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:

Vastaus nimimerkille ”Ihan pihalla”

Nimimerki ”Ihan pihalla” esitti kommentissaan kysymyksiä. Koska kommentti oli tuolla höpöhöpö-ketjussa, mutta aihe ihan hyvä, nostan se omaksi kirjoitukseksi.

 


 
 

 

Kun nyt Kaj otit esille tuon Watts Up With That -blogin. Joko luit siellä tänään julkaistun, mielestäni loistavan artikkelin: Consensus climate science: What would Thomas Huxley say?

Niin että mitä tämä 1800-luvun filosofi olisi vastannut niille joiden mielestä ihmisen aiheuttamasta ilmastonmuutoksesta vallitsee konsensus:

Luin artikkellin, ja kommentoin nyt lainaamiasi kohtia.

Huxley: Scientific certainty does not exist.
Consensus climate science: The evidence is so overwhelming there’s no need to discuss it any further.

Tieteellistä totuutta EI ole olemassa, on todennäköisyyksiä. IPCC ilmaisee tämän sanomalla, että ilmaston lämpeneminen on hyvin todennäköisesti ihmisen aiheuttama, ja antaa todennäköisyydeksi 90 % tai jotain, en nyt tarkkoja sanamuotoja tai lukuja muista, mutta suunnilleen näin.

”No need to discuss it any further”. Mihinköhän keskusteluun kirjoittaja nyt viittaa? Ilmastonmuutoksen perusteista ei keskustella, ne LASKETAAN. On laadittu ilmakehän ilmiöitä kuvaavat fysiikan yhtälöt, ihan niin kuin Newton aikanaan antoi meille mekaniikan peruslait. Niillä lasketaan, ja tulokset kertovat, miten ilmakehä reagoi mihinkin muutokseen. Sitä on nyt laskettu sata vuotta eikä se oli siitä miksikään muuttunut. Ilmastonmuutoksen perusteet eivät perustu tutkijoiden mielipiteisiin, joista päätetään keskustelemalla. Toki tieteessä keskustellaan, mutta ei aiheesta onko ilmastonmuutos totta vai ei, lämmittävätkö kasvihuonekaasut vai ei. Kyllä näissä perusasioissa vallitsee melkoinen ”konsensus”, jos nyt tieteessä sellaista mihinkään tarvitaan.

Huxley: A strong theory must be “in entire accordance” with the data.
Consensus climate science: Dismiss data (such as the current cooling) that doesn’t fit the theory (the planet should be warming).

Nykyistä lämpenemistrendin oikenemista ei ole kiistetty saati piilotettu. Se näkyy kaikissa julkisestikin saatavilla olevissa mittaustiedoissa. Kehittyneet mallit tuottavat samanlaisia tasaisia ja viileneviä jaksoja trendiin. Todelliset ja simuloidut viilenemiset eivät välttämättä ajallisesti kohtaa, mutta tilastollisesti kyllä. Viimeiset kymmenen vuotta on liian lyhyt aika tehdä pidemmälle meneviä johtopäätöksiä. Yleensä ilmaston tarkastelussa merkittävänä ajanjaksona pidetään 30 vuotta.

Ja sitten tuo ”Dismiss data”. Luuleeko joku ihan oikeasti, että tieteessä noin vain dismissataan dataa? Että saadaan ”halutut, viralliset” tulokset aikaiseksi? Monet väittävän sellaista, ja näyttävät uskovankin siihen. Sellaista nyt ei vain yksinkertaisesti tapahdu. Tieteen tekijätkin ovat vain ihmisiä, ja tietenkin, joku saattaa noin joskus tehdä. Mutta näin kauan kuin ilmastoa on tutkittu, mikään vilppi ei vain yksinkertaisesti voi vuosikymmenestä toiseen onnistua. Ei vain voi.

Huxley:Data not in accord with previous experience should be regarded with suspicion.
Consensus climate science: Ignore previous experience (such as the geological record showing little correlation between carbon dioxide and temperature) if it doesn’t fit the theory.

