I 1859 laget John Tyndall et hjemmesnekret apparat som var designet for å måle hvordan stråling med forskjellige bølgelengder oppførte seg i luft. Mens oksygen og nitrogengass ikke så ut til å påvirke strålingen, oppdaget han at karbondioksid, vanndamp og metan hadde evne til å absorbere infrarød stråling, eller varmestråling.

Slik ble Tydall en av dem som la grunnlaget for forståelsen av drivhuseffekten.

Dette skriver Dag O. Hessen om i boka «Karbon». Han er biolog og kjent for sin forskning på vann, økologi og evolusjon. Når forskning.no møter ham skal han snart til Svalbard for å forske på CO2- og metanutslipp i innsjøer på øygruppen.

Karbon, som alt liv er så avhengig av, har blitt en kime til voksende bekymring når det slår seg sammen med to oksygenatomer og danner drivhusgassen CO2.

I boken om karbon tar Hessen leseren med på en reise på karbonets veier i lufta, på landjorda og i havdypet. Slik blir det kanskje lettere å forstå hvordan klimaet reguleres og hvordan verdens beboere og bestanddeler påvirker hverandre i et gjensidig samspill.

For det er ikke klimaet som styrer livet, klimaet på jorden er skapt og opprettholdes av livet selv, minner Hessen om.

Den levende planeten

Mens Venus «brenner» under en tykk atmosfære av CO2 og litt nitrogen, lever mennesker og dyr i en behagelig atmosfære her på jorda.

– Mars og Venus har den gass-sammensetningen som naturlig innstilles, litt avhengig av hvor planeten ligger i solsystemet. Jorda er en merkverdighet på den måten at vi har veldig mye lavere CO2-nivå og veldig mye mer oksygen enn en gass-sammensetningen i likevekt ville vært, sier Hessen til forskning.no.

Det er fordi atmosfæren vi har i stor grad er opprettholdt av livet selv, en symbiose mellom de som bygger og de som brenner, som Hessen beskriver det. Plantene har evnen til å omdanne CO2 og solenergi til stivelse og frigi oksygen, mens andre organismer forbrenner energien som plantene har lagret og frigir CO2.

Et mylder av bakterier, sopp, alger, biller, dyr og mennesker er med i prosessen.

Da urtidskogene nærmest kvalte seg selv

For 300 millioner år siden, i periodene som kalles Karbon og Perm begynte oksygennivået i atmosfæren å ta seg opp.

Enorme sumpskoger dekket kloden. Restene etter disse skogene ble til olje, kull og gass under bakken. Disse svære karbonlagrene har ligget urørt helt til vi mennesker begynte å slippe det ut i atmosfæren i løpet av et historisk blunk.

Sumpskogene i disse fjerne periodene var så frodige at de tilslutt nærmest ble kvalt av egen suksess, skriver Hessen.

Den massive karbonlagringen i biomasse og i bakken, førte til mindre CO2 i atmosfæren, og plantene begynte å få pusteproblemer. Planterøttene bidro til å erodere fjell slik at mer næring ble skylt ut i havet. Algene brukte næringen til å binde enda mer CO2.

Oksygennivået ble tilslutt så høyt at det ble gode forhold for et velkjent fenomen: skogbrann. Dette førte CO2 tilbake til atmosfæren igjen og det ble mindre planter. Mindre CO2 ga også kaldere klima, mer isdekke og dermed mindre forvitring av fjell.

I hvilken rekkefølge alt skjedde er ikke godt å si, og mye annet kan ha spilt inn. Men som Hessen skriver: «Det finnes mange kjemiske og biologiske tilbakekoblinger som alle med en viss sannsynlighet vil slå inn når pendelen svinger for langt til den ene siden, og tvinger den tilbake igjen».

I dag er vi i ferd med å se endringer i klimaet, og hvilke mekanismer dette vil sette i gang kan ikke slås fast med sikkerhet. Det som er sikkert er at vi må begrense risikoen for å sette i gang utilsiktede prosesser som kan endre klimaet på jorda for lang tid framover.

