Het effect van emissiebeperkingen op klimaatverandering

Elke ton CO2 veroorzaakt dezelfde hoeveelheid opwarming, ongeacht wanneer of waar het wordt geëmitteerd.
De CO2 emissies nemen nu elk jaar ongeveer met 1.8-1.9% toe; als die stijging doorgaat, is een opwarming van het klimaat met meer dan 2 °C onafwendbaar, zelfs bij een lage klimaatgevoeligheid.
Voor elke temperatuurlimiet geldt dat hogere CO2 emissies in de komende decennia gecompenseerd dienen te worden door lagere emissies met dezelfde hoeveelheid CO2 in latere decennia.
Het terugdringen van de methaan- en roetuitstoot zal de mensheid geen extra tijd geven als niet tegelijkertijd de CO2 emissies worden aangepakt.

Het woord klimaatverandering is onlosmakelijk verbonden met het woord CO2. Eigenlijk is CO2 geen woord maar is het de chemische molecuulformule van de verbinding koolstofdioxide, een gas onder normale omstandigheden. Ik heb inmiddels het vermoeden (maar geen bewijs ) dat CO2 de meest bekende molecuulformule van de wereld is geworden. De concentratie van CO2 in de atmosfeer is door het menselijke stookgedrag fors aan het oplopen. Dat dit leidt tot een opwarming van de aarde is bijna net zo bekend bij veel mensen als de Rolling Stones dat waren in hun hoogtijdagen.

Naast CO2 spelen andere, door de mens geproduceerde, (afval)stoffen een rol bij de opwarming van onze aarde, zoals methaan of roet. Het verschil tussen CO2 en methaan of roet is dat CO2 een op menselijke tijdschaal zeer lange verblijftijd in de atmosfeer heeft van duizenden jaren; voor methaan en roet is dit hooguit enkele decennia. In het Engels worden deze twee typen stoffen die het klimaat beïnvloeden aangeduid met LLCPs (Long-Lived Climate Pollutants) en SLCPs (Short-Lived Climate Pollutants).

De algemene gedachte die je vaak tegenkomt, is: als we de opwarming van de aarde binnen bepaalde perken willen houden, zoals de 2 °C limiet, zullen we de uitstoot van de ‘klimaatvervuilers’ moeten verminderen. Hierbij wordt allereerst gedacht aan het verminderen van de CO2 emissies. Het laatste jaar leeft er bij sommigen het idee dat de klimaatgevoeligheid vast en zeker laag zal zijn en dat we het daarom op zijn minst rustiger aan kunnen doen met het terugdringen van de CO2 emissies. Deze zienswijze over de klimaatgevoeligheid is overigens gebaseerd op een wel erg eenzijdige kijk op de wetenschappelijke onzekerheid. Een ander idee dat je wel eens tegenkomt, is dat het terugdringen van de uitstoot van methaan of roet de wereld enkele decennia extra de tijd zal geven om te starten met het terugdringen van de CO2 emissies.

Eind 2013 zijn er twee onderzoeken gepubliceerd in Nature Climate Change (zie hier en hier), waarin de twee bovengenoemde ideeën zijn onderzocht, een van de hand van Myles Allen en Thomas Stocker (bekend van het IPCC WG1 rapport) en een van Bowerman et al, van de groep van Myles Allen. Een pdf van het Allen-Stocker artikel is hier te vinden.

Allen en Stocker zijn in hun onderzoek uitgegaan van de TCRE, de Transient Climate Response to cumulative carbon Emissions. Deze grootheid geeft de stijging van de oppervlaktetemperatuur weer die is gerelateerd aan elke 1000 Gigaton (Gt) koolstof die wordt geëmitteerd. 1 Gt koolstof is equivalent aan 3.67 Gt CO2. Het verband tussen de oppervlaktetemperatuur en de cumulatieve hoeveelheid geëmitteerd CO2 is ongeveer lineair. Dit komt omdat het opwarmende effect van extra CO2 steeds minder wordt naarmate de concentratie in de atmosfeer toeneemt en wordt gecompenseerd  doordat de opname van CO2 door het land en de oceanen langzaam daalt. Immers: elke verdubbeling van de CO2 concentratie geeft eenzelfde opwarming, oftewel er is steeds meer CO2 nodig voor een bepaalde temperatuurstijging. Naarmate het warmer zal worden op aarde, blijft er echter steeds meer CO2 van een geëmitteerde gigaton CO2 in de atmosfeer achter en dit heft zo ongeveer het effect van de steeds geringere temperatuurstijging op. Essentieel hierin is natuurlijk de zeer lange verblijftijd van CO2 in de atmosfeer.
In andere woorden (van Reto Knutti):
Elke ton CO2 veroorzaakt dezelfde hoeveelheid opwarming, ongeacht wanneer of waar het wordt geëmitteerd.

