Klima og kulstoffets kredsløb: Livet på Jorden er med til at regulere klimaet

I 1859 fremstillede den irske fysiker John Tyndall en hjemmesnedkereret anordning, som skulle måle, hvordan stråling ved forskellige bølgelængder opførte sig i luften.

Oxygen og nitrogengas så ikke ud til at have effekt på strålingen, men han opdagede, at karbondioxid, vanddamp og metan kunne absorbere infrarød stråling – eller varmestråling.

John Tyndalls opdagelse lagde grundlaget for forståelsen af drivhuseffekten. Det skriver Dag Hessen om i bogen 'Karbon'. Dag Hessen er biolog og professor ved Universitetet i Oslo. Han er kendt for sin forskning i vand, økologi og evolution.

Da han mødtes med forskning.no, Videnskab.dk’s norske søstersite, var han på vej til Svalbard for at forske i CO₂- og metanudslip i indsøer på øgruppen.

Karbon - kulstof - som alt liv på Jorden er afhængigt af, er kilde til stigende bekymring, når det sammen med to oxygenatomer skaber drivhusgassen CO₂.

I bogen om karbon tager Dag Hessen læseren med på en rejse i luften, i jorden og i havets dyb.

På denne måde gør han det lettere at forstå, hvordan klimaet bliver reguleret, og hvordan verdens indbyggere og bestanddele påvirker hinanden i et gensidigt samspil.

For det er ikke klimaet, som styrer livet; klimaet på Jorden er skabt og bliver opretholdt af livet selv, påpeger Dag Hessen.

Jorden er en mærkværdig planet

Mens Venus 'brænder' under en tyk atmosfære af CO₂ og en smule nitrogen, lever mennesker og dyr i en behagelig atmosfære her på Jorden.

»Mars og Venus har den gassammensætning, som naturligt indstilles, lidt afhængigt af hvor i Solsystemet planeten befinder sig. Jorden er mærkværdig, på den måde at vi har et meget lavere CO₂-niveau og langt mere oxygen, end en gas-sammensætning i ligevægt ville have,« siger Dag Hessen til forskning.no.

Det er, fordi Jordens atmosfære i høj grad bliver opretholdt af livet selv; en symbiose mellem det, som bygger, og det, som brænder, som Dag Hessen beskriver det.

Planeterne kan omdanne CO₂ og solenergi til stivelse samt frigive oxygen, mens andre organismer forbrænder energien, som planeterne har lagret, og frigiver CO₂.

Et mylder af bakterier, svampe, alger, biller, dyr og mennesker tager del i processen.

LÆS OGSÅ: Vi er så heldige, at vi lever i et univers, som er som skabt for os

Urtidsskovene kvalte næsten sig selv

For 300 millioner år siden – i de geologiske perioder, som kaldes Karbon og Perm – begyndte oxygenniveauet i atmosfæren at stige.

Enorme sumpskove dækkede kloden. Resterne efter skovene blev til olie, kul og gas under jordskorpen.

De kæmpe kulstoflagre har ligget uberørte hen, helt indtil vi mennesker begyndte at slippe det ud i atmosfæren i løbet af et kort historisk øjeblik.

Sumpskovene i de forhistoriske perioder var så frodige, at de til sidst nærmest blev kvalt i deres egen succes, skriver Dag Hessen. Den enorme kulstoflagring i biomassen og i jorden førte til mindre CO₂ i atmosfæren, og planterne begyndte at få åndedrætsproblemer.

Planterødderne hjalp med til at erodere jordbunden, så mere næring blev skyllet ud i havet. Algerne brugte næringen til at binde endnu mere CO₂. Oxygenniveauet blev til sidst så højt, at der opstod gode betingelser for et velkendt fænomen: Skovbrande.

Brandene førte CO₂ tilbage i atmosfæren, og der blev færre planter. Mindre CO₂ resulterede også i et koldere klima, mere isdække og dermed mindre forvitring af fast fjeld og sediment.