Norske skoger setter karbon i banken

Hvordan lagrer planeten karbon i dag? Og hvor mye tilføres atmosfæren?

Det er faktisk ikke slik at planter bare tar opp CO2, de slipper mye ut også, forklarer Hessen. Plantenes celler respirerer eller forbrenner energi for å skaffe seg energi. Om natten slipper planter ut mer CO2 enn de tar opp.

Noe av CO2en er bare en snartur innom plantenes blader. Men mye lagres.

Det er faktisk barskogene som strekker seg over Norge, Sverige, Russland, Canada og det nordlige Amerika som lagrer den største delen av karbonet på landjorda. Den boreale skogen utgjør en tredjedel av verdens arealer med trær, men holder på 60 prosent av alt karbon som er lagret i skog.

– Det er en viktig forskjell mellom de nordlige områdene vi bor i og de sydlige med tropiske skoger. Det karbonet som er lagret i stående biomasse, altså stort sett trær, det er likt. Forskjellen ligger i hvordan greiner, blader og tømmer brytes ned, sier Hessen.

I de tropiske skogene vil sopp og mikroorganismer forsyne seg grovt av nedfallet og omdanne så godt som alt tilbake til CO2. Men nedbrytingen er ikke like effektiv i det våte og kalde nord. Det skyldes blant annet at vi har en annen soppflora som ikke er i stand til å effektivt bryte ned lignin og cellulose i ved.

– Unntaket for denne forskjellen mellom nord og sør er spesielt våte områder i regnskoger, der det kan lagres mye karbon også i bakken. Indonesia har dype torvmyrer som lagrer enorme mengder karbon. Myrer som ved brann eller drenering frigjør sitt karbon, sier Hessen.

– I nord dannes det også torvmyrer som er effektive lagre både for vann og karbon. Og, hvis det er kaldt nok så får vi permafrostområder som legger karbonet i fryseboksen. Nord for de boreale skogene ligger enorme karbonlagre frosset ned i tundraen

Best med gammel eller ung skog?

Å bruke skogen som et klimatiltak diskuteres i mange land, også i Norge. Men hva fjerner CO2 fra atmosfæren best? Skog som hugges og plantes hurtig eller gammel skog som får stå i fred?

Her er det ikke noe entydig svar sier Hessen.

– En raskt voksende skog vil ta opp mye karbon når trærne når en viss størrelse, sier han.

Hvor mye CO2 som fjernes fra atmosfæren ved intensiv skogdrift kommer an på hva trærne som hugges brukes til. Skal de brennes, bli til papir med kort levetid eller skal de brukes til å bygge et hus som skal stå i hundre år?

– Det er også klart at når man hugger en skog så vil mye karbon lekke opp fra bakken. Det er vist at varierte sammensatte skoger ofte har mer effektivt karbonopptak per flateenhet enn ensartede skoger.

Det er blant annet på grunn av soppen son lever i disse skogene.

Økosystemenes innpust og utpust

Økosystemene puster inn og ut mer enn 200 milliarder tonn karbon årlig, og noe mer inn enn ut. Mennesker tilfører atmosfæren nær 10 milliarder tonn ekstra, altså bare 5 prosent av naturens egne utslipp. Merk at tallene avhenger om de oppgis i mengden karbon eller karbondioksid.

Det er likevel våre utslipp som har ført til konsentrasjonen av CO2 i atmosfæren har økt fra rundt 300 ppm, da vitenskapsmannen Charles David Keeling begynte sine målinger på slutten av 1950-tallet, til over 400 ppm i dag.

Ppm betyr parts per million, og viser til hvor mange CO2 molekyler det er per million molekyler i atmosfæren. De siste 880 000 årene har andelen CO2 i atmosfæren variert mellom 200 og 300 ppm, ifølge forskeres analyser av iskjerner på Grønland og i Antarktis. Vi er på rask vei mot et CO2-nivå planeten neppe har sett på mange millioner år.