De TCRE kan worden vergeleken met de temperatuur respons op alle CO2-emissies op een tijdschaal van 1000 jaar nadat de emissies zijn gestopt. Het IPCC AR5 geeft voor de TCRE een range van 0.8 °C – 2.5 °C voor elke 1000 Gt aan koolstof, zolang de totale emissies de 2000 Gt niet overstijgen. Voor meer info over de TCRE zie bijvoorbeeld blz. TS-46 en 12-71 e.v. van het IPCC AR5 rapport of deze onderzoeken van Allen-2009 of Matthews-2009.

Onderstaande figuur 1, afkomstig uit het IPCC AR5 Summary for Policymakers (SPM-10), geeft de opwarming weer als functie van de cumulatieve hoeveelheid geëmitteerd koolstof/CO2. Volgens het IPCC AR5 is het totaal aan geëmitteerd CO2 over de periode 1870 – 2011 circa 515 Gt koolstof.

Figuur 1. De oppervlaktetemperatuur als functie van de cumulatieve totale CO2 emissies. De dikke lijnen zijn modelgemiddelden van klimaat-koolstofcyclus modellen voor elk RCP scenario, waarbij de gekleurde band de multi-model onzekerheid weergeeft. Het multi-model gemiddelde van CMIP5 modellen voor een stijging van de CO2 concentratie met 1% per jaar (dat geeft een verdubbeling in 70 jaar) is weergegeven met de dunne grijze lijn en de grijze band. De opwarming bij de RCP scenario’s ligt hoger omdat hierin ook niet-CO2- forceringen zijn meegenomen.

De huidige emissiesnelheid is circa 10 Gt koolstof per jaar en ligt iets boven het RCP8.5 scenario. Dit betekent dat de mens, als we op de huidige voet doorgaan, rond 2050 in totaal 1000 Gt koolstof in de atmosfeer zal hebben uitgestort en dat we de grens van een uiteindelijke opwarming van 2 °C (voor het gemiddelde) dan al zullen bereiken.

Het onderzoek van Allen en Stocker richt zich op het idee wat er gebeurt als de klimaatgevoeligheid lager zou uitvallen en de mensheid het rustiger aan zou doen met het terugdringen van de CO2 emissies. De onderstaande figuur 2 illustreert hun bevindingen.

Figuur 2. Schematische emissie scenario’s voor een TCRE van 2.0 °C en drie voor een TCRE van 1.5 °C, waarbij CO2 emissies vanaf een bepaald jaar met een bepaald percentage dalen. De kleuren en de getallen in de gekleurde vakken geven de verwachte piekopwarming weer. 1 TtC is 1000 Gigaton koolstof. De diamantjes zijn de waargenomen CO2 emissies.

De twee bovenste figuren geven weer dat je dezelfde opwarming krijgt bij een TCRE van 2.0 °C en 1.5 °C per 1000 Gigaton koolstof als je vanaf een bepaald jaartal de CO2 emissies terugbrengt met respectievelijk 2.4% en 1.4% per jaar. We krijgen dus eenzelfde opwarming met een 25% lagere TCRE als we de emissies met 1% per jaar minder snel terugbrengen.
De twee linkerfiguren laten zien dat een lagere klimaatgevoeligheid leidt tot lagere piektemperaturen als de CO2 emissies met eenzelfde tempo teruggedrongen worden. De figuur rechtsonder laat zien dat langzaam terugdringen van de CO2 emissies zelfs bij een lagere TCRE leidt tot hoge piektemperaturen.