Hiilidioksidi ei ole lähimainkaan ainoa ilmastoon vaikuttava tekijä. Geologisella aikaskaalalla merkittävään asemaan nousevat mannerlaattojen liikkumiset. Niillä on vaikutusta mm. suuriin merivirtoihin, tuuliin ja vuoristojen muodostumiseen, jotka kaikki vaikuttavat ilmastoon. Mitä geologisia aikasarjoja kirjoittajan mielestä ei ole otettu tarpeeksi huomioon? Olisiko oikea ajanjakso näille vertailuille nykyinen jääkausien ilmasto? Ei liene syytä mennä pidemmälle kuin se pari miljoonaa vuotta, ja tällä ajalla hiilidioksidi kyllä korreloi lämpötilan kanssa. Vaikka hiilidioksidi seuraa lämpötilaa, sen on laskettu olleen ratkaisevassa asemassa esim. ilmaston siirtyessä jääkaudesta interglasiaaliin. Hiilidioksidi on silloin toiminut positiivisena palauteilmiönä.

Geologisessa aikaskaalassa taasen, mannerlaattojen törmäysten synnyttämät vuoristot ovat paljastaneet kiviainesta, joka yhdessä sadeveden kanssa sitoo itseensä hiilidioksidia ilmasta. Kyseessä on kemiallinen reaktio on jota kutsutaan rapautumiseksi. Tästä kirjoittaa mm. Oulun yliopiston geologian laitoksen professori Juha Pekka Lunkka kirjassaan Maapallon ilmastohistoria. Kasvihuoneista jääkausiin. Ilmakehästä hiilidioksidia poistanut rapautuminen on aiheuttanut ilmaston jäähtymistä. Tämäkään argumentti ei mielestäni kestä kriittistä tarkastelua.

Niinpä ”Ignore previous experience (such as the geological record showing little correlation between carbon dioxide and temperature) if it doesn’t fit the theory.” , ei taida oikein vastata todellista tapaa toimia tässä asiassa. Tilanne ei ole niin mustavalkoinen, eikä tämäkään argumentti näin ollen mielestäni kestä kriittistä tarkastelua. [Edit 22.4.2009 – 22:25]

Mallintajat sanovat myös, että menneisyydellä ei ole ennustamisessa mitään merkitystä. Ennusteet eivät ole menneen ilmaston ekstrapolointia. Tilannetta voi verrata vaikka pörssikursseihin tai suhdanteisiin, jotka nyt ovat menneet alaspäin. En ole kuullut kenenkään sanovat, että taloudellinen kasvu on nyt lopullisesti päättynyt. Ilmaston lämpenemisestä tätä kuulee sanottavan tämän tästä, vaikka ilmasto ei ole edes juuri jäähtynyt.

Huxley: Theories must be able to predict accurately.
Consensus climate science: Nothing, so far, predicted accurately.

Perusasiat, kuten kasvihuonekaasujen ominaisuudet absorboida infrapunasäteilyn eri aallonpituuksia on mitattu laboratoriossa. Ne tiedetään hyvin tarkasti, ja ne voidaan laskea hyvin tarkasti. Mutta kuten moneen kertaan on todettu, ilmastoon vaikuttaa niin moni muukin asia, eikä kaikki ole laskennassa mukana. Näiden kaikkien tekijöiden summaa ei pystytä tarkasti laskemaan. Argumentti ei mielestäni päde, koska kaikkien ilmiöiden vaikutusta ei tarkasti tunneta, eikä kaikkea lasketa. Palataan ensimmäiseen argumenttiin, totuuteen ja todennäköisyyteen. Oikeastaan mitään ilmiötä ei kyetä ennustamaan täysin tarkasti, koska mitään ei kyetä mittaamaankaan täysin tarkasti. Kaikki mittaustulokset ovat likiarvoja, aina. Kaikki ilmastolaskelmat kuitenkin ennustavat lämpenevää, yksikään ei ennusta viilevää. Jo tämän tarkkuuden pitäisi olla riittävä: Ihmiskunnan toiminta lämmittää ilmastoa. Tämä on myös voitu mittauksin todentaa, mutta sekin usein yritetään kiistää.

