Maakaasuvuotojen vaikutus ilmastoon

Maakaasun energiakäyttöä puolustellaan usein sillä, että kaasun polttamisen hiilidioksidipäästö on pienempi kuin muilla polttoaineilla. Tämä pitää periaatteessa paikkansa, mutta kaasulla on varjopuolensakin, josta ei kovin usein kuule puhuttavan. Maakaasu on suurimmaksi osaksi metaania, joka on itsessään voimakas kasvihuonekaasu. Pienetkin vuodot maakaasun tuotantoketjussa heikentävät huomattavasti kaasun paremmuutta muihin fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna. Varsinkin lyhyellä aikavälillä vuodot saattavat mitätöidä polton pienemmät CO2-päästöt kokonaan.

Selvitetään laskemalla, kuinka paljon kaasusta saa vuotaa raakana ilmakehään, ennen kuin vuoto mitätöi kaasun polton pienemmän CO2-päästön.

Metaani säilyy ilmakehässä lyhemmän aikaa kuin hiilidioksidi, joten sen kasvihuonevaikutus myös vähenee ajan myötä. Kasvihuonekaasuille ilmoitetaan CO2-ekvivalentti. Se on lukuarvo, joka ilmoittaa, mikä kaasun kasvihuonevaikutus on hiilidioksidiin verrattuna, hiilidioksidin lukuarvon ollessa tasan yksi. Esimerkiksi yleisen jääkaappikylmäaineen R134a luku on 1300, ja viime aikoina uutisiinkin nousseen rikkiheksafluoridin arvo on peräti 23500. Toisin sanoen, yksi kilogramma rikkiheksafluoridia ilmakehässä aiheuttaa yhtä suuren kasvihuonevaikutuksen kuin 23500 kilogrammaa hiilidioksidia.

Koska metaani poistuu ilmakehästä suhteellisen nopeasti, sen CO2-ekvivalentti riippuu tarkastelujakson pituudesta. Yleisesti vertailuissa käytetään kahta jakson pituutta: 20 vuotta ja 100 vuotta. Vastaavat CO2-ekvivalentit ovat 85 ja 30. Nämä arvot löytyvät vuoden 2013 IPCC-raportista (Table 8.A.1), mutta ne saattavat vielä tutkimuksen edetessä muuttua.

Vertailu kivihiileen lämmöntuotannossa

Metaanin alempi lämpöarvo on 50 MJ/kg (13,9 kWh/kg). Metaanin CO2-päästökerroin on 2,77, eli kun poltetaan 1 kg metaania syntyy 2,77 kg hiilidioksidia. Kivihiilen vastaavat arvot riippuvat paljon hiilen laadusta. Käytetään tässä esimerkissä tilastokeskuksen taulukossa POLTTOAINELUOKITUS 2019 antamia lukuja 24,8 MJ/kg (6,89 kWh/kg) ja päästökertoimena 2,3.

Kun tuotetaan yksi megawattitunti lämpöenergiaa, täytyy polttaa:

  • Maakaasua: 1000 kWh / 13,9 kWh/kg = 72 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 199 kg.
  • Kivihiiltä: 1000 kWh / 6,89 kWh/kg = 145 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 334 kg.

Kaasulla saadaan siis sama lämpömäärä 73 kg (50%) vähemmällä polttoaineella ja 135 kg (40%) pienemmillä CO2-päästöillä.

Kasvihuonekaasuna 135 kg hiilidioksidia vastaa 20 vuoden tarkastelujaksolla 135/85 =  1,6 kg metaania. Jos metaania tuotetaan 73,6 kg, josta poltettavaksi päätyy 72 kg ja ilmakehään vuotaa 1,6 kg (1,6/73,6 = 2,2 %), on metaanivuoto mitätöinyt kaasun pienemmän CO2-päästön. Jos vuodon määrä on suurempi kuin 2,2 %, kaasun kasvihuonevaikutus on suurempi kuin hiilellä.

Näin olleen lämmöntuotannossa maakaasun kivihiiltä pienemmät CO2-päästöt mitätöytyvät kokonaan, jos kaasusta vuotaa raakana ilmakehään:

    • 20 vuoden tarkastelujaksolla 2,2 %
    • 100 vuoden tarkastelujaksolla 5,8 %

Vertailu öljyyn lämmöntuotannossa

Raskaan polttoöljyn lämpöarvo on 42 MJ/kg (11,7 kWh/kg) ja päästökerroin 3,2.

Kun tuotetaan yksi megawattitunti lämpöenergiaa, täytyy polttaa:

  • Maakaasua: 1000 kWh / 13,9 kWh/kg = 72 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 199 kg.
  • Raskasta polttoöljyä: 1000 kWh / 11,7 kWh/kg = 86 kg, jolloin syntyy hiilidioksidia 274 kg.

Kaasulla saadaan sama lämpömäärä 14 kg (16%) vähemmällä polttoaineella ja 75 kg (27%) pienemmillä CO2-päästöillä.

Kasvihuonekaasuna 75 kg hiilidioksidia vastaa 20 vuoden tarkastelujaksolla 75/85 =  0,9 kg metaania.

Lämmöntuotannossa maakaasun öljyä pienemmät CO2-päästöt mitätöytyvät kokonaan, jos kaasusta vuotaa raakana ilmakehään:

    • 20 vuoden tarkastelujaksolla 1,2 %
    • 100 vuoden tarkastelujaksolla 3,4 %

Vertailu kivihiileen sähköntuotannossa

Sähköntuotannossa tilanne on hiukan monimutkaisempi. Hiili poltetaan höyrykattilassa, jonka tuottamalla höyryllä ajetaan höyryturbiinia. Kaasu soveltuu kaasuturbiinin polttoaineeksi, jolloin voidaan käyttää kombiprosessia. Siinä osa sähköstä tehdään kaasuturbiinilla. Turbiinin kuumat pakokaasut johdetaan pakokaasukattilaan, josta saadaan vielä höyryä höyryturbiinille. Tällaisen kombiprosessin hyötysuhde on huomattavasti parempi kuin pelkän höyryprosessin.

Käytetään tässä esimerkissä molempien prosessien parhaita hyötysuhteita, jotka ovat hiilivoimalalle 47 % ja kaasuvoimalalle 63 %.

Sähköntuotannossa, kummallekin polttoaineille parhailla käytettävissä olevilla teknologioilla, kaasun pienemmän CO2-päästön mitätöivät vuotomäärät ovat seuraavat:

  • 20 vuotta 4 %
  • 100 vuotta 10 %

Jos vain suoraan vaihdetaan hiilikattilan polttoaine maakaasuksi, hyötysuhde ei muutu ja ero polttoaineiden välillä on sama kuin lämmöntuotannossa.

Vertailu polttoöljyyn laivakäytössä

LNG-laivoja on nyt alkanut tulla liikenteeseen, koska laivojen pakokaasupäästöjä on haluttu saada pienemmiksi. Maakaasu on teknisesti hyvä polttoaine myös mäntämoottoriin. Moottorin hyötysuhteet molemmilla polttoaineilla ovat jokseenkin samat, joten hyötysuhde ei vaikuta tulokseen. Parhailla mäntäkoneilla voidaan saavuttaa noin 50 % hyötysuhde.

Laivakäytössä kaasun pienempi CO2-päästö mitätöityy vuotomäärillä:

  • 20 vuotta 1,2 %
  • 100 vuotta 3,4 %

Kaasumoottorit päästävät pienen määrän metaania raakana läpi pakoputkeen. Tämä ”metaanislippi” on ominaista Otto-moottoreille, joissa kaasu syötetään palotilaan ilman mukana imutahdin aikana ja sytytetään sytystulpalla tai sytyspolttoaineella, joka ruiskutetaan sylinteriin puristustahdin lopussa. Palotilassa on paikkoja, jonne kaasu pääsee ”piiloon”, jolloin se ei osallistu palamiseen. Näitä ovat mm. rako männän ja sylinterin välissä ylimmän männärenkaan yläpuolella, sekä kannen ja sylinteriputken välinen rako kannentiivisteen sisäpuolella. Toinen syy on epätäydellinen palaminen. Metaanin palaminen vaatii yli 600 °C lämpötilan. Palotilan seinämien lähellä lämpötila voi laskea tämän alle, jolloin palaminen estyy ja osa metaanista jää palamatta. Tätä esiintyy etenkin osatehoilla ajettaessa.  Metaani on myös itse asiassa melko vaikea saada syttymään, koska sen syttymisraja on hyvin kapea. Metaania pitää olla ilmassa 5…15 %, muuten se ei syty. Jos sitä on vähemän kuin 5 % tai enemmän kuin 15 %, se ei syty. Tämä on turvallisuusmielessä hyvä asia, mutta polttoteknisesti huono.

