochtigheid meer dan lineair toeneemt met de temperatuur. En waterdamp is natuurlijk wel veruit het sterkste broeikasgas.

Zoals te verwachten, is de in MODTRAN berekende klimaatgevoeligheid ΔT/ΔF (dus inclusief water vapor feedback !) met 0,35 K/W/m2 nagenoeg gelijk aan 0,3 K/W/m2, de inverse van de Planck feedback parameter als zijnde de “natuurlijke” klimaatreactie op TOA-verstoringen (forcings) [9]. Dat is dus heel wat kleiner dan die absurd grote klimaatgevoeligheid van 0,8 + 0,3 K/W/m2 (ECS = 1,5 tot 4,0 K/2xCO2) uit GCM-klimaatmodellen, op grond waarvan het IPCC zijn alarmisme rechtvaardigt.

Als laatste, een opmerking over die 25x (of meer) sterkte van CH4 als broeikasgas in vergelijking met CO2. Dat is ook met MODTRAN te checken, en wat blijkt: “het” klopt, het is zelfs zo’n 50x! Tenminste, als je dat vergelijkt bij identieke verhoging in de absolute concentratie, zeg maar per extra molecule.

Dat berekenden Van Wijngaarden en Happer ook al [9]. De Methaan-concentratie in de atmosfeer is echter ruim 200x kleiner dan die van CO2. Een verdubbeling van het huidige CO2 niveau van 420 naar 840 ppm levert 0,78 oC, de verdubbeling van de huidige concentratie van CH4 van 1900 naar 3800 ppb “slechts” 0,21 oC, en allebei tegelijk, precies 1 oC. Praktisch bezien, kun je dus beter stellen dat Methaan als broeikasgas 4x zwakker is dan CO2. Het is dus maar hoe je “het” definieert en wat voor boodschap je het grote publiek graag wilt voorschotelen. Verdere bangmakerij voor die toch al “dodelijke” broeikasgassen, lukt geheid veel beter met een 25x sterker Methaan. Geen leugen dus, maar is dit “eerlijke” voorlichting? Dat ethische dilemma kennen klimaatalarmisten kennelijk niet.

Alles bij elkaar moet de conclusie van dit essay evenwel duidelijk zijn: Bij een realistisch “business as usual” scenario qua uitstoot van zowel CO2 als CH4, hebben we nog maar + 0,6 0C te gaan a.g.v. de daaraan gerelateerde antropogene opwarming. Rond 2100 komt die nml. ten einde als wij als “soort” met maximaal 10 Miljard mensen zijn “uitgegroeid”. En niet zoals het IPCC ons met hun alarmistische klimaatscenario’s continu probeert aan te praten: “uitgeroeid”.

***

Referenties:[1] C. le Pair en A. Huijser (2020), http://www.clepair.net/oceaanCO2-4.html[2] zie o.a. R. Spencer (2020), https://www.drroyspencer.com/2020/02/nature-has-been-removing-
excess-CO2-4x-faster-than-ipcc-models/[3] W. Eschenbach (2012), https://wattsupwiththat.com/2012/05/06/the-bern-model-puzzle/[4] W. Eschenbach (2022), https://wattsupwiththat.com/2022/02/19/humanoids-and-co2-levels/[5] Carbon Budget 2020 en/of 2021, https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/index.htm[6] Methane Budget 2020, https://www.globalcarbonproject.org/methanebudget/index.htm[7] C.F. Alvim et al (2006),
http://ecen.com/eee55/eee55e/growth_of%20methane_concentration_in_atmosphere.htm[8] http://climatemodels.uchicago.edu/modtran/[9] W.A. van Wijngaarden and W. Happer (2021), Relative Potency of Greenhouse Molecules,
https://doi.org/10.48550/arXiv.2103.16465[10] A. Huijser (2021), https://www.clepair.net/clouds-AdHuijser.pdf[11] https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/weekly.html[12] G. P. Wayne, The Beginner’s Guide to Representative Concentration Pathways (pdf) + summary
https://skepticalscience.com/rcp.php?t=3

Auteur