Analys: Carbon Brief

Omfattningen av människans bidrag till den moderna globala uppvärmningen är ett hett debatterat ämne i politiska kretsar, särskilt i USA.

Under en utfrågning i kongressen nyligen påpekade Rick Perry, USA:s energiminister, att ”att stå upp och säga att 100 procent av den globala uppvärmningen beror på mänsklig aktivitet, tror jag är oförsvarbart”.

Däremot är vetenskapen om människans bidrag till den moderna uppvärmningen ganska tydlig. Människans utsläpp och verksamhet har orsakat omkring 100 % av den uppvärmning som observerats sedan 1950, enligt den femte utvärderingsrapporten från IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).

Här undersöker Carbon Brief hur var och en av de viktigaste faktorerna som påverkar jordens klimat skulle påverka temperaturen isolerat – och hur deras kombinerade effekter nästan perfekt förutspår långsiktiga förändringar i den globala temperaturen.

Carbon Briefs analys visar att:

• Sedan 1850 kan nästan all långsiktig uppvärmning förklaras av utsläpp av växthusgaser och andra mänskliga aktiviteter.
• Om enbart utsläppen av växthusgaser värmde planeten skulle vi förvänta oss att se ungefär en tredjedel mer uppvärmning än vad som faktiskt har skett. De uppvägs av avkylning från mänskligt producerade atmosfäriska aerosoler.
• Aerosoler beräknas minska betydligt fram till 2100, vilket gör att den totala uppvärmningen från alla faktorer närmar sig uppvärmningen från enbart växthusgaser.
• Naturliga variationer i jordens klimat är osannolikt att de kommer att spela en viktig roll för den långsiktiga uppvärmningen.

Animering av Rosamund Pearce för Carbon Brief. Bilder via Alamy Stock Photo.

Hur stor del av uppvärmningen orsakas av människan?

I sin femte utvärderingsrapport från 2013 konstaterade IPCC i sin sammanfattning för beslutsfattare att det är ”ytterst sannolikt att mer än hälften av den observerade ökningen av den globala genomsnittliga yttemperaturen” från 1951 till 2010 orsakades av mänsklig aktivitet. Med ”extremt sannolikt” menade man att det fanns en sannolikhet på mellan 95 och 100 procent att mer än hälften av den moderna uppvärmningen berodde på människan.

Detta något invecklade uttalande har ofta misstolkats som att det innebär att människans ansvar för den moderna uppvärmningen ligger någonstans mellan 50 och 100 procent. I själva verket, som NASA:s dr Gavin Schmidt har påpekat, var IPCC:s underförstådda bästa gissning att människan var ansvarig för cirka 110 procent av den observerade uppvärmningen (med en variation från 72 till 146 procent), med naturliga faktorer i isolering som ledde till en liten avkylning under de senaste 50 åren.

Samma sak gäller för USA:s fjärde nationella klimatbedömning, som nyligen genomfördes, där man konstaterade att mellan 93 och 123 procent av den observerade uppvärmningen 1951-2010 berodde på mänsklig verksamhet.

Dessa slutsatser har lett till viss förvirring om hur mer än 100 procent av den observerade uppvärmningen skulle kunna tillskrivas mänsklig verksamhet. Ett mänskligt bidrag på mer än 100 % är möjligt eftersom naturliga klimatförändringar i samband med vulkaner och solaktivitet sannolikt skulle ha resulterat i en liten avkylning under de senaste 50 åren, vilket skulle ha uppvägt en del av den uppvärmning som är kopplad till mänsklig verksamhet.

”Forcings” som förändrar klimatet

Vetenskapsmännen mäter de olika faktorer som påverkar den mängd energi som når och stannar kvar i jordens klimat. De kallas ”strålningsdrivande faktorer”.

Dessa drivkrafter omfattar växthusgaser, som fångar upp utgående värme, aerosoler – både från mänsklig verksamhet och vulkanutbrott – som reflekterar inkommande solljus och påverkar molnbildningen, förändringar i solens produktion, förändringar i jordytans reflektionsförmåga i samband med markanvändning, och många andra faktorer.