De CO2 emissies nemen nu elk jaar ongeveer met 1.8-1.9% toe en de extra opwarming die dat zal genereren is groter dan het positieve effect van een lagere TCRE. Allen en Stocker geven aan dat elke vertraging in het starten van de emissie reducties gecompenseerd dient te worden door snellere reducties later in de tijd, anders zal de piektemperatuur geïnduceerd door CO2 toenemen met dezelfde snelheid als de cumulatieve emissies zelf. En dat is onafhankelijk van de klimaatgevoeligheid.  Zij geven een rekenvoorbeeld om die stijging van de piektemperatuur te illustreren:
“If we are aiming for peak warming of around 2 °C, then as long as emissions are increasing at 1.8–1.9% per year, every year’s delay in reducing emissions increases peak warming by 1.8–1.9% of 2 °C, or 0.04 °C.”.

Het lijkt me duidelijk; elk jaar dat de CO2 emissies blijven groeien en elk jaar dat het reduceren van de CO2 emissies wordt uitgesteld, zal het moeilijker maken om de toekomstige opwarming beneden een bepaalde limiet te houden.

De SLCPs methaan, roet of troposferische ozon zijn de belangrijkste stoffen met een relatief korte levensduur in de atmosfeer die tevens bijdragen aan de opwarming van de aarde. Het verminderen van de menselijke uitstoot van deze verbindingen biedt, naast dat klimatologische effect, ook voordelen op andere gebieden, zoals de menselijke gezondheid of de oogstopbrengst. Het onderzoek van Bowerman et al richt zich alleen op de klimaateffecten van deze SLCPs. Zij hebben het effect op de uiteindelijk te bereiken temperatuur onderzocht als de methaan en roet emissies met resp. 25% en 78% in twee decennia verminderd zouden worden en waarbij deze vermindering op verschillende data zou starten. In onderstaande figuur 3 zijn hun bevindingen grafisch weergegeven.

Figuur 3. De impact van SLCP reducties op verschillende tijdstippen en voor verschillende scenario’s: RCP3PD (a); RCP4.5 (b); RCP6.0 (c) en RCP8.5 (d). Het onderste deel van een grafiek geeft de CO2 emissies per jaar weer en in het bovenste deel van een grafiek wordt met de dikke lijn de opwarming weergegeven. De dunne lijnen geven de impact weer van SLCP reducties vanaf een bepaald jaartal met steeds 2 decennia er tussen. De stippellijntjes geven weer dat het reducties betreft waarvoor het uiteindelijke verschil groter dan 0.06 °C is.

Uit de grafieken van figuur 3 is af te lezen dat een vermindering van de uitstoot van methaan en roet met 25% en 78% de uiteindelijke opwarming met circa 0.4-0.5 °C zal verlagen. Verder is het vrij duidelijk dat het in de meeste gevallen bar weinig uitmaakt of deze vermindering start in 2015 of in 2075. De auteurs geven aan dat de uiteindelijke verschillen in de meeste gevallen minder dan 0.06 °C zijn. Alleen voor het RCP3PD scenario (de groene grafiek), waar de CO2 emissies al in dit decennium hun piek bereiken, is het zinvol om ook in dit decennium al te starten met een reductie van de methaan en roet uitstoot.

De auteurs concluderen dat als de CO2 emissies blijven groeien, de SLCP’s irrelevant zijn met betrekking tot het risico om potentieel gevaarlijk temperatuurdrempels te overschrijden:
“..would immediate reductions in SLCP emissions have any impact at all on the risk of crossing potentially dangerous temperature thresholds relative to making these SLCP reductions later? We show that, in the absence of a near-term reversal of CO2 emission trends, they would not.”.

Zie verder een post van Bart uit 2011 over dezelfde materie:
http://planet3.org/2011/12/14/1688/
Een post van Ray Pierrehumbert op RealClimate:
http://www.realclimate.org/index.php/archives/2010/12/losing-time-not-buying-time/
Of deze BBC Newsnight video waarin Myles Allen vanaf 4:20 aan de hand van koolblokjes de TCRE visualiseert:
http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-24259633