Fundamental oenighet i klimatvetenskapen

[Den här texten har redigerats i efterhand för att korrigera några mindre detaljer och för att fördjupa några frågeställningar kring Richard Lindzens trovärdighet som aktualiserats på senare tid. Det har dock inte haft någon betydelse för argumentationen. Jag kommenterar detta i ett inlägg här på Klimatforum 2020-07-11.]

När det talas om konsensus och 97% enighet bland klimatforskarna baseras det på tendentiösa och undermåliga ”studier”. Men oavsett hur många forskare som står på den ena eller andra sidan av debatten så råder det både osäkerhet och oenighet i fundamentala frågor om klimatet, som ingen kan påstå är besvarade.

I den här bloggposten går jag igenom vad som kan betraktas som etablerat och vad som är osäkert, kontroversiellt och olöst i den vetenskapliga debatten om klimathotet.

De allra flesta klimatforskare är överens om att

• koldioxid är en växthusgas, som åtminstone i någon mån bidrar till att värma jordens atmosfär,
• koldioxidhalten ökat i atmosfären de senaste 150 åren och att ökningen accelererar, till någon del beroende på förbränning av fossila bränslen
• jordens medeltemperatur har stigit de senaste 150 åren (oklart hur mycket), samt att
• denna temperaturökning till någon del beror på att koldioxidhalten ökat.

Men det är inte detsamma som att de är överens om att människans utsläpp av koldioxid är huvudorsak till den globala uppvärmningen sedan 1950, inte heller hur mycket temperaturen faktiskt ökat, att den kommer att fortsätta att öka eller att denna uppvärmning skulle vara eller riskera att bli ett problem.

Även om det finns andra hypoteser om hur man kan förklara att temperaturen på jorden är 33 grader varmare än den skulle vara utan atmosfär, till exempel baserat på lufttryck eller termodynamiska processer, så är det växthuseffekten som accepteras av de flesta och som i den meningen kan betraktas som etablerad vetenskap och grundläggande fysik.

Växthuseffekten

Växthuseffekten upptäcktes redan på 1800-talet (Fourier 1824) och kan lätt bevisas med enkla laboratorieförsök. Gaser som koldioxid och metan, men framför allt vattenånga, som står för 95% av växthuseffekten, saktar ner värme från jordytan på dess väg ut i rymden:

Växthuseffekten är en av de fysikaliska mekanismer som enligt den dominerande teorin gör livet möjligt på jorden, som annars skulle vara alltför kall.

Det är i princip alla klimatforskare och fysiker överens om, även om det har funnits och finns alternativa teorier. Man kan med visst fog kalla det ”grundläggande” eller i varje fall ”etablerad” fysik, även om det fortfarande finns rivaliserande hypoteser.

Men det räcker inte långt för att förklara den globala uppvärmningen, eftersom det kräver osäkra och kontroversiella antaganden som inte ens FN:s klimatpanel är eniga om.

Den grundläggande fysiken

Det är lätt att tro att även om koldioxid är bra till en viss gräns, så kan det bli för mycket av det goda. Ju mer koldioxid, desto varmare, tänker nog de flesta, och föreställer sig ett mer eller mindre linjärt förhållande mellan koldioxidhalt och temperatur – kanske till och med exponentiellt.

Det stämmer dock inte.

Till grundläggande fysik hör nämligen att den direkta växthuseffekten av koldioxid ökar LOGARITMISKT, på ett sätt som är motsatsen till exponentiellt, när ytterligare koldioxid tillförs:

Den röda linjen i grafen markerar de förindustriella värdena, den gröna linjen värdena i början av 2000-talet och den svarta linjen effekten av en fördubbling av de förindustriella värdena.

