Mustan hiilen ja muiden lyhytikäisten ilmastoon vaikuttavien aineiden vaikutukset arktisella alueella

Transkriptio

1 Mustan hiilen ja muiden lyhytikäisten ilmastoon vaikuttavien aineiden vaikutukset arktisella alueella Kaarle Kupiainen Arktisen alueen ympäristökysymykset ja hallintokurssi Helsingin yliopiston päärakennus, auditorio XIV, Unioninkatu 34, Helsinki , klo

2 Sisältö ja oppimistavoitteet Mitä ovat musta hiili ja muut lyhytikäiset ilmastovaikutteiset ilmansaasteet? Mitkä ovat SLCP (musta hiilen ja metaanin) pääasialliset päästölähteet ja alueet? Miten musta hiili kulkeutuu arktiselle alueelle ja mitä arvioita on sen arktisista ilmastovaikutuksista? Kuinka paljon voisi tekniseltä kannalta olla mahdollista vähentää musta hiilen ja metaanin päästöjä? Mitä vaikutuksia päästövähennyksillä voisi olla arktisen alueen ilmastoon? Mitä hallinnollisia prosesseja on käynnissä päästöjen vähentämiseksi?

3 Luento tukeutuu laajaan joukkoon aikaisempaa tutkimusta ja esityksiä Esitelmät K. Kupiainen: - Ilmansuojelupäivät SETAC konferenssin kutsuesitelmä - Arktinen seminaari 2015

4 Mitä ovat musta hiili ja muut lyhytikäiset ilmastovaikutteiset ilmansaasteet? Musta hiili = black carbon lyhytikäiset ilmastovaikutteiset ilmansaasteet = short-lived climate pollutants (SLCP) joissain yhteyksissä short-lived climate forcers (SLCF)

5 Lyhytikäiset ilmastovaikutteiset aineet Musta hiili: ilmakehässä esiintyvä kiinteä hiukkanen (aerosoli), ikä ilmakehässä n. 1 viikko (seuraavilla kalvoilla lisää) Metaani CH4: kasvihuonekaasu, mutta osallisena myös alailmakehän otsonin muodostumisessa, ikä ilmakehässä noin 10 vuotta Otsoni alailmakehässä: Muodostuu ilmakemiallisten reaktioiden kautta nk. prekursoriyhdisteiden reagoidessa keskenään Kasvihuonekaasut (Kioto-kori): - Hiilidioksidi CO2 - Metaani CH4 - Tyypioksiduuli N2O - F-kaasut Prekursoriyhdisteitä NOx, VOC, CH4

6 Muiden kuin SLCP ilmansaasteiden ilmastovaikutuksia Ilmastovaikutuksia on myös muilla ilmansaasteilla, mutta ne sirottavat säteilyä pois ilmakehästä ja näin pääsääntöisesti viilentävät sitä (esim. rikkipäästöt, orgaaninen hiili) Aerosolit, eli ilmakehän hiukkaset ovat avainasemassa pilvienmuodostuksessa. Pilvet peittävät koko ajan n. 60 % maapallon pintaalasta Pilvillä on sekä ilmastoa viilentävä, että lämmittävä vaikutus. Pilvet heijastavat auringon valoa takaisin avaruuteen Pilvet estävät maanpinnan lämmön säteilemisen ulos ilmakehästä.

7 Mitä on musta hiili? Musta hiili on epätäydellisessä palamisessa muodostuvien hiukkasten auringon valoa absorboiva komponentti Musta hiili koostuu pääasiassa alkuainehiilestä (grafiitinkaltainen) Musta hiili hiukkaset ovat n. 1-5 nm halkaisijaltaan, jotka muodostavat n nm agglomeraatteja Musta hiili hiukkasten kanssa pääsee yleensä aina muitakin hiukkasmaisia aineita Ilmakehässä musta hiili hiukkasille muodostuu esim. orgaanisista yhdisteistä ja/tai sulfaattista muodostuva kuori Kuva: Posfai & Buseck Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 38:17 43 Kuva: Adachi ym J.Geophys.Res. 115

8 Musta hiili absorboi näkyvää valoa Musta hiilen sätelyabsorptio tapahtuu näkyvän valon aallonpituuksilla Absorptio tehostuu heijastavien pintojen (lumi- ja jää) yllä. Absorptiota tapahtuu myös lumen sisässä musta hiili tummentaa lumipintoja Musta hiilen elinikä ilmakehässä on lyhyt (päivistä viikkoon) verrattuna kasvihuonekaasuihin CO2 Photo: Artificial soot deposits on snow during the MACEB project snow albedo campaign (source:

