De omvang van de menselijke bijdrage aan de moderne opwarming van de aarde is een fel bediscussieerd onderwerp in politieke kringen, vooral in de VS.

Tijdens een recente hoorzitting op het congres merkte Rick Perry, de Amerikaanse energiesecretaris, op dat “opstaan en zeggen dat 100% van de opwarming van de aarde het gevolg is van menselijke activiteit, denk ik op het eerste gezicht, gewoon onverdedigbaar is. ”.

De wetenschap over de menselijke bijdrage aan de moderne opwarming is echter vrij duidelijk. De uitstoot en activiteiten van mensen hebben volgens het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ongeveer 100% van de opwarming veroorzaakt die sinds 1950 is waargenomen. ) vijfde beoordelingsrapport.

Hier onderzoekt Carbon Brief hoe elk van de belangrijkste factoren die het klimaat op aarde beïnvloeden, de temperatuur afzonderlijk zou beïnvloeden – en hoe hun gecombineerde effecten bijna perfect langetermijnveranderingen in de mondiale temperatuur voorspellen. / p>

De analyse van Carbon Brief vindt th at:

• Sinds 1850 kan bijna alle opwarming op lange termijn worden verklaard door de uitstoot van broeikasgassen en andere menselijke activiteiten.
• Als alleen de uitstoot van broeikasgassen de planeet opwarmde , zouden we ongeveer een derde meer opwarming verwachten dan er werkelijk heeft plaatsgevonden. Ze worden gecompenseerd door afkoeling uit door mensen geproduceerde atmosferische aërosolen.
• Aërosolen zullen naar verwachting aanzienlijk afnemen tegen 2100, waardoor de totale opwarming van alle factoren dichter bij de opwarming van alleen broeikasgassen komt.
• Natuurlijk Het is onwaarschijnlijk dat variabiliteit in het klimaat op aarde een grote rol speelt bij de opwarming op lange termijn.

Animatie door Rosamund Pearce voor Carbon Brief. Afbeeldingen via Alamy Stock Photo.

Hoeveel opwarming wordt veroorzaakt door mensen?

In zijn vijfde beoordelingsrapport uit 2013 stelde het IPCC in zijn samenvatting voor beleidsmakers dat het “zeer waarschijnlijk is dat meer dan de helft van de waargenomen stijging van de mondiale gemiddelde oppervlaktetemperatuur ‘van 1951 tot 2010 werd veroorzaakt door menselijke activiteit. Met’ uiterst waarschijnlijk ‘betekende dit dat er tussen 95% en 100% kans was dat meer dan de helft van de moderne opwarming door mensen.

Deze enigszins ingewikkelde uitspraak is vaak verkeerd geïnterpreteerd als implicerend dat de menselijke verantwoordelijkheid voor moderne opwarming ergens tussen de 50% en 100% ligt. In feite, zoals dr.Gavin Schmidt van NASA heeft opgemerkt, was de impliciete beste gok van het IPCC dat mensen verantwoordelijk waren voor ongeveer 110% van de waargenomen opwarming (variërend van 72% tot 146%), waarbij natuurlijke factoren afzonderlijk leidden tot een lichte afkoeling. de afgelopen 50 jaar.

Evenzo bleek uit de recente vierde nationale klimaatbeoordeling van de VS dat tussen 93% en 123% van de waargenomen opwarming in 1951-2010 te wijten was aan menselijke activiteiten.

Deze conclusies hebben geleid tot enige verwarring over de vraag hoe meer dan 100% van de waargenomen opwarming kan worden toegeschreven aan menselijke activiteit. Een menselijke bijdrage van meer dan 100% is mogelijk omdat natuurlijke klimaatverandering in verband met vulkanen en zonneactiviteit hoogstwaarschijnlijk zou hebben geleid tot een lichte afkoeling in de afgelopen 50 jaar, waardoor een deel van de opwarming die gepaard gaat met menselijke activiteiten wordt gecompenseerd.

‘Forcings’ die het klimaat veranderen

Wetenschappers meten de verschillende factoren die van invloed zijn op de hoeveelheid energie die het klimaat op aarde bereikt en blijft. Ze staan bekend als “stralingsforceringen”.