För att bedöma vilken roll de olika drivkrafterna spelar för de observerade temperaturförändringarna har Carbon Brief anpassat en enkel statistisk klimatmodell som utvecklats av Dr Karsten Haustein och hans kollegor vid University of Oxford och University of Leeds. Denna modell hittar det förhållande mellan både mänskliga och naturliga klimatpåverkande faktorer och temperaturen som bäst stämmer överens med de observerade temperaturerna, både globalt och enbart över landområden.

Figuren nedan visar den uppskattade betydelsen av varje olika klimatpåverkande faktor för förändringen av den globala yttemperaturen sedan mätningarna inleddes 1850 – inklusive växthusgaser (röd linje), aerosoler (mörkblått), markanvändning (ljusblått), ozon (rosa), solenergi (gult) och vulkaner (orange).

De svarta prickarna visar observerade temperaturer från Berkeley Earths yttemperaturprojekt, medan den grå linjen visar den uppskattade uppvärmningen från kombinationen av alla olika typer av forcings

Globala medeltemperaturer på ytan från Berkeley Earth (svarta prickar) och modellerad påverkan av olika strålningsdrivande forcings (färgade linjer), samt kombinationen av alla forcings (grå linje) för perioden från 1850 till 2017. Se metoder i slutet av artikeln för mer information. Diagram av Carbon Brief med hjälp av Highcharts.

Kombinationen av alla strålningsdrivande faktorer stämmer generellt sett ganska väl överens med de långsiktiga förändringarna i de observerade temperaturerna. Det finns en viss variation från år till år, främst på grund av El Niño-händelser, som inte drivs av förändringar i forcings. Det finns också perioder från 1900-1920 och 1930-1950 där vissa större avvikelser är uppenbara mellan beräknad och observerad uppvärmning, både i denna enkla modell och i mer komplexa klimatmodeller.

Diagrammet belyser att av alla analyserade strålningsdrivkrafter är det endast ökningar av utsläppen av växthusgaser som ger upphov till den uppvärmning som skett under de senaste 150 åren.

Om enbart utsläppen av växthusgaser värmde planeten skulle vi förvänta oss att se ungefär en tredjedel mer uppvärmning än vad som faktiskt har inträffat.

Så, vilka roller spelar alla de andra faktorerna?

Den extra uppvärmningen från växthusgaser kompenseras av svaveldioxid och andra produkter från förbränning av fossila bränslen som bildar atmosfäriska aerosoler. Aerosoler i atmosfären både reflekterar inkommande solstrålning tillbaka till rymden och ökar bildandet av höga, reflekterande moln, vilket kyler jorden.

Ozon är en kortlivad växthusgas som fångar upp utgående värme och värmer jorden. Ozon släpps inte ut direkt utan bildas när metan, kolmonoxid, kväveoxider och flyktiga organiska föreningar bryts ner i atmosfären. Ökningen av ozon är direkt hänförlig till människans utsläpp av dessa gaser.

I den övre atmosfären har minskningar av ozon i samband med klorfluorkarboner (CFC) och andra halogenkarboner som bryter ned ozonskiktet haft en blygsam nedkylningseffekt. Nettoeffekterna av kombinerade ozonförändringar i den nedre och övre atmosfären har gjort att jorden har värmts upp med några tiondels grader.

Förändringar i hur marken används förändrar jordytans reflektionsförmåga. Om man till exempel ersätter en skog med en åker ökar i allmänhet mängden solljus som reflekteras tillbaka till rymden, särskilt i snörika områden. Nettoklimateffekten av förändringar i markanvändningen sedan 1850 är en blygsam avkylning.

Vulkaner har en kortsiktig avkylningseffekt på klimatet på grund av att de sprutar in sulfataerosoler högt upp i stratosfären, där de kan ligga kvar i luften i några år och reflektera inkommande solljus tillbaka till rymden. Men när sulfaterna väl driver tillbaka ner till ytan försvinner vulkanernas kylande effekt. Den orangea linjen visar vulkanernas uppskattade inverkan på klimatet, med stora nedåtgående temperaturspikar på upp till 0,4 C i samband med större utbrott.