Den direkta växthuseffekten av ytterligare koldioxid AVTAR alltså efter hand som halten ökar, enligt mönstret att en fördubbling av halten alltid leder till 1,1 grads temperaturhöjning. Om en fördubbling från 100 ppm (”parts per miljon”, 100 miljondelar=0,01%) till 200 ppm orsakar 1,1 grads temperaturökning, så kräver nästa ökning med 1,1 grad att halten återigen fördubblas från 200 ppm till 400 ppm. Och nästa ökning med 1,1 grad kräver en ny fördubbling till 800 ppm, och därefter till 1600 ppm osv.

En annan graf visar hur mycket varje extra dos på 20 ppm koldioxid påverkar (även om dagens värde är föråldrat (408 ppm i januari 2018):

Det är alltså ett misstag att tro att bara för att halten av en växthusgas som koldioxid är låg, så kan den inte ha någon effekt på klimatet. Det är tvärtom när halten är riktigt låg som den direkta effekten är som starkast.

Vid högre halter närmar sig ökningstakten av växthuseffekten noll, även om den fortsätter att öka i oändlighet. Därför kan inte ens en extrem ökning av koldioxidhalten ge någon nämnvärd ökning av växthuseffekten. Det beror på att koldioxid, liksom övriga växthusgaser, bara absorberar infraröd strålning inom vissa våglängder:

Som framgår absorberar exempelvis metan inom ett fåtal smala våglängdsområden som dessutom delvis överlappar med vattenånga.

Lägg också märke till att det är vattenånga som har den absolut dominerande växthuseffekten (90-95%), eftersom det finns så stora mängder i atmosfären. Övriga växthusgaser absorberar jämförelsevis mycket smala delar av spektrum, särskilt ozon, kväveoxid och metan, och effekten är dessutom ganska liten. Framför allt absorberar dessa gaser delvis inom våglängdsområden där vattenånga redan absorberar infraröd strålning. Eftersom många är särskilt oroade för metan förtjänar det också att nämnas, att halterna aldrig kan bli särskilt höga i en atmosfär med 20% syre. Metan oxideras snabbt till koldioxid och vatten. Den enda växthusgasen, förutom vattenånga, som gör någon nämnvärd skillnad är koldioxid, och det är därför naturligt att fokusera på den.

Alla växthusgaser, inklusive vattenånga, har gemensamt att deras värmande effekt avtar logaritmiskt med ökande halt:

Om man dessutom tar hänsyn till de olika gasernas överlappande absorptionsspektra förändras bilden. Den potentiella effekten av exempelvis metan vid 600 ppm (idag 1,85 ppm) blir 1,5°C istället för 2,5°C:

Dessa värden handlar dock bara om den direkta växthuseffekten av koldioxid, som den kan mätas i laboratoriet.

Kontroversiella och osäkra hypoteser

Den direkta växthuseffekten från koldioxid, som skulle kunna räknas till ”grundläggande fysik”, räcker inte på långt när till för att förklara den officiella temperaturkurvan, trots att koldioxidhalten och temperaturen följs åt närmast identiskt i grafer som den här:

I atmosfären råder nämligen helt andra förhållanden än i laboratoriet, och effekten av växthusgaser är betydligt svårare att fastställa, eftersom en stor mängd olika faktorer påverkar varandra i ett komplext samspel.

Det betyder att klimathotet handlar om mycket mer än ”bara grundläggande fysik” och enkla välkända mekanismer. Om växthuseffekten var densamma i atmosfären som i laboratoriet skulle det inte finnas någon anledning till oro.

Hypotesen bakom klimathotet bygger på antagandet att även en liten temperaturökning, exempelvis orsakad av en ökning av koldioxidhalten i atmosfären, leder till andra effekter (positiv feedback) som förstärker uppvärmningen. Framför allt leder en temperaturökning, även en liten, till ökad avdunstning av vatten till atmosfären – och ökad luftfuktighet ger en växthuseffekt som är betydligt starkare än från koldioxid. Därmed är en ond cirkel igång, där ännu mer vattenånga frigörs till atmosfären, som ytterligare förstärker växthuseffekten, och med stigande temperaturer kommer fler förstärkande faktorer in i bilden.