Raportissa GHG and NOx emissions from gas fuelled engines todetaan (Table 1.1), että suositusrajat vuoden 2010 jälkeen valmistetujen laivamoottoreiden metaanipäästöille ovat moottorityypistä riippuen 25,4 tai 43,2 g/kg polttoainetta (=4,1 tai 6,9 g/kWh). Prosenteissa ilmaistuna slippirajat ovat 2,5…4,3 %, joten tämä pelkkä metaanislippi mitätöi pienemmän CO2-päästön 20 vuoden tarkastelujaksolla (1,2 %) ja voi tehdä sen myös sadan vuoden jaksolla (3,4 %).

Toisaalla tekstissä todetaan:

LPDF gas engine optimised for low methane slip by improved process control and minimise dead space in combustion chamber by design, can reduce the methane slip to a level of 3,0 – 4,0 g/kWh. This means that ships operating LPDF gas engines can give a net reduction of greenhouse gases (GHG) including methane. How large the reduction of GHG can be is depending of operation profile and the fuel in comparison, a reduction range 5-10% is achievable compare to diesel oil operation.

Optimoimalla moottori kaasukäytölle, metaanislippi voidaan siis pudottaa tasoon 3,0…4,0 g/kWh, mikä vastaa 1,7…2,3 %. Huomataan, että tämä on enemmän kuin 20 vuoden tarkastelujaksolle sallittu 1,2 % mutta vähemmän kuin 100 vuoden tarkastelujaksolle sallittu 3,4 %. Kun otetaan huomioon myös maakaasun tuotannon, kuljetuksen, nesteytyksen sekä varastoinnin metaanipäästöt, on hyvin todennäköistä, että maakaasun käyttö laivojen polttoaineena ei vähennä meriliikenteen kasvihuonekaasupäästöjä, vaan voi jopa lisätä niitä. Muut päästöt maakaasulla ovat toki pienemmät kuin raskaalla polttoöljyllä.

On myös kaasudieselmoottoreita, joissa kaasu syötetään palotilaan suurella paineella puristustahdin lopussa. Näissä moottoreissa metaanislippiä ei esiinny juuri ollenkaan, koska kaasu palaa ennen kuin se ehtii paikkoihin, jossa se jäisi palamatta. Kaasu ei kuitenkaan syty itsestään, kuten dieselpolttoaine, vaan moottori tarvitsee kaasun lisäksi pienen määrän polttoöljyä sytytyspolttoaineeksi. Tällaisen moottorin polttoainejärjestelmä on kallis, eivätkä ne ilmeisesti sen vuoksi ole yleistyneet.

Yhteenveto

Käyttökohde, korvattava polttoaine 20 vuotta 100 vuotta
Lämpö, kivihiili 2,2 % 5,8 %
Lämpö, raskas polttoöljy 1,2 % 3,4 %
Sähkö, kivihiili 4 % 10 %
Laivapolttoaine, polttoöljy 1,2 % 3,4 %

Tulokset ja laskukaavat Google-taulukkona. Voit ladata itsellesi Exceliin ja kokeilla erilaisia tapauksia. Taulukossa on valmiiksi laskettuna muutama muu tapaus tässä esiteltyjen lisäksi.

Maakaasua vuotaa jonkin verran tuotantoketjun kaikissa vaihessa, tuotannossa, kuljetuksessa, varastoinnissa ja käytössä, sekä myös suljetuista kaasulähteistä. Tarkkoja vuotomääriä ei ole tiedossa, eikä niihin tässä artikkelissä syvennytä. Liitteenä kuitenkin joitain linkkejä (lähteet 10-14). Lähde 10, Alvarez et al. 2018, totetaa Yhdysvaltojen kaasuntuotannon vuotojen olevan 2,3 %. Suljettujen ja käytöstä poistettujen porausreikien vuotoja ei tiedetä. Venäjän kaasuntuotannon vuodoista ei varmasti ole mitään tarkkoja tietoja. Voidaan kuitenkin olettaa vuotomäärien olevan venäjällä suurempia kuin Yhdysvalloissa.

Voitaneen pitää mahdollisena, että ainakaan 20 vuoden tarkastelujaksolla maakaasu ei ole kasvihuonekaasupäästöjen osalta haitattomampi polttoaine kuin muut hiilivetypolttoaineet, kivihiili mukaan lukien. Sadan vuoden tarkastelujaksolla se voi sitä joissain tapauksissa olla, mutta ero muihin hiilivetypolttoaineisiin voi olla vähäisempi kuin yleisesti oletetaan. Koska päästöjen vähentämisen pitäisi alkaa nyt eikä yli 20 vuoden kuluttua, herää kysymys, kannattaako ylipäätään mitään polttoaineita vaihtaa maakaasuksi vain kasvihuonekaasujen vähentämisen toivossa, vai onko tehokkaampaa jättää tämä välivaihe pois, kunnes ollaan valmiita siirtymään lopulliseen, päästöttömään energialähteeseen?

Biokaasu on myös metaania, jota varmasti vuotaa tuotannon ja käytön eri vaihessa yhtälailla kuin maakaasua.

Muut fossiiliset polttoaineet

Myös muiden fossiilisten polttoaineiden tuotannossa vapautuu metaania ilmakehään. Jotta vertailu oli oikeudenmukainen, tämä pitäisi vertailussa ottaa huomioon, koska se tekee maakaasusta vähän tässä esitettyä vähäpäästöisemmän polttoaineen suhteessa muihin polttoaineisiin. Se ei johdu siitä, että maakaasu olisi tässä esitettyä parempi, vaan siitä, että muut foossiiliset polttoaineet ovat yleistä käsitystä pahempia.

Kaikenkaikkiaan oljyn JA kaasun tuotannon metaanuovuotojen on arvioitu olevan 6% koko energiasektorin kasvihuonekaasupäästöistä. Kivihiilen tuotannon metaanipäästöistä käytetään termiä ”Emission factor” jonka yksikkö on m3CH4/tonni tuotettua hiiltä. IPCC on käyttänyt tässä esitettyjä lukuarvoja, joskin kooste on jo jonkin verran vanha ja mahdollisesti parempaakin tietoa löytyy. Kaivoshiilen metaanipäästöt ovat noin kymmenkertaiset avolouhoksista saatavaan hiileen verrattuna, vaihteluvälin ollessa 10…25 m3CH4/tonni. Sen lisäksi tulee käsittelyn ja kuljetuksen aikaisen päästöt 0,9…4 m3 CH4/tonni. Kun nämä lasketaan yhteen, saadaan vaihteluväliksi 10,9…29 m3CH4/tonni. Jos näiden keskiarvo 20 m3CH4/tonni  muutetaan CO2-ekvivalentiksi ja listätään hiilen CO2 päästöön kohdan ”Vertailu kivihiileen lämmöntuotannossa” esimerkissä, saadaan tulokseksi, että päästö onkin 334 kg sijasta 20 vuoden tarkastelujaksolla 469 kg ja 100 vuoden jaksolla 366 kg. Vastaavat kaasun pienemmät CO2-päästöt mitätöivät metaanivuodot ovat 20 vuotta 4,2 % ja 100 vuotta 7,2 %, kun ne ilman kivihiilen metaanin huomioon ottamista olivat 2,2 ja 5,8 %.

Polttoaineiden tuotannon päästöt ovat enemmän tai vähemmän arvioita, koska suoria mittauksia on lähes mahdotonta tehdä. Myös erot eri alueiden, jopa eri kaivosten välillä ovat suuria.

Näissä laskelmissa käytettiin CO2-päästökerrointa. Sama asia voidaan ilmaista myös ominaispäästönä, joka voi olla helpompi hahmottaa. Tässä havainnollinen kaavio eri polttoaineiden ominaispäästöistä, mutta kuten todettiin, tämä ei ole koko totuus. Kun tuotannon, varastoinnin, kuljetukset ja käytön päästöt otetaan mukaan, ovat kaikkien polttoaineiden päästöt suurempia kuin kaaviossa esitetyt, ja niiden järjestyskin voi poiketa esitetystä.

Metaani ilmakehässä

Metaanin määrä ilmakehässä on kasvussa.

Se on heti hiilidioksidin jälken[1] merkittävin kasvihuonekaasu, jonka säteilypakote on n. 0,48 W/m2 kun hiilidioksidilla se on 1,46 W/m2.

