Analyse: Carbon Brief

Omfanget af menneskets bidrag til den moderne globale opvarmning er et meget omdiskuteret emne i politiske kredse, især i USA.

Under en nylig høring i kongressen bemærkede Rick Perry, USA’s energiminister, at “at stå frem og sige, at 100 % af den globale opvarmning skyldes menneskelig aktivitet, tror jeg umiddelbart er uforsvarligt”.

Derimod er videnskaben om menneskets bidrag til den moderne opvarmning ganske klar. Menneskets emissioner og aktiviteter har forårsaget omkring 100 % af den opvarmning, der er observeret siden 1950, ifølge den femte vurderingsrapport fra Det Mellemstatslige Panel om Klimaændringer (IPCC).

Her undersøger Carbon Brief, hvordan hver af de vigtigste faktorer, der påvirker Jordens klima, ville påvirke temperaturen isoleret set – og hvordan deres kombinerede virkninger næsten perfekt forudsiger langsigtede ændringer i den globale temperatur.

Carbon Brief’s analyse finder, at:

• Siden 1850 kan næsten al den langsigtede opvarmning forklares af drivhusgasemissioner og andre menneskelige aktiviteter.
• Hvis drivhusgasemissioner alene opvarmede planeten, ville vi forvente at se omkring en tredjedel mere opvarmning, end der faktisk er sket. De opvejes af afkøling fra menneskeskabte atmosfæriske aerosoler.
• Aerosoler forventes at falde betydeligt inden 2100, hvilket vil bringe den samlede opvarmning fra alle faktorer tættere på opvarmningen fra drivhusgasser alene.
• Naturlige variationer i Jordens klima spiller sandsynligvis ikke en større rolle i den langsigtede opvarmning.

Animation af Rosamund Pearce for Carbon Brief. Billeder via Alamy Stock Photo.

Hvor meget opvarmning er forårsaget af mennesker?

I sin femte vurderingsrapport fra 2013 erklærede IPCC i sit resumé til politiske beslutningstagere, at det er “yderst sandsynligt, at mere end halvdelen af den observerede stigning i den globale gennemsnitlige overfladetemperatur” fra 1951 til 2010 var forårsaget af menneskelig aktivitet. Med “ekstremt sandsynligt” mente den, at der var mellem 95 % og 100 % sandsynlighed for, at mere end halvdelen af den moderne opvarmning skyldtes mennesker.

Denne noget snørklede udtalelse er ofte blevet misfortolket som en antydning af, at det menneskelige ansvar for den moderne opvarmning ligger et sted mellem 50 % og 100 %. Som NASA’s Dr. Gavin Schmidt har påpeget, var IPCC’s implicitte bedste gæt faktisk, at mennesket var ansvarlig for omkring 110 % af den observerede opvarmning (fra 72 % til 146 %), idet naturlige faktorer isoleret set førte til en svag afkøling i de seneste 50 år.

Sådan fandt USA’s nylige fjerde nationale klimabedømmelse, at mellem 93 % og 123 % af den observerede opvarmning fra 1951-2010 skyldtes menneskelige aktiviteter.

Disse konklusioner har ført til en vis forvirring om, hvordan mere end 100 % af den observerede opvarmning kan tilskrives menneskelige aktiviteter. Et menneskeligt bidrag på mere end 100 % er muligt, fordi naturlige klimaændringer i forbindelse med vulkaner og solaktivitet højst sandsynligt ville have resulteret i en mindre afkøling i løbet af de sidste 50 år, hvilket ville have opvejet noget af den opvarmning, der er forbundet med menneskelige aktiviteter.

“Forcings”, der ændrer klimaet

Videnskabsfolk måler de forskellige faktorer, der påvirker den mængde energi, der når frem til og forbliver i Jordens klima. De er kendt som “strålingsforceringer”.

Disse forceringer omfatter drivhusgasser, som fanger udgående varme, aerosoler – både fra menneskelige aktiviteter og vulkanudbrud – som reflekterer indkommende sollys og påvirker skydannelsen, ændringer i solens produktion, ændringer i jordens overflades refleksivitet i forbindelse med arealanvendelse og mange andre faktorer.