LÆS OGSÅ: Kulstof - hvad er det?

Vi skal begænse risikoen for utilsigtede processer

I hvilken rækkefølge, det hele skete, er ikke godt at vide, og mange andre faktorer spillede muligvis ind.

Men som Dag O. Hessen skriver:

»Der findes mange kemiske og biologiske mekanismer, som alle med en vis sandsynlighed vil slå ind, når pendulet svinger for langt til den ene side, som tvinger det tilbage igen.«

I dag ser vi ændringer i klimaet, men hvilke mekanismer det vil udløse, ved vi ikke med sikkerhed.

Dét, som er sikkert, er, at vi skal begrænse risikoen for ikke at sætte gang i utilsigtede processer, som kan ændre klimaet på Jorden lang tid fremover.

Norske skove sætter karbon ind på kontoen

Hvordan lagres karbon i dag? Hvor meget bliver afgivet i atmosfæren?

Det er faktisk ikke sådan, at planterne kun optager CO₂, de afgiver også meget, forklarer Dag Hessen.

Planternes celler respirerer eller forbrænder energi for at skaffe energi. Om natten afgiver planterne mere CO_2, end de optager.

En del af mængden af CO₂ tager blot en smuttur indenom planternes blade. Men en stor del bliver lagret.

Det er faktisk nåleskovene, som strækker sig over Norge, Sverige, Rusland, Canada og Nordamerika, som lagrer den største mængde karbon på Jorden.

Den boreale skov, som man kalder skovene i de nordlige klimatiske områder, udgør 1/3 af verdens områder med træer, men holder på 60 procent af alt det karbon, som er lagret i skovene.

»Der er en afgørende forskel på de nordlige områder, vi bor i, og de sydlige med tropiske træer. Det karbon, som er lagret i stående biomasse, det vil sige hovedsaglig træerne, er det samme. Forskellen ligger i, hvordan grene, blade og træ bliver nedbrudt,« siger Dag Hessen.

LÆS OGSÅ: CO2 kan gemmes i undergrunden

I de tropiske skove forsyner svampe og mikroorganismer sig med nedfaldet og omdanner stort set alting tilbage til CO₂.

Men nedbrydningen er ikke lige effektiv i det våde og kolde nord. Det skyldes blandt andet, at vi har en anderledes svampeflora, som ikke er i stand til effektivt at nedbryde lignin (stof, der gør planters cellevægge træagtige, red.) og cellulose, der er en vigtig bestanddel af planters cellevægge, i træet.

»Undtagelsen for denne forskel mellem nord og syd findes især i våde områder som regnskove, der kan lagre store mængder karbon - også i jordbunden. Indonesien har dybe tørvemoser, som lagrer enorme mængder karbon. Tørvemoserne afgiver karbon ved afbrænding og dræning,« fortæller Dag Hessen.

»I nord dannes der også tørvemoser, som er effektive i forhold til lagring af både vand og kulstof. Og - hvis det er koldt nok - så får vi også permafrostområder, som så at sige lægger karbonmængden i fryseboksen. Nord for de boreale skove ligger enorme karbonlagre nedfrosset i tundraen.«

Bedst med gammel eller ung skov?

I mange lande diskuterer man at bruge skoven som klimatiltag, heriblandt i Norge.

Men hvad fjerner CO₂ fra atmosfæren bedst? Ung skov eller gammel skov, som får lov til at stå i fred? Det har vi ikke noget entydigt svar på, siger Dag Hessen.

»En hurtigt voksende skov kan optage store mængder karbon, når træerne når en vis størrelse,« fortæller han.

Hvor meget CO₂, som bliver fjernet fra atmosfæren ved intensiv skovbrug, kommer an på, hvad træerne skal bruges til.

Skal de brændes, blive til papir med kort levetid, eller skal de bruges til at bygge et hus, som skal stå i 100 år?

