Usein kysytyt kysymykset ilmastotieteestä

1) Miksi tietyt kaasut ovat kasvihuonekaasuja

Kasvihuonekaasuiksi kutsutaan kasvihuoneilmiötä aiheuttavia aineita. Niistä ilmastonmuutoksen kannalta tärkeimpiä ovat luonnossakin esiintyvät vesihöyry, hiilidioksidi, metaani, otsoni ja dityppioksidi.

Kasvihuonekaasut toimivat samaan tapaan kuin lasi kasvihuoneessa: ne päästävät auringon valon maan pinnalle, mutta estävät osaa lämmöksi muuttuneesta säteilystä karkaamasta takaisin avaruuteen.

Kasvihuonekaasut absorboivat eli sitovat maasta säteilevää lämpöenergiaa, joka muuttuu kaasumolekyylissä värähtely- ja pyörimisenergiaksi ja avaruuteen karkaamisen sijaan säteileekin takaisin maahan. Tähän perustuu kasvihuonekaasujen kyky lämmittää ilmastoa.

Maapallon pinnalta lähtevä säteily on infrapunasäteilyä, joka säteilee noin 3–100 mikrometrin aallonpituusalueella. Suurin osa tästä esiintyy välillä 5–20 mikrometriä. Toisin kuin ilmakehän yleisimmät kaasut typpi, happi ja argon, kasvihuonekaasut sitovat säteilyä juuri tuolla aallonpituusalueella.

2) Miksi toiset kasvihuonekaasut lämmittävät enemmän kuin toiset?

Kasvihuonekaasujen voimakkuus riippuu kaasumolekyylien eliniästä ja kyvystä absorboida eli sitoa säteilyä eri aallonpituuksilla. Mitä voimakkaammin molekyylit absorboivat lämpösäteilyä ja mitä pidempi niiden elinikä on, sitä voimakkaammin kasvihuonekaasu lämmittää.

Kaasumolekyylin elinikä riippuu sen fysikaalisista ominaisuuksista, kuten massasta ja liukoisuudesta, sekä sen kemiallisesta vakaudesta. Esimerkiksi alailmakehässä hapettuvalla metaanilla on lyhyempi elinikä kuin dityppioksidilla, joka hajoaa pääsääntöisesti vasta yläilmakehässä ultraviolettivalon vaikutuksesta. Biologisiin sykleihin osallistuvilla kaasuilla, kuten hiilidioksidilla, elinikä riippuu lisäksi biologisista tekijöistä.

Ilmakehän tärkein kasvihuonekaasu on vesihöyry, joka sitoo lähes kaiken maapallosta tulevan lämpösäteilyn tietyillä aallonpituuksilla. Erityisen voimakkaita kasvihuonekaasuja ovat ne, jotka kykenevät sitomaan maapallon lämpösäteilyä sellaisilla aallonpituuksilla, joilla vesihöyry ei siten vaikuta.

3) Miten aerosolihiukkaset vaikuttavat ilmastoon?

Aerosolit ovat ilmakehässä leijuvia, suuresta määrästä erilaisia molekyylejä koostuvia hiukkasia. Niitä syntyy muun muassa pakokaasuista ja tulivuorenpurkauksista. Aerosolit vaikuttavat ilmastoon sekä suoraan että epäsuoraan. Niiden täsmällisen lämmitys- tai viilennysvaikutuksen arviointi on vaikeaa.

Suora vaikutus perustuu säteilyn sitomiseen ja sirottamiseen. Aerosolihiukkaset voivat sirottaa auringon valoa eli muuttaa sen kulkusuuntaa voimakkaasti, jolloin ilmakehä viilentyy. Toisaalta nokihiukkaset voivat sitoa maapallon lämpösäteilyä kasvihuonekaasujen tavoin ja näin lämmittää ilmastoa. Jotkut aerosolityypit sitovat myös auringon säteilyä, jolloin ilmasto lämpenee ainakin paikallisesti. Suora vaikutus voi siis olla joka lämmittävä tai viilentävä.