För det sista mäts solaktiviteten av satelliter under de senaste decennierna och uppskattas utifrån antalet solfläckar i ett mer avlägset förflutet. Mängden energi som når jorden från solen fluktuerar blygsamt i en cykel på cirka 11 år. Det har skett en liten ökning av den totala solaktiviteten sedan 1850-talet, men mängden ytterligare solenergi som når jorden är liten jämfört med andra strålningsdrivande faktorer som undersökts.

Under de senaste 50 åren har solenergin som når jorden faktiskt minskat något, samtidigt som temperaturen har ökat dramatiskt.

Mänskliga drivkrafter stämmer överens med den observerade uppvärmningen

Noggrannheten hos den här modellen beror på noggrannheten hos uppskattningarna av de strålningsdrivande faktorerna. Vissa typer av strålningsdrivning, som den från koldioxidkoncentrationer i atmosfären, kan mätas direkt och har relativt små osäkerheter. Andra, t.ex. aerosoler, är föremål för mycket större osäkerheter på grund av svårigheten att exakt mäta deras effekter på molnbildning.

Dessa beaktas i figuren nedan, som visar kombinerade naturliga forcings (blå linje) och mänskliga forcings (röd linje) och de osäkerheter som den statistiska modellen förknippar med var och en av dem. Dessa skuggade områden är baserade på 200 olika uppskattningar av strålningsdrivkrafter, där forskning som försöker uppskatta ett intervall av värden för var och en av dem ingår. Osäkerheterna i de mänskliga faktorerna ökar efter 1960, till stor del på grund av ökade aerosolutsläpp efter den tidpunkten.

Globala medeltemperaturer på ytan från Berkeley Earth (svarta punkter) och modellerad påverkan av alla kombinerade naturliga (blå linje) och mänskliga (röd linje) strålningsdrivkrafter med deras respektive osäkerheter (skuggade områden) för perioden från 1850 till 2017. Kombinationen av alla naturliga och mänskliga forcings (grå linje) visas också. Se metoderna i slutet av artikeln för mer information. Diagram av Carbon Brief med hjälp av Highcharts.

Överlag stämmer uppvärmningen i samband med alla mänskliga drivkrafter ganska väl överens med den observerade uppvärmningen, vilket visar att cirka 104 % av den totala uppvärmningen sedan den ”moderna” periodens början 1950 kommer från mänsklig verksamhet (och 103 % sedan 1850), vilket liknar det värde som rapporteras av IPCC. De kombinerade naturliga drivkrafterna visar på en blygsam avkylning, främst på grund av vulkanutbrott.

Den enkla statistiska modell som Carbon Brief använde för denna analys skiljer sig från de mycket mer komplexa klimatmodeller som forskarna i allmänhet använder för att bedöma människans fingeravtryck på uppvärmningen. Klimatmodellerna ”passar” inte bara in på de observerade temperaturerna. Klimatmodellerna omfattar också variationer i temperaturen över tid och rum, och kan ta hänsyn till olika effektivitet hos strålningsdrivande faktorer i olika delar av jorden.

När man analyserar effekten av olika drivkrafter på den globala temperaturen får komplexa klimatmodeller i allmänhet resultat som liknar de enkla statistiska modellerna. Figuren nedan, från IPCC:s femte utvärderingsrapport, visar hur olika faktorer påverkar temperaturen under perioden 1950-2010. Observerade temperaturer visas i svart, medan summan av mänskliga faktorer visas i orange.

Detta tyder på att enbart mänskliga drivkrafter skulle ha resulterat i ungefär 110 % av den observerade uppvärmningen. IPCC inkluderade också den uppskattade storleken på den interna variabiliteten under den perioden i modellerna, som de menar är relativt liten och jämförbar med den för naturliga drivkrafter.

Som professor Gabi Hegerl vid University of Edinburgh säger till Carbon Brief: ”I IPCC-rapporten finns en uppskattning som i princip säger att den bästa gissningen är att det inte finns något bidrag med inte så stor osäkerhet.”