Deze forceringen omvatten broeikasgassen, die uitgaande warmte vasthouden, aërosolen – zowel van menselijke activiteiten als vulkaanuitbarstingen – die binnenkomend zonlicht reflecteren en wolkenvorming beïnvloeden, veranderingen in zonne-output , veranderingen in het reflectievermogen van het aardoppervlak in verband met landgebruik, en vele andere factoren.

Om de rol van elke verschillende forcering in waargenomen temperatuurveranderingen te beoordelen, paste Carbon Brief een eenvoudig statistisch klimaatmodel aan, ontwikkeld door Dr. Karsten Haustein en zijn collega’s aan de Universiteit van Oxford en de Universiteit van Leeds. Dit model vindt de relatie tussen zowel menselijke als natuurlijke klimaatforceringen en temperatuur die het beste overeenkomt met de waargenomen temperaturen, zowel wereldwijd als alleen boven land.

De onderstaande figuur toont de geschatte rol van elke verschillende klimaatforcering in de veranderende mondiale oppervlaktetemperaturen sinds het begin van de registratie in 1850 – inclusief broeikasgassen (rode lijn), aerosolen (donkerblauwe e), landgebruik (lichtblauw), ozon (roze), zonne-energie (geel) en vulkanen (oranje).

De zwarte stippen tonen de waargenomen temperaturen van het Berkeley Earth-oppervlaktetemperatuurproject, terwijl de grijze lijn toont de geschatte opwarming van de combinatie van alle verschillende soorten forcings

De combinatie van alle stralingsforceringen komt over het algemeen vrij goed overeen met veranderingen op langere termijn in waargenomen temperaturen. Er is enige variabiliteit van jaar tot jaar, voornamelijk door El Niño-evenementen, die niet wordt veroorzaakt door veranderingen in de forcings. Er zijn ook periodes van 1900-1920 en 1930-1950 waarin enkele grotere meningsverschillen duidelijk zijn tussen geprojecteerde en waargenomen opwarming, zowel in dit eenvoudige model als in complexere klimaatmodellen.

De grafiek benadrukt dat vooral de geanalyseerde stralingsforceringen produceren alleen de toename van de uitstoot van broeikasgassen de omvang van de opwarming van de afgelopen 150 jaar.

Als alleen de uitstoot van broeikasgassen de planeet zou opwarmen, zouden we ongeveer een derde meer opwarming verwachten dan werkelijk heeft plaatsgevonden.

Welke rol spelen alle andere factoren dan?

De extra opwarming door broeikasgassen wordt gecompenseerd door zwaveldioxide en andere verbrandingsproducten van fossiele brandstoffen vormen atmosferische aërosolen. Aërosolen in de atmosfeer reflecteren zowel binnenkomende zonnestraling terug de ruimte in en verhogen de vorming van hoge, reflecterende wolken, waardoor de aarde wordt afgekoeld.

Ozon is een kortstondig broeikasgas dat uitgaande warmte vasthoudt en de aarde verwarmt. Ozon wordt niet direct uitgestoten, maar wordt gevormd wanneer methaan, koolmonoxide, stikstofoxiden en vluchtige organische stoffen in de atmosfeer worden afgebroken. Toename van ozon is direct toe te schrijven aan de menselijke uitstoot van deze gassen.

In de hogere atmosfeer hebben de afname van ozon in verband met chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s) en andere halogeenkoolwaterstoffen die de ozonlaag aantasten een bescheiden verkoelend effect gehad. De netto-effecten van gecombineerde ozonveranderingen in de lagere en hogere atmosfeer hebben de aarde bescheiden opgewarmd met enkele tienden van een graad.

Veranderingen in de manier waarop land wordt gebruikt, veranderen het reflectievermogen van het aardoppervlak. Als u bijvoorbeeld een bos vervangt door een veld, wordt er doorgaans meer zonlicht naar de ruimte gereflecteerd, vooral in besneeuwde gebieden. Het netto klimaateffect van veranderingen in landgebruik sinds 1850 is een bescheiden afkoeling.

