Kasvihuoneilmiö ja ilmastonmuutos

Kasvihuoneilmiö

Kuva 1. Kasvihuonekaasut päästävät valon läpi mutta estävän lämmön karkaamisen kuten lasi kasvihuoneessa. Kasvihuoneessa lämpötila on korkeampi kuin ulkona. Sama ilmiö havaitaan esimerkiksi autossa ja asuintalossa auringon paistaessa. Ilmiö johtuu siitä, että lasi ja eräät muovit päästävät valon helposti lävitseen (eli ovat läpinäkyviä) mutta eivät lämpöä.

Kasvihuoneen sisällä valo lämmittää kappaleita, joihin se osuu, ja valon tuoma energia poistuu kappaleista lämpösäteilynä. Lämpösäteily ei pysty läpäisemään lasia, vaan se heijastuu takaisin ja lämpötila nousee. Lämpötilan nousu pysähtyy silloin, kun lämpötilaero kasvihuoneen sisä- ja ulkopuolen välillä on kasvanut niin suureksi, että lasin läpi johtumalla ja raoista virtaamalla poistuva lämpö vastaa suuruudeltaan sisään saapuvan valon energiaa.

Ilmastonmuutos johtuu luonnollisen kasvihuoneilmiön voimistumisesta

Kasvihuonekaasut toimivat ilmakehässä samoin kuin lasi kasvihuoneessa, eli päästävät auringosta tulevan säteilyn lävitseen mutta eivät kaikkea maapallon lämpösäteilyä karkuun. Sen takia maapallon lämpötila on keskimäärin +15 astetta, kun se ilman kasvihuoneilmiötä olisi -18 astetta. Ilmakehän kasvihuoneilmiö ei siis ole ongelma vaan nykyisen kaltaisen elämän elinehto. Ongelma on ihmisen aiheuttamat muutokset ilmakehän koostumuksessa ja kasvihuoneilmiön voimistuminen.

Kasvihuonekaasujen pitoisuudet ilmakehässä ovat kasvaneet, mikä voimistaa kasvihuoneilmiötä ja lämmittää ilmastoa. Tätä lämpenemistä ja siitä aiheutuvia ilmaston häiriöitä kutsutaan ilmastonmuutokseksi. On kuitenkin huomattava, että vaikka maapallon keskilämpötila kohoaisi, alueellisesti ilmasto saattaa jopa viiletä.

Ihmiskunnan vaikutus ilmastoon näkyy jo

Kuva 2. Andien vuoristot satelliittikuvassa. Andien jäätiköt vetäytyvät 33 metriä vuodessa.Vuonna 1988 YK perusti poliittisen päätöksenteon tueksi ilmastotieteen johtavista asiantuntijoista koostuvan elimen IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change, hallitustenvälinen ilmastopaneeli). IPCC:n tehtävänä on arvioida monitieteellisesti ilmastotutkimuksen tuloksia ja esittää ne päätöksentekijöille ymmärrettävässä muodossa. Toimintaan osallistuu yli 2 000 tutkijaa.

Lämpötila noussut keskimäärin 0,7 astetta

IPCC:n mukaan (2007) tärkeimmät vaikutukset 2000-luvun alkuun mennessä viimeisten sadan vuoden aikana ovat:

  • ilmakehän hiilidioksidipitoisuudet ovat kasvaneet 31 % ja muiden kasvihuonekaasujen pitoisuudet sitäkin enemmän
  • maanpinnan keskilämpötila on noussut 0,74 astetta
  • meren pinta on noussut noin 10 cm vuodesta 1961

Ilmastonmuutoksen voimistumista osoittaa se, että 15 lämpimintä mitattua vuotta on eletty viimeisten 20 vuoden aikana, 11 niistä vuoden 1995 jälkeen. Satelliittimittaukset vahvistavat lämpenemisen.

Lämpeneminen näkyy myös luonnossa. Vuoristojäätiköt ovat alkaneet vetäytyä ennennäkemättömän voimakkaasti – esimerkiksi Andeilla keskimäärin 33 metriä vuodessa. Useiden trooppisten alueiden vuoristojäätiköt ovat sadan vuoden aikana menettäneet 80 % massastaan. Vuonna 1998 NASAn tutkimuksen mukaan Grönlannin jäätiköt ohenivat ennätyksellisen nopeasti, jopa metrin vuodessa. 1980-luvulta lähtien lämpötila arktisen alueen ikiroudan pinnassa on noussut paikoin 3 astetta, ja ikirouta on alkanut sulaa. Monet eliölajit ovat alkaneet siirtyä napoja kohti, ja keväiset ilmiöt kuten silmujen puhkeaminen ja lintujen muutto tapahtuvat yhä aikaisemmin.