Egentlig skulle CO2-nivået i atmosfæren økt enda mer på grunn av våre utslipp. Men heldigvis tar plantene i havet og på landjorda hånd om omkring halvparten av utslippene våre hvert år.

Et regn av kalkalger lagrer karbon

– Det er en utveksling av CO2 mellom havoverflaten og lufta, slik at når det blir mer CO2 i atmosfæren så blir det mer i vann. Mye av dette tas opp av alger, planteplankton, sier Hessen.

– Disse algene vil inngå i næringskjeder. CO2-en vil etter hvert brytes ned, respireres og vende tilbake til atmosfæren, så du har en sløyfe der. Men noe av det vil også synke ned og bli permanent liggende, enten ved at det spises av dyr som dør og synker til bunns eller ved masseoppblomstringer av alger som dør.

Kalkalgen Emiliania huxley gjør en viktig jobb. Ved store oppblomstringer kan algene ses fra verdensrommet som lyse felter i havet, og det kan påvirke jordas refleksjon av sollys. Huxley er også kjempegod til å binde CO2, og noe av det omdannes til kalsitt som regner ned på havbunnen hvor karbonet lagres.

Også hoppekrepsen spiller en stor rolle i dette kretsløpet.

– Hoppekreps spiser masse alger, produserer små fecal pellets (bittesmå bæsjer red.) som synker ned og utgjør en veldig effektiv karbontransportmekanisme. Vi har regnet litt på det og det er utrolig hvor mye disse små organismene bringer fra overflaten og ned i dypet, sier Hessen og oppsummerer:

– Biologien er ekstremt viktig når vi snakker om klima. Ikke bare de to store prosessene som balanserer det, altså fotosyntese og respirasjon, men også slike prosesser som foregår i økosystemene når karbon omsettes gjennom næringskjeden.

Plantene sulter etter CO2

Proteinet som er avgjørende for fotosyntesen, rubisco, er et urgammelt enzym fra plantenes barndom. Det ble utviklet i en atmosfære som hadde mye mer CO2 enn i dag, og nesten ikke oksygen, skriver Hessen.

Proteinet har fulgt med i plantenes evolusjon, og har ikke forandret seg i takt med endringene i atmosfæren. Når forholdet mellom molekylene er forskjøvet mot O2 i atmosfæren, er rubisco mindre effektivt. Planter har derfor en kronisk sult etter CO2.

Det er flaks for oss. Økt plantevekst bidrar i noen grad til at konsentrasjonen av CO2 i atmosfæren ikke øker raskere. Men, planter flest er som kjent ikke glad i tørke, og de trenger fosfor, noe som er begrensende. Ikke minst begrenser mennesker skogens utbredelse.

En annen intrikat sammenheng mellom plantevekst og klima er det som kalles albedoeffekten. Albedo betyr hvithet, og det er nettopp lyse områder som bestemmer effekten. Nysnø reflekterer tilbake 85 prosent av varmen, is reflekterer tilbake mellom 30 og 40 prosent, det samme som bart land eller tørr jord, skriver Hessen.

Når is smelter i Arktis, reflekteres mindre lys tilbake og hav og landjord varmes opp. I nord blir det grønnere og mer skog og kratt reduserer albedo og øker varmeabsorbering. Det er derfor ikke godt å si hvordan dette havner ut på pluss og minussiden i klimaregnskapet. Det som er sikkert er at dyrene som er tilpasset et bestemt miljø vil merke endringene på kroppen.

Jordas termostater

Det er i det hele tatt veldig mye som avhenger av hverandre. Det var James Lovelock som først formulerte en hypotese som blir kalt Gaia-teorien, der jorda beskrives som en levende organisme som kan regulere sin egen temperatur. Når noe bringer klimaet ut av balanse settes det i gang en rekke tilbakekoblinger som kan være selvforsterkende eller regulerende. Dessverre er det de selvforsterkende som er mest aktive i en tidshorisont som er relevant for oss som lever her nå.