»Det er også klart, at en hel del karbon vil blive frigivet fra jordbunden, når man fælder en skov. Det er vist, at varierede skove ofte har et mere effektivt kulstofoptag per arealenhed end mere ensartede skove.«

Det skyldes blandt andet svampene, som lever i skovene.

På kurs mod et historisk højt CO2-niveau

Økosystemerne ud- og indånder mere end 200 milliarder ton karbon hvert år - mere ind end ud.

Mennesker tilfører atmosfæren næsten 10 millioner ton ekstra, altså blot 5 procent af naturens egne udslip.

Bemærk dog, at tallene afhænger af, om de er opgivet i mængden af kulstof (karbon - C) eller kuldioxid (CO₂).

Alligevel er det vores udledning, som har resulteret i, at den atmosfæriske koncentration af CO₂ er steget fra cirka 300 ppm, dengang forskeren Charles David Keeling begyndte sine målinger i slutningen af 1950’erne, til mere end 400 ppm i dag.

Ppm betyder parts per million. Tallet viser, hvor mange CO₂ molekyler der er per million molekyler i atmosfæren.

De seneste 880.000 år har andelen af CO₂ i atmosfæren svinget mellem 200 og 300 ppm, ifølge forskernes analyser af iskerner udboret i Grønland og i Antarktis. Vi er på kurs mod et CO₂-niveau, som kloden formentlig ikke har set i mange millioner år.

LÆS OGSÅ: Forskere vil binde CO2 i sten

Alger lagrer kulstof

Egentlig burde det atmosfæriske CO₂-niveau stige endnu mere som følge af vores udledning, men heldigvis tager planterne i havet og på jordbunden hånd om cirka halvdelen af vores udledning hvert år.

»Der sker en udveksling af CO₂ mellem havoverfladen og luften, så når der er mere CO₂ i atmosfæren, er der også mere i vandet. En stor del bliver absorberet af alger, planteplankton,« siger Dag Hessen.

»Algerne indgår i flere fødekæder. Mængden af CO₂ vil efterhånden blive nedbrudt, indåndet for så at vende tilbage til fødekæden, så det er nærmest som en cyklus. Men en del synker ned og bliver permanent liggende; enten ved at det bliver ædt af dyr, som så dør og synker til bunds, eller ved masseopblomstringer af alger, der dør.«

Kalkflagellaten, eller kalkalgen Emiliania huxley spiller en vigtig rolle. Ved store opblomstninger kan kalkalgerne ses fra verdensrummet som lyse områder i havet, og det kan have en effekt på Jordens refleksion af sollys.

Emiliania huxley er også fantastisk god til at binde CO₂, og en del af det bliver omdannet til kalcit, eller kalkspat; et farveløst eller hvidt mineral bestående af calciumkarbonat, som ender på havbunden, hvor karbonet bliver lagret.

LÆS OGSÅ: Tang spiller overset stor rolle for det globale klima​

Også vandlopperne spiller en stor rolle i dette kredsløb.

»Vandlopper spiser en masse alger og producerer små 'fecal pellets' (afføring i miniaturestørrelse), som synker ned, og som er en utrolig effektiv transportmekanisme af kulstof. Vi har regnet lidt på det, og det er helt utroligt, hvor meget disse små organismer transporterer fra overfladen ned i dybet,« forklarer Dag O. Hessen, som opsummerer:

»Biologien er ekstremt vigtig, når vi taler om klimaet. Ikke bare de store processer, som balancerer det, men også processer, som foregår i økosystemerne, når karbon bliver omsat gennem fødekæden.«

LÆS OGSÅ: Vandlopper er verdenshavenes effektive kuldioxid-svampe

Planterne hungrer efter CO2

Rubisco (ribulose-bisfosfat-carboxylase), det protein, som er afgørende for fotosyntese, er et urgammelt enzym fra planternes barndom.