Landområden värms upp snabbare

Temperaturen på landområden har värmts upp betydligt snabbare än den globala medeltemperaturen under det senaste århundradet, med temperaturer som nått upp till cirka 1,7 °C över förindustriella nivåer under de senaste åren. Uppgifterna om landtemperaturer sträcker sig också längre tillbaka i tiden än de globala temperaturuppgifterna, även om perioden före 1850 är behäftad med mycket större osäkerheter.

Med hjälp av den statistiska modellen kan både mänskliga och naturliga strålningsdrivkrafter matchas mot landtemperaturer. Storleken på mänskliga och naturliga forcings kommer att skilja sig en del mellan landtemperaturer och globala temperaturer. Till exempel verkar vulkanutbrott ha ett större inflytande på land, eftersom temperaturen på land sannolikt reagerar snabbare på snabba förändringar i forcings.

Figuren nedan visar det relativa bidraget från varje olika radiativa forcings till landtemperaturer sedan 1750.

Landmedeltemperaturer på landytan från Berkeley Earth (svarta prickar) och modellerat inflytande från olika radiativa forcings (färgade linjer), samt kombinationen av alla forcings (grå linje) för perioden från 1750 till 2017. Diagram av Carbon Brief med hjälp av Highcharts.

Kombinationen av alla forcings matchar generellt sett de observerade temperaturerna ganska bra, med kortsiktiga variationer runt den grå linjen som främst drivs av El Niño- och La Niña-händelser. Det finns en större variation i temperaturerna före 1850, vilket återspeglar de mycket större osäkerheterna i observationerna så långt bakåt i tiden.

Det finns fortfarande en period runt 1930 och 1940 där observationerna överskrider vad modellen förutspår, även om skillnaderna är mindre uttalade än i de globala temperaturerna och avvikelsen mellan 1900 och 1920 är mestadels frånvarande i landregistren.

Vulkanutbrott i slutet av 1700-talet och i början av 1800-talet utmärker sig skarpt i landregistren. Utbrottet av Mount Tambora i Indonesien 1815 kan ha sänkt landtemperaturerna med hela 1,5 °C, även om uppgifterna vid den tiden var begränsade till delar av norra halvklotet och det därför är svårt att dra en bestämd slutsats om globala effekter. Generellt sett verkar vulkaner kyla landtemperaturerna nästan dubbelt så mycket som de globala temperaturerna.

Vad kan hända i framtiden?

Carbon Brief använde samma modell för att beräkna framtida temperaturförändringar i samband med varje drivkraftsfaktor. Figuren nedan visar observationer fram till 2017, tillsammans med framtida strålningsforcingsfaktorer efter 2017 från RCP6.0, ett scenario med medelhög till hög framtida uppvärmning.

Globala medeltemperaturer från Berkeley Earth (svarta punkter) och modellerad påverkan av olika strålningsdrivande faktorer (färgade linjer) för perioden 1850-2100. Forcings efter 2017 hämtade från RCP6.0. Diagram av Carbon Brief med hjälp av Highcharts.

När den enkla statistiska modellen förses med strålningsdrivande faktorer för RCP6.0-scenariot visar den en uppvärmning på cirka 3 °C fram till 2100, vilket är nästan identiskt med den genomsnittliga uppvärmning som klimatmodellerna finner.

Framtida strålningsdrivning från koldioxid förväntas fortsätta att öka om utsläppen ökar. Aerosoler, å andra sidan, beräknas nå en topp på dagens nivåer och minska betydligt fram till 2100, vilket till stor del beror på oro för luftkvaliteten. Denna minskning av aerosoler kommer att öka den totala uppvärmningen och föra den totala uppvärmningen från all strålningsdrivning närmare uppvärmningen från enbart växthusgaser. I RCP-scenarierna antas inga specifika framtida vulkanutbrott, eftersom tidpunkten för dessa är okänd, medan solproduktionen fortsätter sin 11-åriga cykel.

Detta tillvägagångssätt kan också tillämpas på landtemperaturer, vilket visas i figuren nedan. Här visas landtemperaturer mellan 1750 och 2100, med forcings efter 2017 även från RCP6.0.