9 Hiukkasten kokoluokkia PM10 katupölyhiukkanen Punasolu ~7.5 µm Pienhiukkanen ~2.5 µm Nokihiukkanen (musta hiili) ~0.1 µm 5 µm Näkyvä pöly ~100 µm

10 Musta hiilellä on monta nimeä Elemental Carbon (EC) Black Carbon (BC) Refractory Black Carbon (rbc) Light Absorbing Carbon (LAC) Soot Alkuainehiili Musta hiili Noki Mittausmenetelmiä Termiset/termis-optiset (EC) Optiset (rbc, BC, LAC, )

11

12 Musta hiilen (+SLCP) päästöt maailmassa ja arktisella alueella Mitkä ovat SLCP (musta hiilen ja metaanin) pääasialliset päästölähteet ja alueet?

13 BC päästöjen jakaantuminen maittain/alueittain

14 Ihmisperäiset mustahiilipäästöt 1990, 2005 ja taloussektoreittain Lähde: UNEP/WMO 2011: Integrated Assessment of Black Carbon and Troposperic Ozone Pienpoltto Liikenne Globaalit päästöt 1990: 4,7 Gg/yr 2005: 5,5 Gg/yr 2030: 5,3 Gg/yr Päästöskenaario: IEA WEO 2009 referenssi-skenaario, huomioi ilmansaasteiden nykylainsäädännön

15 Päästöt tulevaisuudessa arvioitu kehitys nykylainsäädännöllä Lähde: MACEB project ( IIASA-GAINS model Pääsektorit globaalisti (2010): kotitalouksien ruoanlaitto ja lämmitys (50%), maaliikenne (23%), teollisuus (12%) Nykylainsäädännöllä globaalien päästöjen arvioidaan pysyvän nykytasolla 2030 asti Metsä- ja savannipalot lisäävät kokonaispäästöön noin 2.5 Tg/vuosi ( luonnolliset lähteet siis noin 50% ihmisperäisistä)

16 Arktisen neuvoston maiden päästöt tulevaisuudessa arvioitu kehitys nykylainsäädännöllä Lähde: MACEB project ( IIASA-GAINS model Pääsektorit 2010: maaliikenne (45%), kotitalouksien lämmitys (20%), soihdutus öljynporauksessa (15%), maatalouden kulotukset (8%) Päästöjen on arvioitu laskevan voimakkaasti nykylainsäädännöllä 2030 mennessä, erityisesti liikennesektorin toimien vuoksi

17 Musta hiili päästöt Suomessa nykylainsäädännöllä 2013 Energia- ja ilmastostrategian mukaan : CLRTAP inventaario : Energia- ja ilmastostrategian mukainen arvio päästöistä 2030 (SYKE- FRES malli) -55% Päälähteet: Liikenne Puun pienpoltto Energia- ja ilmastostrategian kehityksen mukaiset päästöt vuonna 2030: -55% 2010 tasosta -46% 2015 tasosta Toteutuuko pienpolton kehitys?

18 Päästöistä pitoisuuksiin (kulkeutuminen ilmakehässä) ja vaikutuksiin Miten musta hiili kulkeutuu arktiselle alueelle ja mitä arvioita on sen arktisista ilmastovaikutuksista?

19 Musta hiili päästöt ja pitoisuudet ng/m 3 Source: UNEP/WMO Source: Koch et al Atmos.Chem.Phys. 9 Vasen: globaalit musta hiili päästöt 2005, oikea: mallinnetut musta hiili pitoisuudet Päästötiheys ja lyhyt elinikä ilmakehässä selittäjinä pitoisuuksien alueelliselle jakaumalle Pitoisuudet arktisella alueella ovat alhaisempia kuin lähellä päästölähteitä. Arktinen musta hiili on paljolti kulkeutunut sinne alueen ulkopuolelta

20 Säteilypakote radiative forcing Arvio miten maapallon ja ilmakehän säteilytase vaihtelee, kun ilmastoon vaikuttavat tekijät muuttuvat, eli miten tulevan auringon säteilyn ja uloslähtevän lämpösäteilyn tasapaino muuttuu eri tekijöiden vaikutuksesta. Tämä tasapaino säätelee maapallon pintalämpötilaa Termi pakote (forcing) : maapallon säteilytase pakotetaan pois normaalista tilasta 20