Metaanin päästölähteitä on paljon muitakin, joista osa on luonnollisia, mutta polttoaineiden aiheuttamat metaanipäästöt ovat sen verran suuria, että ne on syytä tiedostaa nykyistä paremmin, myös maakaasun osalta, joka mielletään muita polttoaineita vähäpäästöisempänä ja ympäristöystävällisempänä vaihtoehtona.

[1] Ilmaston kannalta merkittäväin kasvihuonekaasu on vesihöyry. Se ei kuitenkaan ole antropogeeninen kasvihuonekaasu. Sen elinikä ilmakehässä on hyvin lyhyt, sen pitoisuus riippuu ilman lämpötilasta eikä ihmistoiminta vaikuta ilmakehän vesihöyryn määrään suoraan kuin korkeintaan paikallisesti.

Tämä artikkeli on julkaistu myös englanniksi: CLIMATE EFFECTS OF NATURAL GAS LEAKAGE

  1. Maakaasu, käyttöturvallisuustiedote
  2. POLTTOAINELUOKITUS 2019
  3. Natural Gas Composition
  4. Chemical Composition of Natural Gas
  5. IPCC AR5 / Climate Change 2013: The Physical Science Basis / Anthropogenic and Natural Radiative Forcing / Appendix 8.A: Lifetimes, Radiative Efficiencies and Metric Values / Table 8.A.1
  6. Who Has the World’s Most Efficient Coal Power Plant Fleet?
  7. Most efficient combined cycle power plant
  8. CO2 Emission Factors for Fossil Fuels / 7 Selected fuel-related CO2 emission factors
  9. GHG and NOx emissions from gas fuelled engines
  10. Assessment of Methane Emissions from the U.S. Oil and Gas Supply Chain
  11. CALLING NATURAL GAS A ‘BRIDGE FUEL’ IS ALARMINGLY DECEPTIVE
  12. Pennsylvania Oil and Gas Emissions Data
  13. Assessment of methane emissions from the U.S. oil and gas supply chain
  14. Wikipedia: Atmospheric methane
  15. Methane emissions from oil and gas
  16. Methane Emissions in the Oil and Gas Industry
  17. Fracking boom tied to methane spike in Earth’s atmosphere
  18. CH4 EMISSIONS: COAL MINING AND HANDLING
  19. Nesteytetyn maakaasun piti torjua ilmastonmuutosta – Uusi tutkimus tyrmää ilmastohyödyn kokonaan

Eija-Riitta Korholan ilmastohaihattelua – ihmistoiminnan osuus lämpenemisestä

Eija-Riitta Korhola kirjoitti 5.12.2015 blogiinsa otsikolla Ilkeä ongelma.

Siinä hän sanoo esimerkiksi näin:

Toistaiseksi emme tiedä, mikä viime vuosisadalla tapahtuneessa lämpötilan nousussa on ollut luonnon osuus ja mikä ihmisen osuus.

Ja..

Vielä seitsemänkymmentäluvulla varoiteltiin, että ilmasto viilenee, jollemme ryhdy toimiin sen ehkäisemiseksi.

Onko todella näin?

Skeptikot tarjoavat vaihtelevia ”luonnollisia” selityksiä sille, miksi ilmastomme on lämmennyt noin asteen vuoden 1880 jälkeen. Vaihtoehtoisesti skeptikot sanovat, että emme tiedä, miksi on lämmennyt, tai emme tiedä, mikä ihmisperäisen vaikutusten osuus lämpenemisestä on.

Yhteistä näille skeptikkoväitteille on se, että ne ovat väärässä. Ilmaston lämpötilan muutoksiin vaikuttavia tekijöitä on tutkittu todella paljon, ja niistä on varsin hyvä käsitys olemassa.

Seuraavassa on lyhyt ja yleistajuinen yhteenveto ilmaston lämpötilaan vaikuttavista tekijöistä.

Orbitaaliset tekijät

Maan pyörimisakselin suunta vaappuu hyrrän tavoin. Ilmiö vaikuttaa Auringon säteilyn jakautumiseen Maapallolla. Milankovićin sykleinä tunnetut ilmiöt ovat nykyisen teorian mukaan syynä Maan lähihistoriassa toistuneille jääkausille. Vuoden 1880 jälkeen tämän ilmiön vaikutus ilmastoon on kuitenkin ollut olematon, kuten alla oleva kuva osoittaa.

Musta käyrä tässä ja muissa kuvissa osoittaa mitatun lämpenemisen.

Kuva 1.

Kuva 1. Orbitaalisten tekijoiden vaikutus ilmaston lämpenemiseen.

Aurinko

Tämä on skeptikoiden kestosuosikki: Kaiken takana on Aurinko. Vai onko? Ei ole. Auringon aktiivisuutta voidaan mitata hyvin tarkasti, ja sen menneiden aikojen aktiivisuutta voidaan tutkia mm. monenlaisista biologisista aikasarjoista. Kaikki tämä tutkimusdata yhdessä osoittaa, että Auringon vaikutus on 1880 jälkeen ollut olematon.

Kuva 2.

Kuva 2. Auringon vaikutus ilmaston lämpenemiseen.

Tulivuoret

Suuret tulivuorenpurkaukset vaikuttavat ilmastoon viilentävästi. Tämä johtuu tulivuorten ilmakehään syöksemistä massiivisista pöly- ja rikkipilvistä, jotka leviävät koko ilmakehään ja vähentävät maanpintaan osuvaa Auringon säteilyä. Suuret purkaukset vaikuttavat muutaman vuoden ajan, kunnes tuhka ja rikki vähitellen poistuvat ilmakehästä.

Skeptikot syyttävät toisinaan tulivuoria myös ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden noususta. Tämäkään ei pidä paikkaansa. Ihmiskunta päästää ilmakehään sata kertaa enemmän hiilidioksidia kuin tulivuoret.

Tulivuorten vaikutus nähdään seuraavassa kuvassa.

Kuva 3.

Kuva 3. Tulivuorten vaikutus ilmaston lämpenemiseen.

Luonnolliset tekijät yhdessä

Kolme yllä kuvattua vaikutusta ovat ilmastoon vaikuttavia luonnollisia tekijöitä, joiden suuruutta ei mm. Korholan mielestä tiedetä. Korhola on väärässä, luonnollisten tekijöiden vaikutus vuoden 1880 jälkeiseen lämpenemiseen on alla olevan kuvan mukainen.

Kuva 4.

Kuva 4. Luonnollisten tekijoiden vaikutus ilmaston lämpenemiseen.

Luonnollisten tekijöiden lisäksi ilmastoon vaikuttaa joukko ihmisten aikaansaannoksia.

Maankäytön muutokset

Maankäytön muutokset, joista suurin on metsien hävittäminen, vaikuttaa ilmastoon viilentävästi. Tämä johtuu siitä, että tummat metsät imevät enemmän Auringon säteilyä kuin vaaleat, metsättömät alueet. Vaikutus on pieni, mutta todettavissa.

Kuva 5.

Kuva 5. Maankäytön muutosten vaikutus ilmaston lämpenemiseen.

Otsoni

Yläilmakehän otsoni suodattaa elämälle vaarallista Auringon ultraviolettisäteilyä. Tämän otsonikerroksen oheneminen on vähän lisännyt säteilyä maanpinnalla. Vastaavasti alailmakehän otsonin määrä on ilmansaasteiden vaikutuksesta vähän lisääntynyt. Otsoni on kasvihuonekaasu. Yläilmakehässä se vaikuttaa maanpintaa viilentäväsi, pinnan lähellä lämmittävästi. Otsonimuutosten yhteisvaikutus on vähän lämmittävä.

Kuva 6.

Kuva 6. Otsonin vaikutus ilmaston lämpenemiseen.

Aerosolit

Aerosolit, eli ilmakehässä olevat kiinteät ja nestemäiset pienhiukkaset, vähentävät maanpintaan osuvan säteilyn määrää, ja näin ollen niiden vaikutus on viilentävä. Aerosoleja on sekä luonnollisia ja ihmisen aiheuttamia. Yllä käsitellyt tulivuoripurkaukset lisäävät ilmakehään aerosoleja. Kasvit erittävät aineita, jotka muodostavat aerosolihiukkasia. Samoin meret, joista ajautuu suolahiukkasia ilmakehään. Ihmisperäisiä aerosoleja syntyy paljon kaikessa polttamisessa. Oli polttoaine mikä hyvänsä, savukaasupäästöt sisältävän aina enemmän tai vähemmän aerosoleja. Suurkaupunkien savusumut ovat äärimmäinen esimerkki aerosolivaikutuksesta.