Økosystemer på landjorda har mange slike regulerende tilbakekoblinger, forklarer Hessen. Både fysiske, kjemiske, geologiske og biologiske. Et kjent eksempel fra dyreriket er at blir det for mange rovdyr i et område, blir det færre byttedyr, og da er det færre rovdyr som vokser opp.

Klimaet har flere ganger hentet seg inn igjen etter ekstreme perioder i jordas historie. Men endringer har sannsynligvis aldri skjedd så raskt som nå. Det mest skremmende spørsmålet er om vi mennesker er i ferd med å påvirke livet på kloden og klimaet i så stor grad at vi havner i en ond sirkel av økende oppvarming og naturkatastrofer. Forhåpentligvis unngår vi de mest dramatiske scenarioene.

Disse tilbakekoblingene har begynt å slå inn

– Det vi åpenbart ser er redusert albedo. Mer varme absorberes, og da får du mindre is og snø. Det gjør igjen at mer varme absorberes og vi ser hvordan dette blir en selvforsterkende løkke, sier Hessen.

– Det andre vi ser er opptining av permafrost mange steder. Karbon som har ligget i permafrostlageret vil begynne å røre på seg og omdannes til CO2. Det andre er at vi frykter at det også kan gi økte utslipp av metan som ligger i denne permafrosten. Det vil være en veldig skummel form for tilbakekobling. Foreløpig ser vi imidlertid ingen klare tegn til dette.

Forskere ser derimot allerede at overflatevannet i havet er på vei til å bli varmere. Varmere hav kan legge seg som et lokk på vannet og minske omrøringen slik at mindre av det næringsrike dypvannet vil komme opp. Det kan påvirke algeproduksjonen og dermed CO2-lagringen i havet negativt. Mye algeproduksjon henger også sammen med dannelse av skyer og har derfor en nedkjølende effekt.

På den andre siden gjødsler mennesker skog og hav gjennom å sette store mengder fosfor og nitrogen i omløp i landbruket. Det stimulerer plante og alge-produksjonen, men bidrar også til mer lystgass, som og er en drivhusgass. Det illustrerer at det er mye som spiller inn og at det som dårlig for noe kan være bra for noe annet og omvendt.

Forskere har også begynt å se er at havet er på vei til å bli surere. Det er fordi at når CO2 lagres i vann, så dannes en svak syre.

– Foreløpig er ikke det noen veldig sterk effekt men det kan bli det på sikt.

Surere hav er dårlig nytt for organismer som inneholder kalk. Og det er spesielt bekymringsfullt at den tidligere nevnte kalkalgen og karbontransportøren, Emiliania huxley, og lignende alger kan bli skadelidende.

På landjorda er et av de mest skremmende scenarioene at hugst og varmere klima kan få det til å tippe over for Amazonas-regnskogen, med alle de endringene det vil føre med seg.

– En virkelig storskala av tilbakekobling er hvis Amazonas fragmenteres og blir tørrere i en slik grad at store deler av skogen blir til savanne.

Hessen sier at alle disse koblingene er det som er det virkelig skumle.

– Det er først nå at man begynner å ta inn dette i klimamodellene. Men det er veldig vanskelig på forutse nettopp fordi tilbakekoblinger har en slik selvforsterkende natur, og fordi det er så mye som påvirker.

Planeten ordner opp, men det kan ta litt tid...

Hessen er ganske sikker på at menneskeheten vil overleve, og at verden ikke går «utfor stupet». Det vil likevel bli dramatiske konsekvenser regionalt, med globale effekter. Plante- og dyreliv vil påvirkes sterkt. Ser vi stort på det kan vi allikevel trøste oss med at planeten har langsomme mekanismer for å bringe CO2-nivået ned igjen.

– Når fjell forvitrer så bindes CO2, og det vil gradvis trekke gassen ut av atmosfæren.