Ensimmäinen epäsuora vaikutus aiheutuu siitä, että aerosolihiukkaset lisäävät pilviytimien muodostumista. Aerosolipäästöjen seurauksena pilvisyys ja pilvien heijastavuus lisääntyvät, mikä todennäköisesti viilentää ilmastoa.

Toinen epäsuora vaikutus perustuu siihen, että aerosolipitoisuuden kasvaessa muodostuu enemmän ja pienempiä pilviytimiä, koska sama määrä vesihöyryä tiivistyy useammalle ytimelle. Tällöin pilviytimiltä kestää kauemmin kasvaa sadepisaroiksi, joten pilvien elinikä pitenee. Toinen epäsuora vaikutus on ensimmäisen tapaan todennäköisesti ilmastoa viilentävä.

4) Millä muilla tavoilla kuin kasvihuonekaasupäästöillä ihminen vaikuttaa ilmastoon?

Kasvihuonekaasupäästöjen lisäksi ihminen vaikuttaa ilmastoon aerosolipäästöjen ja maankäytön muutosten kautta. Poltto- ja muiden prosessien aerosolipäästöt muodostavat voimakkaan ilmastoa muuttavan tekijän eli pakotteen. Aerosolipäästöjen vaikutusta on paljon vaikeampi arvioida kuin kasvihuonekaasujen vaikutusta, koska vaikutusmekanismit ovat monimutkaisempia ja aerosolien välillä on huomattavia keskinäisiä eroja.

Myös maankäytön muutokset vaikuttavat ilmastoon. Ihminen hävittää toiminnallaan metsää ja aiheuttaa aavikoitumista, jolloin maapallon heijastaa valonsäteitä paremmin: tumma ja siten helposti säteilyä sitova pinta muuttuu vaaleammaksi, mikä vaikuttaa ilmastoon viilentävästi.

Maankäytön muutosten vaikutus on todennäköisesti melko pieni. Yksittäisten hankkeiden kohdalla vaikutus voi kuitenkin olla yllättävän suuri: esimerkiksi suon metsittämisestä seuraavaa hiilen sitoutuminen ja siitä seuraava ilmaston viileneminen saattaa suureksi osaksi kumoutua, koska heijastavuus pienenee.

Maankäytön muutokset voivat myös vaikuttaa luonnon kasvihuonekaasujen ja aerosolien taseeseen tavoilla, joita ei osata tarkasti mallintaa. Maankäytön muutokset vaikuttavat lisäksi voimakkaasti paikallisilmastoihin esim. veden ja lämmön kiertokulun kautta. Näiden paikallisten muutosten globaaleja lopputuloksia on kuitenkin vaikea arvioida.

5) Miten ilmasto vaihtelee luonnollisesti?

Maapallon ilmasto on jatkuvasti muuttunut planeetan historian aikana. Ilmaston luonteen ovat viime aikoihin asti määränneet ihmisestä riippumattomat, luonnolliset prosessit.

Ilmaston lämpötilan muutoksiin tuhansien ja miljoonien vuosien aikajänteellä vaikuttavat maapallon kiertoradan muutokset eli ns. Milankovichin syklit. Maapallolle tulevan auringonvalon säteilyteho vaihtelee, kun maapallon etäisyys ja kallistuskulma aurinkoon nähden muuttuu.

Maapallolle yltävän aurinkosäteilyn määrä vaihtelee myös noin 11 vuoden pituisten auringonpilkkujaksojen aikana auringon aktiivisuuden muuttuessa. Myös maapallon pinnan koostumuksen ja muotojen muutokset vaikuttavat auringon lämmitysvaikutukseen, kun pinnan heijastavuus muuttuu.