Ilmakehässä ja meressä on kaoottisuutta, eli niitä ei voikaan ennustaa kovin hyvin. Tämä näkyy sääennusteissa, joiden tarkkuus huononee nopeasti mitä pidemmälle yritetään ennustaa. Mitenkään, koskaan, ikinä, ei tule olemaan mahdollista ennustaa säätä 50 vuoden päähän. Ilmasto voidaan ennustaa, koska se on tilasto säästä. Voidaan laskea, millaisia keskimäärin ovat kesät 50 vuoden kuluttua, mikä on keskilämpötila ja hajonta, paljonko sataa, mikä on haihdunta jne. Millaisia ääri-ilmiöt ovat.  Jos nyt kesässä on hellepäiviä on keskimäärin n kappaletta, 50 vuoden kuluttua niitä on 3 x n kpl. Tätä tarkkuutta ilmastoennusteet ovat. Eivät eksaktisti tarkkoja, mutta eivät ne väärässä sen takia ole.

Huxley: Extreme claims require extreme proof.
Consensus climate science: If the proof doesn’t exist, fall back on the precautionary principle.

Oleellinen ero monen muun tutkimusalan ja ilmastotutkimuksen välillä on se, että tulevaa ilmastoa ei voi tutkia empiirisesti. Maapalloa ei voida laittaa laboratorioon ja kokeilla, miten sen ilmasto missäkin tilanteessa käyttäytyy. Että jos tämänkaltaisia, empiirisesti tuotettuja todisteita kaivataan, niitä ei ole eikä tule. Taikka tietenkin tulee, jos ei päästöjä leikata. Voidaan palata asiaan sadan tai kahden sadan vuoden kuluttua ja katsoa, kuka oli oikeassa. Onko tämä sitten viisasta? Minusta ei.

Hiukkasfysiikasta löytyy yhtymäkohtia ilmastotutkimukseen: Fyysikot ovat teorioissaan ennustaneet ennestään tuntemattomien hiukkasten olemassa olon. Nekin teoriat perustuvat matematiikkaan, kaavoihin. Teorioiden pohjalta on sitten rakennettu huikean kalliita koelaitteistoja, hiukkaskiihdyttimiä ja -ilmaisimia. Ja eiköhän joka kerta tuo etsitty uusi hiukkanen oli sitten löytynyt.

Tähtitieteestä löytyy yhtymäkohta: Planeetta Neptunus löydettiin laskemalla. Uranuksen radassa todettiin häiriöitä, joiden pääteltiin johtuvan  jostain toisesta, ennestään tuntemattomasta planeetasta. Mittaustulosten perusteella kaksi tähtitieteiliää laskivat toisistaan tietämättä tuntemattoman planeetan paikan. Vuonna 1846, yhden asteen päästä lasketusta paikasta löytyi Neptunus. Ajattele, 1800-luvun alkupuolella on laskettu noin hyvin.  Matemaattiset mallinnukset eivät todellakaan mikään uusi keksintö, eivätkä arvailua.

Nämä yhtymäkohdat esimerkkinä siitä, miten matemaattiset menetelmät toimivat muilla tieteenaloilla, ja miten oikeassa teoriat voivat olla ennen lopullisten todisteiden löytymistä. Miksi ilmastotutkimus eroaisi oleellisesti muista tieteen aloista? Mutta lopullisia ”todisteita” emme tule saamaan, ennen kuin täysimittainen ilmastonmuutos on planeetallamme tapahtunut. Olisiko sittenkin viisaampaa luottaa laskelmiin kuin viis veisata koko asiasta? Minulle vastaus on aivan itsestään selvä: Kyllä.

Skeptikot itse esittävät kaikenlaisia ”teorioita” ilman minkäänlaisia tutkimuksia saati todisteita. Ihan päästä keksittyjä asioita, joihin ehkä itse uskotaankin, mutta jotka eivät kestä kriittistä tarkastelua.