Det är därför det talas om en ”tipping point”, en ”point of no return”, då klimatet antas börja skena okontrollerat. Om denna hypotes stämmer kan vi förvänta oss att temperaturen inte bara ökar, utan att ökningstakten accelererar allt snabbare.

Men växthuseffekten ger inte bara upphov till förstärkande mekanismer (positiv feedback), utan också dämpande (negativ feedback). Högre luftfuktighet bidrar exempelvis till ökad molnbildning – höga moln bidrar visserligen till uppvärmning av markytan, medan låga, vita moln har en avkylande effekt på dagen genom att skugga jorden, men en värmande effekt på natten. Molnbildning är dock fortfarande ett relativt outforskat område inom klimatvetenskapen, och det råder oenighet om huruvida den samlade effekten av moln är uppvärmande eller avkylande totalt sett. Men som jag visar i min bok så finns det ett starkt samband mellan mängden låga, vita moln och den globala medeltemperaturen.

I det här sammanhanget bidrar positiv feedback till uppvärmning, och negativ feedback till avkylning. Men egentligen handlar det om ”förstärkning” eller ”dämpning” av en initial effekt oavsett om den är värmande eller avkylande. Även en initial avkylning kan förstärkas av positiv feedback, som i det fallet alltså leder till ytterligare avkylning.

Positiv feedback är med andra ord destabiliserande, medan negativ feedback är stabiliserande. Om positiv feedback dominerar över negativ är klimatet instabilt (känsligt), och kan lätt urarta.

Det finns mängder av feedback-effekter, alla är säkert inte kända, och vi vet ännu inte i detalj hur de påverkar klimatet. Här är ett exempel på möjlig negativ feedback som kanske inte är så uppenbar men som kan tänkas ha en stabiliserande effekt på jordens temperatur:

Uppvärmning av haven bidrar till en ökning av sulfat-aerosoler i atmosfären, som i sin tur bidrar till molnbildning, som kyler jorden.

Växthuseffekten påverkar i själva verket en stor mängd faktorer, som i sin tur sekundärt bidrar till uppvärmning eller avkylning. Atmosfären är ett oerhört komplext och kaotiskt system av komplexa och kaotiska system som vi ännu vet alltför lite om för att kunna beskriva och förutsäga säkert. Genom att väga samman många olika observationer kan vi dock få indikationer om vart klimatet är på väg när koldioxidhalten i atmosfären ökar.

Det sammanfattande värdet på summan av effekterna från en ökad koldioxidhalt brukar kallas för ”klimatkänslighet”. Ett värde över 1 betyder att den direkta växthuseffektens uppvärmning förstärks, ett värde lägre än 1 att den försvagas, av sekundära effekter, dvs feedbacks.

Även FN:s klimatpanel erkänner att vi vet lite eller mycket lite om de olika faktorer som påverkar klimatet (från rapporten AR2007, 2.9.1 Uncertainties in Radiative Forcing):

Klimatkänsligheten, alltså hur mycket en fördubbling av koldioxidhalten orsakar inräknat feedback-effekter, beräknades ursprungligen av Svante Arrhenius till 6°C. 1995 trodde FN:s klimatpanel på 3,8°C, vilket 2001 reviderades ner till 3,5°C och 2007 till 3,26°C. 

I de datormodeller som används för att simulera, dvs teoretiskt ”experimentera med” jordens atmosfär räknar man med att den direkta effekten från koldioxid tredubblas av feedback-effekterna:

Vilken klimatkänslighet man räknar med har förstås en helt avgörande betydelse för klimatfrågan, men det är allt annat än självklart vad som är det rätta värdet. Dr William Gray, professor emeritus i atmosfärvetenskap vid Colorado State University menar till och med att den negativa feedbacken från moln minskar koldioxidens effekt med 0,8 grader C, till enbart 0,3 grader C per fördubbling. Då kan vi lugnt fortsätta elda med fossila bränslen.