For at vurdere den rolle, som hver enkelt af de forskellige drivkræfter spiller for de observerede temperaturændringer, har Carbon Brief tilpasset en simpel statistisk klimamodel, der er udviklet af Dr. Karsten Haustein og hans kolleger ved University of Oxford og University of Leeds. Denne model finder det forhold mellem både menneskelige og naturlige klimaforceringer og temperaturen, der passer bedst til de observerede temperaturer, både globalt og kun over landområder.

Figuren nedenfor viser den anslåede rolle af hver enkelt klimaforcering i ændringen af de globale overfladetemperaturer, siden optegnelserne begyndte i 1850 – herunder drivhusgasser (rød linje), aerosoler (mørkeblå), arealanvendelse (lyseblå), ozon (lyserød), solenergi (gul) og vulkaner (orange).

De sorte prikker viser observerede temperaturer fra Berkeley Earths overfladetemperaturprojekt, mens den grå linje viser den estimerede opvarmning fra kombinationen af alle de forskellige typer af forcings

Globale gennemsnitlige overfladetemperaturer fra Berkeley Earth (sorte prikker) og modelleret indflydelse af forskellige strålingsforcings (farvede linjer), samt kombinationen af alle forcings (grå linje) for perioden fra 1850 til 2017. Se metoderne i slutningen af artiklen for nærmere oplysninger. Diagrammet er udarbejdet af Carbon Brief ved hjælp af Highcharts.

Kombinationen af alle strålingsforceringer stemmer generelt ret godt overens med de længerevarende ændringer i de observerede temperaturer. Der er en vis variation fra år til år, primært som følge af El Niño-begivenheder, som ikke er drevet af ændringer i forcings. Der er også perioder fra 1900-1920 og 1930-1950, hvor der er større uoverensstemmelser mellem den forventede og den observerede opvarmning, både i denne enkle model og i mere komplekse klimamodeller.

Diagrammet fremhæver, at af alle de analyserede strålingsforceringer er det kun stigninger i drivhusgasemissionerne, der giver den opvarmning, som vi har oplevet i de seneste 150 år.

Hvis drivhusgasemissionerne alene opvarmede planeten, ville vi forvente at se omkring en tredjedel mere opvarmning, end der rent faktisk er sket.

Så, hvilke roller spiller alle de andre faktorer?

Den ekstra opvarmning fra drivhusgasser opvejes af svovldioxid og andre produkter fra forbrænding af fossile brændstoffer, der danner atmosfæriske aerosoler. Aerosoler i atmosfæren både reflekterer indkommende solstråling tilbage til rummet og øger dannelsen af høje, reflekterende skyer, hvilket afkøler Jorden.

Ozon er en kortlivet drivhusgas, der fanger udgående varme og opvarmer Jorden. Ozon udledes ikke direkte, men dannes, når methan, carbonmonoxid, nitrogenoxider og flygtige organiske forbindelser nedbrydes i atmosfæren. Stigninger i ozon kan direkte tilskrives menneskelige emissioner af disse gasser.

I den øvre atmosfære har reduktioner i ozon i forbindelse med chlorfluorcarboner (CFC) og andre halocarboner, der nedbryder ozonlaget, haft en beskeden kølende virkning. Nettoeffekterne af de kombinerede ændringer af ozonlaget i den nedre og øvre atmosfære har i beskedent omfang opvarmet Jorden med et par tiendedele af en grad.

Ændringer i den måde, hvorpå jorden udnyttes, ændrer jordoverfladens refleksionsevne. Hvis man f.eks. erstatter en skov med en mark, vil det generelt øge mængden af sollys, der reflekteres tilbage til rummet, især i snedækkede områder. Nettoklimaeffekten af ændringer i arealanvendelsen siden 1850 er en beskeden afkøling.

Vulkaner har en kortsigtet afkølende effekt på klimaet på grund af deres indsprøjtning af sulfataerosoler højt oppe i stratosfæren, hvor de kan forblive oppe i luften i nogle få år og reflektere indkommende sollys tilbage i rummet. Men når sulfaterne driver tilbage ned til overfladen, forsvinder vulkanernes kølende virkning. Den orange linje viser vulkaners anslåede indvirkning på klimaet, med store nedadgående temperaturspidser på op til 0,4C i forbindelse med større udbrud.