Det blev udviklet i en atmosfære, som indeholdt mere CO₂ end i dag, men næsten ingen oxygen, skriver Dag Hessen.

Proteinet har fulgt planternes evolution og har ikke ændret sig i takt med ændringerne i atmosfæren.

Når forholdet mellem molekyler bliver forskudt mod O₂ i atmosfæren, er rubisco mindre effektiv. Planterne hungrer derfor konstant efter CO₂.

Det er heldigt for os. Øget plantevækst bidrager i nogen grad til, at den atmosfæriske koncentration af CO₂ ikke stiger hurtigere, end den gør.

De fleste planter er imidlertid jo ikke så glade for tørke, og de har brug for fosfor, noget som er begrænsende. Desuden begrænser ikke mindst mennesket skovenes udbredelse.

LÆS OGSÅ: Hvad er et ton CO2?

'Albedo-effekt' spiller kompliceret rolle

Endnu en kompliceret forbindelse mellem plantevækst og klima er den såkaldte 'albedo-effekt'. Ordet albedo betyder 'hvidhed' på latin, og det er netop de lyse områder, som afgør effekten.

Ny sne reflekterer 85 procent af varmen tilbage til rummet, is reflekterer mellem 30 og 40 procent - det samme som bar eller tør jord, skriver Dag O. Hessen.

Når isen smelter i Arktis, bliver mindre lys reflekteret tilbage, og hav og jord bliver opvarmet. I nord bliver der mere grønt, og mere skov og krat reducerer albedoen og øger varmeoptagelsen.

Det er derfor ikke helt let at sige, om det ender på klimaregnskabets plus- eller minusside.

Noget, som er helt sikkert, er dog, at dyr, som er tilpasset et særligt miljø, vil kunne mærke ændringerne på egen krop.

LÆS OGSÅ: Forskere om CO2-aflad: Du kan ikke kompensere for dine flyveture ved at plante træer

Jorden har mange termostater

Der er i det hele taget vældig mange ting, som afhænger af hinanden, når det handler om Jordens temperatur.

Det var James Lovelock, som først formulerede den hypotese, som bliver kaldt Gaia-teorien, hvor Jorden bliver beskrevet som en levende organisme, der kan regulere sin egen temperatur.

Når noget bringer klimaet ud af balance, bliver der sat gang i en række feedback mekanismer, som kan være selvforstærkende eller regulerende.

Desværre er det de selvforstærkende, som er mest aktive, i en tidshorisont som er relevant for os, som lever her og nu.

Økosystemerne på Jorden har mange regulerende feedback-mekanismer, forklarer Dag Hessen. Både fysiske, kemiske, geologiske og biologiske.

Et velkendt eksempel fra dyreriget er, at hvis der er for mange rovdyr i et område, vil der også være færre byttedyr, hvilket vil resultere i, at færre rovdyr vokser op.

Klimaet er kommet sig flere gange efter ekstreme perioder i Jordens historie, men ændringerne er sandsynligvis aldrig sket så hurtigt som nu.

LÆS OGSÅ: CO2 kan blive fremtidens ressource

Feedback-mekanismerne er begyndt at slå ind

Det mest skræmmende spørgsmål er, om vi mennesker er i færd med at påvirke livet på kloden og klimaet, i en sådan grad at vi havner i en ond cirkel af stigende opvarmning og naturkatastrofer.

Forhåbentlig undgår vi de mest dramatiske scenarier.

»Det, vi tilsyneladende ser, er reduceret albedo. Det resulterer i, at mere varme bliver absorberet, og så får vi mindre is og sne. Så bliver mere varme absorberet, og nu kan vi se, hvordan det ender som en selvforstærkende cyklus,« fortæller Dag Hessen.