Ihmisen aiheuttamat aerosolit viilentävät ilmastoa huomattavan paljon. Vaikutus on tämän kuvan mukainen.

Kuva 7.

Kuva 7. Ihmisperäisten aerosolien vaikutus ilmaston lämpenemiseen.

Kun Korhola ja skeptikot väittävät, että 70-luvulla ennustettiin uutta jääkautta, he ovat osittain oikeassa, mutta vain osittain. Osa tutkijoista ilmaisi silloin huolensa yhä lisääntyvien aerosolien viilentävästä vaikutuksesta. Savukaasuja on sen jälkeen järjestelmällisesti puhdistettu, minkä seurauksena aerosolipäästöt eivät kasvaneet niin paljon kuin tutkijat olettivat. Sen lisäksi kasvihuonekaasujen lämmittävä vaikutus on tehokkaasti kumonnut aerosolien viilennyksen.

Näiden syiden takia ”jääkausiennusteet” eivät toteutuneet. Kyse ei ollut siitä, että tutkijat eivät olisi 70-luvulla tienneet mistään mitään. Lisäksi vain osa 70-luvulla julkaistuista tutkimuksista ennusti viilenevää suurimman osan ennustaessa jo silloin lämpenevää. Tämä kuva tutkimuksesta Peterson 2008 osoittaa, kuinka moni 70-luvun tutkimuksista ennusti viilenevää, kuinka moni lämpenevää, ja kuinka moni ei kumpaakaan.

Kuva 8.

Kuva 8. Viilenevää (sininen) ja lämpenevää (punainen) ennustaneiden julkaisujen lukumäärä 70-luvulla. Suurin osa julkaistuista tutkimuksista ennustivat lämpenevää jo 70-luvulla. (Peterson 2008).

Lämpenevää ennustavat tutkimukset on kuvattu punaisella, joten Korhola on tässä väitteessään totaalisen väärässä. Lisää asiasta voi lukea vaikka täältä.

Kasvihuonekaasut

Hiilidioksidi, metaani, CFC-kaasut ja vesihöyry ovat kasvihuonekaasuja. Niiden ominaisuutena on absorboida lämpösäteilyä. Kun Auringon säteily lämmittää maanpintaa, osa lämmöstä säteilee pinnasta takaisin. Jos ilmakehässä ei olisi yhtään kasvihuonekaasuja, eikä taivaalla olisi pilviä, kaikki tämä lämpösäteily pääsisi suoraan avaruuteen, pois Maapallolta. Nyt kuitenkin kasvihuonekaasut estävät säteilyä karkaamasta avaruuteen. Säteily ei pääse suoraan avaruuteen, vaan absorboituu ilmakehän kasvihuonekaasuihin, jotka säteilevät sen uudelleen kaikkiin suuntiin. Osa säteilee takaisin maanpintaan ja absorboituu siihen uudestaan. Mitä enemmän kasvihuonekaasuja ilmakehässä on, sitä enemmän säteilyä palautuu takaisin, ja sitä enemmän maanpinta, ja koko ilmastojärjestelmä lämpenee. Tämä ilmiön tunnetaa kasvihuoneilmiönä.

Kaikkia muita kuin CFC-kaasuja ilmakehässä on luonnostaankin. Ilman kasvihuonekaasuja Maan keskilämpötila olisi -18 astetta nykyisen +15 sijaan, eli koko planeettamme olisi jään peitossa. Ihmisen ilmakehään päästämät kasvihuonekaasut lämmittävät ilmastoa. Kyse on hyvin tunnetusta ilmiöstä, eikä sitä voi kiistää sen paremmin, kuin esimerkiksi painovoiman vaikutusta. Kasvihuonekaasujen lämmittävä vaikutus on alla olevan kuvan mukainen.

Kuva x.

Kuva 9. Ihmisperäisten kasvihuonekaasujen vaikutus ilmaston lämpenemiseen.

Yhteisvaikutus

Kun kaikki yllä esitetyt ilmastoon vaikuttavat ihmisperäiset tekijät summataan yhteen, voidaan havaita, että teoria ja käytäntö ovat lähes yhtenevät. Luonnolliset muutoksen vuoden 1880 jälkeen ovat mitättömät verrattuna ihmisperäisten kasvihuonekaasujen vaikutukseen, joka on selkeästi lämmittävä.

Kuva x.

Kuva 10. Kaikkien ihmisperäisten tekijöiden (sininen) vaikutukset ilmaston lämpenemiseen verrattuna mitattuun lämpenemiseen (musta).

Lämmitysvaikutus olisi vieläkin suurempi ilman aerosolipäästöjä, joten esim. meriliikenteeseen kohdistuvat päästövähennykset eivät ole pelkästään positiivinen asia. Valtameriliikenteen rikkipäästöt viilentävät ilmastoa, eikä niillä sijaintinsa takia ole merkittäviä terveysvaikutuksia. Niitä ei ehkä kannattaisi juuri nyt vähentää.

Yllä olevat kuvat ovat peräisin Bloombergin varsin havainnollisesta animaatiosta, joka löytyy täältä:

What’s Really Warming the World?

Samat tiedot löytyvät tietenkin myös IPCC:n raporteista, joista yksi kokonainen luku käsittelee luonnollisia ja ihmisperäisiä vaikutuksia Maapallon säteilytasapainoon:

Anthropogenic and Natural Radiative Forcing

Raportin sivulla 699 on tämä kuva, josta nähdään samat asiat kuin yllä käsittelimme.

Kuva x.

Kuva 11. IPCC:n raportoimat ilmaston lämpenemiseen vaikuttavat tekijät.

Yhteenvedossa Summary for Policymakers sivulla 14 on tarkempi kuva näistä kaikista tekijöistä. Tämän kaltaiset tieteelliset tulokset eivät voi olla täysin tarkkoja, mutta epätarkkuus on huomioitu tutkimuksissa myös. Se nähdään tässä kuvassa jokaisen säteilypakotteeseen vaikuttavan tekijän kohdalla.

Kuva 12. Ilmaston lämpenemiseen vakuttavat tekijät ja niiden säteilypakotteet.

Yhteenvetona kuvassa nähdään säteilypakote vuosina 1950, 1980 ja 2011, jolloin se on ollut 1,13…2,33 W/m2 mediaanin ollessa 2,29 W/m2.

Korhola toteaa blogissaan:

Joku voi loukkaantua tästä, mutta tieteellisille tosiasioille ei ole kovin järkevää loukkaantua. Ne voidaan tarkistaa.

Minä juuri tarkistin, ja sen perusteella toteankin, että se mitä Korhola asiasta sanoo, on ihan hevon humppaa ja höpöhöpö-juttua.

Korhola puhuu sen sijaan täyttä asiaa ilmastopolitiikan hölmöilyistä. Siitä olen, ja aika moni muukin on, täysin samaa mieltä. Korholan uskottavuus kommentaattorina nousisi huomattavasti, jos hän jatkossa jättäisi nuo haihattelut pois, keskittyisi ilmastopolitiikkaan, eli siihen missä selkeästi on asiantuntija, ja muissa asioissa luottaisi muiden alojen asiantuntijoihin.

Korjaus 9.12.2015  klo 18:00

Korholan pyynnöstä korjaan tahattomasti tekstiin livenneen nimittelyn ilmastoskeptikoksi. Muutettu lause ”Kun Korhola ja muut skeptikot väittävät, että…” muotoon ”Kun Korhola ja skeptikot väittävät, että…”.

Vastaus nimimerkille ”Ihan pihalla” hiilidioksidin osuudesta kasvihuoneilmiöön ja ihmisen päästöjen määrästä

Nimimerkki ”Ihan pihalla” esitti kommentissaan kysymyksen:

Kertokaapa viisaammat, pitävätkö nämä luvut paikkansa? Joo, ne löytyvät Tanskasen blogista.

-Human activity accounts for less than 4 percent of global CO2 emissions.

-CO2 itself accounts for only 10 or 20 percent of the greenhouse effect.

Luvut pitävät jokseenkin paikkansa. Selittikö Tanskanen  myös mitä luvut merkitsevät? Ne nimittäin johtavat helposti harhaan, ellei niitä tarkastele lähemmin. Asia lukujen takana pitää ymmärtää, pelkistä lukuarvoista ei voi vetää johtopäätöksiä. Monien myyttien ja harhakäsitysten tapaan nämäkin luvut kiertävät keskusteluissa vuodesta toiseen ilmeisesti juuri siksi, että niihin ei tutustuta otsikkotasoa pidemmälle. Ja toisaalta siksi, että niillä voidaan helposti johtaa ajatuksia harhaan, jos niin halutaan.