Finalt er solaktiviteten målt af satellitter i de seneste årtier og estimeret ud fra antallet af solpletter i den mere fjerne fortid. Mængden af energi, der når jorden fra solen, svinger beskedent i en cyklus på omkring 11 år. Der har været en lille stigning i den samlede solaktivitet siden 1850’erne, men mængden af yderligere solenergi, der når jorden, er lille sammenlignet med andre undersøgte strålingsforceringer.

I løbet af de sidste 50 år er solenergien, der når jorden, faktisk faldet en smule, mens temperaturen er steget dramatisk.

Menneskelige forceringer matcher den observerede opvarmning

Nøjagtigheden af denne model afhænger af nøjagtigheden af estimaterne af strålingsforceringerne. Nogle typer af strålingsforceringen som f.eks. den fra atmosfæriske CO2-koncentrationer kan måles direkte og har relativt små usikkerheder. Andre, som f.eks. aerosoler, er underlagt meget større usikkerheder på grund af vanskeligheden ved at måle deres virkninger på skydannelsen nøjagtigt.

Disse er taget i betragtning i nedenstående figur, som viser kombineret naturlig forcering (blå linje) og menneskelig forcering (rød linje) og de usikkerheder, som den statistiske model knytter til hver af dem. Disse skraverede områder er baseret på 200 forskellige estimater af strålingsforceringerne, som omfatter forskning, der forsøger at estimere et interval af værdier for hver af dem. Usikkerhederne i de menneskelige faktorer øges efter 1960, hovedsagelig på grund af stigninger i aerosolemissioner efter dette tidspunkt.

Globale gennemsnitlige overfladetemperaturer fra Berkeley Earth (sorte prikker) og modelleret indflydelse af alle kombinerede naturlige (blå linje) og menneskelige (rød linje) strålingsforcinger med deres respektive usikkerheder (skraverede områder) for perioden fra 1850 til 2017. Kombinationen af alle naturlige og menneskelige forcingsvirkninger (grå linje) er også vist. Se metoderne i slutningen af artiklen for nærmere oplysninger. Diagrammet er udarbejdet af Carbon Brief ved hjælp af Highcharts.

Overordnet set stemmer opvarmningen i forbindelse med alle menneskelige drivkræfter ganske godt overens med den observerede opvarmning, hvilket viser, at ca. 104 % af den samlede opvarmning siden starten af den “moderne” periode i 1950 stammer fra menneskelige aktiviteter (og 103 % siden 1850), hvilket svarer til den værdi, som IPCC har rapporteret. De kombinerede naturlige drivkræfter viser en beskeden afkøling, primært drevet af vulkanudbrud.

Den simple statistiske model, som Carbon Brief har anvendt til denne analyse, adskiller sig fra de langt mere komplekse klimamodeller, som forskerne normalt anvender til at vurdere det menneskelige fingeraftryk på opvarmningen. Klimamodeller “passer” ikke blot til de observerede temperaturer. Klimamodellerne omfatter også variationer i temperaturen over rum og tid og kan tage højde for forskellige effektiviteter af strålingsforceringer i forskellige regioner på Jorden.

Men når man analyserer virkningen af forskellige forceringer på de globale temperaturer, finder komplekse klimamodeller generelt resultater, der ligner de simple statistiske modeller. Figuren nedenfor, der stammer fra IPCC’s femte vurderingsrapport, viser forskellige faktorers indflydelse på temperaturen i perioden fra 1950 til 2010. De observerede temperaturer er vist i sort, mens summen af de menneskelige faktorer er vist i orange.

Det tyder på, at menneskelig forcering alene ville have resulteret i ca. 110 % af den observerede opvarmning. IPCC har også medtaget den estimerede størrelse af intern variabilitet i den periode i modellerne, som de antyder er relativt lille og sammenlignelig med naturlige forcings.

Som professor Gabi Hegerl fra University of Edinburgh siger til Carbon Brief: “IPCC-rapporten har et skøn, der grundlæggende siger, at det bedste gæt er, at der ikke er noget bidrag med ikke så stor usikkerhed.”