»Det andet, vi ser, er en optøning af permafrost mange steder. Karbon, som har ligget i permafrosten, og som begynder at røre på sig, bliver omdannet til CO₂. Vi frygter, at det vil betyde større udslip af metan, som ligger i permafrosten. Det ville være en meget skræmmende form for feedback-mekanisme. Indtil videre ser vi imidlertid ingen entydige tegn på dette.«

LÆS OGSÅ: I Arktis tikker en metanbombe

At varmere hav har negativ effekt på CO2-lagring i havet

Forskerne kan derimod allerede se, at overfladevandet i havet er ved at blive varmere. Et varmere hav kan lægge sig som et låg på vandet og mindske cirkulationen, så mindre af det næringsrige dybtliggende havvand bevæger sig op.

Det har en negativ effekt på algeproduktionen og dermed CO₂-lagringen i havet.

En stor algeproduktion er også associeret med skydannelse og har derfor en nedkølende effekt. På den anden side gøder mennesker skovene og havet ved at sætte store mængder fosfor og nitrogen i omløb i landbruget.

Dette stimulerer plante- og algeproduktionen, men bidrager også til mere nitrogenoxid, som også er en drivhusgas. Det illustrerer, at der er meget, som spiller ind, og at det, som er dårligt for noget, kan være godt for noget andet - og omvendt.

LÆS OGSÅ: Grønlandske tangskove modvirker havforsuringen

Havforsuring og afskovning er skidt

Forskerne er også begyndt at se, at havet er blevet mere surt, og det skyldes, at en svag syre bliver dannet, når CO₂ bliver lagret i vand.

»Foreløbig er det ikke en særlig stærk effekt, men det kan det blive på sigt.«

Havforsuring er dårligt nyt for organismer, som indeholder kalk, og det er især bekymrende, at den førnævnte kalkflagellat og karbontransportør Emiliania huxley risikerer at lide skade.

På landjorden er et af de mest skræmmende scenarier, at afskovning og et varmere klima vil få det til at tippe over for regnskoven i Amazonas med alle de ændringer, det vil føre med sig.

»En feedback-mekanisme på stor skala er, hvis Amazonas bliver fragmenteret og udtørret, i en sådan grad at store dele af skoven bliver omdannet til savanne.«

Ifølge Dag Hessen er denne feedback-mekanisme den mest skræmmende af alle.

»Det er først nu, at vi er begyndt at tage det med i klimamodellerne. Men det er meget vanskeligt at forudse, netop fordi feedback-mekanismerne har en selvforstærkende natur, og fordi så mange ting har effekt.«

LÆS OGSÅ: Kan vi ikke bare fjerne CO2 fra luften?

Planeten er ved at komme på ret køl, men det kan tage lidt tid…

Dag Hessen er temmelig sikker på, at menneskeheden vil overleve, og at verden ikke 'vil gå under'.

Ikke desto mindre vil vi se nogle dramatiske regionale konsekvenser med globale effekter.

Men vi kan trøste os med, at der er nogle langsomme mekanismer, som kan tvinge CO₂-niveauet ned igen.

»Når fast fjeld nedbrydes, så binder det CO₂, og det vil gradvist trække gassen ud af atmosfæren. Og så er der store processer, som når bjergkæder bliver dannet.«

»Da Himalaya blev dannet, skete der en nedkøling, og forskere mener, at nedbrydningen steg. Dannelsen af bjergkæder eksponerer fjeld og sedimenter for vejr, vind og CO₂, og silicium og fosfor bliver transporteret ned og gøder havet.«

Planterne fremskynder denne forvitring, samtidig med at de absorberer CO₂.

Her taler vi om et perspektiv på et par hundredetusinde år. På en tidsskala, der er mere relevant for os, er det de biologiske processer, som dominerer, og den eneste sikre proces for frigørelse af CO₂ på en stor skala er indtil videre planternes fotosyntese.

LÆS OGSÅ: Forskere forvandler CO2 til grønt brændstof

Metan-regnestykket går ikke op

Der er også et samspil mellem metan og karbon.

Metanproducerende bakterier kan gøre brug af kulstof i moser, mens metan bliver omdannet til CO₂, når det brændes eller nedbrydes i atmosfæren.

