Door Frans Schrijver.

Deel 1 van een drieluik over het groene CO₂-niveau.

Hoe hoog was de CO₂-concentratie 10.000 jaar geleden? Volgens de gevestigde klimaatorde een gemakkelijk te beantwoorden vraag: rond de 280 ppm, het “natuurlijke” niveau, zoals “gemeten” bij ijskernboringen op Antarctica (280 ppm = 280 parts per million = 0,028%).

Maar klopt dat wel? Ik werd aan het denken gezet, toen ik het volgende grafiekje tegenkwam op ‘Our Word in Data‘.

Het laat zien dat 10.000 jaar geleden er 50% meer bosgebied op de wereld was dan nu het geval is. Uit satellietgegevens weten we dat de aarde de afgelopen decennia groener is geworden door de hogere CO₂-concentratie in de atmosfeer, maar kennelijk was het 10.000 jaar geleden nog een stuk groener. De vraag die opborrelt, is of dat toen soms ook het gevolg was van een veel hogere concentratie in de atmosfeer.

We weten dat planten veel beter gedijen als er meer CO₂ beschikbaar is. Je zou dus verwachten dat de concentratie destijds zeker zo hoog moet zijn geweest als nu, dus minstens 430 ppm en geen 280 ppm (voor de actuele stand, zie hier).

Om die vraag te beantwoorden, moeten we gedetailleerder kijken naar de koolstofcyclus van de aarde. Biologische processen spelen daarin een dominante rol. Bijna alle CO₂ die jaarlijks van de atmosfeer naar land en zee stroomt, is het gevolg van fotosynthese. Op land is dat de fotosynthese van planten, op zee gaat het om fytoplankton dat onder invloed van zonlicht CO₂ omzet in suikers en andere koolhydraten.

De optelsom van alle fotosynthese op de wereld in een jaar, staat gelijk aan de GPP, Gross Primary Production. Ook de stroom de andere kant op, van land en zee naar de atmosfeer, is grotendeels het gevolg van biologische processen. Het gaat daarbij om respiratie (ademhaling): plantademhaling en de verrotting/degeneratie van biomassa op en in de grond en in zee. Koolhydraten worden daarbij omgezet in CO₂ en water, waarbij energie vrijkomt.

In de volgende tekening zijn de belangrijkste CO₂-stromen getekend.

Om koolstofcyclus goed te begrijpen, is de gemiddelde verblijftijd (residence time) van CO₂ in de atmosfeer een belangrijk begrip. In 2022 was er zo’n 885 Gigaton koolstof (GtC) in de atmosfeer, wat overeenkomt met 417 ppm. Elk jaar stroomt er ongeveer 216 GtC uit als gevolg van fotosynthese. Dus bijna een kwart verlaat jaarlijks de atmosfeer. Dat betekent dat CO₂-moleculen gemiddeld ruim 4 jaar in de atmosfeer verblijven. De verblijftijd is dus gelijk aan de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer, gedeeld door de neergaande stroom (down flux). Met andere woorden:

CO₂-atmosfeer = Down flux x verblijftijd.

Deze eenvoudige formule maakt duidelijk, dat de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer direct samenhangt met de totale hoeveelheid fotosynthese. De CO₂-concentratie is proportioneel aan de jaarlijkse neerwaartse stroom als gevolg van fotosynthese. Dus als de totale hoeveelheid fotosynthese 10.000 jaar geleden net zo groot was als nu (waarschijnlijk veel groter), was dat alleen maar mogelijk als ook de concentratie net zo hoog was als nu, dus inmiddels zo’n 430 ppm.

Meer vegetatie gaat dus samen met een hogere concentratie. Dit lijkt in tegenspraak met het breed gedragen gevoel dat meer planten zorgen voor opname van CO₂ en daarmee helpen de concentratie te verlagen.

Maar als we uitgaan van een natuurlijk evenwicht 10.000 jaar geleden, dan was de opwaartse stroom als gevolg van respiratie toen net zo groot als de neerwaartse stroom van fotosynthese. De totale biologische motor draaide gewoon op iets hogere snelheid, maar dus wel bij een hoger CO₂-niveau.

Er is dus niet zoiets als één bepaalde natuurlijke CO₂-concentratie van 280 ppm, die zonder menselijke verstoringen altijd ongeveer gelijk blijft. De hoeveelheid koolzuur in de atmosfeer hangt direct samen met de biologische processen. Als door welke oorzaak er meer vegetatie en meer respiratie op aarde is, zal ook de CO₂ concentratie in de atmosfeer hoger zijn (en omgekeerd).