21 Pintalämpötilojen suhteellisia muutoksia arktisella alueella ja globaalisti Lähde: Sato 2014.

22 Arktinen ilmasto vaihtelee luontaisesti Kuvat: Keskimääräisiä talvi- ja kevätkauden pintalämpötiloja arktisilla mittausasemilla

23 Arktinen jääpeite on pienentynyt Lähde: AMAP, 2011

24 Mikä rooli musta hiilellä voisi olla arktisessa ilmastomuutoksessa? Ilmakehän (troposfäärin) yläosassa oleva musta hiili lämmittää vain vähän tai jopa viilentää maan pintaa Lähellä maan pintaa ja lumessa oleva musta hiili lämmittää voimakkaasti maan pintaa Arktinen alailmakehä lämpenee merkittävästi arktisen alueen ulkopuolelta kulkeutuvan, keskileveysasteilla lämmenneen ilman sekoittuessa arktiseen ilmamassaan (merkittävä osa musta hiilen lämmitysvaikutusta)

25 Arktisen neuvoston maiden musta hiili päästöjen suhteelliset vaikuttavuudet Mitä pohjoisempana päästö tapahtuu sitä merkittävämpi sen suhteellinen vaikuttavuus Pohjoismaiden erityisrooli? Source: AMAP, 2011.The Impact of Black Carbon on Arctic Climate (2011). By: P.K. Quinn, A. Stohl, et al.

26 Arktisella alueella tapahtuvia päästöjä laivaliikenne ja soihdutus Arktisella alueella tapahtuvien päästöjen suhteellisen vaikuttavuuden takia niihin kannattaa kiinnittää huomiota Nykypäästöt Tulevaisuuden kasvupotentiaali? Arktinen laivaliikenne ei tällä hetkellä ole kovin merkittävä päästölähde, mutta on arvioita, joiden mukaan se voi jopa kymmenkertaistua 2050 mennessä Öljynporauksen yhteydessä tapahtuva soihdutus on jo nyt merkittävä musta hiilen päästölähde arktisella alueella Kuvat: US EPA 2010 report to congress and Carbon Limits 2013 Associated Petroleum Gas Flaring Study

27 Arvioita musta hiilen vaikutuksesta ilmastoon ja jääpeitteeseen Historiallinen vaikutus: Quinn et al. (2008, ACP): ~25% lämpötilan noususta Koch et al. (2011, J. of Climate): ~20% arktisesta lämpenemisestä ja jääpeitteen vähenemisestä 1900-luvulla. Arvioissa on vielä merkittäviä epävarmuuksia Quinn et al ACP HUOM! Viilentävät komponentit eivät kuvassa

28 Globaalien SLCP päästövähennysten mahdollisuudet arktisen ilmaston lämpenemisen torjunnassa Kuinka paljon voisi tekniseltä kannalta olla mahdollista vähentää musta hiilen ja metaanin päästöjä? Mitä vaikutuksia päästövähennyksillä voisi olla arktisen alueen ilmastoon?

29 Lämpötila voi nousta merkittävästi tulevaisuudessa IEA perusura (WEO 2009) Source: UNEP/WMO 2011: Integrated Assessment of Black Carbon and Troposperic Ozone

30 Jäämeren jääpeitteisyyden oletetaan vähenevän edelleen Source: IPCC, 2013

31 Mustahiilipäästöt ja niiden vähentäminen Tapoja mustahiilipäästöjen yksilöityyn vähentämiseen ei tarkalleen ottaen ole, vaan aina vaikutetaan muihinkin päästökomponentteihin Vähennysstrategioita suunniteltaessa ilmastovaikutuksen näkökulmasta, on tarpeen tarkastella päästömuutosten nettovaikutusta teknologiakohtaisesti

32 Sektorikohtaisten vuoden 2000 päästöjen (netto)vaikutus ilmastopakotteeseen 2020 Lähde: Unger ym PNAS 107(8)

33 Globaalit SLCP-päästövähennysmahdollisuudet mikä voisi olla tekninen maksimipotentiaali ja mitä vähennysten vaikutukset voisivat olla? UNEP/WMO 2011: Integrated Assessment of Black Carbon and Troposperic Ozone Olemassaolevien ilmansaasteiden vähennysteknologioiden nettoilmastovaikutukset arvioitiin teknologiakohtaisesti Skenaario sisälsi kaikki arvioidut ilmansaasteet, mutta löydetyt toimet kohdentuvat odotetusti SLCP aineisiin Mahdollisten päästövähennysten vaikuttavuutta verrattiin IEA:n World Energy Outlook 2009 referenssi-skenaarioon, joka huomioi olemassa olevan ja jo päätetyn ilmansaastelainsäädännön ECHAM (JRC) ja GISS (NASA) ilmastomalleilla arvioitiin onko ko. teknologioiden avulla teoriassa mahdollista saavuttaa ilmastohyötyjä olettaen niiden täyden implementoinnin 2030 mennessä

