Waarom onze CO2-uitstoot naar nul moet om de temperatuurstijging te stoppen

Gastblog van Prof. dr. Guido van der Werf

In het Parijs-akkoord is afgesproken om de opwarming te beperken tot 2°C en te streven naar 1,5°C. Om de opwarming te stoppen, moet de netto uitstoot van broeikasgassen naar nul. Vooral onze CO₂-uitstoot moet dus fors dalen en de uitstoot die niet vermeden kan worden moet gecompenseerd worden door zogenaamde negatieve emissies (CO₂-verwijdering). Hoewel het netto-nul idee niet heel oud is, is het wel de basis voor het mondiale klimaatbeleid en daarmee een belangrijk concept met verstrekkende maatschappelijke gevolgen. Hier kijken we waar het netto-nul idee op gebaseerd is.

Het aardsysteem is complex en fascinerend, maar ondanks alle complexiteit in het aardsysteem is er een simpele relatie tussen de mate van opwarming en onze cumulatieve (opgetelde) uitstoot. In onderstaande figuur staat die recht evenredige relatie, op basis van historische gemeten data. De rechte lijn is ook geldig voor de toekomst en wordt daarmee bijvoorbeeld gebruikt om het koolstofbudget te bepalen om onder een bepaalde temperatuurstijging te blijven.

Volgens de huidige inzichten blijft die een-op-een relatie dus ook bestaan in de toekomst, ook als onze uitstoot gaat dalen. Dat is een belangrijk gegeven en de basis van onze doelstellingen om aan het Parijs-akkoord te voldoen. Waar voorheen de nadruk nog wel eens lag om de CO₂-concentratie onder een bepaalde waarde te houden, is het doel nu om de temperatuur onder een bepaalde waarde te houden. In dit overzichtsartikel van een van de grondleggers van het netto-nul concept, Myles Allen, staat dit verder uitgewerkt inclusief een wiskundige afleiding. Hier kijken we naar de onderliggende redenen achter het netto-nul concept. Om die te begrijpen moeten we twee vragen beantwoorden:

1. Wat gebeurt er met onze uitgestoten CO₂?
2. Hoe reageert het aardsysteem op een verstoring zoals extra CO₂?

We beginnen met de tweede vraag.

Wat doet CO₂ met de temperatuur?

In het verleden werd er vaak een standaardsimulatie gedaan met klimaatmodellen: 70 jaar lang werd de CO₂-concentratie in het model met 1% per jaar verhoogd tot die een verdubbeling bereikte en van 280 deeltjes per miljoen (ppm) pre-industrieel naar 2 × 280 = 560 ppm was verhoogd. Daarna werd deze concentratie constant gehouden in het model, zie Figuur 2a.

In die 70 jaar warmt het klimaat in het model op, en die opwarming gaat recht evenredig met de cumulatieve uitstoot (Figuur 2b). Maar, en dit is belangrijk voor de rest van het verhaal, na 70 jaar stopt die temperatuurstijging niet maar gaat hij door, ondanks dat de CO₂-concentratie gelijk blijft! Die opwarming gaat wel langzamer dan voorheen, en met het verstrijken van de jaren wordt de opwarming steeds trager.

De onderliggende reden is dat er een vertraging in het systeem zit en na 70 jaar is er nog geen evenwicht in de stralingsbalans. Dit komt met name door de grote warmtecapaciteit van de oceanen die dus traag reageren op een verstoring. Idem voor het smelten van ijs. Met andere woorden, het duurt eeuwen voor er een nieuw evenwicht in de stralingsbalans is bereikt en de temperatuur niet verder zal stijgen (natuurlijke variaties gaan uiteraard door).

Bovenstaande is grotendeels simpele natuurkundige logica, die is bevestigd door de modellenwereld. Bovendien hebben we de afgelopen decennia het eerste deel van bovenstaand modelexperiment in werkelijkheid uitgevoerd, zie Figuur 1. En net als in de modellenwereld is ook in werkelijkheid de temperatuurstijging recht evenredig gebleken met de cumulatieve uitstoot c.q. CO₂-concentratie. Daarnaast weten we uit metingen dat de stralingsbalans nog niet in evenwicht is, dus als we de CO₂-concentratie gelijk zouden (kunnen) houden dan zou de temperatuur verder stijgen tot er een evenwicht is bereikt.