Ihmisen hiilidioksidipäästön suuruutta ja merkitystä luonnon omaan hiilikiertoon verrattuna olen käsitellyt aiemmin täällä:

https://planeetta.wordpress.com/2008/04/08/hiilikierto/

Vastaukset löytyvät sieltä, en toista niitä tässä.

Vesihöyry on merkittävin kasvihuonekaasu, jonka osuus on 36…66 %. Jos pilvien vaikutus otetaan huomioon, vaikutus on suurempi, 66..85 %.

Hiilidioksidin osuus on 9..26 %

(Lähde: http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas)

Vesihöyryn elinikä ilmakehässä on hyvin lyhyt, vain vuorokausia tai viikkoja, joten sen pitoisuus vaihtelee nopeasti. Ilman kyky pidättää vesihöyryä sisällään on verrannollinen lämpötilaan. Mitä lämpimämpää ilma on, sen enemmän siinä voi olla vesihöyryä. Kun ilma jäähtyy, vesi tiivistyy ja sataa alas, tai tiivistyy suoraan kylmille pinnoille. Sen vuoksi vesihöyryä ei pidetä pakotteena, vaan takaisinkytkentänä. Hiilidioksidin elinikä ilmakehässä on kymmeniä tai satoja vuosia, sen määrään ei vaikuta lämpötila, se pysyy ilmakehässä kaasuna, se ei veden tavoin tiivisty eikä sada alas. Kun hiilidioksidi lämmittää ilmakehää, se mahdollistaa myös vesihöyryn määrän lisääntymisen, joka osaltaan vahvistaa lämpenemistä. Tämä takaisinkytkentä on aivan oleellinen ilmaston lämpenemisen kannalta. Suurimmat epävarmuudet ennusteissa liittyvät juuri veteen, sen takaisinkytkennän voimakkuuteen ja sen vaikutukseen pilvisyyden määrässä.

Hiilidioksidi jakautuu ilmakehässä tasaisesti. Vesihöyry jakautuu epätasaisesti. Sitä on enemmän lämpimillä alueilla, ja kylmillä napa-alueilla hyvin vähän. Siellä hiilidioksidin vaikutus sen vuoksi korostuu.

Hiilidiokisidin kasvihuonevaiktutuksen voimakkuutta voidaan ilmaista käsitteellä ilmastoherkkyys. Se tarkoittaa, kuinka paljon ilmasto lämpenee jos hiilidioksidin määrä kaksinkertaistuu esiteollisen ajan lukemasta. Se on noin kolme astetta. Ilman vesihöyryn vahvistavaa vaikutusta, se olisi vain noin yhden asteen. Ihminen ei kuitenkaan kykene muuttamaan ilmastoa lisäämällä ilmekehään pelkkää vesihöyryä, koska se sataisi sitä mukaa alas kun sitä ilmaan jostain työnnetään. Sen vuoksi vesihöyryn merkityksen liiallinen korostaminen ilmastokeskustelussa ei ole kovin hyvä argumentti. Se on hyvä tapa johtaa kuulija harhaan, ja saada hiilidioksidin merkitys näyttämään merkityksettömän pieneltä. Hiilidioksidi säätelee ilmastoa, ei vesihöyry. lmaston ”termostaattia” säädetään ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta muuttamalla.

Aiheeseen liittyviä aikaisempia kirjoituksia:

Metaanin lisääntyminen ilmakehässä ja uutisoinnin huuhaa

Ilmakehän metaanipitoisuus on yli kolminkertaistunut esiteolliseen aikaan verrattuna. Pitoisuus on pitkään pysynyt samana, mutta 2007 sen pitoisuus alkoi jälleen kasvaa. Koska kasvua havaittiin samanaikaisesti sekä eteläisellä että pohjoisella pallonpuoliskolla, täytyy metaanin myös olla peräisin molemmilta pallonpuoliskoilta. Jos lähde olisi vain toisella pallonpuoliskolla, kestäisi vuoden ennen kuin pitoisuus nousisi myös toisella pallonpuoliskolla. Tämä johtuu siitä, että ilmamassat pallonluoliskojen välillä sekoittuvat hitaasti.

Nettisivusto The Daily Galaxy kirjoitti aiheesta hiljattain otsikolla ”MIT Scientists Ask: Is Global Warming Part of a Natural Cycle?” Teksissä viitataan MIT:n (Massachusetts Institute of Technology) uutissivustolla julkaistuun uutiseen, joka löytyy tästä.

The Daily Galaxy:n (jatkossa TDG) kirjoitus on oikea malliesimerkki asenteellisesta uutisoinnista. MIT:n uutisesta ei edes löydy sanoja Natural eikä Cycle, jotka TDG on valinnut otsikkoonsa. TDG:n tekstin lopussa sanotaan:

Findings like these tell us it’s too early to know for sure if man’s impact is affecting things at ”alarming rates.” We may simply be going through another natural cycle of warmer and colder times – one that’s been observed through a scientific analysis of the Earth to be naturally occurring for hundreds of thousands of years.

Tälle väittämälle ei löyty vastinetta alkuperäisestä uutisesta, kyseessä on kirjoittajan Casey Kazanin mielipide, tai väärinymmärrys. Kirjoittaja antaa ymmärtää, että kyseessä olisi vain ilmaston luonnollinen vaihtelu. Mistä moinen johtopäätös, vaikka viitatussa uutisessa sanotaan suoraan näin:

A rise in Northern Hemispheric emissions may be due to the very warm conditions that were observed over Siberia throughout 2007, potentially leading to increased bacterial emissions from wetland areas.

Looginen linkki ilmastonmuutokseen tästä on kasvihuonekaasujen lisääntymisen aiheuttama lämpeneminen ja siitä johtuva Siperian ikirouta-alueiden sulaminen. Näin ollen havaittu metaani olisi malliesimerkki palauteilmiöstä, joka johtuu lämpenemisestä ja joka vahvistaa sitä entisestään.

Tämä on toistaiseksi toki hypoteesi, koska tiede ei tee olettamuksista totuuksia kuten ”skeptikot”. Eteläisen pallonpuoliskon metaanin alkuperä on vielä arvoituksellisempi. Asia vaatii tutkimuksia, ja niistäkin uutisessa kerrotaan:

To help pin down the cause of the methane increase, Prinn said, ”the next step will be to study this using a very high-resolution atmospheric circulation model and additional measurements from other networks.” But doing that could take another year, he said, and because the detection of increased methane has important consequences for global warming the team wanted to get these initial results out as quickly as possible.

The Daily Galaxy:n juttu on räikeä esimerkki asioiden vääristelystä, omien mielipiteiden tarjoamisesta selityksiksi ja tahallisesta harhaanjohtamisesta. Sellaista esiintyy tämän tästä, ja ainoa keino sudenkuoppien välttämiseksi, on kaivaa esille alkuperäinen uutinen tai tutkimusraportti johon jutussa viitataan, ja tehdä omat johtopäätökset suoraan siitä, ja mahdollisuuksien mukaan hakea vielä muitakin tulkintoja asialle.


Tundra tuottaa typpioksiduulia

Tundralta on ensimmäistä kertaa mitattu typpioksiduulipäästöjä. Niitä muodostuu sopivissa olosuhteissa tundralla yhtä paljon kuin typpilannoitetulla pellolla.

Dityppioksidipäästöjen laskettiin aiheuttavan lämmitysvaikutuksen, joka on neljä prosenttia arktisten metaanipäästöjen lämmitysvaikutuksesta. Tutkija Maija Revon mukaan tulos on merkittävä, koska tähän asti tundran dityppioksidipäästöjen on ajateltu olevan nolla.

Koska havainto on uusi, sen vaikutus luonnollisesti puuttuu ilmastomalleista. Mikäli typpioksiduulin muodostumisen todetaan voimistuvan lämpötilan noustessa, kyseessä on uusi positiivinen palauteilmiö.

 

http://yle.fi/uutiset/kotimaa/2009/02/tundralta_loytyi_uusi_kasvihuonekaasujen_lahde_-_ilokaasu_549176.html?origin=rss

https://planeetta.wordpress.com/2008/03/31/kasvihuonekaasut/

http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/abs/ngeo434.html

Maan energiatase ja kasvihuoneilmiö

Kasvihuoneilmiö on ilmastonmuutoksen suhteen niin keskeinen asia, että aikaisempaa artikkelia on syytä vielä täydentää havainnollisella Wikipedian kuvalla.
Auringon säteilyn teho Maan poikkipinta-alaa kohti on 1368 wattia neliömetrille. Kun tämä säteilyteho jaetaan koko Maapallon pinta-alalle, myös yöpuolelle, saadaan 235 W/m2. Se on siis teho, joka Auringosta keskimäärin kohdistuu jokaiselle Maanpallon neliömetrille 24 tuntia vuorokaudessa.

