Mysteriet med den svaga, tidiga solen 4,5 miljarder år sedan

I jordens allra tidigaste historia var solen mycket svagare än idag. Jorden borde ha varit en isboll, men var ändå tillräckligt varm för att ha flytande vatten och förutsättningar för liv. För 3,5-4 miljarder år sedan, när de första encelliga livsformerna uppstod, var det antagligen ungefär 10 grader varmare än idag, trots att solen hade kanske 75-80% av dagens styrka. Sedan dess har det alltså blivit kallare, samtidigt som solen blivit varmare.

Det verkar ju inte gå ihop.

En förklaring skulle kunna vara att halterna av koldioxid i atmosfären var betydligt högre och har sjunkit stadigt till dagens nivåer. Det skulle i så fall tala för att växthuseffekten från koldioxid har en avgörande betydelse för jordens temperatur och klimat.

Det framstår som ett starkt argument.

Men, först och främst är det förstås inte det enda argumentet i klimatfrågan. Så länge det finns så mycket som talar emot att koldioxidhalten i atmosfären styr klimatet är det berättigat att förhålla sig skeptisk.

För det andra är det inte självklart att argumentet håller.

Det är svårt att veta något säkert om förhållandena på jorden under dess allra tidigaste geologiska historia. Det är ingen tvekan om att solen var svagare, och att det fanns flytande vatten redan för 3,5-4 miljarder år sedan – det framgår av fossilerade sediment och var naturligtvis en förutsättning för att livet skulle uppstå. Men denna paradox skulle kunna förklaras på fler än ett sätt, och frågan är vad vi kan veta säkert om atmosfärens sammansättning för så länge sedan. Att det skulle ha varit halten av koldioxid som skapade en växthuseffekt som höll jorden tillräckligt varm är en hypotes, inte ett faktum.

Vilka andra förklaringar är tänkbara?

1. Även om solen var svagare så var den antagligen mer aktiv, med en kraftigare solvind. Enligt en hypotes kan det ha bidragit till att det bildades färre moln som reflekterade solljuset, som därmed kunde värma jorden mer än idag. Antagandet är att solvinden skyddar jorden från kosmisk strålning, som har betydelse för molnbildning. Här kan, enligt samma teori, frekvensen av supernovor och solens position i Vintergatan, ha spelat in.

2. Den starkare solvinden kan också ha bidragit till höga halter av kväveoxid i atmosfären, som kan ha haft en mycket kraftigare växthuseffekt än koldioxid, men som inte är något vi behöver oroa oss för idag.

3. Det är mycket som var väldigt annorlunda i jordens barn- och ungdom. Månen låg betydligt närmare jorden, jorden roterade snabbare och kontinenterna låg inte som idag. Hur dessa faktorer påverkat jordens klimat är svårt att säga, men de kan mycket väl ha bidragit till ett varmare klimat på olika sätt.

4. Om atmosfärens täthet har den avgörande betydelsen för temperaturen så kan det ha varit den viktigaste förklaringen, snarare än dess sammansättning.

Även dessa hypoteser är osäkra, men med tanke på att det finns så många andra, oberoende skäl att tvivla på koldioxidens roll, bör man inte avfärda vare sig dem eller möjligheten till andra, ännu okända, förklaringar.

Sammanfattningsvis är vår kunskap om förhållandena i jordens tidiga historia för dålig för att någon enstaka hypotes ska kunna användas som ett särskilt starkt argument för att koldioxid orsakar ett klimathot idag.

Hur den tidiga, svaga solen går ihop med existensen av flytande vatten på jorden är inte så mycket ett argument som ett ouppklarat mysterium.

De senaste 800 miljoner åren

För att avgöra vilken beräkning av klimatets känslighet för växthusgaser som ligger närmast sanningen kanske man studera hur klimatet faktiskt har påverkats av koldioxidhalt och andra faktorer genom tiderna?

Det finns data som ger indikationer på temperatur och koldioxidhalt i atmosfären långt tillbaka i tiden – även om osäkerheten blir större ju längre tillbaka vi kommer – så att man kan göra någorlunda kvalificerade gissningar om hur de korrelerar med varandra.​ Hur starkt verkar sambandet vara?