Om een constante temperatuur te krijgen is het dus niet voldoende om de CO₂-concentratie constant te houden, deze moet dalen. De grote vraag is hoe snel en hoe veel, en volgens de huidige inzichten moet de uitstoot naar netto-nul. Om dat te begrijpen moeten we even in de koolstofcyclus duiken.

Onze CO₂-uitstoot en de koolstofcyclus

De twee belangrijkste menselijke bronnen van CO₂-uitstoot zijn verbranding van fossiele brandstoffen en ontbossing. Gemiddeld gezien blijft bijna de helft van de uitgestoten CO₂ in de atmosfeer. De rest wordt opgenomen door de oceanen en door de biosfeer op het land (zie onderstaande Figuur 3). Grofweg nemen de oceanen en de biosfeer ieder een even groot deel op. De opname door de oceanen komt door diffusie van CO₂ het zeewater in (in combinatie met een nogal ingewikkeld chemisch evenwicht), omdat de concentratie in de atmosfeer hoger is geworden dan in oceanen. Dit proces speelt met name aan het oppervlak van de oceaan en daar stijgt de concentratie van opgelost CO₂ in het water. De redenen achter de opname door de biosfeer zijn divers. De belangrijkste zijn extra fotosynthese doordat er meer CO₂ in de atmosfeer zit én er meer stikstof in de biosfeer is, herbebossing met name in gematigde streken, en een langer groeiseizoen met name in het hoge noorden.

We weten dus goed wat er met de CO₂-concentratie gebeurt zolang de uitstoot stijgt of gelijk blijft, aangezien dat de afgelopen eeuw gebeurde. Op het moment dat de uitstoot naar beneden gaat, zal de CO₂-concentratie blijven toenemen totdat de uitstoot gelijk is aan de opname door oceaan en biosfeer. Waar dat punt precies ligt weten we niet zeker, en aangezien dit in de toekomst ligt, hebben we modellen nodig. De huidige opname door de oceaan en biosfeer is ruim de helft van onze uitstoot, en je zou wellicht verwachten dat bij een halvering van onze uitstoot deze in evenwicht komt met de opname. Daarmee zouden we de situatie krijgen van Figuur 2a na 70 jaar; constante CO₂-concentratie. Hieronder zien we echter dat dit niet het geval is en dat de uitstoot verder zal moeten dalen. Volgens de huidige inzichten moet hij naar netto-nul. Want dan, en dat is de crux van het verhaal, daalt de CO₂-concentratie genoeg om de “opwarming die nog in het vat zit” (omdat er geen stralingsevenwicht is) te compenseren.

CO₂-concentratie als onze uitstoot stopt

Als onze netto-uitstoot naar nul gaat, daalt de CO₂-concentratie dus. Initieel kan dat best snel gaan, maar dat duurt maar even. Immers, de drijvende kracht achter de opname is het verschil in concentratie tussen de atmosfeer aan de ene kant en die in de oceaan en biosfeer aan de andere kant. En met dalende atmosferische concentratie en stijgende koolstofinhoud van oceanen en biosfeer neemt dat verschil snel af. Zie onderstaand schematisch figuur voor de oceanen.

Voor de biosfeer geldt ongeveer hetzelfde, maar is de onzekerheid groter. De hoeveelheid vastgelegde koolstof is gegroeid in de biosfeer, onder andere vanwege extra CO₂. Als de CO₂-concentratie daalt, komt er evenwicht en neemt de biosfeer geen of minder CO₂ meer op. We denken dat bij verder gaande opwarming de biosfeer zelfs netto een bron van uitstoot kan worden. Dit o.a. door ontdooiing van de permafrost, toename in het aantal bosbranden, en een afname in het functioneren van bossen door onder andere meer droogte. Binnen een recent gefinancierd groot onderzoeksproject gaan we dit verder onderzoeken.

