If we burn it all, we melt it all

De titel van dit blogstuk is een uitspraak van Ricarda Winkelmann, de hoofdauteur van een recent artikel over de relatie tussen koolstofemissies en de stabiliteit van de Antarctische ijskap (Open Access, persbericht: hier). Als we de gehele winbare voorraad (zoals die nu ingeschat wordt) aan fossiele brandstoffen in een paar eeuwen opstoken, zal al het ijs op Antarctica verdwijnen. Dat duurt even – duizenden jaren – maar dan hebben we ook wat. Al dat gesmolten ijs van Antarctica alleen al zorgt namelijk voor een zeespiegelstijging van uiteindelijk circa 58 meter.

Voor verschillende scenario’s van de toekomstige CO2-emissies hebben Winkelmann e.a. via een uitgebreid klimaatmodel (een Earth System Model) de CO2-concentraties en het temperatuurverloop berekend voor de komende duizenden jaren. Dit is vervolgens gecombineerd met een ijskap-rekenmodel (PISM) om de gevolgen van de emissies voor de ijskap van Antarctica vast te stellen. De emissiescenario’s die gebruikt zijn variëren van een extra totale koolstofuitstoot van 93 gigaton tot 12,000 gigaton na het jaar 2010 (dit betreft dus niet het aantal gigaton CO2 maar alleen de C in CO2, 1 gigaton C komt overeen met 3,66 gigaton CO2). Ter vergelijking, het IPCC schat de totale hoeveelheid koolstof die al uitgestoten is tot 2011 op 515 gigaton (AR5 SPM bladzijde 25) en jaarlijks emitteren we nu circa 10 gigaton koolstof per jaar.

In de emissiescenario’s van de studie neemt de CO2-uitstoot in de nabije toekomst verder toe om na een maximum terug te vallen naar 0, dit alles in een tijdsbestek van enkele honderden jaren. Zie figuur 1A voor de CO2-emissies en 1B voor de CO2-concentratie in de atmosfeer. De rode lijn komt overeen met een extra uitstoot van 10,000 gigaton aan koolstof en dat is vergelijkbaar met het verbranden van een hoeveelheid fossiele brandstoffen die volgens het IPCC AR5-WGIII rapport winbaar is (tabel 7.2 bladzijde 525 geeft 8,500 – 13,500 gigaton aan hulpbronnen).

Figuur 1. De CO2-emissiescenario’s zoals gebruikt in Winkelmann et al. (A) en de resulterende CO2– concentratie in de atmosfeer (B). De totale range van koolstofemissies loopt van 93 tot 12,000 gigaton koolstof (dus inclusief de grijze lijnen).


Figuur 1 laat zien dat de CO2-concentratie bij de hoge emissiescenario’s na tienduizend jaar nog altijd op ongeveer 50% van het piekniveau zit. Het zal dan ook vele tienduizenden jaren duren voordat alle CO2 afkomstig van het verbranden van fossiele brandstoffen weer uit de atmosfeer is verdwenen. Dat extra CO2 zal namelijk via de oceanen door verschillende chemische reacties, o.a. met gesteenten, weer weggenomen worden, maar dat is echter een zeer langzaam proces (zie ook box 6.1 in IPCC AR5 hoofdstuk 6). Dergelijke grote toekomstige koolstofemissies leiden eveneens tot een forse oceaanverzuring, zoals co-auteur Caldeira eerder al eens heeft laten zien.
Als gevolg van de hogere CO2-concentraties stijgt natuurlijk de temperatuur op aarde. Met als één van de gevolgen het smelten van het landijs op Antarctica, zie figuur 2.

Figuur 2. Het verloop van de temperatuur (C) en de bijdrage van het smelten van het ijs op Antarctica aan het zeeniveau (D) voor de emissiescenario’s uit figuur 1A.