Landområder opvarmes hurtigere

Landtemperaturerne er blevet opvarmet betydeligt hurtigere end de gennemsnitlige globale temperaturer i det seneste århundrede, med temperaturer på omkring 1,7C over det førindustrielle niveau i de seneste år. Optegnelserne over landtemperaturer går også længere tilbage i tiden end de globale temperaturoptegnelser, selv om perioden før 1850 er behæftet med langt større usikkerhed.

Både menneskelige og naturlige strålingsforceringer kan matches med landtemperaturer ved hjælp af den statistiske model. Størrelsen af menneskelig og naturlig forcering vil variere en smule mellem landtemperaturer og globale temperaturer. For eksempel ser vulkanske udbrud ud til at have en større indflydelse på landjorden, da landtemperaturerne sandsynligvis reagerer hurtigere på hurtige ændringer i forcings.

Figuren nedenfor viser det relative bidrag fra hver enkelt af de forskellige strålingsforceringer til landtemperaturerne siden 1750.

Landmiddeloverfladetemperaturer fra Berkeley Earth (sorte prikker) og den modellerede indflydelse af forskellige strålingsforceringer (farvede linjer) samt kombinationen af alle forceringer (grå linje) for perioden fra 1750 til 2017. Diagrammet er udarbejdet af Carbon Brief ved hjælp af Highcharts.

Kombinationen af alle forcings stemmer generelt ret godt overens med de observerede temperaturer, med kortvarige variationer omkring den grå linje primært drevet af El Niño- og La Niña-hændelser. Der er en større variation i temperaturerne før 1850, hvilket afspejler de meget større usikkerheder i observationsoptegnelserne så langt tilbage.

Der er stadig en periode omkring 1930 og 1940, hvor observationerne overstiger det, som modellen forudsiger, selv om forskellene er mindre udtalte end i de globale temperaturer, og afvigelsen fra 1900-1920 er for det meste fraværende i landoptegnelserne.

Vulkanske udbrud i slutningen af 1700-tallet og begyndelsen af 1800-tallet skiller sig skarpt ud i landoptegnelserne. Udbruddet af Mount Tambora i Indonesien i 1815 kan have afkølet landtemperaturerne med hele 1,5 °C, selv om optegnelserne på det tidspunkt var begrænset til dele af den nordlige halvkugle, og det derfor er svært at drage en sikker konklusion om globale virkninger. Generelt ser vulkaner ud til at afkøle landtemperaturerne næsten dobbelt så meget som de globale temperaturer.

Hvad kan der ske i fremtiden?

Carbon Brief brugte den samme model til at fremskrive fremtidige temperaturændringer i forbindelse med hver enkelt drivkraftsfaktor. Figuren nedenfor viser observationer frem til 2017 sammen med fremtidige strålingsforcingsfaktorer efter 2017 fra RCP6.0, et middelhøjt til højt fremtidigt opvarmningsscenarie.

Globale gennemsnitlige overfladetemperaturer fra Berkeley Earth (sorte prikker) og modelleret indflydelse af forskellige strålingsforceringer (farvede linjer) for perioden fra 1850 til 2100. Forcings efter 2017 taget fra RCP6.0. Diagrammet er udarbejdet af Carbon Brief ved hjælp af Highcharts.

Når den simple statistiske model forsynes med de strålingsfremmende forcings for RCP6.0-scenariet, viser den en opvarmning på omkring 3C inden 2100, hvilket er næsten identisk med den gennemsnitlige opvarmning, som klimamodellerne finder.

Den fremtidige strålingsfremmende forcing fra CO2 forventes fortsat at stige, hvis emissionerne stiger. Aerosoler forventes på den anden side at toppe på det nuværende niveau og falde betydeligt inden 2100, hvilket i høj grad skyldes bekymring for luftkvaliteten. Denne reduktion af aerosoler vil øge den samlede opvarmning og bringe den samlede opvarmning fra alle strålingsforcerende faktorer tættere på opvarmningen fra drivhusgasser alene. RCP-scenarierne antager ingen specifikke fremtidige vulkanudbrud, da tidspunktet for disse er ukendt, mens solproduktionen fortsætter sin 11-årige cyklus.