Moraal van het verhaal is dat de CO₂-concentratie zal dalen bij netto nul maar die daling zal steeds minder snel gaan. Dit is zo omdat er evenwicht komt in de relatief snelle uitwisselingsprocessen tussen de atmosfeer aan de ene kant en biosfeer en oceaan aan de andere kant. Dat betekent niet dat de atmosferische concentratie niet meer daalt. Door menging in de oceanen komt er water aan het oppervlak dat nog CO₂ kan opnemen, en daarnaast wordt een deel van de opgenomen CO₂ in de oceaan(bodem) vastgelegd, maar dit speelt op langere tijdschalen. De meeste studies wijzen uit dat na 100 jaar nog 30-50% van de door de mens uitgestoten CO₂ in de atmosfeer zit en na 1000 jaar nog 10-30%.   

Netto-nul leidt dus tot een constante temperatuur

Bij netto-nul uitstoot blijken de twee factoren (opwarming omdat er nog geen stralingsevenwicht is, en afkoeling omdat de CO₂-concentratie daalt) in evenwicht en blijft de temperatuur stabiel, zie onderstaande figuur.

Het is belangrijk om te realiseren dat er onzekerheid zit in waar precies de balans ligt, en dus of de temperatuur vlak zal blijven of licht zal stijgen of dalen na het moment dat we netto-nul bereikt hebben. En uiteraard werkt natuurlijke variatie ook door.

Methaan en lachgas

In bovenstaande tekst ligt de nadruk op CO₂, maar uiteraard doen andere broeikasgassen ook mee. In de vorige eeuw werd de opwarmende werking van methaan en lachgas grofweg gecompenseerd door de afkoelende werking van fijnstof (aerosolen). Dit is een van de redenen dat deze factoren niet meegenomen worden in figuur 1. Maar aangezien de uitstoot van fijnstof op veel plaatsen afneemt omdat we de luchtkwaliteit willen verbeteren, en tegelijk methaan– en lachgasconcentraties snel stijgen is er geen balans tussen die factoren meer.

In de literatuur gaat het daarom meestal niet over netto-nul CO₂ maar over netto-nul broeikasgassen. De roep om de uitstoot van methaan en lachgas te verminderen (en daarmee de discussie over consumptie van dierlijke eiwitten) zal toenemen aangezien de huidige ontwikkeling van hun concentratie haaks op de netto-nul doelstellingen staat.

Verzadiging

We hebben het tot nu toe veel over het lineaire verband gehad tussen cumulatieve CO₂-uitstoot en temperatuur. Maar de goed geïnformeerde lezer weet dat het verband tussen CO₂-concentratie en forcering (en dus temperatuur) niet constant is vanwege verzadiging in de absorptie door CO₂. Onderstaande grafiek geeft dit weer.

De hoofdreden dat je dit logaritmisch verband niet terugziet in het verband tussen cumulatieve uitstoot en temperatuur is dat, met name voor de hogere scenario’s, we denken dat een steeds groter deel van onze uitstoot in de atmosfeer blijft. Wederom een verhaal van compenserende factoren; aan de ene kant zal iedere toegevoegde eenheid CO₂ een iets kleiner effect hebben naarmate de CO₂-concentratie toeneemt, aan de andere zal er per eenheid uitstoot meer CO₂ in de atmosfeer blijven. Overigens is het effect van verzadiging bij de huidige CO₂-concentraties vrij klein zoals bovenstaande figuur laat zien.

Negatieve emissies

In het klimaatakkoord van Parijs is afgesproken om de gemiddelde mondiale temperatuurstijging ruim onder de 2°C te houden, en te streven om de opwarming te beperken tot 1,5°C. Die 1,5°C zitten we bijna aan en hoewel er enorm veel gedaan wordt om de uitstoot te beteugelen (en vaak met succes) is de meerderheid van de klimaatwetenschappers somber over onze kansen om onder de 2°C blijven. We komen dan dus boven de doelstelling.