800 miljoner år

(Temperatur efter C.R. Scotese. CO2-halten efter R.A. Berner, 2001 (GEOCARB III)).

Sett över större delen av livets historia på jorden framgår det att vi, tvärtemot vad många kanske tror, inte lever i en ovanligt varm period, utan tvärtom ovanligt kall. Tekniskt sett är vi fortfarande inne i en istid. Och koldioxidhalten i atmosfären är också historiskt extremt låg, på gränsen till vad jordens växter klarar.

Både medeltemperaturen och koldioxidhalten har varit betydligt högre än idag (dvs c:a 14,5 grader C resp. 400 ppm) samtidigt som livet blomstrat, exempelvis under den ”kambriska explosionen” av nya arter (22 grader C resp. 4 000 – 7 000 ppm).

Men det verkar inte finnas något samband alls mellan koldioxidhalten och temperaturens växlingar genom jordens geologiska tidsåldrar. Det beror dock på att koldioxid samspelar med andra faktorer, inte minst solaktiviteten. Om man tar hänsyn till solens betydelse är korrelationen tydlig (Royer et al, 2009):

Sol o koldioxid geologiskt ny

Koldioxid verkar alltså, över dessa långa tidsspann, ha ett samband med jordens medeltemperatur, och därmed med klimatet. Men det är svårt att säga hur sambandet närmare bestämt ser ut. Över så här långa tidsperioder är upplösningen låg, och det skulle lika gärna kunna vara temperaturen som styr koldioxidhalten som tvärtom – eller båda som styrs av en tredje faktor.

Höga koldioxidhalter i atmosfären och värme verkar däremot inte ha varit något negativt för växter och djur. Den geologiska historien visar att livet blomstrat under mycket långa tidsperioder med betydligt högre temperaturer, och med mångdubbelt högre koldioxidhalt i atmosfären än idag, till exempel under Kambrium och Ordovicium:

Geologiskt liv

Under Kambrium utvecklades och diversifierades livet på jorden så kraftigt att man kallat det för den ”kambriska explosionen”.

Men under de 800 miljoner år som komplext liv funnits på jorden har det också förekommit fem större ekologiska katastrofer, ibland kallade ”massutrotningar”, och det alarmister varnar för att det skulle kunna vara på väg att ske igen.

Det betyder i och för sig att massutrotningar är mycket ovanliga, och att jordens klimat varit väldigt stabilt och tåligt, särskilt som det aldrig spårat ur totalt, utan alltid återhämtat sig, även om så mycket som 90% av alla arter på jorden utplånats vid enstaka tillfällen. 

99% av alla arter som någonsin funnits på jorden är utdöda, men det beror på flera olika faktorer, inte bara globala ekologiska katastrofer. Det är ingen tvekan om att människan idag är orsak till att oroande många djur- och växtarter dör ut genom att sprida miljögifter, avverka skogar och dika ut våtmarker. Men ger den geologiska historien anledning till oro för just stigande koldioxidhalter?

Vad orsakade de fem massutdöendena?