Det finns också problem med hur man ska räkna. Formeln för att beräkna feedback är hämtad från elektronikvetenskapen (feedback=”rundgång”). Den framstående amerikanske fysikern William Happer har påtalat en rad felaktigheter i FN:s tillämpning av formeln, och menar att klimatkänsligheten är betydligt lägre än vad FN:s klimatpanel tror. Det finns en intervju med Happer längst ner på denna sida. Han betonar bland annat starkt koldioxidens positiva effekter för växtligheten.

Happers slutsats är att en fördubbling av koldioxidhalten i atmosfären leder till en temperaturökning på mellan 1,1*0,9 och 1,1*1,3 grader C, med ett centralt värde på 1,1*1,1, dvs 1,21 grader C. Inte heller då behöver vi oroa oss för att koldioxidutsläpp ska orsaka några problem.

Det finns skeptiker som menar att klimatkänsligheten snarare är så låg som 0,5, vilket innebär att summan av positiv och negativ feedback minskar den direkta effekten av en fördubbling av koldioxidhalten i atmosfären till +0,55 grader C:

Men oenigheten och osäkerheten handlar inte bara om några udda skeptiker. Det råder stor oenighet – och framför allt osäkerhet – bland etablerade och allmänt erkända forskare om vilken påverkan koldioxid faktiskt har på klimatet, dvs hur känsligt klimatet är för tillförsel av koldioxid. Bedömningarna skiljer sig och nästan ingen kommer till någon särskilt exakt slutsats:

Osäkerheten beror bland annat på bristande kunskap om molnbildning och effekten från aerosoler, men även feedback-effekter från växtligheten.

Det kan till och med vara så att den direkta effekten från koldioxid totalt sett försvagas av alla de olika sekundära effekterna sammantagna. I den här frågan, som rör hur känsligt klimatet är för förändringar av koldioxidhalten, råder det allt annat än konsensus bland klimatforskarna. 

Argument för hög klimatkänslighet?

Klimatkänslighet kan bestämmas med hjälp av spektrografiska experiment, men det är det få som sysslar med, och deras resultat används inte av FN:s klimatpanel.

Istället använder man klimatdata för exempelvis temperaturen eller feedbackeffekter, framför allt luftfuktighet. Resultaten varierar som sagt, och är allt annat än exakta, anses tala för en klimatkänslighet över 2, sannolikt minst 3. Men det finns några avgörande problem:

1. Är de temperaturdata man utgår ifrån tillförlitliga? Det finns goda skäl att tvivla på att vare sig den moderna termometer-serien eller de officiella kurvorna över temperaturen de senaste 1 000 åren, är tillförlitliga. Jag kommer att belysa varför i senare kapitel, men det handlar dels om att en stor del av den officiella temperaturkurvan för tiden sedan 1880 består av tveksamma ”administrativa justeringar” i efterhand, och att den bild av de senaste 1 000 årens temperaturer som FN:s klimatpanel ger sedan 2001 också kommit till på ett högst tvivelaktigt sätt, i strid mot en stor mängd andra data.
2. Inte heller de data som presenteras för koldioxidhalten är självklara vare sig i modern, historisk eller geologisk tid. Mätningarna på Mauna Loa är nog pålitliga, men det finns frågetecken kring hur de fogats samman med data från iskärnor. De senare skiljer sig dessutom från andra data, framför allt från fossilerade löv, där mängden så kallade stomata, öppningar för att släppa in koldioxid till växten, är ett pålitligt tecken på den samtida koldioxidhalten.
3. Luftfuktighet är inte så lätt att mäta, eftersom vattenånga inte blandar sig jämnt i atmosfären och snabbt blir till regn och kondens, och det finns motstridiga resultat.

Skeptiska argument

De forskare som är skeptiska till klimathotet förenas först och främst av att de inte anser att vi ännu har tillnärmelsevis tillräcklig kunskap om klimatsystemet, vilket inte minst visar sig i det faktum att vi inte kan förutsäga det. Att förstå ett system betyder att man kan förutsäga det. Det är så många faktorer som påverkar klimatet, och vi vet ännu inte ens exakt hur de viktigaste fungerar, samtidigt som det sannolikt finns faktorer som vi inte ens känner till. På den punkten är det svårt att inte ge skeptikerna rätt.