Vulkanen hebben een kortstondig verkoelend effect op het klimaat door hun injectie van sulfaataerosolen hoog in de stratosfeer, waar ze kunnen blijven een paar jaar in de lucht en weerkaatst binnenkomend zonlicht de ruimte in. Zodra de sulfaten echter weer naar de oppervlakte afdrijven, verdwijnt het verkoelende effect van vulkanen. De oranje lijn toont de geschatte impact van vulkanen op het klimaat, met grote neerwaartse pieken in temperaturen tot 0,4 ° C in verband met grote uitbarstingen.

Ten slotte wordt de zonneactiviteit gemeten door satellieten in de afgelopen decennia en geschat op basis van het aantal zonnevlekken in het verre verleden. De hoeveelheid energie die via de zon de aarde bereikt, fluctueert bescheiden in een cyclus van ongeveer 11 jaar. Sinds de jaren 1850 is er een lichte toename van de totale zonneactiviteit, maar de hoeveelheid extra zonne-energie die de aarde bereikt is klein in vergelijking met andere onderzochte stralingsforceringen.

In de afgelopen 50 jaar heeft zonne-energie de aarde bereikt De aarde is in feite iets gedaald, terwijl de temperaturen dramatisch zijn gestegen.

Menselijke forceringen komen overeen met waargenomen opwarming

De nauwkeurigheid van dit model hangt af van de nauwkeurigheid van de schattingen van de stralingsforcering. Sommige soorten stralingsforcering, zoals die van atmosferische CO2-concentraties, kunnen direct worden gemeten en hebben relatief kleine onzekerheden. Andere, zoals aërosolen, zijn onderhevig aan veel grotere onzekerheden vanwege de moeilijkheid om hun effecten op wolkenvorming nauwkeurig te meten.

Deze worden verantwoord in de onderstaande figuur, die de gecombineerde natuurlijke forceringen laat zien (blauwe lijn) en menselijke forcings (rode lijn) en de onzekerheden die het statistische model daarmee associeert. Deze gearceerde gebieden zijn gebaseerd op 200 verschillende schattingen van stralingsforceringen, waarbij onderzoek is gedaan om voor elk een reeks waarden te schatten. Onzekerheden in menselijke factoren nemen toe na 1960, grotendeels gedreven door toenames in aerosolemissies na dat punt.

Over het algemeen komt de opwarming van alle menselijke krachten vrij goed overeen met de waargenomen opwarming, wat aantoont dat ongeveer 104% van het totaal sinds het begin van de ‘moderne’ periode in 1950 komt voort uit menselijke activiteiten (en 103% sinds 1850), wat vergelijkbaar is met de waarde gerapporteerd door het IPCC.Gecombineerde natuurlijke forceringen vertonen een bescheiden afkoeling, voornamelijk veroorzaakt door vulkaanuitbarstingen.

Het eenvoudige statistische model dat door Carbon Brief voor deze analyse wordt gebruikt, verschilt van veel complexere klimaatmodellen die doorgaans door wetenschappers worden gebruikt om de menselijke vingerafdruk bij opwarming te beoordelen. . Klimaatmodellen passen niet alleen forceringen toe op waargenomen temperaturen. Klimaatmodellen houden ook rekening met variaties in temperatuur over ruimte en tijd, en kunnen rekening houden met verschillende efficiëntie van stralingsforceringen in verschillende delen van de aarde.

Bij het analyseren van de impact van verschillende forcings op de mondiale temperatuur, vinden complexe klimaatmodellen over het algemeen resultaten die vergelijkbaar zijn met eenvoudige statistische modellen. De onderstaande figuur, uit het IPCC’s Fifth Assessment Report, toont de invloed van verschillende factoren op temperatuur voor de periode van 1950 tot 2010. De waargenomen temperaturen worden in het zwart weergegeven, terwijl de som van de menselijke krachten in oranje wordt weergegeven.

Dit suggereert dat menselijke forceringen alleen al zouden hebben geleid tot ongeveer 110% van de waargenomen opwarming. Het IPCC heeft ook de geschatte omvang van de interne variabiliteit over die periode in de modellen opgenomen, die volgens hen relatief klein is en vergelijkbaar met die van natuurlijke forcings.

Zoals prof Gabi Hegerl van de Universiteit van Edinburgh tegen Carbon Brief : “Het IPCC-rapport heeft een schatting die in feite zegt dat de beste gok geen bijdrage is met niet zo veel onzekerheid.”