– Så har du sånne svære prosesser som når fjellkjeder dannes. Da Himalaya ble dannet så skjedde det en nedkjøling og det mener forskere hadde å gjøre med at forvitringen økte. Dannelsen av fjellkjeder eksponerer ferskt fjell for vær, vind og CO2 og silisium og fosfor transporteres ned og gjødsler havet.

Plantene fremskynder denne forvitringen, samtidig som de selv tar opp CO2.

Her snakker vi om et perspektiv på noen hundre tusen år. På en tidsskala som er mer relevant for oss er det de biologiske prosessene som dominerer, og den eneste sikre prosessen for storskala uttak av CO2 fra atmosfæren er per dato plantenes fotosyntese.

Metan-regnestykket går ikke opp

Metan og karbon har også et samspill. Metanproduserende bakterier kan nyttiggjøre seg av karbon i myrer, mens metan blir til CO2 når det brennes eller brytes ned i atmosfæren. Begge er drivhusgasser, og blir det mer av den ene har det hatt en tendens til å bli mer av den andre opp igjennom jordas historie.

Metan er en kraftigere klimagass enn CO2. Det skyldes bindingene i molekylene. Enkeltbindingene i metan, eller CH4, kan fange opp mer av den infrarøde varmestrålingen enn dobbeltbindingene i CO2-molekylet. Til gjengjeld brytes metan mye raskere ned i atmosfæren.

De største naturlige kildene til metan er våtmarker, rismarker og innsjøer, skriver Hessen. Det kan diskuteres om alle disse utslippene er naturlige, da mennesker har bidratt ved å drive rismarker og demme opp vann.

Uansett overgår de klart menneskeskapte metanutslippene de naturlige. 330 millioner tonn slippes årlig ut, hovedsakelig fra energisektoren og kyr.

Heldigvis brytes 97 prosent av utslippene med i atmosfæren årlig. Men siden regnestykket ikke er i balanse øker metankonsentrasjonen i atmosfæren, noe som bidrar til oppvarming. Målinger viser at pilen peker bratt oppover.

Metan er en klimatisk joker skriver Hessen. Dersom store metanlagre i form av frosne metanhydrater begynner å røre på seg, kan det virkelig bli fart på skumle tilbakekoblinger på grunn av den sterke oppvarmingseffekten.

- Men metan er lettere å håndtere på den måten at i det øyeblikket vi klarer å begrense utslippene av metan så vil det ha en umiddelbar effekt ved at oppvarming bremses.

Grensene tegnes

– Vi snakket litt om skog, er det noe vi kan gjøre for å øke karbonbinding i landbruket?

– Det umiddelbart viktigste er å ikke grøfte myrer, slik det har vært gjort mye av. Man må beholde våtmarker som store karbonlagre. Så er det viktig at man unngår jorderosjon og unngår høstpløying, sier Hessen.

– Videre er det viktigste landbruket kan gjøre å få ned metanutslippene. Men, man må ikke la debatten om landbruket overstyre vårt virkelig store bidrag, som er offshorenæringene.

Fremover må vi først og fremst begrense CO2-utslippene, sier Hessen.

– Deretter må vi ha en periode med det vi kaller negative karbonutslipp. Vi må suge karbon ut fra atmosfæren, og det er det bare vegetasjon som per i dag kan gjøre. Det finnes noen fancy forslag til løsninger på teknologier, jeg oppfatter ingen av dem som realistiske.

– Det er nettopp den effekten biologien har på klimaet som også er et argument for å bevare skoger, økosystemer, unngå havforsuring og så videre, som er ekstremt viktig å få fram. Man tenker gjerne at klima er det som påvirker alt, men det som gjør at vi har levelige forhold på planeten, i alle fall for høyere organismer, det er livet selv. Jorda startet som en oksygenfri planet. Livet har generert de forholdene vi nå har. Men grensene for hva økosystemene kan ta hånd om er i ferd med å overskrides, sier Hessen.