Fysikerna hjälper oss förstå uppvärmningen

För första gången går Nobelpriset i fysik till atmosfärforskare. Varför är inte enkelt att besvara då atmosfärfysiken har gjort stora framsteg det senaste halvseklet, särskilt utvecklingen av fysikaliskt baserade väderprognoser. En orsak kan vara att framstegen i meteorologi främst har varit baserade på klassisk fysik som av många inte uppfattats som lika nyskapande som astronomin och kvantfysiken. Att situationen är annorlunda i dag beror säkert på den viktiga roll klimatvetenskapen har fått de senaste decennierna. 

Framstegen inom naturvetenskapen har i stort drivits av den tekniska utvecklingen inom observations- och beräknings­metodik och detta gäller i hög grad även för atmosfärvetenskapen. En nödvändig förutsättning för globala prognoser av väder och klimat är heltäckande väderobservationer, som först blev möjligt genom tillgång till observationer från satellit. Ryska Sputnik var startskottet för en utveckling som i dag ger oss kontinuerliga globala observationer i en utsträckning som ingen kunde föreställa sig på 1950-talet. Väderprognoser och klimat­beräkningar baseras på  matematiska beräkningar av de fysikaliska lagar som bestämmer atmosfären och havens tillstånd och utveckling. De matematiska ekvationerna för väder och klimat är komplexa och kräver omfattande beräkningsresurser. Först under 1960-talet blev datorer allmänt tillgängliga för att utföra sådana, det vill säga ungefär samtidigt som de ­första observationerna av jordens atmosfär med hjälp av satelliter kunde göras.

Tillgång på datakraft och globaltäckande observationer ledde till en rasande utveckling, inte bara av fysikaliskt baserade väderprognoser utan även undersökningar och studier för att bättre förstå jordens klimat. Varför var vädersystemen annorlunda i tropikerna än på höga latituder? Varför var stormar mer våldsamma vintertid och varför var det så stora skillnader i väder och klimat även på samma breddgrad? Varför var vädret så olika från år till år? Vad bestämde jordens klimat och vad orsakade klimatvariationer? 

Det var känt sedan slutet av 1800-talet att vattenånga, koldioxid och ozon påverkade jordens värmestrålning och därmed jordens klimat. Systematiska mätningar av koldioxid hade påbörjats på toppen av Mauna Loa på Hawaii i början av 1950-­talet och dessa mätningar indikerade en ringa men stadig ökning. Att koldioxid var en växthusgas var känt sedan länge och meteorologerna var intresserade av i vilken utsträckning koldioxid kunde påverka klimatet.

Syukuro Manabe är en japansk meteorolog som verkade vid Geophysics Fluid Dynamics Laboratory, GFDL, i Princeton. Detta laboratorium är en del av USA:s meteorologiska myndighet NOOA som har många speciallaboratorier vars huvuduppgift är att utveckla de längre väderprognoserna och utöka förståelsen för jordens klimat.  GFDL är sedan tillkomsten i mitten på 1950-talet ett av världens ledande institut för klimatforskning. Manabe insåg tidigt att beräkningar av enbart koldioxidens växthuseffekt inte var tillräckligt för att bestämma koldioxidens växthuseffekt. Han visade att det var nödvändigt att också inkludera konvektiva atmosfärprocesser och också den ökning av vattenånga som inträffar när temperaturen stiger. Utan dessa kunde man inte realistiskt beräkna effekten av växthusgaser i atmosfären.

Trots begränsade beräkningsresurser genomförde Manabe redan 1967 en numerisk simulering av hur mycket atmo­sfärens temperatur skulle öka om koldioxidhalten i den fördubblades. Beräkningen visade att temperaturen vid jordytan blev drygt 2 grader Celsius varmare vid en fördubbling och drygt 2 grader kallare vid en halvering av en given koldioxidhalt. Sedan experimentet gjordes har koldioxidhalten ökat med cirka 40 procent samtidigt som jordens temperatur i dag ökat med drygt 1 grad. Manabes studie har nyligen upprepats med betydligt mer detaljerade beräkningar men med i stort sett samma resultat. Observationer visar också att temperaturen har ökat i hela troposfären – luftskikten närmast jordskorpan – men minskat i den högre liggande stratosfären, också det en följd av koldioxidens klimatpåverkan. Det är därför högst sannolikt att jordytans temperatur kommer att fortsätta stiga med minst ytterligare 1 grad om koldioxidutsläppen fortsätter så att koldioxidhalten stiger från dagens 415 ppm till 600 ppm.