Iets later dan de CO2-concentratie in de atmosfeer begint te dalen, neemt ook de temperatuur af. Deze tijdsvertraging wordt veroorzaakt door de gigantische warmtecapaciteit van de oceanen. De temperatuur neemt echter langzamer af dan de CO2-concentratie, omdat de temperatuur logaritmisch afhangt van de CO2-concentratie. Aangezien het smelten van de grote hoeveelheden ijs veel tijd kost, blijft de zeespiegelstijging nog millennia lang doorgaan. De zeespiegelstijging per eeuw (of per jaar) ten gevolge van het verdwijnen van het ijs op Antarctica neemt bij de hoge emissiescenario’s vooral het eerste millennium snel toe om daarna af te vlakken.

In figuur 3 wordt het totale verlies aan ijs van Antarctica in meters zeespiegelstijging weergeven voor alle emissiescenario’s. De kleuren in die figuur komen niet overeen met de lijnen in figuur 1 en 2. Als voorbeeld: bij een totale extra emissie van 1,250 gigaton koolstof na 2010 is het gele punt het ijsverlies na 1,000 jaar, het oranje punt het ijsverlies na 3,000 jaar en het rode punt het ijsverlies na 10,000 jaar. Dat ijsverlies na 10,000 jaar komt dan overeen met circa 15 meter zeespiegelstijging. De drie punten op de verticale lijn bij 1,250 gigaton zijn dus alle drie punten op de groene lijn van figuur 1D.

Figuur 3. De zeespiegelstijging als gevolg van het smelten van het ijs op Antarctica bij verschillende koolstof emissiescenario’s. De onderste x-as geeft de totale hoeveelheid geëmitteerd koolstof weer na 2010. De gele punten geven de zeespiegelstijging na 1,000 jaar weer, de oranje punten na 3,000 jaar en de rode na 10,000 jaar. De piek in de opwarming en de opwarming na 10,000 jaar is voor elk emissiescenario in de bovenste x-as weergegeven.

Winkelmann et al. geven aan dat in hun simulaties de ijskap op West-Antarctica instabiel wordt bij een totale additionele emissie van 600-800 gigaton koolstof na 2010. Hetzelfde treedt op bij het Wilkes Basin op Oost-Antarctica na een extra emissie van circa 1,000 gigaton koolstof of meer. Het punt waarbij de ijskap op West-Antarctica op bepaalde plaatsen instabiel wordt, zou overigens nu al gepasseerd kunnen zijn. Glacioloog Eric Rignot nam vorig jaar bijvoorbeeld al het woord “unstoppable” in de mond aangaande het smelten van enkele gletsjers op West-Antarctica.

De auteurs van het artikel wijzen er tevens op dat we met de tweegradendoelstelling, die overeenkomt met ongeveer 600 gigaton aan additionele koolstofemissies, de duizendjarige zeespiegelstijging door alléén het smelten van het ijs op Antarctica waarschijnlijk (‘likely’) kunnen beperken tot circa 2 meter. Het is daarbij goed om te beseffen dat naast Antarctica o.a. ook de thermische uitzetting van het zeewater en het smelten van het ijs op Groenland bijdraagt aan de zeespiegelstijging in een warmer wordende wereld. De paleoklimatologie heeft bijvoorbeeld laten zien dat het zeeniveau in het verre verleden minstens 6 meter hoger stond bij temperaturen die 1 of 2 °C hoger waren dan in de pre-industriële periode. Bovendien is het mogelijk dat een toekomstige zeespiegelstijging niet mooi gelijkmatig zal verlopen. Een aanzienlijk deel ervan zou in een relatief korte periode plaats kunnen vinden.

De studie van Winkelmann en haar collega’s illustreert dat er een aanzienlijke traagheid in het klimaatsysteem zit ingebakken: Het in een korte tijd verbranden van de fossiele brandstoffen verandert het aangezicht van onze planeet voor vele tienduizenden jaren.