Begge er drivhusgasser, og bliver der mere af det ene, har der gennem hele Jordens historie været en tendens til, at der efterfølgende bliver mere af det andet.

Metan er en kraftigere klimagas end CO₂. Det skyldes bindingerne i molekylerne.

Enkeltbindingerne i metan, eller CH₄, kan fange mere af den infrarøde varmestråling end CO₂-molekylets dobbeltbindinger.

Til gengæld bliver metan meget hurtigere nedbrudt i atmosfæren.

De største naturlige metan-kilder er vådområder, rismarker og indsøer, skriver Dag Hessen. Det kan diskuteres, om alle udledningerne er naturlige, da mennesket har bidraget ved at dyrke rismarker og opdæmme vand.

LÆS OGSÅ: Ved at omdanne metan til CO2 kan vi afhjælpe klimakrisen

Metan er en klimajoker

Uanset hvad så overgår de menneskeskabte metanudledninger klart de naturlige.

Hvert år bliver 330 millioner ton udledt, hovedsagelig fra energisektoren og kvægdrift. Heldigvis bliver 97 procent af udledningen brudt ned i atmosfæren om året.

Men fordi regnstykket ikke balancerer, stiger metankoncentrationen i atmosfæren, hvilket bidrager til opvarmningen. Målinger viser, at pilen peger stejlt opad.

Metan er en klima-joker, skriver Dag Hessen. Hvis store metanlagre i form af frosne methanhydrater begynder at røre på sig, kan der virkelig komme fart på nogle skræmmende feedback-mekanismer som følge af den stærke opvarmningseffekt.

»Men metan er lettere at håndtere, på den måde at det øjeblik, vi formår at begrænse metanudledningen, vil have en øjeblikkelig effekt, ved at opvarmningen bliver bremset.«

Banen kridtes op

Vi talte lidt om skove, er der noget, vi kan gøre for at øge kulstofbinding i landbruget?

»Det umiddelbart mest afgørende er ikke at udgrave moser, som man ellers har gjort i stor stil. Vi skal bevare vådområderne som store karbonlagre. Så det er vigtigt at undgå erosion (naturligt slid og nedbrydning, red.) af jorden og undgå pløjning,« fortæller Dag Hessen.

»Desuden er det afgørende, at landbruget reducerer metanudledningen. Men vi må ikke lade debatten om landbruget dominere det virkelig store bidrag, som er offshore-industrien (som olie-, gas- og vindmølleselskaber, red.). I fremtiden skal vi først og fremmest begrænse CO₂-udledningen,« siger Dag Hessen.

»Derefter skal vi have en periode med såkaldt negativ kulstofudledning. Vi er nødt til at trække CO₂ fra atmosfæren, og det er kun vegetation, som gør det i dag. Der er adskillige smarte forslag til løsninger på teknologier, men jeg anser ikke én eneste som realistisk.«

I følge Dag Hessen er det netop den effekt, som biologi har på klimaet - og som også er argumentet for at bevare skovene, økosystemerne, at undgå havforsuring og så videre - som er ekstremt vigtigt at belyse.

»Vi tror tit, at klimaet påvirker alt, men det, som gør, at vi kan leve på Jorden - i hvert fald for højere organismer - er livet selv. Jorden startede som en iltfri planet. Livet har genereret de forhold, vi har nu. Men grænserne for, hvad økosystemerne kan tage hånd om, er ved at blive overskredet,« slutter Dag Hessen.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark

LÆS OGSÅ: Klimaforsker: Dine børn drukner i gæld, hvis vi ikke handler nu

LÆS OGSÅ: Sådan indså jeg, at klimaforandringerne er virkelige og drastiske

LÆS OGSÅ: Sensation: CO2 fjernet fra luften på rekordtid

LÆS OGSÅ: Rekordhøj udledning af CO2 fra fossile brændstoffer i 2017