Landgebieden warmt sneller op

Landtemperaturen zijn aanzienlijk sneller opgewarmd dan gemiddelde mondiale temperaturen in de afgelopen eeuw, met temperaturen die de afgelopen jaren rond de 1,7 ° C boven het pre-industriële niveau uitkwamen. Het landtemperatuurrecord gaat ook verder terug in de tijd dan het mondiale temperatuurrecord, hoewel de periode vóór 1850 onderhevig is aan veel grotere onzekerheden.

Zowel menselijke als natuurlijke stralingsforceringen kunnen worden vergeleken met landtemperaturen met behulp van het statistische model. De omvang van menselijke en natuurlijke forceringen zal enigszins verschillen tussen land- en mondiale temperatuur s. Vulkaanuitbarstingen lijken bijvoorbeeld een grotere invloed te hebben op land, aangezien landtemperaturen waarschijnlijk sneller zullen reageren op snelle veranderingen in forceringen.

De onderstaande figuur toont de relatieve bijdrage van elke verschillende stralingsforcering aan landtemperaturen sinds 1750.

De combinatie van alle forceringen komt over het algemeen vrij goed overeen met de waargenomen temperaturen, met variabiliteit op korte termijn rond de grijze lijn, voornamelijk aangedreven door El Niño en La Niña-evenementen. Er is een grotere variatie in temperaturen vóór 1850, als gevolg van de veel grotere onzekerheden in de observatierecords die zover teruggaan.

Er is nog steeds een periode rond 1930 en 1940 waarin observaties groter zijn dan wat het model voorspelt, hoewel de verschillen zijn minder uitgesproken dan in mondiale temperaturen en de divergentie van 1900-1920 is meestal afwezig in landrecords.

Vulkaanuitbarstingen aan het einde van de 18e eeuw en het begin van de 19e eeuw vallen sterk op in het landrecord. De uitbarsting van de berg Tambora in Indonesië in 1815 kan de landtemperaturen met maar liefst 1,5 ° C hebben afgekoeld, hoewel de gegevens destijds beperkt waren tot delen van het noordelijk halfrond en het daarom moeilijk is om een definitieve conclusie te trekken over de mondiale gevolgen. In het algemeen lijken vulkanen de landtemperaturen bijna twee keer zo veel af te koelen als de temperatuur op aarde.

Wat kan er in de toekomst gebeuren?

Carbon Brief gebruikte hetzelfde model om toekomstige temperatuurveranderingen te projecteren geassocieerd met elke forcerende factor. De onderstaande figuur toont waarnemingen tot 2017, samen met toekomstige stralingsforceringen na 2017 van RCP6.0, een scenario van gemiddelde tot hoge opwarming in de toekomst.

Indien voorzien van de stralingsforceringen voor het RCP6.0-scenario, toont het eenvoudige statistische model een opwarming van ongeveer 3C tegen 2100, bijna identiek aan de gemiddelde opwarming die klimaatmodellen vinden.

Verwacht wordt dat toekomstige stralingsforcering van CO2 zal blijven toenemen als de emissies stijgen.Aërosolen daarentegen zullen naar verwachting een hoogtepunt bereiken op het huidige niveau en aanzienlijk afnemen tegen 2100, grotendeels gedreven door bezorgdheid over de luchtkwaliteit. Deze vermindering van aerosolen zal de algehele opwarming versterken, waardoor de totale opwarming door alle stralingsforcering dichter bij de opwarming door alleen broeikasgassen komt. De RCP-scenario’s gaan ervan uit dat er geen specifieke toekomstige vulkaanuitbarstingen zijn, aangezien de timing hiervan onkenbaar is, terwijl de zonne-energie haar cyclus van 11 jaar voortzet.

Deze benadering kan ook worden toegepast op landtemperaturen, zoals weergegeven in de figuur hieronder. Hier worden landtemperaturen weergegeven tussen 1750 en 2100, met post-2017 forcings ook van RCP6.0.

Verwacht wordt dat het land ongeveer 30% sneller opwarmt dan de aarde als geheel, aangezien de opwarmsnelheid boven de oceanen wordt gebufferd door de opname van oceaanwarmte. Dit is te zien in de modelresultaten, waar land opwarmt met ongeveer 4 ° C tegen 2100 vergeleken met 3 ° C wereldwijd in het RCP6.0-scenario.