Kuvan vasemmanpuoleinen nuoli kuvastaa Auringosta Maahan kohdistuvaa säteilytehoa 235 W/m2, josta 67 wattia imeytyy suoraan ilmakehään ja 168 wattia osuu Maan pintaan.

Oikeanpuoleinen nuoli kuvastaa Maan pinnasta säteilevää tehoa 492 W/m2, josta 40 W poistuu Maasta takaisin avaruuteen ja 452 W imeytyy ilmakehään.

Ilmakehään imeytynyt säteily lämmittää sitä, jonka vuoksi ilmakehä säteilee ulos avaruuteen 195 W/m2 ja takaisin Maahan 324 W/m2. Keskimmäinen nuoli kuvastaa tätä ilmakehän säteilyä.

Kuvasta nähdään, että Maasta säteilee avaruuteen 195 + 40 W/m2, yhteensä 235 W/m2, yhtä paljon kuin Auringosta säteilee maahan.

Maan pintaan kohdistuu 198 + 324 W/m2, yhteensä 492 W/m2, mikä on yhtä paljon kuin pinnasta pois säteilevä teho.

Kuvan systeemi on näin ollen tasapainossa; tulevat ja lähtevät säteilytehot ovat yhtä suuret. Tällaisessa systeemissä sekä pinnan että ilmakehän lämpötilat eivät muutu. Todellisuudessa ylimääräiset kasvihuonekaasut aiheuttavat säteilypakotteen, jonka takia Maa säteilee avaruuteen vähemmän tehoa kuin tänne Auringosta saapuu. Siksi lämpötila nousee. Tämä Maahan jäävä ylimääräinen teho, positiivisten ja negatiivisten säteilypakotteiden summa, on tällä hetkellä positiivinen, n. 1 W/m2. Systeemi pyrkii hakeutumaan tasapainoon. Se tekee sen nostamalla pinnan ja ilmakehän lämpötilaa kunnes Maasta poistuvan säteilyn teho nousee uudelleen yhtä suureksi kuin Auringosta tänne saapuva teho. Tätä lämpenemisen suuruutta kuvastaa käsite ilmastoherkkyys, jota käsitellään myöhemmin omassa artikkelissa.

Jos Maalla ei olisi ilmakehää lainkaan, saapuva teho 235 W/m2 lämmittäisi Maan pinnan miinus 18 asteeseen, jolloin se säteilisi saman 235 W/m2 suoraan avaruuteen ja systeemi olisi tasapainossa. Ilmakehän kasvihuoneilmiön ansiosta näin ei ole, vaan pinnan keskilämpötila on 14 astetta plussan puolella. Kasvihuoneilmiö kuvassa on ilmaistu vihreällä kehän muotoisella nuolella. Energia kiertää Maan pinnasta ilmakehään, ja ilmakehästä takaisin pintaan. Pinnan säteilemästä tehosta 492 W/m2 avaruuteen päätyy vain 40 W, loppu 452 W jää ilmakehään ja palautuu osittain pintaan. Tämä kierto lukitsee osan energiasta Maahan, ilmiön nimi on kasvihuoneilmiö.

http://fi.wikipedia.org/wiki/Kasvihuoneilmi%C3%B6
http://en.wikipedia.org/wiki/Radiative_forcing

Ylimääräisen hiilidioksidin alkuperä

Tässä artikkelissa pohditaan tarkemmin, mistä ilmakehän ylimääräinen hiilidioksidi on peräisin. Onko se oikeasti ihmisen tuottamaa vain onko se peräisin jostakin luonnollisesta lähteestä.

Kosminen säteily muuttaa pienen osan yläilmakehän typpimolekyyleistä hiili-14 -isotoopiksi 14C. 99 % kaikesta hiilestä on tavallista 12C isotooppia. 1 % on raskaampaa 13C:ta. Joitakin prosentin osia, on radiohiiltä 14C, joka ei ole pysyvä isotooppi. Radioaktiivisen hajoamisen seurauksena se muuttuu takaisin typeksi. Sen puoliintumisaika on 5700 vuotta. Siinä ajassa puolet kaikista 14C atomeista hajoaa, seuraavan 5700 vuoden kuluessa taas puolet jne.

Radiohiiltä syntyy jatkuvasti jokseenkin vakiomäärä. Ilmakehässä se yhtyy happeen muodostaen hiilidioksidia, joten tietty osuus hiilidioksidista on aina radioaktiivista. Koska aineen eri isotoopit käyttäytyvät kemiallisesti samalla tavalla, kasvit yhteyttävät myös tätä radioaktiivista hiilidioksidia. Näin ollen elävien kasvien ja kaikkien muiden elävien olentojen sisältämästä hiilestä tietty osuus on aina radioaktiivista.

Kun eliö kuolee, sen aineenvaihdunta lakkaa. Jos se muuttuu fossiiliksi, sen sisältämä radiohiilipitoisuus alkaa vähentyä puolittuen aina 5700 vuoden välein. Tämä vähentyminen voidaan mitata ja radiohiilen osuudesta voidaan määrittää fossiilin ikä. Menetelmää kutsutaan radiohiilimenetelmäksi ja sitä käytetään fossiilitutkimuksissa ja arkeologiassa. Menetelmällä voidaan määrittää enintään 60000 vuoden ikäisiä fossiileja tai muita eloperäistä alkuperää olevia materiaaleja. Mitä tahansa, puuta, kangasta, paperia, simpukan kuoria, luita jne.

Fossiiliset polttoaineet ovat eloperäisiä aineita. Koska ne ovat kymmeniä tai satoja miljoonia vuosia vanhoja, radiohiilestä on hävinnyt jo käytännöllisesti katsoen kaikki. Poltettaessa muodostuva hiilidioksidi ei näin ollen sekään sisällä yhtään radiohiiltä.

Elävästä luonnosta vapautuva hiilidioksidi sisältää vakiomäärän radiohiiltä. Fossiilisten polttoaineiden tuottama hiilidioksidi ei sisällä. Ilmakehän hiilidioksidin radiohiilipitoisuus on tämän takia laskenut. Määrällisesti sitä on edelleen yhtä paljon, mutta joukossa on aiempaa enemmän radiohiilivapaata hiilidioksidia, joka laimentaa ilmakehän radiohiilipitoisuutta.

Näin ollen on täysin varmaa, että ilmakehän ylimääräinen hiilidioksidi on peräisin biosfäärin ulkopuolelta, ja että se on kauan kierrosta poissa ollutta hiiltä. Edellisen artikkelin kuvasta nähdään, että meren pintakerroksessa on 1020 gigatonnia hiiltä ja sen vuosittainen kierto ilmakehään ja takaisin on 90/92 gigatonnia. Näin ollen pintaveden sisältämä hiili uusiutuu noin sadassa vuodessa, ja koska pinta- ja syvävesi sekoittuvat keskenään vain vähän, pintaveden radiohiilipitoisuus säilyy. Merestä vapautuva hiilidioksidi ei siis selitä radiohiilipitoisuuden vähenemistä.

Hiilidioksidin lähteitä on tutkittu myös satelliitista käsin. Yllä oleva kuva Euroopan avaruusjärjestön Envisat -ympäristöntutkimussatelliitin tuoretta dataa. Siinä nähdään, miten hiilidioksidin pitoisuus ilmassa on suurempi suurten väestökeskittymien päällä ja ympärillä. Mikäli Maapallolla olisi joku ennestään tuntematon, salaperäinen hiilidioksidin lähde, se paljastuisi satelliittikuvissa.
Fossiilisia polttoaineita lukuun ottamatta muita vanhan hiilen lähteitä ei tiedetä. Tätä voidaan pitää todisteena ilmakehän ylimääräisen hiilidioksidin alkuperästä: Ihmiskunnan polttamat fossiiliset polttoaineet.

Kuva: ESA – DLR – IUP, Univ.Bremen

http://fi.wikipedia.org/wiki/Radiohiiliajoitus
http://en.wikipedia.org/wiki/Radiocarbon
http://en.wikipedia.org/wiki/Suess_effect
http://www.esa.int/esaCP/SEMZHVM5NDF_index_0.html

Hiilikierto

Koska hiilidioksidi on ilmastonmuutoksen kannalta merkittävin kasvihuonekaasu, käsittelen sitä tarkemmin muutamassa seuraavassa artikkelissa.