Auringon aktiivisuuden vaikutus pilvialbedoon on yksi tällainen vahvistamaton teoria. Siitä on kyllä teorioita, jollaisia on  esitetty jo ainakin 1950-luvulla. Tilastollista korrelaatiota menneisyydessä joiltakin ajanjaksoilta löytyy, joiltakin toisilta sitten taas ei. Auringon vaikutusmekanismia muuten kuin suoran säteilyn muodossa ei tunneta, ei ymmärretä, ei ole olemassa tunnettua syy-seuraus-suhdetta, jolle voitaisiin laatia matemaattinen malli yhtälöiden muodossa. Siksi mitkään viime aikoina esitetyt ”aurinkoteoriat” eivät kykene kumoamaan nykyisiä käsityksiä ilmaston lämpenemisestä. Niitä ei voida käyttää simulointiinkaan, koska niitä ei tunneta. Mikään ei myöskään anna aihetta olettaa, että näiden teorioiden mahdollisesti joskus osoittautuessa oikeiksi, ne automaattisesti kumoaisivat kasvihuoneteoriat. Ei, ne täydentäisivät nykyisiä teorioita, mutta eivät eliminoisi kasvihuonekaasujen vaikutuksia.

Huxley: Science doesn’t operate by consensus.
Consensus climate science: Yes, it does.

En oikeasti tiedä, kuka on keksinyt käyttää konsensus-sanaa tässä yhteydessä. Kuten todettu, laskentatulokset osoittavat kasvihuonekaasujen lämmittävän ilmastoa. Tuloksesta voi tietysti olla mitä mieltä hyvänsä, mutta sen kiistäminen edellyttää kyllä jonkin perustavaa laatua olevan virheen löytymistä käytetyistä yhtälöistä. ”Skeptikot” saavat minun puolestani mielihyvin sellaisen löytää, mutta toistaiseksi sitä ole ole tehty. Laskenta pitää, ja havainnot pitävät yhtä laskennan kanssa, huomioiden lukuisat epätarkkuudet ja puutteet, joista jo kirjoitin.

Kun sanoin aiemmassa kommentissani, että parasta antia Watts Up With Thatissa ovat kommentit, joiden joukossa on usein todellisia helmiä. Niin nytkin. Artikkelin alussa sanotaan, että Thomas Huxley taisteli voimakkaasti Darwinin teorioiden puolesta:

He is perhaps best-known as “Darwin’s bulldog”-no one did more to fight for Darwin’s theory of natural selection in the face of theological opposition-but he also almost single-handedly introduced science into the British school curriculum at all levels.

Artikkelissa siis käsitellään konsensuksen käsitettä tieteessä. Ja katso 16.4.2009 jätettyä kommenttia:

G Alston (23:01:34) :
The function of Darwin’s Bulldog was to make evolution a consensus opinion.

Siinä se, todellinen helmi. Se aukenee jos on auetakseen. Darwin edusti tiedettä, kirkko tässä tapauksessa huuhaata. Nyt, ilmastonmuutosteoriaa edustaa tiede, ja huuhaata kaikki se juupas-eipäs-keskustelu mitä netissä liikkuu. Sellainen ”blogiskeptismi” ei kykene haastamaan tiedettä. Se on yksinkertaisesti huuhaata ja sillä hyvä. Inkvisitio ei kyennyt kumoamaan Galilein teoriaa, koska Galilei edusti tiedettä, inkvisitio huuhaata. Tiede voittaa lopulta aina.

(Pitäisi ehkä sanoa pseudotiede eikä huuhaa, jotenkin huuhaa kuulostaa hauskemmalta)

Tieteen saa kyllä haastaa kuka tahansa. Esittämällä omia teorioita ja tutkimuksia, hankkimalla niille hyväksyntää ja yrittämällä saada ne julkaistuksi tieteellisissä julkaisuissa. Tämä ei tietääkseni ole onnistunut yhdeltäkään netissä ”skeptismiä” harrastava. Skeptismiin ei riitä kieltäminen, eikä olettamuksien esittäminen. Jos parempaan ei pysty, niin sitten se on huuhaata.