Klimatet är dessutom ett kaotiskt system, som antagligen är omöjligt att förstå och förutsäga, och alla förändringar har inte nödvändigtvis en bestämd, identifierbar orsak. Även om all input var konstant skulle klimatet förändras.

Men skeptikerna anser inte bara att vetenskapen bakom klimathotet är osäker, utan pekar också på tunga skäl till att den sannolikt är felaktig. Här är de viktigaste:

Observationer som talar emot en förstärkt växthuseffekt

Existensen av förstärkningseffekter kan också prövas experimentellt. Jag kommer att ta upp några viktiga sådana bevis, som det räcker med enkel logik och allmänbildning för att förstå:

1. Om effekten från växthusgaser förstärks av ökad avdunstning borde särskilt atmosfären över tropikerna bli varm av fuktig luft 10 km över jordytan. Det kan man mäta med hjälp av väderballonger och satelliter:

Till vänster i denna bild visas de mätresultat som hypotesen om en växthuseffekt förutsäger, och till höger vad som faktiskt har uppmätts av väderballongerna:

Trots att färgkodningen för temperaturskalan är betydligt ”snällare” (den röda färgkodningen börjar redan vid +0,4 grader C) i bilden till höger syns inte ett spår av någon ”hot-spot”.

2. Ökad avdunstning borde göra atmosfären fuktigare. Luftfuktigheten har mätts globalt sedan 1948:

Luftfuktighet står för 95% av växthuseffekten. Klimathotet bygger på hypotesen att den blygsamma uppvärmningen från koldioxid leder till mer avdunstning, och därmed en kraftigt förstärkt växthuseffekt. Men den specifika luftfuktigheten i troposfären har inte ökat sedan 1948, utom i viss utsträckning närmast markytan efter mitten av 1970-talet, vilket är en förväntad effekt av, och inte en orsak till, att det blivit varmare på jorden.

3. Om växthuseffekten tilltar, så att alltmer värme stannar kvar runt jorden, borde värmeutstrålningen till rymden minska.

Forskarna Lindzen och Choi undersökte saken under 23 års tid (1985-2008) med hjälp av satelliter:

De röda pilarna ovan illustrerar vad 11 av FN:s klimatmodeller förutspådde skulle ske – att den infraröda strålningen från jorden till rymden skulle minska i takt med att växthuseffekten tilltog och fångade värmen i atmosfären. Men den gröna pilen visar resultatet av mätningarna. I takt med att jorden blivit varmare har den infraröda utstrålningen till rymden ökat. Det talar för att klimatet inte är så känsligt för en ökning av koldioxidhalten i atmosfären som klimathotet förutsätter. Det tyder snarare på att uppvärmningen inte i någon större utsträckning beror på växthuseffekten, utan på att instrålningen av solenergi till jorden ökat av en eller flera anledningar, exempelvis på grund av ökad minskad molnighet. En varmare jord avger ju i sin tur mer infraröd strålning till rymden. Det misstänkte vid samma tid även Kevin E. Trenberth and John T. Fasullo i en artikel i Geophysical Research Letters.

Denna studie blev visserligen underkänd för publicering av välrenommerade Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) – dock efter en högst diskutabel peer review-process (se här och här) – och fick hård kritik, även från skeptiska forskare som Judith Curry och Roy Spencer, när den till sist publicerades av en mindre känd tidskrift. Lindzen&Choi svarade på kritiken 2011, och vidhöll sina slutsatser, samtidigt som kritikerna såg nya problem. Jag kan inte ta ställning till alla argument i denna diskussion, men såvida man inte helt vill underkänna forskarnas kompetens på endera sidan, så måste man konstatera att här verkar finnas en allvarlig vetenskaplig kontrovers med avgörande betydelse för klimatfrågan. Så det kan vara intressant att konsultera officiella data för OLR (Outgoing Longwave Radiation) också, till exempel från NOAA. Men de verkar inte heller tala för en förstärkt växthuseffekt, i alla fall inte 1974–2010: (Ole Humlum, Climate4you):