Denne fremgangsmåde kan også anvendes på landtemperaturer, som det fremgår af nedenstående figur. Her er landtemperaturer vist mellem 1750 og 2100, med forcinger efter 2017 også fra RCP6.0.

Landmiddeloverfladetemperaturer fra Berkeley Earth (sorte prikker) og modelleret indflydelse af forskellige strålingsforcinger (farvede linjer) for perioden fra 1750 til 2100. Forcingsvirkninger efter 2017 er taget fra RCP6.0. Diagrammet er udarbejdet af Carbon Brief ved hjælp af Highcharts.

Landet forventes at blive opvarmet ca. 30 % hurtigere end kloden som helhed, da opvarmningshastigheden over havene dæmpes af havets varmeoptagelse. Dette ses i modelresultaterne, hvor landet opvarmes med ca. 4C inden 2100 sammenlignet med 3C globalt i RCP6.0-scenariet.

Der er et bredt spektrum af fremtidig opvarmning, der er mulig i forskellige RCP-scenarier og forskellige værdier for klimasystemets følsomhed, men alle viser et lignende mønster med faldende fremtidige aerosolemissioner og en større rolle for drivhusgasforcering i de fremtidige temperaturer.

Den naturlige variabilitets rolle

Mens naturlige forcings fra sol og vulkaner ikke synes at spille nogen stor rolle i den langsigtede opvarmning, er der også naturlig variabilitet forbundet med havets cyklusser og variationer i havets varmeoptagelse.

Da langt størstedelen af den energi, der er fanget af drivhusgasser, absorberes af havene snarere end af atmosfæren, kan ændringer i hastigheden af havets varmeoptagelse potentielt have stor indvirkning på overfladetemperaturen. Nogle forskere har hævdet, at multidekadiske cyklusser, som f.eks. den atlantiske multidekadiske svingning (AMO) og den stillehavsdecadiske svingning (PDO), kan spille en rolle i opvarmningen på dekadisk skala.

Selv om menneskelige faktorer forklarer hele den langsigtede opvarmning, er der nogle specifikke perioder, som synes at have varmet eller afkølet hurtigere, end det kan forklares ud fra vores bedste skøn over strålingsforcerende påvirkning. F.eks. kan den beskedne uoverensstemmelse mellem det skøn, der er baseret på radiativ drivkraft, og observationerne i midten af 1900-tallet være tegn på, at den naturlige variabilitet spillede en rolle i den periode.

En række forskere har undersøgt potentialet for, at den naturlige variabilitet kan påvirke de langsigtede opvarmningstendenser. De har fundet, at den generelt spiller en begrænset rolle. For eksempel fandt Dr. Markus Huber og Dr. Reto Knutti fra Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC) i Zürich et maksimalt muligt bidrag fra naturlig variabilitet på omkring 26 % (+/- 12 %) i de seneste 100 år og 18 % (+/- 9 %) i de seneste 50 år.

Knutti siger til Carbon Brief:

“Vi kan aldrig helt udelukke, at naturlig variabilitet er større, end vi i øjeblikket tror. Men det er et svagt argument: Man kan naturligvis aldrig udelukke det ukendte ukendte ukendte. Spørgsmålet er, om der er stærke eller overhovedet nogen beviser for det. Og svaret er efter min mening nej.

Modellerne får den kortsigtede temperaturvariabilitet tilnærmelsesvis korrekt. I mange tilfælde har de endda for meget. Og for det lange sigt kan vi ikke være sikre, fordi observationerne er begrænsede. Men den tvungne respons forklarer stort set observationerne, så der er ingen beviser fra det 20. århundrede for, at vi mangler noget…

Selv hvis modellerne viste sig at undervurdere den interne variabilitet med en faktor tre, er det yderst usandsynligt, at den interne variabilitet kunne skabe en så stor tendens som den observerede.”

På samme måde analyserede Dr. Martin Stolpe og kolleger, også fra IAC, for nylig den rolle, som den naturlige multidecadiske variabilitet spiller i både Atlanterhavet og Stillehavet. De fandt, at “mindre end 10 % af den observerede globale opvarmning i anden halvdel af det 20. århundrede skyldes intern variabilitet i disse to havbassiner, hvilket styrker, at størstedelen af den observerede opvarmning tilskrives antropogene drivkræfter”.

