Luento Kyösti Ryynänen

Transkriptio

1 Luento Kyösti Ryynänen 1. Planeetan lämpötilan muodostuminen 2. Planeetan jäähtyminen/lämpeneminen 3. Planeetan asennon ja radan muutokset 4. Maa-planeetan lämpötilahistoria 1 PLANEETTAKUNTIEN MUODOSTUMINEN Tähtienvälisen kaasu- ja pölypilven luhistuessa keskelle tiivistyy tähti ja ylijäävästä materiaalista kertyy planeettoja Planeettojen muodostuminen on vaihteleva ja ainutkertainen prosessi, minkä seurauksena muodostuu monenlaisia planeettoja erilaisten keskustähtien ympärille Lopputuloksena planeettojen massa, koostumus, rakenne, pinnanmuodot ja atmosfäärit sekä radat ja pyöriminen vaihtelevat suuresti 2 1

2 KESKILÄMPÖTILA Maa-planeetan keskilämpötila laskenut syntyajoista Voimakkaita lämpötilavaihteluja esihistoriallisella ajalla Elämä tasannut lämpötilavaihteluja +80C 3,8 miljardia vuotta sitten +40C 3 miljardia vuotta sitten +20C 2 miljardia vuotta sitten +18C 3-4 miljoonaa vuotta sitten +0,7-0,8C lämpeneminen 1900-luvun alusta +0,5C lämpeneminen viimeisen 30v:n kuluessa +15C Tällä hetkellä Koko maapallon olemassaolon ajan keskilämpötila vaihdellut aika-ajoin, mitään normaalia lämpötilaa ei ole 3 MITEN ILMASTONVAIHTELUJA TUTKITAAN Suoria mittauksia ja epäsuoraa proksitietoa Aikasarjoja napajäätiköistä poratuista näytteistä (ilmakuplat, isotooppisuhteet, lämpötila, jään rakenne, lustojen paksuus, pöly ja epäpuhtaudet) Aikasarjoja puiden lustoista (lämpötila, kesän/talven pituus, kasvuedellytykset) Sedimentaatio (lämpötila, merenpohjat, vuoristot, kaivokset) Fossiililöydöt (luuaineen koostumus, sukupuutot) Eliöstön jakaantuminen maapallolla (lajiutuminen, mannerliikunnat) Kiviaineksen rapautuminen (lämpötila, ilmankosteus) 4 2

3 ELÄMME JÄÄKAUSIEN VÄLISTÄ LÄMMINTÄ JAKSOA Edellinen varsinainen jääkausi päättyi runsaat vuotta sitten. Noin vuotta sitten maapallon keskilämpötila nousi nopeasti 4-6C astetta lähemmäksi nykyistä tasoaan Meneillään olevalla lämpimällä (maksimilämpötilakausi noin 6000 vuotta sitten) interglasiaalilla sattunut hieman kylmempi jakso (viimeisen vuoden minimilämpötilakausi), tämä Little Ice Age on muutama vuosisata sitten ohitettu 5 Medieval Warm period vuosina lämpimämpi ilmasto ja vähentynyt merijää mahdollisti Viikinkien rantautua (1100 mennessä) muutoin epäsuotuisalle Grönlannille ja Newfounlandille 1000-luvulla Alaskan keskilämpötila oli 3-5F korkeampi kuin nykyisin ja lumiraja oli vajaat 300 metriä korkeammalla kuin nykyisin 6 3