Richard Lindzens slutsatser hängde ihop med hans s.k. Iris-hypotes, och hans trovärdighet som atmosfärfysiker ifrågasätts ofta med hänvisning till att den blivit misskrediterad. Men det finns anledning att ifrågasätta om det är helt rättvist. Det gör i alla fall Judith Curry:

”When I first encountered the iris hypothesis, I bought into the hype that this had been ‘discredited’, without giving the whole thing much thought.  The idea seemed counter intuitive to me.

I did take a close look at the follow on paper by Lindzen and Choi (2010), which I reviewed at Climate Audit [link] – an interesting piece of blogospheric history.  While I found a number of methodological problems with the paper, none of these struck at the core of the iris hypothesis itself.”

Curry’s slutsats är att misskrediteringen av Lindzen snarare har att göra med att hans hypotes är kontroversiell och utmanar ”konsensus” genom att implicera att klimatkänsligheten är låg:

”So the ‘consensus enforcers’ found it necessary to ‘discredit’ the iris hypothesis, and by extension Lindzen himself, since the reduced sensitivity threatened the ‘consensus’.  You can see how this pernicious behavior discouraged scientists from investigating the iris hypothesis (I can only imagine how a grant proposal to investigate the iris hypothesis would have fared in peer review).”

I artikeln The return of the iris effect? (2015) på webbplatsen ClimateScience vittnar Andrew Dressler om precis just det:

“By 2006, when I submitted an analysis of tropospheric water vapor that investigated whether there was an iris in that, one of the reviewers pointedly questioned why anyone was still working on this issue. I subsequently withdrew the paper.  Nevertheless, just because Lindzen et al. did not convincingly demonstrate their case does not mean the iris hypothesis is wrong.“

2015 blåste dock Thorsten Mauritsen och Bjorn Stevens nytt liv i Lindzens Iris-hypotes i en artikeln Missing iris effect as a possible cause of muted hydrological change and high climate sensitivity in models i Nature Geoscience.

4. Om växthuseffekten tilltar borde den lägre stratosfären bli kallare

Som framgår av grafen nedan så blev den lägre stratosfären faktiskt kallare mellan 1980 och 1995 enligt satellitdata från RSS (Remote Sensing System), men därefter har temperaturen där varit oförändrad, trots att koldioxidhalten i atmosfären fortsatt att öka kraftigt (Temperature Lower Stratosphere, TLS 1979–2917):

5. Det verkar inte pågå några oroande klimatförändringar.

Jag har skrivit mycket om påståenden om smältande isar, extremt väder, havsvattenståndet, havsförsurning, utrotning av djurarter, global uppvärmning, tvivelaktiga temperaturdata och mycket annat här på Klimatforum. Den som vill få en samlad överblick kan köpa min bok Borde man oroa sig för klimathotet?

Den korta effekten av vulkanutbrott

Vulkanutbrott kan tyckas spy ut enorma mängder koldioxid, men det är försvinnande lite i jämförelse med andra källor, inklusive de antropogena, och de anses inte ha någon betydelse för klimatet. Det kan i och för sig verka lite motsägelsefullt, om man samtidigt menar att klimatet är instabilt och mycket känsligt för input.

Betydligt kraftfullare effekt har dock sotet och svavelföreningarna från vulkanutbrotten. De ha en erkänt avkylande effekt på temperaturen, oklart hur stor, men denna input i klimatsystemet verkar bara under en kort tid, maximalt några år, även de största som förekommit i historisk tid. Men det talar för en att klimatsystemet inte har hög känslighet, att den negativa feedbacken är tillräcklig för att snabbt stabilisera den avkylande effekten.