Door Frans Schrijver.

De toename van CO₂ in de atmosfeer leidt tot meer vergroening; sinds 1900 is de vegetatie in de wereld al met 30% gestegen. Dit roept de vraag op of het omgekeerde ook waar is.

  • Is een hoge CO₂-concentratie een noodzakelijke voorwaarde voor een groene aarde?
  • Was de CO₂ concentratie in vroegere groene perioden ook zo hoog?

Deze vragen zijn relevant, omdat het algemene beeld is, dat er een natuurlijk CO₂-niveau is van ongeveer 270 tot 280 ppm (parts per million), veel lager dan de huidige 425 ppm. Volgens de ijskerngegevens van Antarctica was de CO₂-concentratie in de afgelopen 800.000 jaar nooit hoger was dan 300 ppm. Het is het belangrijkste argument om menselijke emissies de schuld te geven van de huidige stijging van het CO₂-niveau in de atmosfeer.

In mijn laatste (peer-reviewed) artikel ‘Historical CO₂ levels in periods of global greening’ heb ik deze vragen onderzocht door de omvang van de mondiale vegetatie te vergelijken met de CO₂-niveaus in de atmosfeer. De conclusie op beide vragen is positief: tenzij andere groeifactoren uitzonderlijk gunstiger waren, was een groene aarde alleen mogelijk als ook de CO₂-concentratie hoog was. En aangezien het huidige vegetatieniveau zeker niet uitzonderlijk is, moeten er in het verleden periodes zijn geweest met vergelijkbare of hogere CO₂-niveaus.

De relatie tussen CO₂ en vegetatie

Voor de groei van planten zijn verschillende factoren van belang, onder andere: temperatuur, water (in de lucht en de bodem), voedingsstoffen (stikstof, fosfor, enz.) en kooldioxide. Afhankelijk van de plantensoort is er een optimale waarde voor elk van deze groeifactoren. De optimale CO₂-concentratie ligt over het algemeen tussen 800 en 1200 ppm.

In praktijk zijn de omstandigheden lang niet altijd optimaal. Hier komt de Wet van Mitscherlich om de hoek kijken. Deze wet beschrijft de relatie tussen de opbrengst van een gewas en de hoeveelheid van één groeifactor (bijv. stikstof). Naarmate er meer voedingsstoffen worden toegevoegd, neemt de opbrengst toe, maar de snelheid van de toename neemt geleidelijk af en bereikt uiteindelijk een maximum. Het staat bekend als het principe van afnemende meeropbrengsten. Deze wet is door veel plantensoorten aangetoond voor verschillende beperkende factoren, waaronder CO₂.

In mijn onderzoek heb ik de Wet van Mitscherlich toegepast door de omvang van de mondiale vegetatie te vergelijken met de CO₂-niveaus in de atmosfeer. Deze omvang kan worden uitgedrukt in GPP, Gross Primary Productivity, dat wil zeggen de som van alle fotosynthese van de vegetatie. De vergroening van de aarde is uitgebreid bestudeerd en er zijn meerdere datasets van modellen en satellietwaarnemingen beschikbaar. Ik heb de gemiddelde waarden van 8 verschillende datasets vergeleken met de werkelijke jaarlijkse CO₂-niveaus zoals gemeten in Mauna Loa.

De resulterende relatie tussen het werkelijke CO₂-niveau en de GPP is te zien in de volgende grafiek. De rode (best fit) lijn in de grafiek volgt de Wet van Mitscherlich. Deze laat duidelijk het gunstige effect van CO₂ zien: meer CO₂ correspondeert met een hogere GPP. Maar we zien ook dat het gunstige effect afneemt bij stijgende CO₂-niveaus. De verminderde meeropbrengst geldt dus ook voor de som van alle vegetatie. Een verdere toename van de GPP alleen mogelijk is bij een méér dan evenredige toename van de CO₂-concentratie.

De fotosynthese op land is verantwoordelijk voor ongeveer 60% van de totale neerwaartse stroom CO₂ uit de atmosfeer. De neerwaartse stroom naar de oceanen is complexer. De totale fotosynthese in de oceanen door fytoplankton is vergelijkbaar in omvang met die van landvegetatie, maar het proces vindt plaats in het water met behulp van opgelost CO₂. Dit maakt het moeilijk om biologische processen te onderscheiden van chemische processen en de uitwisseling met de atmosfeer. In mijn artikel geef ik een meer gedetailleerde analyse van deze complexiteit, inclusief verschillende scenario’s.

Ondanks het gebrek aan oceanische gegevens kunnen we concluderen dat een toenemende GPP (vergroening) in alle gevallen leidt tot een grotere stroom van de atmosfeer naar land en zee en een langere verblijftijd (de gemiddelde tijd dat CO₂ in de atmosfeer blijft). Omdat de CO₂-concentratie evenredig is met zowel de neerwaartse stroom als de verblijftijd, betekent dit een meer dan evenredige toename van de CO₂-concentratie.