4 Little Ice Age Lämpötila 0.5C keskiarvoa ja 1C nykyistä viileämpää Pohjoisella pallonpuoliskolla Viime vuosituhannen puolivälissä oli viileämpi kausi ( ) Jo 1310 Lontoon Thames-joki talvisin jäässä Jo 1344 Grönlannissa pieni jääkausi, 10v kylmää ja 1355 jäätävä talvi 1700-luvulla pieni jääkausi Islantiinkin, viljelyskelpoiset maat jääpeitteen alle Euroopan keväät ja kesät olivat lyhyitä, kylmiä ja kosteita, 1800-luvun puoliväliin mennessä ½ tai 1/3 eurooppalaisista oli kuollut Erityisen kylmää Pohjois-Euroopassa ja Tanskan salmet jäätyivät 1658 Sadot menetettiin, Suomessa suuret nälänhädät ja 1800-luvuilla Pohjois-Amerikassa Lake Superior oli jäässä vielä kesäkuussa 1608 Talvella 1693 Ranskassa ankaraan pakkaseen kuoli miljoona ihmistä (noin 10% väestöstä) Jäätiköt laajenivat Grönlannissa, Islannissa, Skandinaviassa ja Alpeilla ahtojää ulottui Brittein saarille ja eskimoita rantautui kajakeillaan Skotlantiin 7 ERILAISET LÄMPÖTILAKÄSITTEET KESKIMÄÄRÄINEN LÄMPÖTILA (GLOBAALI ILMASTO) ALUEELLINEN JA VUODENAIKAINEN LÄMPÖTILA (ALUEELLINEN JA PAIKALLINEN ILMASTO) PAIKALLINEN JA HETKELLINEN LÄMPÖTILA (SÄÄTILA) ILMAKEHÄN LÄMPÖTILOJEN MUUTOS EI OLE TASAISTA AJALLISESTI, PAIKALLISESTI EIKÄ PYSTYSUUNTAISESTI (viime aikaisissa havainnoissa yläilmakehä viilentynyt, alailmakehä lämmennyt, mantereiden päällä oleva ilma lämmennyt enemmän kuin merien yllä, meret myös lämmenneet) MAAPALLON LÄMPÖTILA USEIN PELKISTETTY POHJOISEEN JA ETELÄISEEN PALLONPUOLISKOON SEKÄ GLOBAALIIN LÄMPÖTILAAN KESKILÄMPÖTILA EI KERRO KAIKKEA, ON MERKITTÄVÄ VAIKUTUSERO MUODOSTUUKO keskimääräinen 1C nousu tasaisesti vuoden mittaan vai muutaman äärimmäisen kuuman päivän seurauksena 8 4

5 KAUPUNKIEN LÄMPÖSAAREKKEET Kattotiilet, tummaksi maalatut peltikatot, betoni ja asfaltti absorboivat ja varaavat voimakkaasti auringonsäteilyä (paljon enemmän kuin maaseudun ja metsien yhteyttävät ja haihduttavat kasvit) Los Angelesin keskustan maksimilämpötila noussut 100 vuodessa 4,5F ja minilämpötila 7F (Samoin New York yöllä 7F lämpimämpi kuin ympäröivä maaseutu) Houstonin minimilämpötila nousi 12 vuodessa 1990-luvun voimakkaan väestönlisäyksen ( lisää 1/5 kasvu väestöön) ja infrastruktuurin johdosta 1,4F Tokion keskustan elokuun (2006) lämpötila oli 104F (=40C) ja ympäröivän maaseudun 83F (=28C) 0C=32F, 100C=212F, F=1,8C 9 MAA-PLANEETTAAN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT LÄHIGALAKSIEN VAIKUTUS LINNUNRATAAN Galaksien törmäykset, ohitukset ja yhteenliittymät, jotka vaikuttavat tähtien syntynopeuteen Linnunradassa LINNUNRADAN VAIKUTUS Maa-planeetta sijaitsee ja liikkuu Linnunradassa Supernovaräjähdyksien tiheys ja sijainti (liittyy tähtien syntynopeuteen) AURINKOKUNNAN VAIKUTUS Aurinko, Kuu, muut planeetat Auringon magneettikenttä ja aurinkotuuli Maan rata ja akselikulma sekä pyörimisnopeus PLANEETAN MUUTOKSET Elämän käynnistyminen ja kehittyminen Ilmakehän koostumus, pienhiukkaset Jää- ja lumipeite, pilvisyys Mantereet, vuoristot, meret, merivirrat, meren suolaisuus Ilmastojärjestelmän tasapainotilat IHMISEN VAIKUTUS 10 Maanviljelys, kaupungistuminen, teknologia ja kulttuuri 5