5 Reacties op “If we burn it all, we melt it all

  1. Lennart van der Linde

    Jos, dank voor de aandacht voor Winckelmann et al. Wat ik me daarbij afvraag: in hoeverre hebben zij ook rekening gehouden met het mogelijke effect van relatief trage feedbacks? En in hoeverre hebben ze rekening gehouden met mogelijk belangrijke mechanismes als cliff failure en hydrofracturing, waar Pollard et al 2015 op gewezen hebben? Zie bv ook dit commentaar van Joe Romm:
    http://thinkprogress.org/climate/2015/09/16/3701137/200-feet-sea-level-rise/

    Hij zegt:
    My main issue with this modeling study is that it is doubly conservative. First, it lowballs how fast rapid sea level rise can start, given the latest observational studies from Antarctica, as leading scientists have pointed out. Second — and equally important — it lowballs how fast temperatures might rise.

    On the first point, climatologist Michael Mann told Mashable, “I’m not convinced that the ice sheet model fully accounts for the complex dynamics relevant to predicting ice sheet collapse on timescales of decades to centuries, which I consider to be most relevant.”

    Mann, the director of Penn State’s Earth System Science Center, added, “There is considerable empirical evidence that has been provided over the past couple years that we are likely already now committed to at least 3 to 4 meters of sea level rise from West Antarctic Ice loss, due to warming already in the pipeline and the destabilization of the ice shelves, which support the inland ice, due to southern ocean warming that has already taken place.”

    James Hansen and 16 leading climate experts — including some of the world’s foremost authorities on Antarctic melt and sea level rise — warned in July we face “sea level rise of several meters in 50, 100 or 200 years,” which means as early as this century but in any case, sooner than expected. They also warn that even with the less than 1°C of warming we already have, ice sheet melt appears to be putting sea level rise on an exponential growth path that would bring 10 feet of sea level rise sooner, rather than later — even if we stabilize at 2°C total warming.

    The science has made clear for a long time that we don’t need to burn anywhere close to all of the world’s fossil fuels to have beyond-catastrophic sea level rise. A March 2012 National Science Foundation news release on paleoclimate research warned, “Global Sea Level Likely to Rise as Much as 70 Feet in Future Generations.” The lead author pointed out, “The natural state of the Earth with present carbon dioxide levels is one with sea levels about 70 feet higher than now.” A 2009 paper in Science concluded that when CO2 levels were this high 15 million years ago, it was 5° to 10°F warmer and seas were 75 to 120 feet higher.

    Second, it is very far from clear that we need to burn all of the world’s fossil fuels to get 11°C warming. The study uses an “assumed climate sensitivity” of “about 3.1°C.” That number is in the mid-range of current estimates from the U.N. Intergovernmental Panel on Climate Change for how much warming you get with a doubling of CO2 levels — say, from preindustrial levels of 280 parts per million to 560 ppm. But, as I’ve discussed, such estimates assume the climate is sensitive to only fast feedbacks like sea ice retreat and increased water vapor and that there are no slow, decade scale feedbacks.

    Yet we know there are many major slow feedbacks that are not included in current climate models, such as the release of carbon dioxide and methane from the thawing permafrost. And we know that all of those feedbacks become stronger and faster the hotter the temperature gets. That’s why various paleoclimate studies find that the Earth has warmed up much more in response to pulses of CO2 and CH4 than current models suggest.
    We have been headed toward 900 to 1000 ppm of CO2 over the next century on our current emissions path. According to a 2011 study in the journal Science, the last time the Earth saw such levels of CO2, it was 29°F (16°C) hotter. The paleoclimate data suggests CO2 “may have at least twice the effect on global temperatures than currently projected by computer models.”

