Upptäckten av växthuseffekten skulle förklara istiderna

Svante Arrhenius ville med koldioxidteorin komma med en bättre förklaring av istiderna än den astronomiska teorin. Trots mätningar av månstrålningen från 1880-talet var beviset för växthuseffektens storlek till största delen teoretiskt. Men dagens teori bygger inte längre på empiriskt grundade kvantifieringar av strålningseffekterna på detta sätt. Den vill vinna tilltro genom modellberäkningar som stämmer med observerade temperaturer.

Att koldioxid och vattenånga tar upp värmestrålning upptäcktes av John Tyndall 1859. Men det var svensken Svante Arrhenius (1859-1927) som lanserade hypotesen att istiderna kunde ha orsakats av variationer i luftens koldioxidhalt - t ex genom vulkanutbrott eller förbränning av kolhaltiga meteoriter. Arrhenius' syfte med växthusteorin var att gendriva teorin att istiderna orsakades av astronomiska faktorer (jordens växlande förhållande till solen). Dessa förhållanden hade upptäckts av James Croll (1821-1890) men hans teori stämde inte särskilt väl med med observerade data, påpekade Arrhenius i Philosophical Magazine 1896. Det dröjde tre årtionden innan Milutin Milankovitch kunde lägga fram en ny och övertygande astronomisk teori för istiderna.Under tiden fick koldioxidteorin på (idag) felaktiga grunder ett visst erkännande.

För att klara att motbevisa den astronomiska teorin behövde Arrhenius kunna visa att temperaturförändringar av istidsstorlek kunde orsakas av realistiska förändringar av koldioxidhalten i atmosfären. Utgångspunkten var studier av geologen Arvid Högbom (1857-1939) som berörde koldioxidcykeln och speciellt koldioxidhalten i luften i ett geologiskt perspektiv. Arrhenius tänkte sig att temperaturen måste ha varierat mellan +8 grader och -5 grader i förhållande till den aktuella medeltemperaturen. Dessutom måste koldioxidhalten ha kunnat variera med 50 procent uppåt och nedåt under istidscyklerna, vilket bekräftades som plausibelt av Högbom vid en föreläsning i slutet av 1894.

Några adekvata empiriska data om hur mycket olika halter av koldioxid och vattenånga höjer atmosfärens temperatur fanns inte trots att Tyndalls experiment kunde upprepas och göras bättre. Arrhenius tillgrep då en originell omväg. Han tillgodogjorde sig resultaten från den amerikanske strålningsexperten Samuel P Langley (1834-1906) och dennes mätningar av månens strålningsintensitet i det infraröda området 1885-87 med hjälp av en speciell termometer kallad 'bolometer'. En annan förenkling som Arrhenius vidtog var att han antog att instrålningen mot jordytan från månen ledde till samma absorptionseffekter som utstrålningen.

Men Langleys mätningar måste ha varit felaktiga eller oprecisa - mätningarna i olika vinklar med olika luftmängd kan inte ha varierat tillräckligt. Men utan dessa hade teorin knappast tagits på allvar. Arrhenius kompletterade sina data med en matematisk modell för hur ökad koldioxidhalt skulle påverka vattenångan i atmosfären (som han antog skulle öka med konstant luftfuktighet) och tillsammans öka temperaturen. Han gjorde också korrektioner för jordens albedo. Resultatet, publicerat i Philosophical Magazine and Journal of Science 1896, blev följande:

Arrhenius' resultatredovisning i Philosophical Magazine 1896

En minskning av koldioxidhalten med en tredjedel (till 2/3 av dagens nivå) skulle sänka temperaturen med 3,2 grader C. En ökning med en faktor 1,5 skulle öka temperaturen med 3,4 grader, med faktorn 2,0 med 5,7 grader, med 2,5 med 7,4 och med 3,0 med 8,4 grader. Källa: Arrhenius: Naturens värmehushållning, Nordisk Tidskrift 14, 1896, s 121-130 (efter en föreläsning av Arrhenius 3 feb 1896).