6 MAA-PLANEETAN ENERGIALÄHTEET ,0 (Jm -2 yr -1 ) Keskustähden säteily 1 680,0 UV-säteily Linnunradan massiivisista tähdistä 1,68 Ukkonen 0,46 Ilmakehään iskeytyvät kappaleet 0,33 Radioaktiivinen hajoaminen (uraani ja kalium) 0,05 Vulkaaninen toiminta 0,0006 Kosmiset säteet 11 AURINGON ENERGIA HALLITSEVA Maata kohti päivänpuolelle saapuu 1368W/m2 Auringon säteilyä Maan pyörimisen takia keskimäärin ilmakehän ulkorajalle tulee 342W/m2 1/3 heijastuu suoraan takaisin avaruuteen 235W/m2 imeytyy ilmakehään maaperään (maanpinnalle pääsevä määrä 2-4% pienempi kuin vuonna 1950, johtuen lisääntyneestä pölyn määrästä ilmakehässä) meriin muuttuen lämmöksi Auringon energia jakaantuu ilmakehään ja maanpinnalle epätasaisesti vuodenaika (tulokulma ja päivän pituus) ilmakehän läpi kuljettava matka (absorbtio) vaihtelee lisäksi ilmakehä on paksumpi päiväntasaajalla ja ohuempi navoilla 12 6

7 ENERGIALÄHTEIDEN TASAISUUS Auringon säteilyteho kasvanut melkein kolmanneksen Maa-planeetan syntyajoista lukien Auringon aktiivisuus on ollut poikkeuksellisen suurta viimeiset sata vuotta (auringonpilkkujen määrä), Auringon magneettikenttä on voimistunut kaksinkertaiseksi, viitteitä pitemmistä noin 200 ja 1400 vuoden sykleistä, hyvin tunnetun ja säännöllisen 11 vuoden jakson lisäksi Auringon säteilyteho normaalisti vaihtelee noin 0,2%, mikä vastaa noin 0.2 asteen muutosta maapallon keskilämpötilassa Muista auringonkaltaisista tähdistä tiedetään, että ne saattavat menettää kirkkaudestaan 0,4% muutamassa vuodessa Jos Aurinko on tehnyt näin aikaisemmin tai tekee tulevaisuudessa, niin pudotus aiheuttaa kylmän ilmaston hyvin nopeasti (esitetty että Aurinko olisi 1600-luvulla ollut 0,25% heikompi) Olemme tottuneet ajattelemaan, että Aurinko säteilee tasaisesti (mutta tämä on ehkä harhakuvitelma, eikä ole pitänyt paikkaansa menneisyydessäkään) 13 MAHDOLLISIA ENERGIALÄHTEITÄ Planeetan muodostumisesta vielä jäljellä oleva jäähtymislämpö Planeetan differentioitumisesta vapautuva kitkalämpö Planeetan kutistumisessa vapautuva gravitaatioenergia Liike-energia (rataliike) Planeetan pyöriminen Planeetan magneetti-kenttä Vuorovesivoimat Muiden planeettojen ja kuiden gravitaatiohäiriöt Aurinkotuuli Supernovaräjähdykset 14 7