En av de vetenskapliga utmaningarna är att skilja naturliga klimatprocesser som El Niño-fenomenet från vad som beror på växthusgasernas inverkan. Klaus Hasselmann, en tysk fysiker vid Max Planckinstitutet för meteorologi i Hamburg, har tagit sig an denna fråga. Intensiva vädersystem som höst- och vinterstormar på våra breddgrader och tropikernas fruktade orkaner påverkar genom vågor och strömmar havens tredimensionella cirkulation. Genom sin stora tröghet har havet en kraftigt dämpande effekt på klimatet. Havens massa är 270 000 gånger större än atmosfärens och dess totala värmekapacitet ytterligare 6 gånger större. Om man kunde värma upp atmosfären en grad på en vecka skulle det kräva mer än 28 000 år för att värma upp världshavet lika mycket.

Hasselmann visade 1976 i en matematisk analys att vädrets slumpartade påverkan skapar processer i havet på väldigt långa tidsskalor, ungefär som Einstein visade hur molekylernas kaotiska rörelser i själva verket  har mönster, så kallade brownska rörelser. På detta sätt produceras genom växelverkan med havet långa tidsskalor i klimatet. En av de mest kända är El Niño med en tidsskala på ungefär fyra år. Variationer på mycket längre tidsskalor, men mindre väl kända, är Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC. Det är ett system av havsströmmar som bland annat reglerar transporten av varmt vatten från tropikerna till Nordatlanten. Detta har sannolikt bidragit till den relativt snabba uppvärmningen på norra hemisfären de senaste 40 åren samtidigt som höga breddgrader på södra halvklotet knappast värmts upp alls.

Klaus Hasselmann har arbetat fram en statistisk metodik som gör det möjligt att bedöma i vilket utsträckning klimatet baseras på naturliga klimatvariationer och sådana som beror på extern klimatpåverkan som ökande växthusgaser. Metoden  fick namnet Fingerprint-analys. Ett sådant troligt »fingeravtryck« kunde först noteras på 1980-talet och har sedan dess blivit allt tydligare. Bland annat använder IPCC en sådan metodik i sina utvärderingar. 

Sammanfattningsvis kan vi därför säga att Manabe utarbetade en realistisk klimatmodell för att beräkna växthuseffekten i jordens atmosfär och Hasselmann en tillförlitlig metod för att upptäcka en antropogen – av mänsklig aktivitet skapad – växthuseffekt.

Som alltid i vetenskapen bör man fråga vilka begränsningar som finns i de resultat som Manabe och Hasselmann kommit fram till. I dag är det inte bara vetenskapligt viktigt utan också av central samhällsbetydelse då vetenskapliga resultat väsentligt påverkar världens energipolitik. Ett komplext system som jordens klimat har en inneboende osäkerhet. Är det möjligt att klimatets naturliga variationer har ännu längre tidsskalor och att det senaste halvseklets snabba uppvärmning beror mer på naturliga variationer än på växthusgaserna? 

Det råder ingen brist på ytterligare vetenskapliga gåtor i ett system som är så komplext som klimatet. Vi vet ännu inte orsaken till den lilla istiden som varade under åren 1350 till 1850. Vad var orsaken till att den började – och upphörde? Jorden började redan värmas upp under senare hälften av 1800-talet, bergsglaciärerna började smälta och dra sig tillbaka. Havs­ytan började också stiga. Samtidigt var ökningen av växthusgaser under 1800-talet ytterst ringa och kan knappast förklara uppvärmningen. Mindre variationer inträffade också under 1900-talet med ett varmt 1930-tal och ett kallt 1960- och 1970-tal. Vid båda dessa tillfällen spekulerades över klimatförändringar. Det kalla vädret under den senare perioden fick stor medial uppmärksamhet och flera klimatforskare trodde att en istid kunde vara i antågande. 

Dagens observationer, inte minst från satelliter i kombination med detaljerade datorberäkningar och fördjupad forskning, ger dock nu en högst trovärdig bild att jorden kommer att fortsätta värmas upp, men i varierande takt. På lång sikt är det därför nödvändigt att begränsa framtida utsläpp av växthusgaser. Den viktiga forskning som Syukuro Manabe och Klaus Hasselmann bedrivit har inte bara förbättrat vår kunskap om jordens klimat. Den har också bidragit till att samhället tagit viktiga steg för att försöka förhindra negativa klimateffekter. Det är därför två mycket värdiga mottagare av den förnäma utmärkelse som Nobelpriset i fysik är.