IPCC arvioi, että tämän vuosisadan loppuun mennessä:

  • keskilämpötila nousee 1,1–6,4 astetta
  • meren pinta nousee 17 cm
  • erityisesti jo kuivilla alueilla kuivuuskaudet voimistuvat, kun taas rannikoilla, alavilla mailla ja jokisuistoissa tulvat lisääntyvät
  • rankkasateet lisääntyvät, mutta jäätiköihin ja lumeen varastoituneen veden sekä kesän ja syksyn valumaveden määrä vähenee alueilla, joilla asuu yli miljardi ihmistä.

Sinänsä pieneltä kuulostavaa lämpötilan nousua kannattaa verrata 20 000 vuoden takaiseen viime jääkauden huipun keskilämpötilaan, joka oli vain yhdeksän astetta nykyistä alempi. Lämpötilaero riitti peittämään Suomen yli kahden kilometrin paksuisella mannerjäällä.
IPCC:n ennuste on niin sanottu paras arvio. Ennusteiden parhaiden arvioiden vaihteluväli on 1,8–4,0 astetta. On siis mahdollista, että muutos jää pienemmäksi. Toisaalta on vähintään yhtä mahdollista, että muutokset ovat parhaita arvioita suurempia. Ilmaston kaoottinen luonne mahdollistaa yllättävät ja suuret muutokset nopeastikin. Ennusteisiin liittyy vielä useita epävarmuustekijöitä, kuten pilvien elinkaari ja aerosolihiukkasten ilmastovaikutus. Oleellista on, että vaikka päästöt lopetettaisiin heti, menneet päästöt vaikuttavat ilmastoon vielä pitkään – vähintään satoja vuosia.

Luonnolliset tekijät eivät riitä selittämään ilmastonmuutosta

Kuva 3. Ihmisen vaikutus ilmastonmuutokseen havaitaan siitä, että alailmakehä lämpenee samalla, kun yläilmakehä jäähtyy. Kuvassa ilmakehän eri kerrokset ja niiden lämpötilat.Luonnolliset, ihmisestä riippumattomat prosessit ovat viime aikoihin asti määränneet ilmaston luonteen. Esimerkiksi auringon säteilyn voimakkuus maan pinnalla muuttuu useiden erilaisten syklien mukaan. Näitä ovat mm. auringon säteilyvoimakkuuden muuttuminen auringonpilkkujaksojen perusteella ja maan kiertoradan muutokset (ns. Milankovichin syklit). Tulivuorten purkaukset voivat myös vaikuttaa globaaliin ilmastoon.

Osa viimeisen parin sadan vuoden ilmaston lämpenemisestä voidaankin selittää auringon säteilyvoimakkuuden muutoksilla sekä tulivuorten purkauksilla. Kolmen viime vuosikymmenen aikana kaikki luonnolliset tekijät ovat kuitenkin vaikuttaneet lievästi viilentävästi kompensoiden ihmisperäistä lämmitysvaikutusta. Lämpenemistä ei siis voi kokonaisuudessaan selittää ilman ihmisen toiminnan vaikutusta.

Kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttama ilmakehän lämpeneminen eroaa auringon säteilyvoimakkuuden kasvun aiheuttamasta lämpenemisestä. Kasvihuonekaasujen lisääminen lämmittää alailmakehää ja jäähdyttää yläilmakehää, koska kaasut päästävät vähemmän lämpösäteilyä lävitseen yläilmakehään. Auringon säteilyvoimakkuuden kasvu lämmittäisi koko ilmakehää. Kokeellisesti havaittu yläilmakehän jäähtyminen onkin yksi selvimmistä ihmisperäisen ilmastonmuutoksen todisteista.

Ilmastonmuutokseen vaikuttavat tekijät

Kuva 4. Säteilypakotetta aiheuttavat tekijät.Ihminen vaikuttaa ilmastoon monin eri tavoin. Tärkein ja yleisesti tunnetuin tekijä on ihmisen ilmakehään päästämät kasvihuonekaasut, jotka vaikuttavat suoraan sitoen auringon lämpöä ja näin voimistaen kasvihuoneilmiötä. Vähemmän tunnettuja ovat kaasut, jotka vaikuttavat epäsuorasti erilaisten kemiallisten prosessien kautta. Päästöjen lähteiden aiheuttamisen lisäksi ihminen muuttaa toiminnallaan näitä päästöjä sitovia nieluja. Monet ihmisen toimet kiihdyttävät ilmaston lämpenemistä, mutta osa – esimerkiksi rikkipäästöt – päinvastoin viilentää ilmastoa.