Medelytetemperaturer på landytan från Berkeley Earth (svarta prickar) och modellerad påverkan av olika strålningsforcings (färgade linjer) för perioden 1750 till 2100. Forcings efter 2017 hämtade från RCP6.0. Diagram av Carbon Brief med hjälp av Highcharts.

Landet förväntas värmas upp cirka 30 % snabbare än jorden som helhet, eftersom uppvärmningstakten över haven buffras av havets värmeupptag. Detta syns i modellresultaten, där landet värms upp med cirka 4C fram till 2100 jämfört med 3C globalt i RCP6.0-scenariot.

Det finns ett brett spektrum av framtida uppvärmning som är möjlig med olika RCP-scenarier och olika värden för klimatsystemets känslighet, men alla visar på ett liknande mönster med minskande framtida aerosolutsläpp och en större roll för drivning av växthusgaser för de framtida temperaturerna.

Den naturliga variabilitetens roll

Men medan naturliga drivkrafter från solenergi och vulkaner inte verkar spela någon större roll för den långsiktiga uppvärmningen, finns det också en naturlig variabilitet som är förknippad med havets cykler och variationer i havets värmeupptag.

Då den övervägande majoriteten av den energi som fångas upp av växthusgaser absorberas av haven snarare än av atmosfären kan förändringar av hastigheten för havets värmeupptag potentiellt ha stor inverkan på yttemperaturen. Vissa forskare har hävdat att cykler som sträcker sig över flera decennier, t.ex. den atlantiska multidecadiska oscillationen (AMO) och den decadiska stillahavsoscillationen (PDO), kan spela en roll för uppvärmningen på decennieskala.

Men även om mänskliga faktorer förklarar all långsiktig uppvärmning finns det vissa specifika perioder som tycks ha värmts upp eller svalnat snabbare än vad som kan förklaras med hjälp av våra bästa uppskattningar av strålningspåverkan. Till exempel kan det blygsamma missförhållandet mellan den uppskattning som bygger på strålningsdrivning och observationerna under mitten av 1800-talet vara ett bevis för att den naturliga variabiliteten spelade en roll under den perioden.

En rad forskare har undersökt potentialen för den naturliga variabiliteten att påverka de långsiktiga uppvärmningstrenderna. De har funnit att den i allmänhet spelar en begränsad roll. Dr Markus Huber och Dr Reto Knutti vid Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC) i Zürich fann till exempel ett maximalt möjligt bidrag från den naturliga variabiliteten på cirka 26 % (+/- 12 %) under de senaste 100 åren och 18 % (+/- 9 %) under de senaste 50 åren.

Knutti säger till Carbon Brief:

”Vi kan aldrig helt utesluta att den naturliga variabiliteten är större än vad vi för närvarande tror. Men det är ett svagt argument: man kan naturligtvis aldrig utesluta det okända okända okända. Frågan är om det finns starka, eller ens några bevis för det. Och svaret är nej, enligt min mening.

Modellerna får den kortsiktiga temperaturvariabiliteten ungefär rätt. I många fall har de till och med för mycket. Och på lång sikt kan vi inte vara säkra eftersom observationerna är begränsade. Men den påtvingade responsen förklarar i stort sett observationerna, så det finns inga bevis från 1900-talet för att vi missar något…

Även om modellerna skulle visa sig underskatta den interna variabiliteten med en faktor tre är det ytterst osannolikt att den interna variabiliteten skulle kunna ge upphov till en trend som är så stor som den observerade.”

På liknande sätt analyserade Martin Stolpe och hans kollegor, även de vid IAC, nyligen den roll som den naturliga variabiliteten över flera decennier spelar i både Atlanten och Stilla havet. De fann att ”mindre än 10 procent av den observerade globala uppvärmningen under andra hälften av 1900-talet orsakas av intern variabilitet i dessa två havsbassänger, vilket stärker tillskrivningen av större delen av den observerade uppvärmningen till antropogena drivkrafter”.