  1. 444 miljoner år sedan (slutet av Ordovicium). 86% av alla arter, som nästan alla levde i havet, dog ut under loppet av några miljoner år, antagligen på grund av en omfattande istid, som sänkte havsvattenståndet och som möjligen kan ha orsakats av sjunkande koldioxidhalter beroende på geologiska faktorer. Det är ingen tvekan om att koldioxid har en ansenlig effekt på temperatur vid extremt låga halter, så det verkar rimligt. Men växter och djur är också beroende av koldioxid för sin metabolism, och klimatet påverkas i sin tur även av växtlighet. Det är inte så lätt att veta exakt hur det gick till för så länge sedan, men vid just den här katastrofen finns det inget som talar för att förhöjd koldioxidhalt hade någon betydelse.
  2. 375 miljoner år sedan (slutet av Devon). 75% av alla arter dog ut, möjligen på grund av syrebrist i haven till följd av övergödning från den kraftigt tilltagande växtligheten på land.
  3. 251 miljoner år sedan (Perm). 96% av alla arter dog ut på grund av ett gigantiskt vulkanutbrott som förvandlade halva Sibirien till ett kilometerdjupt hav av lava. Perm-katastrofen
    Det frigjorde tusentals gigaton koldioxid, men även enorma mängder andra giftiga gaser, vilket först orsakade en djup istid, som sänkte havsvattenståndet dramatiskt och därmed stängde av havscirkulationen. Det gynnade tillväxten av giftiga cyanobakterier, vilket också bidrog till att andra arter dog ut. Denna istid följdes sedan av global uppvärmning, men det är allt annat än självklart att det huvudsakligen berodde på förhöjd koldioxidhalt.
  4. 200 miljoner år sedan (slutet av Trias), då 80% av alla arter dog ut. I det här fallet finns ingen allmänt accepterad förklaring.
  5. 65 miljoner år sedan (slutet av Krita), då 76% av alla arter dog ut, bland annat de stora dinosaurierna (dagens fåglar härstammar från mindre dinosaurier, som överlevde) på grund av att en 9,5 kilometer stor asteroid slog ner på jorden i en hastighet av 60 000 kilometer i timmen. Nedslaget utvecklade inte bara en enorm hetta och orsakade stora skogsbränder, utan även en kilometerhög tsunami, men det som gjorde katastrofen global var att stora mängder stoft slungades upp i atmosfären, förmörkade himlen och orsakade en köldperiod som dödade både växter och djur.

Även för 55 miljoner år sedan, i övergången mellan Paleocen och Eocen, inträffade en period av global uppvärmning som anses bero på extremt hög koldioxidhalt, dock med jämförelsevis milda effekter på livet – 10% dog ut, medan de flesta arter anpassade sig och några faktiskt tillkom. Därför brukar det inte heller räknas med bland de stora massutdöendena ovan.

Det är ingen tvekan om att koldioxidhalten ökade och att temperaturen steg med 5°C, men det är inte på något sätt klarlagt vad som är orsak och vad som är verkan. Analyser av klimatförändringarna de senaste 400 000 åren talar inte för att koldioxidhalten har någon större betydelse som drivkraft, utan i första hand är en effekt av temperaturen. Jag återkommer till detta i nästa kapitel.

Däremot är det mycket som är osäkert i hypoteserna om vad som orsakat klimatväxlingar för miljontals år sedan. I själva verket beror nog tvärsäkra tolkningar mest på vilka antaganden man redan på förhand gör om klimatkänsligheten, men också på att man inte tar hänsyn till den grundläggande fysiken.

Att en ökande koldioxidhalt skulle ha varit den viktigaste drivkraften när jorden drabbats av värmekatastrofer är inte möjligt, eftersom effekten snabbt planar ut på grund av den logaritmiska effekten. Dessa värmekatastrofer kan inte ha orsakats ens av oerhörda mängder koldioxid. De smala band i spektrum som koldioxid kan absorbera i mättas snabbt, och även om effekten förstärks i princip oändligt, så närmar sig ökningstakten noll. Och om man menar att den begränsade effekten från koldioxid triggade betydligt kraftfullare positiv feedback måste man också förklara hur uppvärmningen till slut kunde avta och minska igen.

Det faktum att dessa katastrofer är så ovanliga och jordens klimat inte ens då spårat ur helt talar dock starkt för att klimatet inte är särskilt känsligt för koldioxidhalten. Det är uppenbart att negativ feedback balanserar positiv feedback på uppvärmning, vare sig den beror på en växthuseffekt eller inte.

Vid de tillfällen då jorden kylts ner och förvandlats till en ”snöboll” kan en dramatiskt minskande koldioxidhalt i atmosfären ha haft en betydelse. Liksom även när dessa djupa istider till slut bringades till ett slut genom att små, potenta mängder koldioxid från vulkanutbrott kan ha skapat en uppvärmande växthuseffekt.

I nästa kapitel (9. Är koldioxidhalten en orsak eller en effekt?) zoomar jag in på de senaste 400 000 åren, då det finns tydligare indikationer på koldioxidens roll för klimatet.