Er is een breed scala aan toekomstige opwarming mogelijk vanuit verschillende RCP-scenario’s en verschillende waarden voor de gevoeligheid van het klimaatsysteem, maar ze vertonen allemaal een soortgelijk patroon van afnemende toekomstige aërosolemissies en een grotere rol voor de broeikasgasforcering in toekomstige temperaturen.

De rol van natuurlijke variabiliteit

Hoewel natuurlijke forceringen van zonne-energie en vulkanen geen grote rol lijken te spelen bij de opwarming op lange termijn, is er ook natuurlijke variabiliteit in verband met oceaancycli en variaties in de opname van oceaanwarmte.

Zoals de overgrote meerderheid van energie die wordt vastgehouden door broeikasgassen wordt geabsorbeerd door de oceanen in plaats van door de atmosfeer. Veranderingen in de snelheid waarmee de oceaanwarmte wordt opgenomen, kunnen mogelijk grote gevolgen hebben voor de oppervlaktetemperatuur. Sommige onderzoekers hebben betoogd dat multidecadale cycli, zoals de Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) en Pacific Decadal Oscillation (PDO), een rol kunnen spelen bij de opwarming op decadale schaal.

Terwijl menselijke factoren de lange termijn verklaren -termijn opwarming, er zijn enkele specifieke perioden die sneller lijken te zijn opgewarmd of afgekoeld dan kan worden verklaard op basis van onze beste schattingen van stralingsforcering. De bescheiden discrepantie tussen de op stralingsforcering gebaseerde schatting en waarnemingen in het midden van de 20e eeuw zou bijvoorbeeld kunnen wijzen op een rol van natuurlijke variabiliteit in die periode.

Een aantal onderzoekers heeft het potentieel van natuurlijke variabiliteit om de opwarmingstrends op de lange termijn te beïnvloeden. Ze hebben ontdekt dat het over het algemeen een beperkte rol speelt. Dr. Markus Huber en Dr. Reto Knutti van het Institute for Atmospheric and Climate Science (IAC) in Zürich vonden bijvoorbeeld een maximale mogelijke bijdrage van natuurlijke variabiliteit van ongeveer 26% (+/- 12%) in de afgelopen 100 jaar en 18% (+/- 9%) in de afgelopen 50 jaar.

Knutti vertelt Carbon Brief:

“We kunnen nooit volledig regeren uit dat de natuurlijke variabiliteit groter is dan we momenteel denken. Maar dat is een zwak argument: je kunt natuurlijk nooit het onbekende onbekende uitsluiten. De vraag is of er sterk of zelfs maar enig bewijs voor is. En het antwoord is nee, naar mijn mening.

Modellen krijgen de temperatuurvariabiliteit op korte termijn ongeveer goed. In veel gevallen hebben ze zelfs te veel. En voor de lange termijn kunnen we het niet zeker weten, omdat de waarnemingen beperkt zijn. Maar de geforceerde reactie verklaart vrijwel de waarnemingen, dus er is geen bewijs uit de 20e eeuw dat we iets missen ething …

Zelfs als werd vastgesteld dat modellen de interne variabiliteit met een factor drie onderschatten, is dat het is uiterst onwaarschijnlijk dat interne variabiliteit een zo grote trend zou opleveren als waargenomen. “

Evenzo hebben Dr. Martin Stolpe en collega’s, ook bij IAC, onlangs de rol geanalyseerd van multidecadale natuurlijke variabiliteit in zowel de Atlantische als de Stille Oceaan. Ze ontdekten dat “minder dan 10% van de waargenomen opwarming van de aarde in de tweede helft van de 20e eeuw wordt veroorzaakt door interne variabiliteit in deze twee oceaanbekkens, wat de toewijzing van de meeste waargenomen opwarming aan antropogene forcings versterkt”.

Interne variabiliteit speelt waarschijnlijk een veel grotere rol bij regionale temperaturen. Bijvoorbeeld bij het produceren van ongebruikelijk warme periodes in het noordpoolgebied en de VS in de jaren dertig. De rol ervan bij het beïnvloeden van langetermijnveranderingen in mondiale oppervlaktetemperaturen blijkt echter worden beperkt.