Vi ser här att en ökning med 50 procent först från 2/3 till 1,0 skulle ge en höjning med 3,2 grader, från 1,0 till 1,5 med 3,4 grader och från 2,0 till 3,0 med 2,7 grader. En fördubbling från 1,0 till 2,0 skulle ge 5,7 grader och en fördubbling från 1,5 till till 3,0 med 5,0 grader. I huvudsak ser vi ett logaritmiskt men något avtagande samband (det är dock osäkert eftersom värden större än faktorn 1,5 anses vara extrapolerade).

Man kan misstänka att Arrhenius kalibrerade sin modell på ett sätt att den skulle vara förenlig med jordens faktiska medeltemperatur som han då angav till 15 grader. Men Langleys data anses idag som alltför otillförlitliga. Okritiska bedömare anser dock att en fördubbling av koldioxidhalten, som enligt Arrhenius skulle ge 5,7 grader i temperaturökning, inte är så fel när dagens beräkningar kommer fram till omkring 3,0 grader. De 5,7 graderna beskrivs ofta som mellan 5 och 6 eller "drygt 5". I själva verket kan Arrhenius inte varit riktigt nöjd med sina resultat eftersom en minskning av koldioxidhalten med en tredjedel inte rimligen skulle kunna räcka för att framkalla en ny istid genom temperaturminskningen med 3,2 grader. Han försökte också extrapolera effekterna ner mot en halvering. Dessa otillräckliga haltvariationer påpekades också av geologen Thomas Chamberlin i en kritisk artikel 1897.

Konsekvensen av istidsförklaringsambitionerna blev att variationerna uppåt blev alltför stora i ett historiskt perspektiv. Men i själva verket hade Arrhenius inte kunnat ta hänsyn till flera ytterligare faktorer som påverkar klimatet - såsom effekterna på molnbildningen, vindarnas och havsströmmarnas transport av värme mot polerna samt den stora effekt som sensibelt och latent värmeflöde (konvektion och avdunstning) orsakar. Efter vad som sägs enligt underhandsuppgifter från S Manabe kom Arrhenius fram till i sig helt felaktiga resultat genom att han underskattade vattenångans absorptionsförmåga och sålunda vattenångans återkopplingseffekt, vilken dock motverkas av värmetransporten genom konvektion. Resultatet blev därför genom två fel som motverkade varandra inte helt uppåt väggarna.

Det anmärkningsvärda med Arrhenius' beräkningar är dock att de trots inslaget av empiriskt innehåll ändå är till största delen teoretiska och anpassade efter det önskvärda resultatet. Men dagens motivering för koldioxidteorin är ännu mer teoretisk. Några mätningar av strålningen genom atmosfären förekommer inte längre som grund i dagens växthusteori utan dessa har ersatts med kvantfysiska modellberäkningar. Varför duger inte empiriska resultat längre? Och hur vet vi att inte även dagens modellberäkningar är anpassade efter vad Arrhenius försökte visa? Det är denna osäkerhet som gör att vi inte borde låta oss övertygas utan ytterligare sakliga argument. Det var ändå så att IPCC i sin rapport 1996 ända till strax före publiceringen hade med följande skeptiska formulering:

"Nor has any study quantified the magnitude of a greenhouse gas effect or aerosol effect in the observed data - an issue of primary relevance to policy makers."

Enligt vad bl a D T Avery vid Hudson-institutet uppger fanns denna formulering (och några andra) med i den godkända rapportens kapitel 8 men togs bort strax före utgivningen. Det är naturligtvis viktigt för IPCC att inte så explicit medge att koldioxidteorin inte är kvantitativt bevisad om man skall få opinionen med sig. Det auktoritetsargument som bygger på kvantfysikens olika rön men som aldrig förklaras närmare var inte då (och inte heller nu) särskilt övertygande.

I själva verket är koldioxidteorin i princip svagare underbyggd nu än på Svante Arrhenius tid. Han försökte ändå grunda sina modellberäkningar på Langleys kvantitativa mätningar. Idag är denna empiri ersatt med tron att modellberäkningar som kan förmås att någorlunda väl överensstämma med observerade temperaturväxlingar kan bevisa växthusteorin - åtminstone med "stor sannolikhet".

Andra bloggar om: klimat, växthuseffekten, miljö, global uppvärmning, istider, politik, Svante Arrhenius, IPCC, klimatpolitik på intressant.se