Bern Carbon Cycle Modell

Anfang 1996 publizierten F. Joos et al. (Bern) den Artikel „An efficient and accurate representation of complex oceanic and biospheric models of anthropogenic carbon uptake“, in dem der Abbau des Ausstoßes einer bestimmten CO₂-Masse als eine Summe von 3 oder 4 abfallenden Exponentialfunktionen mit Zeitkonstanten zwischen wenigen und hunderten von Jahren beschrieben wird – siehe Bild:

Eine englische Version dieses Bildes findet man in der Publikation von J. Hansen et al. (2007) „Dangerous human-made interference with climate: a GISS modelE study“. Ebenfalls 2007 wurde das Bern Carbon Cycle Modell mit neuen Parametern in den IPCC Report „Climate Change 2007: The Physical Science Basis“ aufgenommen:

CO₂(t) =(21.7 + 25.9*exp(-t/172.9) + 33.8*exp(-t/18.5) + 18.6*exp(-t/1.186)) (%)

Die Anwendung der Formel des Bern Carbon Cycle Modells besteht darin, für die CO₂-Emission jedes Jahres j (j=1750, 1751, …) zu berechnen, wieviel davon nach t (t=0,1,2,…) Jahren noch übrig ist. Die anthropogene CO₂-Masse m(x) in der Atmosphäre des Jahres x ist dann die Summe der Emissionen des Jahres x + die Summe aller nicht absorbierten CO₂-Massen für die Vorjahre j < x, für die gilt j+t = x. Die CO₂-Konzentration des Jahres x wird berechnet als C(x) = C₀ + 0,128 * m(x).

Bestimmung der vorindustriellen CO₂-Konzentration mit dem Bern Carbon Cycle Modell

Aus der Forderung, die Quadratsumme der Differenzen der Meßwerte C_i und der berechneten Werte C(i) = C₀ + 0,128 * m(i) – wobei m(i) die im Jahr i laut Bern-CC-Modell in der Atmosphäre verbliebene anthropogene CO₂-Massse ist – zu minimieren, ergibt sich eine Formel zur Berechnung von C₀:

C₀ = Mittelwert(C_i) – 0,128 * Mittelwert(m(i)) (Mittelwerte berechnet für i = 1959 .. x)

Für die ab 1959 vorhandenen Mauna-Loa-Meßwerte (siehe Link) ergibt sich mit den beiden Parametersätzen des Bern-CC-Modells folgende Grafik, in der C₀ mit den jeweils bis zum Jahr x bekannten Meßwerten berechnet wurde:

Mit den IPCC-Parametern des Jahres 2007 wird C₀ sehr stabil der Wert 295 ppm zugeordnet. Die Parameter des Jahres 1995 (aus der Publikation von J. Hansen) führen für die vorangehenden Jahre ebenfalls zu C₀ ~ 295 ppm, bei Berücksichtigung von Meßwerten späterer Jahre zum nur leicht höheren Wert von 296 ppm.

Zum Test der Vorhersage-Qualitäten des Bern-CC-Modells wird in der folgenden Grafik dargestellt, welche CO₂-Konzentration für das Jahr 2018 die beiden Bern-CC-Parametersätze im Jahr x vorhersagen, wenn nur Meßwerte bis zum Jahr x berücksichtigt werden. Über den gesamten Zeitraum von 60 Jahren liegen die Vorhersagen des 1995-Parametersatzes bis zu 2 ppm unter dem aktuellen Meßwert; die Vorhersagen des 2007-Parametersatzes liegen bis zu 0,8 ppm darüber.

Schlußfolgerung: Das Bern-CC-Modell berechnet die atmosphärische CO₂-Konzentration sehr genau aus den jährlichen CO₂-Emissionen und macht auch – unabhängig vom Bern-CC-Parametersatz – über Jahrzehnte hinweg sehr genaue Vorhersagen der zukünftigen CO₂-Konzentration, deren Abweichung vom tatsächlichen Wert im Rahmen der jahreszeitlichen Schwankungen der Mauna-Loa-Meßwerte liegt:

Die folgende Grafik zeigt, wie genau die CO₂-Konzentrations-Meßwerte seit ca. 1950 (im wesentlichen die Mauna-Loa-Messungen) mit Hilfe des Bern Carbon Cycle Modells reproduziert und damit auch über Jahrzehnte extrapoliert werden können.

Die vorindustrielle CO₂-Konzentration kann nicht so niedrig gewesen sein, wie die Eisbohrkern-Messungen anzeigen – entweder wegen systematischer Meßfehler, oder weil die CO₂-Konzentration seit 1750 durch natürliche Ursachen um fast 20 ppm angestiegen ist. Die vergleichsweise geringen menschlichen CO₂-Emissionen zwischen 1750 und 1900 (insgesamt 45 Gt) können nicht die Ursache eines so starken CO₂-Anstiegs (17 ppm = 133 Gt) gewesen sein (vgl. Text „Vorindustrielle CO₂-Konzentration„).

Für Auswertungen werden daher die mit Hilfe des Bern-CC-Modells korrigierten Werte (blaue Kurve) verwendet.