De enige manier waarmee de concentratie 10.000 jaar geleden 280 ppm zou kunnen zijn geweest, is als de verblijftijd van CO₂ in de atmosfeer destijds geen 4,1 jaar was, maar veel korter, in de orde van 2,7 jaar. We hebben geen gegevens uit die periode over de verblijftijd, maar zo’n korte verblijftijd, in combinatie met sterke vergroening, is bijzonder onwaarschijnlijk.

We weten bijvoorbeeld dat de afgelopen periode sinds 1750, waarin de aarde zo’n 30% groener is geworden, de verblijftijd juist is gegroeid van 3,5 naar 4,1 jaar. Het betekent dat de vergroening iets is achtergebleven bij de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer. Anders gezegd, er is relatief meer CO₂ in de atmosfeer nodig voor eenzelfde procentuele stijging van de totale fotosynthese. We kennen dit verschijnsel ook wel als de ‘verminderde meeropbrengst’.

De verklaring is als volgt. Om planten sneller te laten groeien is er niet alleen meer CO₂ nodig, maar ook meer water en meer voedingsstoffen (stikstof, fosfor, enz.). Hoe hoger de CO₂-concentratie, hoe vaker het zal voorkomen dat een andere beperkende factor de groei vertraagt. Gemiddeld genomen moet de CO₂ in de atmosfeer meer dan evenredig stijgen, om de totale vegetatie te laten groeien. En dat vertaalt zich in een langere verblijftijd.

Het effect van de verminderde meeropbrengst wordt mooi geïllustreerd in de volgende grafiek uit een onderzoek naar de groeisnelheid van sojabonen onder invloed van CO₂ (Allen et al., 2019).

Het is dus erg onwaarschijnlijk dat de verblijftijd 10.000 jaar geleden maar 2,7 jaar zou zijn geweest. Met 50% meer bosgebied dan nu, zou je juist een langere verblijftijd verwachten dan nu. En dat betekent weer dat de concentratie minstens zo hoog moet zijn geweest als nu, dus 430 ppm, en waarschijnlijk een stuk hoger.

Een waarde van 430 ppm of hoger wijkt erg af van de breed gedragen inschatting van 280 ppm op basis van de ijskerngegevens van Antarctica. Bij die ijskerngegevens gaat het om de waargenomen CO₂-concentratie in kleine luchtbellen in diepe (en dus oude) ijslagen. De grote vraag is echter of de concentraties die we nu in de luchtbellen meten, wel overeenkomen met de oorspronkelijke concentraties. Er zijn op dat gebied grote onzekerheden, met name doordat CO₂ kan oplossen in smeltwater in de lange periode dat de luchtbellen nog niet volledig zijn gesloten. Op deze pagina van klimaatfeiten.nl is een veel uitgebreidere uitleg gegeven over alle onzekerheden van ijskernboringen en over andere waarnemingen die een ander beeld laten zien.

Samenvattend: de directe samenhang tussen de CO₂-concentratie in de atmosfeer en de biologische processen op aarde, betekent dat:

– er niet zoiets bestaat als één vaste ‘natuurlijke’ concentratie;

– in periodes met veel vegetatie (zoals 10.000 jaar geleden) de concentratie aanzienlijk hoger moet zijn geweest;

– het erg onwaarschijnlijk is dat de ijskerngegevens van Antarctica een juist beeld geven.

In het tweede deel van dit artikel zal ik ingaan op de vraag hoe het mogelijk is dat in vroeger tijden de vegetatie en de hoeveelheid CO₂ in de lucht heeft gefluctueerd. Oftewel, kan de CO₂ in de atmosfeer ook toe- of afnemen, zonder menselijke invloed?


Op mijn website https://www.greenco2level.org ga ik veel uitgebreider in op de samenhang van biologische processen en de CO₂-concentratie in de atmosfeer. Daar vind je ook de verwijzingen naar alle wetenschappelijke bronnen die dit verhaal ondersteunen.

Zie verder: Schrijver, F.J. (2024) ‘Impact of global greening on the natural atmospheric CO₂ level’, Science of Climate Change, 4(2), pp. 79–88, https://doi.org/10.53234/scc202411/02.

***