Jotain pitäisi kertoa sekin, että kaltaiseni harrastaja pysyy kumoamaan kaikki artikkelista lainaamasi argumentit. Joku toinen voisi tehdä sen varmaan vielä paremmin, mutta silti.

Loppujen lopuksi, me emme voi mitenkään tietää, mitä joku menneisyyden henkilö oikeasti olisi sanonut jostakin asiasta. Thomas Huxleyllä ei ollut aavistustakaan tämän päivän mittaus- ja laskentamenetelmistä. Tiettävästi hän oli myös John Tyndallin hyvä ystävä. Tyndall teki uraauurtavaa tutkimusta määrittämällä mm. vesihöyryn ja hiilidioksidin infrapunasäteilyä absorboivan ominaisuuden. Mitä  Huxley olisi sanonut siitä, että jotkut tulevaisuuden henkilöt eivöt luota hänen muttauksiin, koska ilmastonmuutos on heidän mielestään jokin poliittinen salajuoni?

Kriittiseen lukemiseen kuuluu myös artikkelin kirjoittajan taustojen selvittäminen. Sen tehtävän jätän nyt jollekin toiselle.

Jos ”Ihan pihalla” luit tämän kirjoituksen ajatuksen kanssa läpi, saat ehkä käsityksen tavastani ajatella asioita. Tiedän, että blogia seuraa useampikin alan ammattilainen. Saa vapaasti kommentoida ja oikaista, jos syyllistyn virheisiin tai tyhmyyksiin.

Ilmaston palauteilmiöt

Palauteilmiöllä tarkoitetaan jostakin ilmiöstä johtuvaa seurannaisilmiötä, joka vaikuttaa alkuperäiseen ilmiöön sitä vahvistavasti tai heikentävästi. Palauteilmiöstä käytetään myös nimityksiä takaisinkytkentä, tai palautekytkentä, jotka tarkoittavat samaa asiaa.

Käytännön esimerkki palauteilmiöstä on esimerkiksi ilmanvastus. Kun autolla ajetaan tasaista vauhtia tasaisella tiellä, systeemi on tasapainossa. Vastukset ovat yhtä suuret kuin moottorin tuottama teho, jolloin vauhti ei kiihdy eikä hidastu. Kun painetaan kaasua, moottorin teho kasvaa ja vauhti alkaa kiihtyä. Samalla kasvaa ilmanvastus, kunnes se on yhtä suuri kuin moottorin lisääntynyt teho, jolloin vauhdin kiihtyminen lakkaa ja systeemi on uudelleen tasapainossa. Ilmanvastuksen kasvu on negatiivinen palauteilmiö, koska se rajoittaa vauhdin kiihtymistä.

Positiivinen palauteilmiö on esimerkiksi lämpötilan nousu tulipalossa. Palon alku alkaa hitaasti nostaa lämpötilaa, joka kiihdyttää palamista, joka edelleen nostaa lämpötilaa, kunnes koko talo on talo on tulessa.

Ilmastonmuutoksessa palauteilmiöillä on erittäin suuri merkitys monestakin syystä. Palauteilmiöitä on ilmastossa paljon, niistä monien vaikutus, voimakkuus ja herkkyys tunnetaan huonosti. Kaikkia palauteilmiöitä ei välttämättä vielä lainkaan tunneta.

Tiedetään, että vesihöyry on merkittävin kasvihuonekaasu. Sen määrä ilmakehässä on suoraan verrannollinen lämpötilaan. Vettä haihtuu enemmän mitä lämpimämpää on, ja ilma voi sisältää vesihöyryä sitä enemmän mitä lämpimämpää on. Koska hiilidioksidin lisääntyminen lämmittää ilmastoa, se myös lisää ilman vesihöyrypitoisuutta. Näin ollen vesihöyryn lisääntyminen on ilmaston lämpenemistä voimistava palauteilmiö.