8 ENERGIALÄHTEIDEN MERKITYS Eri aikakausina eri energialähteet muodostavat merkittäviä ilmastotekijöitä Energialähteet eivät ole tasaisia, vaan niiden vaihtelut heijastuvat ilmastonvaihteluna erilaisten mekanismien kautta Sama lämpötila planeetalla voi olla seurausta monista eri osatekijöistä ja niiden suuruuksista, tämän vuoksi myös samankaltaisiltakin vaikuttavat lämpötilamuutokset voivat johtua hyvinkin erilaisista syistä 15 PLANEETAN LÄMPÖTILAN MUUTOS Planeetta ei ole suljettu systeemi, vaan monella eri tavoin riippuvainen ja vuorovaikutuksessa ympäristönsä (avaruuden) kanssa Planeetta kohti termodynaamista tasapainotilaa (keskimääräistä lämpötilaa), missä planeetan oma energiantuotanto ja ulkopuolelta vastaanottama energiamäärä on yhtä suuri kuin planeetan kuluttama ja ulkopuolelle luovuttama energiamäärä Pelkistetysti tasapainotila saavutetaan, kun planeetan absorboima energiavuo on yhtä suuri kuin sen avaruuteen luovuttamana energiavuo Planeetan lämpötilan muutokset voivat johtua hyvin monesta eri tekijästä ja vaihdella suuresti planeetan kehityksen kuluessa, planeetan lämpötila on olennaisesti riippuvainen siitä ovatko lämpötilaa nostavat tekijät vai lämpötilaa laskevat tekijät kulloinkin voitolla 16 8

9 PLANEETAN LÄMPENEMINEN Systeemiin tuodaan ulkopuolelta lisää energiaa Systeemin sisällä varastoitunutta energiaa alkaa vapautumaan Energian poistuminen systeemistä vähenee 17 PLANEETAN KYLMENEMINEN Systeemin ulkopuolelta saama energia vähenee Systeemi alkaa sitomaan (varastoimaan) energiaa pidemmäksi ajaksi Energiaa poistuu systeemistä aikaisempaa helpommin 18 9

10 JÄÄHTYMINEN JA LÄMPENEMINEN Energiaa siirtyy säteilemällä johtumalla konvektiolla tilavuuksien ja massojen liikkeen mukana, turbulensseissa olomuodonmuutoksissa Planeetta muodostuu ainekoostumukseltaan ja olomuodoltaan erilaisista tilavuuksista, kerroksista ja massoista absorboivat, heijastavat, varaavat, luovuttavat, eristävät energiaa hyvinkin erilailla toisiaan varjostavat rakenteet ja kasvillisuus viiveet lämpenemisessä ja jäähtymisessä toisiaan vahvistavat ja kompensoivat muutokset 19 HAVAINNOT James Lovelockin mukaan maapallon lämpenemistä ja jäähtymistä ei voida nopeasti ja luotettavasti havaita lämpötiloja mittaamalla planeetan kaltaisessa monimutkaisessa systeemissä Lovelock pitää varmimpina maapallon lämpötilamittareina meriveden korkeuden ja atmosfäärin paksuuden muutoksia 20 10

11 MUITA ILMASTOON VAIKUTTAVIA PROSESSEJA Mantereiden muodostuminen Mantereiden liikkeet Vuoristojen muodostuminen Jättiläistulivuorten purkaukset Atmosfäärin tiheyden, konsentraatioiden ja koostumuksen vaihtelut Elämän geokemiallinen vaikutus Komeettojen ja asteroidien törmäykset 21 SUPERMANTEREET Panaman kannas kohonnut katkaisten Atlantin ja Tyynenmeren välisen merivirran, tilalle Golf-virta joka kuljetti jäätiköitymisessä tarvittavaa kosteutta pohjoiseen Mantereiden asema planeetalla (nykyisin pääosin pohjoisella pallonpuoliskolla) vaikuttaa ilmastoon Laattatektoniikka Mantereet lämpenevät nopeammin kuin meret Supermannersykli n. 500 Ma Rodinia 1000 Ma Pangaia 200 Ma Nykyiset mantereet yhdistyvät ja muodostavat yhtenäisen supermantereen 200 Ma vuoden päästä Tyynen-meren kohdalle 22 11