Conclusie

Hoewel er natuurlijke factoren zijn die het klimaat op aarde beïnvloeden, zou de gecombineerde invloed van vulkanen en veranderingen in zonneactiviteit hebben geleid tot afkoeling in plaats van opwarming afgelopen 50 jaar.

De opwarming van de aarde in de afgelopen 150 jaar komt bijna perfect overeen met wat wordt verwacht van de uitstoot van broeikasgassen en andere menselijke activiteit, zowel in het eenvoudige model dat hier wordt onderzocht als in meer complexe klimaatmodellen. De beste schatting van de menselijke bijdrage aan moderne opwarming is ongeveer 100%.

Er blijft enige onzekerheid bestaan vanwege de rol van natuurlijke variabiliteit, maar onderzoekers suggereren dat oceaanschommelingen en soortgelijke factoren waarschijnlijk niet de oorzaak zijn van meer dan een kleine fractie van de moderne opwarming van de aarde.

Methodologie

Het eenvoudige statistische model dat in dit artikel wordt gebruikt, is aangepast van de Global Warming Index gepubliceerd door Haustein et al (2017). Het is op zijn beurt gebaseerd op het model van Otto et al (2015).

Het model schat de bijdragen aan waargenomen klimaatverandering en verwijdert de impact van natuurlijke schommelingen van jaar tot jaar door een meervoudige lineaire regressie van waargenomen temperaturen en geschatte reacties op totale door de mens veroorzaakte en totale natuurlijke oorzaken van klimaatverandering. De dwingende reacties worden geleverd door het standaard eenvoudige klimaatmodel dat wordt gegeven in Hoofdstuk 8 van IPCC (2013), maar de grootte van deze reacties wordt geschat door de mate waarin de observaties passen. De forcings zijn gebaseerd op IPCC (2013) -waarden en zijn bijgewerkt naar 2017 met behulp van gegevens van NOAA en ECLIPSE. 200 variaties van deze forcings werden geleverd door Dr. Piers Forster van de Universiteit van Leeds, die de onzekerheid in de forcingschattingen weerspiegelen. Er wordt ook een Excel-spreadsheet met hun model meegeleverd.

Het model werd aangepast door forceringsreacties te berekenen voor elk van de verschillende belangrijke klimaatforceringen in plaats van simpelweg de totale menselijke en natuurlijke forceringen, met gebruikmaking van het Berkeley Earth-record voor waarnemingen. De vervaltijd van thermische respons die wordt gebruikt bij het omzetten van forcings in forcingsreacties werd aangepast naar één jaar in plaats van vier jaar voor vulkanische forcings om de snelle responstijd die aanwezig is in observaties beter weer te geven. De effecten van El Niño en La Niña (ENSO) -gebeurtenissen werden verwijderd uit de waarnemingen met behulp van een benadering die is aangepast van Foster en Rahmstorf (2011) en de Kaplan El Niño 3.4-index bij het berekenen van de vulkanische temperatuurrespons, aangezien de overlap tussen vulkanen en ENSO anders compliceert empirische schattingen.

De temperatuurrespons voor elke individuele forcering werd berekend door hun forcerende responsen te schalen met de totale menselijke of natuurlijke coëfficiënten van het regressiemodel. Het regressiemodel werd ook afzonderlijk uitgevoerd voor landtemperaturen. Temperatuurresponsen voor elke forcering tussen 2018 en 2100 werden geschat met behulp van forcingsgegevens van RCP6.0, genormaliseerd om overeen te stemmen met de omvang van de waargenomen forcings aan het einde van 2017.

Onzekerheden in de totale menselijke en totale natuurlijke temperatuurrespons was geschat met behulp van een Monte Carlo-analyse van 200 verschillende forcingsreeksen, evenals de onzekerheden in de geschatte regressiecoëfficiënten. De Python-code die wordt gebruikt om het model uit te voeren, wordt gearchiveerd met GitHub en kan worden gedownload.

Observatiegegevens uit 2017 die in de figuren worden weergegeven, zijn gebaseerd op het gemiddelde van de eerste 10 maanden van het jaar en zullen waarschijnlijk vergelijkbaar met de uiteindelijke jaarlijkse waarde.