Pilvinä alailmakehässä oleva vesi viilentää ilmastoa, joten vesi voi muodostaa myös negatiivisen palauteilmiön pilvien lisääntymisen muodossa. Pilvien muodostumiseen vaikuttavat muutkin tekijät kuin vesihöyryn määrä, joten pilvien muodostumista ei osata varmuudella ennustaa.  Pilvisyys aiheuttaa epävarmuutta ilmastomalleissa, koska niiden muodostumista ei osata ennustaa riittävällä tarkkuudella.

Meren lämpeneminen on positiivinen palauteilmiö, koska  lämpeneminen vähentää veden kykyä liuottaa itseensä hiilidioksidia. Jossain vaiheessa lämpenevä meri alkaa myös vapauttaa siihen liuennutta hiilidioksidia.

Jäätiköiden sulaminen on positiivinen palauteilmiö. Jäätiköiden häviäminen vähentää Maan heijastavuutta. Kun puhdas jää heijastaa yli 80 % Auringon säteilystä takaisin avaruuteen, sula meri tai paljas maanpinta heijastaa vain alle 20 %. Jäätiköiden vähentyminen lisää Maahan jäävää Auringon energiaa. Pohjoinen napajäätikkö sulaa huomattavasti nopeammin kuin aiemmin on ennustettu. Siitä voi tulla merkittävä positiivinen palauteilmiö lähimpien vuosikymmenten aikana.

Siperian ikiroudan sulaminen lienee myös positiivinen palauteilmiö. Sulaessaan ikiroudasta voi vapautua metaania ja hiilidioksidia ilmakehään, jotka lisäävät säteilypakotetta. Ilmakehän metaanipitoisuus on pitkään ollut vakaa, mutta nyt se on lähtenyt kasvamaan. Syynä voi olla nimenomaan ikiroudan sulaminen.

Biosfäärin ilmiöt voivat olla sekä positiivisia että negatiivisia takaisinkytkentöjä. Jos kasvillisuus pääsee lämpenemisen myötä levittäytymään pohjoisemmaksi, entisille autioille alueille, lisääntynyt kasvillisuus imee ilmasta hiilidioksidia ja toimii negatiivisena takaisinkytkentänä, joskin hyvin hitaana sellaisena.

Toisaalta trooppiset ja subtrooppiset alueet voivat lämmetä liikaa, jolloin ne kuivuvat ja autioituvat, muodostaen positiivisen takaisinkytkennän. Jos sademetsät kuivuvat niin paljon, että ne palavat, tai muulla tavalla vapauttavat suuren osan sitomastaan hiilestä, ne muodostavat erittäin voimakkaan positiivisen palauteilmiön.

Kaikkein ilmeisin palauteilmiö unohdetaan usein kokonaan. Lämpeneminen on itsessään negatiivinen palauteilmiö, koska se lisää avaruuteen säteilevän energian määrää.

Palauteilmiöt ovat joko nopeita tai hitaita. Nopeita ovat vesihöyryn lisääntyminen, joka tapahtuu ilman viivettä, samoin lämpenemisen myötä lisääntynyt takaisinsäteily.

Jäätiköiden sulaminen on hidas palauteilmiö. Grönlannin ja Etelämantereen sulaminen voi kestää satoja tai tuhansia vuosia. Myös muutokset kasvillisuudessa ovat hyvin hitaita palauteilmiöitä.

Jäätiköitymisen palauteilmiö lienee keskeisessä asemassa jääkauden alkamisessa. Maan keskilämpötilan putoamista n. kuudella asteella ei voi selittää ilman Maan lisääntyneen heijastavuuden aiheuttamaa palautetta.

Kokonaisuutena ottaen positiiviset palauteilmiöt näyttävät vievän voiton ilmaston lämpenemisessä. Merkittävimmät niistä ovat vesihöyryn lisääntyminen ilmakehässä, jäätiköiden ja ikiroudan sulaminen sekä muutokset meren kyvyssä sitoa ja pitää sisällään jo sitoutunutta hiilidioksidia.