Volgens de uniforme relatie tussen cumulatieve uitstoot en temperatuur zit er dan maar een ding op om de temperatuur te laten dalen: de cumulatieve uitstoot laten dalen door middel van negatieve emissies. Dat kan op meerdere manieren, denk aan het aanplanten van bossen of technologische hoogstandjes zoals Direct Air Capture (DAC); grote stofzuigers die de lucht filteren van CO₂ en deze opslaan. Let op dat de natuurlijke opname van CO₂ door oceanen en biosfeer niet geldt als negatieve emissie.

In de SSP-scenario’s zitten deze negatieve emissies al verwerkt. Zo piekt het lage SSP1-2.6 scenario rond 2070 qua temperatuur en door negatieve emissies neemt die daarna langzaam af. In Figuur 6 staat de waarde voor het jaar 2100 dan ook onder die van 2070.

De toekomst zal leren wat er mogelijk is met negatieve emissies. Op dit moment is de enige optie die potentieel vrij grootschalig toegepast kan worden de zogenaamde BECCS (Bio-Energy with Carbon Capture Storage). Denk aan het verbranden van houtige biomassa in omgebouwde kolencentrales waarna de uitstoot in lege gasvelden gestopt wordt. Daar zitten grenzen aan, zowel wat betreft beschikbaarheid van duurzame biomassa als de beschikbaarheid van lege gasvelden, ook omdat die ook gebruikt zullen worden om CO₂-uitstoot van onder meer de industrie te vermijden.

Wat de lezers van Wynia’s Week te horen krijgen

Een van de redenen om dit blog te schrijven was dat de wetenschap achter het netto-nul concept niet altijd goed begrepen worden. Roy Spencer snapt het niet, en Jacques Hagoort die voor Wynia’s Week schrijft heeft er ook een simplistische kijk op. Volgens Hagoort zal ook bij langzame daling van onze uitstoot de temperatuur op termijn dalen. En in het geval van netto-nul uitstoot zal volgens hem de CO₂-concentratie zelfs vrij snel dalen en daarmee ook de temperatuur. Zie onderstaande figuur, gebaseerd op Figuur 2 van een blog van Hagoort op Wynia’s Week.

In het kort komt het erop neer dat Hagoort denkt dat in het geval van netto-nul de CO₂-concentratie snel zal dalen én dat de temperatuur puur een functie is van CO₂-concentratie. Hij gebruikt een wiskundige relatie tussen uitstoot en CO₂-stijging die gekalibreerd is op de opgaande tak die we tot nu toe gezien hebben, en past die toe op de neergaande tak (als de uitstoot afneemt). De fysica achter het verzadigingsverhaal van o.a. figuur 4 wordt genegeerd. Daarnaast houdt hij geen rekening met de onbalans in de stralingsbalans en het feit dat de temperatuur nog een tijd zal na-ijlen. Met die twee foute aannames kan je uiteraard veel makkelijker een constante of dalende temperatuur krijgen, maar met de realiteit heeft het dan niets meer te maken.

De gedachtegang van Hagoort komt terug in Arnout Jaspers zijn nieuwste boek ‘De Klimaatoptimist’ (hat-tip Maarten Keulemans). Als Hagoort gelijk zou hebben dan zou ik ook een klimaatoptimist zijn. Immers, dan lijken zaken vrij makkelijk omkeerbaar, terwijl dat in werkelijkheid alleen met negatieve emissies kan. Een van de redenen dat dit zo’n urgent probleem is. De misinformatie van Wynia’s Week en Jaspers bereikt ongetwijfeld een groot aantal mensen, waarbij zeker in het geval van Wynia’s Week ook de klimaatwetenschap (en het beleid daaromheen) van alles en nog wat verweten wordt. Gelukkig weet jij nu beter.

Guido van der Werf is hoogleraar op het gebied van klimaatverandering en de koolstofcyclus aan de Wageningen University & Research. Met dank aan Michiel van Weele, Jacques Hagoort, Bart Verheggen, Arthur Oldeman, en Hans Custers voor nuttige aanvullingen en correcties op een eerdere versie.