Hiilidioksidi on vesihöyryn jälkeen merkittävin kasvihuonekaasu. Sen määrä ilmakehässä on esiteollisen ajan jälkeen kasvanut eniten kaikista ihmisen tuottamista kasvihuonekaasuista.

Hiili kiertää luonnossa, se on osa Gaian aineenvaihduntaa. Kasvit yhteyttävät hiilidioksidia ilmasta, pitävät hiilen itsellään ja päästävät hapen takaisin ilmaan. Kasveissa hiili on erilaisina yhdisteinä, kuten sokereina ja selluloosana. Kasvi kuolee ja mikrobit hajottavat sen jolloin kasvin yhdisteet hajoavat, hiili yhtyy happeen ja vapautuu hiilidioksidina ilmaan. Samoin käy, jos kasvi palaa. Jos kasvin hajottavat an-aerobiset bakteerit, hiili vapautuu metaanina. Tämä hiilikierto on 60 miljardia tonnia hiiltä vuodessa.

Vaihtoehtoisesti joku eliö tai eläin syö kasvin, jolloin hiili sitoutuu eliön kudokseen, tai eliö käyttää hiiliyhdisteen ravinnokseen ja vapauttaa uloshengityksessä hiilidioksidia.

Valtameriin on liuenneena valtava määrä hiilidioksidia, yli viisikymmentä kertaa enemmän kuin ilmakehässä, hiilenä yli kymmenen kertaa enemmän kuin tunnetuissa öljy- ja kivihiilivaroissa. Merestä vapautuu ilmaan 90 ja sitoutuu 92 miljardia tonnia hiiltä vuodessa.

Kierrosta poistunutta hiiltä on sedimenttien kivilajeissa, mm. kalkkikivenä, vielä kaksi tuhatta kertaa enemmän kuin merissä.

Fossiilisten polttoaineiden käytöstä vapautuu ilmaan viisi ja puoli miljardia tonnia hiiltä vuodessa. Se on luonnon normaaliin hiilikiertoon nähden mitättömän pieni määrä, muutamia prosentteja. Ilmakehässä jo olevan hiilen määrästäkin se on vain alle yhden prosentin.

Myös sementin valmistus vapauttaa fossiilista hiiltä ilmakehään. Sementin valmistuksessa poltetaan kalkkikiveä, jolloin siihen sitoutunut hiili vapautuu. Polttamiseen käytetään fossiilisia polttoaineita.

Oleellinen ero ihmisen tuottaman ja luonnollisen hiilidioksidin välillä on, että ihmisen tuottama hiilidioksidi on peräisin vuosimiljoonia sitten hiilikierrosta kokonaan ja “lopullisesti” poistuneesta hiilestä. Tämä lisättynä luonnolliseen kiertoon rikkoo tasapainon ja lisää hiilidioksidin määrää ilmakehässä, jonne siis tulee enemmän hiilidioksidia kuin sieltä luonnollisesti poistuu. Luonnolla, Gaialla, ei ole keinoja pitää hiilidioksidipitoisuutta vakaana ihmisen aiheuttaman häiriön takia, vaan pitoisuus nousee. Puolet ihmisen tuottamasta lisästä poistuu kierrosta, puolet jää kiertoon.

Tässä esitetyt luvut näkyvät yllä olevassa kuvassa. Siitä nähdään havainnollisesti hiilikierron määrä, sekä meressä, ilmakehässä, biosfäärissä ja maankamarassa olevan hiilen määrä. Luvut ovat gigatonnia hiiltä. Hiilidioksidin määrä voidaan laskea kertomalla hiilen määrä kertoimella 3,33. Yksi tonni hiiltä painaa hiilidioksidina n. 3 1/3 tonnia.

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle
http://www.grida.no/climate/vital/13.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Fossil_fuel

Kasvihuonekaasut

Tässä artikkelissa käydään läpi tärkeimmät kasvihuonekaasut, niiden vaikutukset, alkuperä ja kiertokulku.

Vesihöyry

Vesi on ilmakehän ainesosista ainoa, jota siinä esiintyy kaikissa kolmessa olomuodossaan; kiinteänä, nesteenä ja kaasuna. Pilvet ja sumu ovat nestemäistä vettä pienenpieninä pisaroina. Korkealla olevissa pilvissä vesi on kiinteänä, pieninä jääkiteitä. Kaasuna vettä on ilmakehässä aina vaihteleva määrä, jolloin puhutaan vesihöyrystä. Ilman vesihöyrypitoisuus ilmaistaan kosteutena. Vesihöyry on näkymätöntä kaasua. Ilman kyky pitää sisällään vettä vaihtelee lämpötilan mukaan siten, että mitä lämpimämpää ilma on, sen enemmän se voi sisältää vesihöyryä. Ilman jäähtyessä vesihöyry tiivistyy pisaroiksi muodostaen pilviä jotka aikanaan satavat alas. Vesihöyry tiivistyy myös kylmille pinnoille, josta esimerkkinä kaste ruohikossa, tai auton ikkunoihin kylmällä muodostuva huurre.

Vettä haihtuu ilmaan kaikkialta missä sitä on, maasta, vesistöistä ja kasveista. Sen kiertoaika on lyhyt, päivällä haihtunut vesi voi sataa alas jo seuraavana yönä. Vesihöyry aiheuttaa kasvihuoneilmiöstä suurimman osan.

Ihmisen toiminta ei aiheuta välitöntä vesihöyrypitoisuuden lisääntymistä ilmakehässä, johtuen juuri sen lyhyestä kiertoajasta ja ominaisuudesta tiivistyä nesteeksi lämpötilan laskiessa. Veden määrää ilmassa lisääntyy epäsuorasti siten, että muiden kasvihuonekaasujen lisääntyminen nostaa lämpötilaa, jolloin ilman kyky pitää sisällään vesihöyryä lisääntyy. Tästä syntyy positiivinen takaisinkytkentä, joka voimistaa lämpenemistä.

Hiilidioksidi

Hiilioksidimolekyylissä (CO2) on yksi hiili- ja kaksi happiatomia. Se on hapen ja veden ohella elämälle välttämätöntä. Kasvit käyttävät hiilidioksidia yhteyttämiseen. Ne käyttävät hiilen rakennusaineenaan ja päästävät hapen ilmaan. Kun kasvi kuolee ja mikrobit hajottavat sen, hiili vapautuu hiilidioksidina takaisin ilmaan. Samoin käy jos kasvi poltetaan. Eläimet käyttävät hengittämästään ilmasta happea ja päästävät uloshengityksen mukana ilmaan hiilidioksidia. Tällä tavalla hiili kiertää luonnossa, vuoroin erilaisina yhdisteinä kasveissa ja eläimissä, vuoroin hiilidioksidina.

Luonnon biologinen toiminta on vuosimiljoonien aikana poistanut hiiltä kierrosta. Sitä on maankuoressa kivihiilenä, öljynä ja maakaasuna, eli metaanina. Lisäksi sitä kerrostunut merenpohjan sedimentteihin. Esimerkiksi kalkkikivi on sedimentti, jonka sisältämä hiili on peräisin merieliöistä.

Hiilidioksidia poistuu ilmakehästä liukenemalla meriveteen, mutta tämä poistuminen ei ole yhtä pysyvää, koska hiilidioksidi palautuu helposti ilmaan meriveden lämmetessä. Siinä missä ilman kyky pidättää vesihöyryä lisääntyy, veden kyky pidättää liuenneita kaasuja vähenee lämpötilan noustessa.

Ihmiskunta lisää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta palauttamalla kierrosta poistunutta hiiltä polttamalla fossiilisia polttoaineita, kivihiiltä, öljyä ja maakaasua. Samanaikaisesti ihmiskunta tuhoaa elävää luontoa, jolloin sen kyky sitoa ilman hiilidioksidia vähenee.

Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ennen esiteollista aikaa oli 280 ppm (miljoonasosaa). 1800 luvun alussa sen määrä alkoi nousta ja sitä on ilmassa nyt 380 ppm. Määrä kasvaa 2 ppm vuodessa.

Kasvihuonekaasun lämmittävää vaikutusta ilmaistaan suureella säteilypakote, jonka yksikkö on wattia neliömetrille (W/m2). Se ilmaisee suoraan, kuinka suuren epätasapainon kaasun nykyinen pitoisuus aiheuttaa kasvihuoneilmiöön. Esimerkiksi 1 W/m2 säteilypakote tarkoittaa, että Maahan neliömetrille saapuvan säteilyn teho on yhden watin suurempi kuin neliömetriltä poistuvan säteilyn teho. Tämä yksi watti jää Maahan ja aiheuttaa lämpenemistä. Yksi watti on varsin pieni teho, mutta hehtaaria kohti pakote on jo 10 kilowattia, mikä vastaa reilun kokoista saunan kiuasta. Säteilypakote voi olla myös negatiivinen, jolloin se viilentää Maata.