Maapallon ilmastoon vaikuttaa myös luonnollinen tulivuoritoiminta. Tulivuoren purkaukset lisäävät ilmakehän rikkipitoisuutta ja ilmakehässä tällöin muodostuvat sulfaattiaerosolit heijastavat auringon säteilyä avaruuteen, mikä viilentää ilmastoa. Lisäksi aerosolit lisäävät pilvien muodostusta ja todennäköisesti viilentävät myös tätä kautta.

Maahan syöksyvät asteroidit voivat nostattaa ilmaan suuret määrät maa-ainesta ja pölyä, jotka vähentävät maahan yltävän aurinkosäteilyn määrää ja viilentävät näin ilmastoa. Tämän onkin arveltu johtaneen noin 65 miljoonaa vuotta sitten ilmastonmuutokseen ja aiheuttaneen dinosaurusten katoamisen. Mereen osuessaan meteori nostattaisi puolestaan ilmaan valtavat määrät vettä ja aiheuttaa siten kenties vielä suuremman ilmastonmuutoksen.

6) Miten ilmasto on vaihdellut menneisyydessä?

Maapallon historiassa lämpimintä on ollut heti planeetan syntymisen jälkeen. Kasvihuoneilmiö oli silloin erittäin voimakas, koska suuri osa maapallon hiilestä oli ilmakehässä. Hiilidioksidin määrä kuitenkin väheni ja lämpötila laski, kun vihreät kasvit kehittyivät ja alkoivat yhteyttää.

Viimeistä 2,5 miljoonaa vuotta maapallon historiassa on sävyttänyt jääkausien ja lämpimien jaksojen varsin säännönmukainen vuorottelu. Tämä vuorottelu johtuu todennäköisesti muutoksista kasvihuonekaasujen pitoisuuksissa. Kasvihuonekaasujen pitoisuuden muuttuminen taas on voinut olla seurausta pienemmistä lämpötilan muutoksista esim. maapallon kiertoradan muuttumisen seurauksena. Etelämantereen jäätiköllä tehtyjen tutkimusten mukaan ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ja keskilämpötila ovat heilahdelleet melko tarkkaan samassa tahdissa ainakin viimeisten 200 000 vuoden ajan.

Viimeisten 100 000 vuoden aikana luontaiset syyt heiluttivat ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta 180 ja 300 miljoonasosan (ppm) välillä. Ihminen on kasvattanut hiilidioksidipitoisuuden noin 380 ppm:ään.

Kasvihuoneilmiön luontaiset muutokset ovat olleet paljon hitaampia kuin ihmisen aiheuttama muutos. Viime jääkauden lopulla kului 10 000 vuotta siihen, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvoi 200:sta 260 ppm:ään. Nyt ihmisen toiminta saattaa kaksinkertaistaa hiilidioksidipitoisuuden jopa alle vuosisadassa.

7) Miten menneistä ilmasto-oloista saadaan tietoa?

Maapallon lämpötilaa on voitu seurata suorin, meteorologisilla laitteilla tehdyin lämpötilamittauksin vuodesta 1861.

Lämpötilamittauksia edeltävältä ajalta lämpötilan muutoksia on pystytty selvittämään epäsuorasti puiden vuosirenkaiden kerrostuneiden sedimenttien, jäätikkökairausten ja historiallisten lähteiden perusteella. Puut tallentavat kesien vaihtelevat sääolot solukkoihinsa erilevyisinä vuosirenkaina eli lustoina, joista ilmaston muutoksia voidaan seurata jopa tuhansia vuosia taaksepäin.

Jääkairausnäytteistä ja merenpohjan sedimenttinäytteistä voidaan selvittää satoja tuhansia vuosia sitten vallinneita ilmasto-oloja isotooppimenetelmin. Hiilen ja hapen isotooppien suhteellisista määristä näytteessä voidaan päätellä mm. ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden ja lämpötilan muutoksia. Näillä paleoklimatologisilla keinoilla ilmastohistoriaa voidaan selvittää jopa miljoonia vuosia taaksepäin. Myös historialliset aikakirjat kertovat sää- ja ilmasto-olojen muutoksista menneisyydessä.