Intern variabilitet spiller sandsynligvis en langt større rolle for regionale temperaturer. F.eks. ved at producere usædvanligt varme perioder i Arktis og USA i 1930’erne. Dens rolle i forbindelse med påvirkning af langsigtede ændringer i de globale overfladetemperaturer synes imidlertid at være begrænset.

Slutning

Selv om der er naturlige faktorer, der påvirker Jordens klima, ville den kombinerede indflydelse fra vulkaner og ændringer i solaktiviteten have resulteret i afkøling snarere end opvarmning i de seneste 50 år.

Den globale opvarmning, som vi har været vidne til i de seneste 150 år, svarer næsten perfekt til, hvad der forventes af drivhusgasemissioner og andre menneskelige aktiviteter, både i den simple model, der er undersøgt her, og i mere komplekse klimamodeller. Det bedste skøn over det menneskelige bidrag til den moderne opvarmning er omkring 100 %.

Der er fortsat en vis usikkerhed på grund af den naturlige variabilitets rolle, men forskerne foreslår, at havudsving og lignende faktorer sandsynligvis ikke er årsag til mere end en lille brøkdel af den moderne globale opvarmning.

Metodologi

Den simple statistiske model, der anvendes i denne artikel, er tilpasset fra Global Warming Index offentliggjort af Haustein et al (2017). Den er igen baseret på Otto et al’s (2015) model.

Modellen estimerer bidrag til observerede klimaændringer og fjerner virkningen af naturlige år-til-år-fluktuationer ved hjælp af en multipel lineær regression af observerede temperaturer og estimerede reaktioner på de samlede menneskeskabte og samlede naturlige drivkræfter for klimaændringer. Forceringsresponserne leveres af den simple standardklimamodel, der er angivet i kapitel 8 i IPCC (2013), men størrelsen af disse responser estimeres ved hjælp af tilpasningen til observationerne. Forcingsfaktorerne er baseret på IPCC’s (2013)-værdier og er blevet opdateret til 2017 ved hjælp af data fra NOAA og ECLIPSE. 200 variationer af disse forcings blev leveret af Dr. Piers Forster fra University of Leeds, som afspejler usikkerheden i forceringsestimaterne. Der findes også et Excel-regneark med deres model.

Modellen blev tilpasset ved at beregne forceringsreaktioner for hver af de forskellige store klimaforceringer i stedet for blot at beregne de samlede menneskelige og naturlige forceringer ved hjælp af Berkeley Earth-rekordet for observationer. Den termiske responstid, der anvendes ved omregning af forcingsresponser til forceringsresponser, blev justeret til at være et år i stedet for fire år for vulkanske forcingserhverv for bedre at afspejle den hurtige responstid, der findes i observationerne. Effekterne af El Niño og La Niña (ENSO) begivenheder blev fjernet fra observationerne ved hjælp af en tilgang tilpasset fra Foster og Rahmstorf (2011) og Kaplan El Niño 3.4 indekset ved beregning af den vulkanske temperaturrespons, da overlapningen mellem vulkaner og ENSO ellers komplicerer de empiriske estimater.

Temperaturresponset for hver enkelt forcering blev beregnet ved at skalere deres forceringsresponser med de samlede menneskelige eller naturlige koefficienter fra regressionsmodellen. Regressionsmodellen blev også kørt separat for landtemperaturer. Temperaturresponserne for hver forcering mellem 2018 og 2100 blev estimeret ved hjælp af forceringsdata fra RCP6.0, normaliseret til at matche størrelsen af de observerede forceringer ved udgangen af 2017.

Usikkerhederne i den samlede menneskelige og samlede naturlige temperaturrespons blev estimeret ved hjælp af en Monte Carlo-analyse af 200 forskellige forceringsserier, samt usikkerhederne i de estimerede regressionskoefficienter. Python-koden, der blev brugt til at køre modellen, er arkiveret på GitHub og kan downloades.

Observationsdata fra 2017, der er vist i figurerne, er baseret på gennemsnittet af de første 10 måneder af året og vil sandsynligvis være ret ens med den endelige årlige værdi.