Intern variabilitet spelar sannolikt en mycket större roll för regionala temperaturer. Till exempel när det gäller att producera ovanligt varma perioder i Arktis och USA på 1930-talet. Dess roll när det gäller att påverka långsiktiga förändringar i de globala yttemperaturerna tycks dock vara begränsad.

Slutsats

Samtidigt som det finns naturliga faktorer som påverkar jordens klimat skulle det kombinerade inflytandet från vulkaner och förändringar i solaktiviteten ha resulterat i en avkylning snarare än en uppvärmning under de senaste 50 åren.

Den globala uppvärmningen som bevittnats under de senaste 150 åren stämmer nästan helt och hållet överens med vad man kan förvänta sig av utsläppen av växthusgaser och annan mänsklig aktivitet, både i den enkla modell som undersökts här och i mer komplexa klimatmodeller. Den bästa uppskattningen av människans bidrag till den moderna uppvärmningen är omkring 100 %.

En viss osäkerhet kvarstår på grund av den naturliga variabilitetens roll, men forskarna menar att det är osannolikt att havssvängningar och liknande faktorer är orsaken till mer än en liten del av den moderna globala uppvärmningen.

Metodik

Den enkla statistiska modell som används i den här artikeln är anpassad från det globala uppvärmningsindexet som publicerades av Haustein et al (2017). Den bygger i sin tur på modellen från Otto et al (2015).

Modellen uppskattar bidragen till den observerade klimatförändringen och tar bort effekten av naturliga fluktuationer från år till år genom en multipel linjär regression av observerade temperaturer och uppskattade reaktioner på totala mänskligt inducerade och totala naturliga drivkrafter för klimatförändringen. Svaren på drivkrafterna tillhandahålls av den enkla standardklimatmodell som anges i kapitel 8 i IPCC (2013), men storleken på dessa svar uppskattas genom anpassningen till observationerna. Forcingsfaktorerna baseras på IPCC:s (2013) värden och har uppdaterats till 2017 med hjälp av data från NOAA och ECLIPSE. 200 variationer av dessa forcings tillhandahölls av Dr. Piers Forster från University of Leeds, vilket återspeglar osäkerheten i forcingsuppskattningarna. Ett Excel-kalkylblad som innehåller deras modell tillhandahålls också.

Modellen anpassades genom att man beräknade drivkraftsreaktioner för var och en av de olika stora klimatdrivande faktorerna i stället för att helt enkelt summera mänskliga och naturliga drivkrafter, med hjälp av Berkeley Earth record för observationer. Avklingningstiden för den termiska responsen som används för att omvandla forcingsresponser till forcingsresponser justerades till att vara ett år i stället för fyra år för vulkaniska forcings för att bättre återspegla den snabba responstid som finns i observationerna. Effekterna av El Niño och La Niña (ENSO) avlägsnades från observationerna med hjälp av ett tillvägagångssätt som anpassats från Foster och Rahmstorf (2011) och Kaplan El Niño 3.4-indexet vid beräkning av den vulkaniska temperaturresponsen, eftersom överlappningen mellan vulkaner och ENSO annars försvårar de empiriska uppskattningarna.

Temperaturresponsen för varje enskild forcering beräknades genom att deras forceringssvar skalades med de totala mänskliga eller naturliga koefficienterna från regressionsmodellen. Regressionsmodellen kördes också separat för landtemperaturer. Temperaturresponsen för varje forcering mellan 2018 och 2100 uppskattades med hjälp av forceringsdata från RCP6.0, normaliserade för att matcha storleken på de observerade forceringarna i slutet av 2017.

Ovissäkerheterna i den totala mänskliga och totala naturliga temperaturresponsen uppskattades med hjälp av en Monte Carlo-analys av 200 olika forceringsserier, liksom osäkerheterna i de uppskattade regressionskoefficienterna. Pythonkoden som användes för att köra modellen är arkiverad hos GitHub och finns tillgänglig för nedladdning.

Observationsdata från 2017 som visas i figurerna är baserade på genomsnittet för de första 10 månaderna av året och kommer troligen att vara ganska lika det slutliga årsvärdet.