  2. Hoi Lennart,

    Winkelmann et al. hebben een Earth System Model (GENIE) gebruikt en die bevatten ook modules voor de chemische en biologische processen. Je zou dan verwachten dat trage feedbacks als gevolg daarvan dus eveneens meegenomen worden. In de link in het blogstuk naar uitleg over ESM’s staat bijv.:
    “ESMs include processes, impacts, and complete feedback cycles…”

    Er zijn inderdaad wetenschappers zoals Mann die aangeven dat de modelresultaten van Winkelmann et al. te conservatief lijken, bijv.:
    http://insideclimatenews.org/news/11092015/climate-change%E2%80%99s-worst-case-scenario-200-feet-sea-level-rise-antarctica-ice-sheet-melt
    De auteurs geven zelf ook aan dat het gebruikte ijs-model PISM niet alle effecten goed representeert (blz 3 van het artikel), bijv.:
    “There are possible effects that are not captured by the model, such as the influence of surface melt water on the basal conditions of the ice as well as the role of ice defects such as fractures.”
    Ze schrijven verder dat het ijskap-model misschien de korte termijn respons niet goed vangt, maar dat het wel goed geschikt is voor lange termijn projecties zoals die waar het artikel over gaat.

    Winkelmann e.a. verwijst tevens naar de resultaten van het ijskap-model dat door Pollard e.a. is gebruikt:
    “Our simulations show that cumulative emissions of 500 GtC commit us to long-term sea-level rise fromAntarctica of 1.15 m within the next millenium, which is consistent with the sensitivity of 1.2 m/°C derived with a different ice-sheet model (33, 34).”
    Je zou figuur 3h van Pollard kunnen vergelijken met figuur 4B/C van Winkelmann. 4B is onder de 2 °C doelstelling en 4C zit er een stuk overeen. Pollard geeft voor mijn gevoel wat meer smelt, maar misschien wordt dat vertekend door het gebruik van andere kleuren en het weergeven van de rotsondergrond in Winkelmann et al..

  3. Lennart van der Linde

    Hi Jos,
    Dank voor de verwijzingen. Ik ben wel benieuwd hoeveel broeikasgassen in dit model als feedback bovenop de fossiele emissies zijn meegenomen, of niet. Het artikel zelf lijkt daar niks kwantitatiefs over te zeggen, voorzover ik zie. Het zegt wel:
    “GENIE is based on an efficient, three-dimensional dynamic ocean with a simplified atmospheric energy balance climate model. It incorporates a representation of global carbon cycling that includes geochemical interactions with marine sediments and a temperature-only representation of the weathering terrestrial carbonate and silicate rocks on land but excludes the terrestrial biosphere.”

    Dus begrijp ik goed,dat bv emissies vanuit smeltende permafrost niet in dit model zitten?

  4. Lennart,

    Ik heb informatie proberen te vinden aangaande je laatste vraag, maar kan er geen antwoord op vinden. Het GENIE model is gebruikt voor AR5, net als andere EMIC’s:
    http://climate.uvic.ca/EMICAR5/results_help.html
    In hoofdstuk 9 van AR5 wordt GENIE ook vermeld.

    Ik zou verwachten dat in zo’n model iets van een representatie van het smelten van de permafrost zou zitten, maar of dat zo is en hoe goed het dan weer is? Als je onderstaand artikel van Schaefer leest, zou dat inderdaad beter moeten:
    “Climate projections in the IPCC Fifth Assessment Report (AR5), and any emissions targets based on those projections, do not adequately account for emissions from thawing permafrost and the effects of the PCF on global climate.”
    http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/9/8/085003

    De verschillende componenten van zo’n klimaatmodel kunnen natuurlijk altijd verbeterd worden. Dat neemt m.i. niet weg dat het beeld dat Winkelmann et al schetst heel helder is: hoe meer fossiele brandstoffen we opstoken, hoe groter de menselijke vingerafdruk op de aarde zal zijn en hoe langer die zichtbaar zal zijn.

  5. Lennart van der Linde

    Ha Jos,
    Dank voor je reactie, en ik deel je conclusie: hoe meer uitstoot, hoe groter de gevolgen. Op een tijdschaal van eeuwen tot millennia zouden niet meegenomen trage feedbacks die gevolgen nog een stuk(je) groter kunnen maken voor een gegeven uitstoot dan Winkelmann et al schatten. Hoeveel groter blijft voorlopig een open vraag.

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s