Positiiviset palauteilmiöt voivat edesauttaa myös sellaisen tilanteen syntymistä, että hiilidioksidipäästöjen vähentäminen ei enää vaikuta ilmaston lämpenemiseen. Jos hiilinielut kääntyvät hiilen lähteiksi, ei meillä ole enää mitään mahdollisuutta vaikuttaa tapahtumien kulkuun. Joidenkin tutkijoiden mukaan olisimme jo ohittaneet pisteen, jonka jälkeen ei ole paluuta entiseen. Joka tapauksessa ilmastonmuutoksen torjunnalla on kiire ja toimenpiteiden lykkääminen heikentää ratkaisevasti mahdollisuuksiamme muutoksen pysäyttämiseksi ennen kuin se karkaa käsistämme.

http://en.wikipedia.org/wiki/Feedback#In_climate_science
http://fi.wikipedia.org/wiki/Takaisinkytkent%C3%A4
http://www.yle.fi/uutiset/ymparisto/oikea/id91567.html
http://achangeinthewind.typepad.com/achangeinthewind/2007/12/james-hansen-we.html

Hiilidioksidi ja ilmastoherkkyys

Hiilidioksidi on ilmastonmuutoksen kannalta merkittävin kasvihuonekaasu. Ihminen on lisännyt määrällisesti eniten juuri hiilidioksidia, ja sen säteilypakote on kaikista ihmisen tuottamista kasvihuonekaasuista suurin, 1,66 W/m2.

Hiilidioksidin lämpösäteilyä absorboiva vaikutus on mitattu laboratoriossa jo 1800-luvulla. Siitä asti se on myös tiedetty kasvihuonekaasuksi ja oletettu, myöhemmin tiedetty, että sen lisääntyminen ilmakehässä aiheuttaa ilmaston lämpenemistä.

Käsite ilmastoherkkyys ilmaisee, miten paljon ilmasto lämpenee jos hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä kaksinkertaistuu. Yleensä ilmastoherkkyyden tarkastelussa hiilidioksidipitoisuuden arvoina käytetään esiteollisen ajan 280 ppm, ja 560 ppm.

Ruotsalainen tiedemies Svante Arrhenius laski ilmastoherkkyyden jo vuonna 1896 ja sai tulokseksi 5,5 astetta. Laskenta on myöhemmin todettu virheelliseksi, mutta se on siltikin hämmästyttävän lähellä nykyisiä arvioita.

Tällä sivulla

http://bartonpaullevenson.com/ClimateSensitivity.html

on lueteltu 61 tutkimusta, joissa ilmastoherkkyys on pyritty määrittelemään. Sieltä löytyy lisäksi havainnollista materiaalia tulosten analysoinnista. Tulosten keskiarvo on 2,9 astetta. Sivulla on myös lueteltu 25 ilmastomallin arviot ilmastoherkkyydestä. Keskiarvo on 3,1 astetta.

Huomionarvoista luettelossa on tutkimusten vuosiluvut, joista vanhin on siis vuodelta 1896, kaksi muuta vuosilta 1931 ja 1938. 50-luvulta yksi, 60-luvulta kaksi ja 70-luvulta jo 12. Ilmaston lämpeneminen hiilidioksidin vaikutuksesta ei siis ole mikään uusi keksintö, vaan sitä on ainakin osattu epäillä jo yli sata vuotta sitten.

Toinen merkittävä seikka tutkimustuloksissa on se, että ne kaikki ennustavat ilmaston lämpenevän. Yksikään tulos ei osoita ilmaston jäähtyvän tai edes lämpötilan pysyvän samana. Näin ollen hiilidioksidin lisääntymisen on viimeistään 70-luvulla tiedetty vaikuttavan ilmastoa lämmittävästi.

IPCC:n raportissa vuoden 2007 helmikuulta

http://www.fmi.fi/kuvat/ipcc_ar4_spm_suomennos.pdf

ilmastoherkkyyden todetaan olevan todennäköisesti 2 ja 4,5 asteen välissä, parhaan arvion ollessa 3 astetta.

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

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

Kasvihuoneilmiö

Tämä on aivan perusasiaa, mutta aloitetaan silti alusta. Perusteiden ymmärtäminen  on välttämätöntä kokonaisuuden ymmärtämisen kannalta.

Kasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan systeemiä, johon sisälle säteilevä energia ei pääse suoraan säteilemään takaisin ulos. Näin tapahtuu tavallisessa kasvihuoneessa, josta ilmiö on saanut nimensäkin. Aurinko paistaa sisälle kasvihuoneeseen, mutta säteilyn mukanaan tuoma lämpö ei säteile sieltä samassa määrin ulos vaan jää kasvihuoneeseen vangiksi nostaen sen lämpötilaa. Kun kasvihuone lämpenee tarpeeksi, myös lasin läpi ulos pyrkivä lämpösäteily voimistuu, kunnes sisään ja ulos tulevan säteilyn energiamäärät asettuvat tasapainoon ja kasvihuoneen lämpötilan nousu loppuu.  Systeemi on saavuttanut tasapainon.

Maan ilmakehä aiheuttaa myös kasvihuoneilmiön. Ilman sitä Maan keskilämpötila olisi -18 astetta pakkasen puolella. Vettä esiintyisi nestemäisenä korkeintaan joidenkin kuumien lähteiden ja tulivuorien ympärillä, ja siellä voisi ehkä olla jotakin alkeellista elämää. Muuten Maa olisi eloton.

Auringon säteily läpäisee ilmakehän ja kohtaa maanpinnan, joka lämpenee ja alkaa säteillä lämpösäteilyä. Kasvihuoneilmiön vaikutuksesta ilmakehä ei läpäise kaikkea tätä lämpösäteilyä, vaan osa imeytyy ilmakehään jolloin sekin lämpenee. Maa ja ilmakehä lämpenevät, kunnes ne säteilevät avaruuteen yhtä paljon lämpösäteilyä kuin Auringosta tulee Maahan. Kasvihuoneilmiö hakeutuu aina tasapainoon.

Kasvihuoneilmiön aiheuttavat kasvihuonekaasut, joista merkittävimmät ovat:

  • Vesihöyry (36-70 %)
  • Hiilidioksidi (9-26 %)
  • Metaani (4-9 %)
  • Otsoni (3-7 %)

Prosenttiluvut tarkoittavat kyseisin kaasun osuutta kasvihuoneilmiöstä nykyisillä pitoisuuksilla ilmakehässä. Vesihöyry on näistä selvästi merkittävin kasvihuonekaasu. Sen osuus vaihtelee hyvin paljon ilman lämpötilasta riippuen, ja sen kiertoaika ilmakehässä on lyhyt.

Muita kasvihuonekaasuja ovat esim. dityppioksidi eli ilokaasu, sekä lukuisat ihmisen keinotekoisesti valmistaman, ns. tekniset kaasut. Näitä ovat mm. kylmätekniikassa käytetyt CFC-yhdisteet eli Freonit, Halonit joita käytettiin aiemmin sammutusaineina, ja mm. sähkövoimatekniikassa eristeenä käytetty rikkiheksafluoridi. Viimeksi mainittu on voimakkain tunnettu kasvihuonekaasu, jonka pitoisuus ilmakehässä on kuitenkin pysynyt häviävän pienenä, mutta on kuitenkin mitattavissa. Kaikkiaan näitä synteettisiä kaasuja tunnetaan lähes kaksikymmentä.

Mikäli kasvihuonekaasujen pitoisuus ilmakehässä muuttuu, muuttuu vastaavasti kasvihuoneilmiön voimakkuus ja ilmakehän sekä Maan pinnan lämpötila. Systeemi hakeutuu aina edellä kuvattuun tasapainotilaan, jossa Maasta säteilee yhtä paljon energiaa avaruuteen kun Auringosta saapuu energiaa Maahan. Kasvihuoneilmiön voimakkuus osaltaan määrittelee mikä Maan keskilämpötilan on oltava, jotta tasapaino saavutetaan.

Maan keskilämpötila on nyt 14,4 astetta, eikä kasvihuoneilmiö ole tasapainossa. Maahan tulee Auringosta enemmän energiaa kuin Maasta säteilee takaisin avaruuteen. Tämän takia Maapallo lämpenee.