Hiilidioksidin säteilypakote on 1,66 W/m2.

Metaani

Metaani on hiilivety. Sen kemiallinen merkki on CH4, eli metaanimolekyylissä on yksi hiiliatomi ja neljä vetyatomia. Sitä syntyy luonnossa anaerobisessa bakteeritoiminnassa, mätänemisessä. Huomattava metaanin lähde ovat märehtijät. Niiden suoliston bakteeritoiminta muodostaa metaania, jonka ne sitten piereskelevät ja röyhtäilevät ilmakehään. Kansanomainen nimi metaanille on suokaasu, koska sitä muodostuu humuspohjaisissa suolammissa, joista se kuplii pintaan.

Maakaasu on fossiilinen polttoaine, joka on suurimmaksi osaksi metaania. Maakaasun tuotannossa, siirrossa ja käytössä, osa siitä karkaa sellaisenaan ilmakehään.

Kaatopaikoilla oleva orgaaninen jäte, puu, paperi, ruoantähteet yms. tuottavat mädäntyessään suuret määrät metaania. Vaikka metaania kerätään kaatopaikoilta talteen, osa siitä pääsee aina karkuun. Kaatopaikka voi tuottaa metaania kymmeniä vuosia sen jälkeen, kuin jätteen tuonti sinne on lopetettu.

Merten pohjassa on suuret määrät metaania metaaniklatraattina. Se on vesijäätä, joissa metaani on sitoutuneena jään kiderakenteeseen. Metaaniklatraatit ovat muodostuneet anaerobisen bakteeritoiminnan tuloksena.

Metaani poistuu ilmakehästä yhtymällä vapaisiin hydroksyyliradikaaleihin (OH), jolloin siitä lopulta muodostuu hiilidioksidia ja vettä. Metaanin puoliintumisaika ilmakehässä on noin seitsemän vuotta.

Metaani on kasvihuonekaasuna yli sata kertaa voimakkaampi kuin hiilidioksidi, mutta koska se poistuu ilmakehästä suhteellisen nopeasti, pidetään sen vertailukertoimena yleisesti 25. Ilmakehään päässyt metaani on siis sadan vuoden aikajänteellä 25 kertaa hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu.

Ihmisen toiminta on lisännyt ilmakehän metaanipitoisuutta. Ennen esiteollista aikaa ilmassa oli metaania 0,7 ppm, nyt sitä on 1,7 ppm. Sen määrä on siis lisääntynyt lähes 2½ kertaiseksi.

Metaanin säteilypakote on 0,5 W/m2.

Otsoni

Otsoni on kolmiatominen happi. Otsonikerros on luonnollinen osa Maan ilmakehää. Se sijaitsee 15..50 kilometrin korkeudella stratosfäärissä, jossa otsonia syntyy valokemiallisissa ilmiöissä. Otsonikerros suodattaa Auringon valosta haitallista ultraviolettisäteilyä. Otsonin määrä stratosfäärissä on vähentynyt ihmisen tuottamien, otsonia hajottavien CFC-yhdisteiden (Freonit) takia. Tällä on pieni negatiivinen säteilypakote.

Alailmakehän otsoni on puolestaan lisääntynyt. Suoria otsonilähteitä ei juurikaan ole, vaan otsonia muodostuu ilmansaasteiden, typen oksidien (NOx) ja hiilimonoksidin (CO) sekä Auringon valon ja ilmakehän hapen vaikutuksesta. Kasvihuonevaikutuksen lisäksi alailmakehän otsonilla on myös muita haittavaikutuksia. Se on haitallista sekä ihmisen että kasvien terveydelle.

Alailmakehän otsonin elinikä on vain muutamia päiviä, mutta ilmansaasteiden takia sitä syntyy jatkuvasti lisää, jolloin sen pitoisuus säilyy. Lyhyen eliniän takia paikalliset pitoisuudet vaihtelevat hyvin paljon.

Otsonia käytetään teollisesti valkaisu- ja desinfiointiaineena, jossa se on korvannut kloorin mm. vedenpuhdistuksessa vesilaitoksissa ja uimahalleissa.

Alailmakehän otsonin säteilypakote on 0,35 W/m2.

Typpioksiduuli

Typpioksiduuli, kansanomaisemmin ilokaasu. Kemiallinen merkki N2O, eli typpioksiduulimolekyylissä on kaksi typpi- ja yksi happiatomi.

Typpioksiduulia vapautuu ilmakehään mikrobitoiminnan takia, maataloudessa typpilannoitteiden valmistuksessa ja käytössä, sekä pieniä määriä fossiilisten- ja biopolttoaineiden käytössä. Kaasulla on lääketieteellistä käyttöä kivunlievittäjänä mm. synnytyksissä. Teollisesti sitä käytetään ponneaineena esim. kermavaahtopulloissa, suojakaasuna perunalastupakkauksissa ja vastaavissa, raketeissa hapettimena sekä polttomoottoreissa tehonlisääjänä moottoriurheilukilpailuissa.

Typpioksiduulin pitoisuus ilmassa on lisääntynyt esiteollisen ajan 0,27 ppm:stä 0,314 ppm:n. Sen säteilypakote on 0,16 W/m2 ja elinikä ilmakehässä 114 vuotta.

CFC-yhdisteet ja muut keinotekoiset kaasut

Ihminen on teollisesti tuottanut lukuisia erilaisia kaasuja, joita ei luonnollisesti esiinny Maapallolla lainkaan. Näitä ovat mm. Freonit, joita on käytetty kylmäaineita esim. jääkaapeissa ja vaahtomuovien valmistuksessa, sammutusaineina käytetyt halonit sekä sähkövoimatekniikassa nykyisinkin eristeenä käytettävä rikkiheksafluoridi. Yhteistä näille on, että ne ovat erittäin voimakkaita kasvihuonekaasuja, ja useimmat lisäksi stratosfäärin otsonikerrosta tuhoavia. Haitallisimpien kaasujen valmistus ja käyttö on kielletty, mutta niitä on edelleen käytössä monissa vanhoissa kylmälaitteissa. Ilmailu- ja sotilastekniikassa halonien käyttö sammutusaineina on edelleen sallittua.

Kaasujen eliniät ilmakehässä vaihtelevat muutamasta vuodesta aina kymmeneen tuhanteen vuoteen. Ne ovat tuhansia, jopa 22 000 kertaa (FS6) hiilidioksidia voimakkaampia kasvihuonekaasuja. Ennen esiteollista aikaa näitä kaasuja ei ollut ilmakehässä lainkaan, nyt niiden yhteenlaskettu säteilypakote on 0,34 W/m2.

Yhteenveto

Tärkeimmät kasvihuonekaasut ovat vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, typpioksiduuli. Ne ovat kaikki ilmakehän normaaleja ja luonnollisia ainesosia. Ihmisen harjoittama teollinen toiminta, maa-, karja- sekä metsätalous on lisännyt luonnollisten kasvihuonekaasujen pitoisuuksia ilmakehässä.

Lisäksi tunnetaan suuri joukko ihmisen keinotekoisesti valmistamia kaasuja, joita on teollistumisen aikana kertynyt ilmakehään.

Kaikkien tässä esitettyjen kasvihuonekaasujen, poislukien vesihöyryn, yhteenlaskettu säteilypakote on 3 W/m2. Se on hyvin pieni lisä Auringon säteilyn lämmittävään vaikutukseen, mutta se on näennäisestä vähäisyydestään huolimatta nostanut Maan keskilämpötilaa jo nyt 0,7 astetta ja tulee nostamaan vielä saman verran, vaikka kaikki kasvihuonekaasupäästöt lopetettaisiin heti kokonaan. Lämpenemiseen vaikuttaa myös paljon muita sekä positiivisia että negatiivisia pakotteita.

Lähteitä:

http://en.wikipedia.org/wiki/Limestone

http://www.hs.fi/juttusarja/ilmastonmuutos/artikkeli/Metaani+%E2%80%93+se+toinen+kasvihuonekaasu/1135223124241

http://en.wikipedia.org/wiki/Methane

http://en.wikipedia.org/wiki/Methane_clathrate

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide

http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas

http://en.wikipedia.org/wiki/Ozone

http://en.wikipedia.org/wiki/Tropospheric_ozone

http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrous_oxide

http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=1334003

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_radiation