Kasvihuonekaasut lämmittävät ilmastoa, rikkipäästöt viilentävät sitä

Eri tekijöiden vaikutusta ilmastoon mitataan säteilypakotteella, joka ilmaistaan watteina neliömetriä kohti. Sillä tarkoitetaan 1700-luvun puoliväliin verrattuna tapahtunutta muutosta maapallon säteilytaseessa. Säteilypakotteen kasvu tarkoittaa lämmittävää ja pieneneminen vastaavasti viilentävää vaikutusta. Auringon säteilyvoimakkuus on maapallolla keskimäärin 343 W/m2. Tästä 240 W/m2 lämmittää maapallon pintaa ja ilmekehää ja loppu heijastuu suoraan takaisin avaruuteen.

Kuvassa 4 esitetään arvioita eri tekijöiden säteilypakotteesta maailmanlaajuisella tasolla. Kuvaajassa ylöspäin kohoavat pylväät osoittavat lämmitysvaikutusta; hiilidioksidi, muut kasvihuonekaasut, alailmakehän otsoni, metaanin hajoamisesta syntyvä yläilmakehän vesihöyry ja osa maanpinnan heijastuskyvyn muutoksista, lentokoneiden tiivistymisvanat ja auringon säteily siis lämmittävät ilmastoa. Varsinaisten kasvihuonekaasujen osuus muutokseen tunnetaan tarkimmin (keskimäärin 2,3 W/m2, joka vastaa alle prosentin kasvua auringon säteilyvoimakkuudessa).

Alaspäin laskevat pylväät osoittavat puolestaan viilennysvaikutusta. Yläilmakehän otsonikato, maan heijastavuuden muutokset ja pienhiukkaset viilentävät ilmastoa. Pienhiukkaset vaikuttavat viilentävästi sekä suoraan että epäsuorasti pilvien muodostamisen kautta. Fossiilisten polttoaineiden käytöstä peräisin olevan sulfaatin kaltaiset aerosolit viilentävät ilmastoa arviolta -0,5 W/m2.

Kuvan viimeinen, harmaa pylväs kuvaa ihmiskunnan aiheuttamien muutosten yhteisvaikutusta. IPCC:n neljäs arviointiraportti (2007) pitää erittäin todennäköisenä, että vuodesta 1750 lähtien ilmastoa lämmittäneen ihmistoiminnan säteilypakote on 1,6 W/m2.

Kuvan yläreunassa kerrotaan myös ilmiön tieteellisestä ymmärryksestä; kolmen tähden ilmiö tunnetaan erittäin hyvin, ilman tähtiä olevat ilmiöt taas heikommin.

Kuvassa on mukana vesihöyry vain ihmiskunnan tuottaman metaanin hajoamistuotteena. Vesihöyry on kaikkiaan kasvihuonekaasuista tärkein, mutta ihmiskunta ei suoraan muuta sen määrää ilmakehässä oleellisesti. Vesihöyryn määrä ilmakehässä pidemällä aikavälillä muuttuu pikemminkin lämpenemisen seurauksena. Ilmaston lämmetessä esimerkiksi meristä haihtuu lisää vesihöyryä. Tämä epäsuora lämmitysvaikutus on laskettu mukaan kasvihuonekaasujen säteilypakotteeseen.

Nielut sitovat hiiltä valtameriin, maaperään ja kasvillisuuteen

Kuva 5. Hiilen luontainen kierto.Ilmastoa lämmittävien tai viilentävien päästöjen lähteiden lisäksi on olemassa myös prosesseja, jotka sitovat kasvihuonekaasuja. Näitä kutsutaan nieluiksi. Tähän mennessä esimerkiksi jopa kolmannes ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä on imeytynyt meriin. Olosuhteiden muuttuessa nieluna toiminut tekijä saattaa kuitenkin muuttua kasvihuonekaasujen lähteeksi: esimerkiksi meren kyky imeä hiiltä todennäköisesti heikkenee ilmaston lämmetessä. Tällaisia ilmiöitä kutsutaan usein palautekytkennöiksi.

Ainekiertomalleilla kuvataan eri ainesten liikkumista mm. merien, ilmakehän ja maaperän välillä. Kuva 5 esittää hiilen luontaista kiertoa biosfäärissä.

Meriin ja maaperään on varastoitunut huomattavia määriä hiiltä. Myös kasvillisuus sitoo hiilidioksidin hiiltä yhteyttäessään. Osa tästä hiilestä jää puiden kautta maaperään, joka sekin on merkittävä hiilivarasto. Ilmastonmuutoksen kannalta olennaisin tekijä on kuitenkin ihmisen toiminnan vuoksi ilmakehään päätyvä ylimääräinen hiili.