12 MAAN RATA LINNUNRADASSA Maa-planeetta kiertää (yksi kierros 250Ma, parikymmentä kierrosta jo kuljettu) Auringon mukana Linnunradan keskustaa (kehänopeudella 220 km/s, 8,5 kpc etäisyydellä keskustasta) kulkien spiraalihaarojen läpi noin 100Ma vuoden välein (suhteellisella nopeuserolla 12 km/s), edellinen kohtaaminen spiraalihaaran kanssa 30-60Ma sitten, seuraava kohtaaminen joskus 50Ma kuluttua, spiraalihaaroissa ainetiheys on >80% suurempi kuin spiraalihaarojen välissä Maa-planeetta heilahtelee Linnunradan tason suhteen ylös ja alas (tämä tapahtuu noin neljä kertaa useammin kuin spiraalihaarojen kohtaamiset) 34 miljoonan vuoden välein (gravitaatio muuttuu ja supernovien todennäköisyys muuttuu, kuten myös tähtienvälisen aineen tiheys) Linnunradan kehitys Maan kehityksen aikana (kohtaamiset ja ohitukset lähigalaksien kanssa, tähtien syntynopeuden lasku ja äkilliset ryöpsyt, supernovien harventuminen ja äkilliset ryöpsyt, metallipitoisuuden evoluutio) 23 MAAN RADAN JA ASENNON MUUTOKSET Milankovitchin syklit aiheutuvat muiden planeettojen vetovoiman aiheuttamista häiriöistä Maan rataan noin vuoden periodeissa radan eksentrisyys muuttuu (jääkaudet mahdollisia) noin vuoden periodeissa Maan pyörimisakselin kulma muuttuu, kallistus ollut suurimmillaan vuotta sitten (maapallo noussut sen jälkeen pystympään) noin vuoden periodeissa Maan pyörimisakselin suunta muuttuu (prekessio) vuoden periodeissa Maan pyörimisakselin suunta ja radan isoakselin puolikkaan suunta kohtaavat (ilmastoprekessio), rataellipsin kiertyessä myötäpäivään 24 12

13 MILANKOVITCHIN JÄÄKAUDET Vastaanotetun auringonsäteilyn vaihtelu on vain 0.1%, mutta tärkeää on miten säteily jakaantuu eri leveysasteille ja ilmakehään Maa-planeetta kylmimmillään, kun rata soikeimmillaan ja pohjoisen pallonpuoliskon kesän aikaan planeetta kauimpana Auringosta, pohjoisen pallonpuoliskon kesä viileä ja lyhyt, eikä lumi- ja jää ehdi enää sulaa Lisäksi jääkausiin ajauduttiin koska, kasvihuonekaasut vähentyneet (merkitys 50%), Auringon kirkkaus alentunut (merkitys ~0.1%), maapallon albedo päässyt kasvamaan (merkitys 50%) jää- ja lumipeitteen lisäännyttyä mantereiden ollessa sopivassa asennossa kohti Aurinkoa Jääkausilla ilmastojärjestelmä pysähtyi mm. merivirtojen osalta ja tuulivirtaukset ja siten lämmön jakautuminen planeetalla muuttui 25 LÄHDEKIRJALLISUUS Christian Azar: Makten över klimatet: Bonnier Pocket 2009 (2008) George H. A. Cole: Wandering Stars, About Planets and Exo-Planets, An Introductory Notebook, Imperial College Press, 2006 Tim Flannery: Ilmaston muuttajat (alkuperäisteos The Weather Makers. The history and Future Impact of Climate Change, 2005), Otava, 2006 Hannu Karttunen, : Ilmakehä, sää ja ilmasto, Ursa, 2008 Jorma Keskitalo: Maapallon muuttuva ilmasto, Tammi, 2005 James Lovelock: The Vanishing Face of Gaia, A Final Warning, Allen Lane 2009 Bjorn (Björn) Lomborg: Cool It, The Skeptical Environmentalist s Guide to Global Warming, Alfred A. Knopf, 2007 Juha Pekka Lunkka: Maapallon ilmastohistoria, kasvihuoneista jääkausiin, Gaudeamus, 2008 Pasi Toiviainen: Ilmastonmuutos. Nyt. muistiinpanoja maailmanlopusta, Otava,