Vroegere groene perioden

Het huidige vegetatieniveau is niet uitzonderlijk. Als voorbeeld gebruik ik de periode kort na de laatste ijstijd, ongeveer 10.000 jaar geleden, omdat we over die periode goede informatie hebben. Zoals we kunnen zien in de grafiek van Our World in Data, was er toen 50% meer bos dan nu. Omdat de GPP per m² hoger is voor bossen dan voor grasland en akkerland, was het totale GPP hoger dan nu (ongeveer 4,4%).

Op basis van deze gegevens zou je dus een hoog CO₂-niveau in de atmosfeer verwachten, minstens zo hoog als nu. Volgens de ijskerngegevens lag de CO₂-concentratie in de atmosfeer in die periode rond de 280 ppm. Dit zou echter alleen mogelijk zijn als de reactie van de natuur op het CO₂-gehalte fundamenteel anders zou zijn dan wat we de afgelopen jaren hebben waargenomen.

CO₂ is een belangrijke groeifactor. Een hoge GPP bij een laag CO₂-niveau zou alleen mogelijk zijn als andere factoren, zoals temperatuur, water en voedingsstoffen, uitzonderlijk veel gunstiger waren dan op dit moment. Vooral in dit voorbeeld van 10.000 jaar geleden is dit niet het geval. De gemiddelde temperatuur was niet veel hoger of lager dan nu. Bovendien is de ontbossing en uitbreiding van landbouwgrond sinds die periode vrijwel volledig het gevolg van menselijke activiteiten. Om OWD te citeren: “Mensen kappen al millennia bomen.” Er zijn geen aanwijzingen dat de andere beperkende factoren in deze relatief korte periode significant zijn veranderd.

Natuurlijke fluctuaties

Een hoog CO₂-niveau 10.000 jaar geleden (en in andere groene periodes) is in tegenspraak met de huidige opvatting dat er slechts één natuurlijk CO₂-niveau is van 270-280 ppm. Het is gebaseerd op het idee dat de natuur altijd precies in evenwicht is zonder menselijke verstoring. Dit is echter zeer onwaarschijnlijk, omdat de natuurlijke opname en uitstoot onder invloed staan van verschillende factoren (‘drivers’). Voor fotosynthese (neerwaartse stroom) is de CO₂-concentratie in de atmosfeer de bepalende factor. Maar voor de uitstoot door verrotting (soil respiration) is temperatuur de belangrijkste driver.

De afbraak van organisch materiaal op en in de bodem neemt exponentieel toe met temperatuur (tot meer dan 20% per °C). Een periode van stijgende temperaturen leidt tot meer respiratie vanuit de grote hoeveelheden organisch materiaal in de bodem. De natuurlijke emissie stijgt daarmee sneller dan de natuurlijke opname, met een hogere CO₂-concentratie in de atmosfeer en vergroening van de aarde tot gevolg, en vice versa. Een hogere temperatuur zorgt bovendien voor meer CO₂-uitstoot uit de oceanen.

Het lijkt tegenstrijdig dat meer vegetatie overeenkomt met een hogere CO₂-concentratie, omdat planten CO₂ opnemen. Vergroening is echter niet de oorzaak van de hogere concentratie, maar eerder het gevolg ervan. In het volgende diagram zie je de vereenvoudigde causaliteit. Opwarming van de aarde is de belangrijkste factor (in oranje) voor meer respiratie en uitgassing vanuit zee, en heeft een (veel kleiner) positief effect op de wereldwijde vergroening. Meer CO₂ in de atmosfeer is de belangrijkste drijfveer (in groen) voor meer fotosynthese en wereldwijde vergroening, wat resulteert in meer biomassa en plantademhaling. Toenemende menselijke emissies kunnen dit proces versnellen, maar de impact ervan is relatief klein.

Ik besef dat deze uitleg een versimpeling is en dat de werkelijkheid altijd veel complexer is. Maar het illustreert dat het concept van een perfect natuurlijk evenwicht een veel grotere versimpeling is, en gezien de verschillende factoren die stijgingen en dalingen beïnvloeden, zeer onrealistisch.

Frans Schrijver.

De invloed van temperatuur op het CO₂-niveau wordt ondersteund door het causale verband tussen temperatuur en CO₂, zoals aangetoond door Koutsoyiannis et al. (2023):

“All evidence resulting from the analyses suggests a unidirectional, potentially causal link with T as the cause and [CO2] as the effect”.

Zijn onderzoek komt tot de conclusie dat de menselijke bijdrage erg klein is. Maar zelfs als het zo zou zijn dat menselijke emissies de belangrijkste oorzaak is van de recente CO₂-stijging, is het nog steeds aannemelijk dat de historische CO₂-niveaus veel hoger waren dan algemeen wordt aangenomen.

***

Schrijver, F.J., 2025: Historical CO₂ levels in periods of global greening, Science of Climate Change, 5(3), pp. 107–118. https://doi.org/10.53234/scc202510/06.

Zie ook: www.greenco2level.org

***