34 Emissions [kt or Mt CO 2 eq20] Päästövähennysteknologioiden ilmastovaikutus Esim 1: diesel, raskas kalusto (Intia 2030) Päästöt GWP OC BC Total CO2eq GWP20 kirjallisuudesta: BC=2200 OC= Current Euro-III Euro-VI Current Euro-III Euro-VI Emissions GWP(20 yrs) Lähde: IIASA GAINS-malli

35 Emissions [kt or Mt CO 2 eq20] Päästövähennysteknologioiden ilmastovaikutus Esim 2: biomassan poltto ruoanlaitossa (maatalouden jätteet, lanta, puu) (Intia 2030) Päästöt GWP OC BC Total CO2eq GWP20 kirjallisuudesta: BC=2200 OC= Current stoves Improved stoves Emissions New stoves Current stoves Improved stoves GWP(20 yrs) New stoves Lähde: IIASA GAINS-malli

36

37 SLCP päästövähennysmahdollisuudet 2030 (tekninen potentiaali) Lähde: UNEP/WMO 2011: Integrated Assessment of Black Carbon and Troposperic Ozone

38 Mikä on SLCP päästövähennysten potentiaali arktisissa maissa? Musta hiilen osalta merkittäviä teknisiä päästövähennysmahdollisuuksia verrattuna perusuraan Musta hiili noin 30-70% Metaani noin 60% Vaikutusarvioiden tulee kuitenkin huomioida kaikkien oleellisten saasteiden nettovaikutus (lämmittäjät, mutta myös viilentäjät)

39 Suhteelliset lämpötilamuutokset SLCPvähentämisskenaarioilla Source: UNEP/WMO 2011: Integrated Assessment of Black Carbon and Troposperic Ozone BC measures: -0,35 C Metaani ja musta hiili päästöihin kohdistuvilla toimilla voitaisiin torjua jopa 0,7 C astetta arktisen ilmaston lämpenemisestä (globaali 0,5 C) Päästövähennyksillä voitaisiin toruja noin neljännes 2050mennessä tapahtuvasta arktisen alueen lämpenemisestä hidastaa jääpeitteen vähenemisnopeutta

40 Suhteelliset lämpötilamuutokset SLCPvähentämisskenaarioilla Source: UNEP/WMO 2011: Integrated Assessment of Black Carbon and Troposperic Ozone Kestävä ilmastopolitiikka tukeutuu oleellisesti CO2 vähennyksiin, mutta Mikäli niiden ohella onnistuttaisiin toteuttamaan esitetynlaisia SLCP päästövähennyksiä sillä saavutettaisiin lisähyötyjä arktiselle ilmastolle Esitetyt vaikutusarviot olettavat teknisen potentiaalin täyden toimeenpanon 2030 mennessä Figure: Relative temperature change

41 Päästövähennyksillä saavutettaisiin myös muita hyötyjä Source: UNEP/WMO 2011: Integrated Assessment of Black Carbon and Troposperic Ozone

42 Mitä hallinnollisia prosesseja on käynnissä SLCP päästöjen vähentämiseksi?

43 Musta hiiltä ja SLCP:tä koskevat prosessit YK:n talouskomission kaukokulkeutuvia aineita koskeva sopimus (UNECE (Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, CLRTAP) Arktisen neuvoston SLCF työ Ilmaston ja puhtaan ilman kumppanuusohjelma (Climate and Clean Air Coalition - CCAC) Pohjoismainen yhteistyö Kansainvälinen merenkulkujärjestö (International Maritime Organization - IMO) WHO:n terveysvaikutustyö

44 Black Smoke in London (smog, coal use) UK Clean Air Act 1956 Black carbon and air quality 1970 s Transport Residential combustion Atmospheric composition and impacts Arctic haze 1980 s 1st global emission estimates 1990 s US Congressional hearings 2007, 2010, 2013.

45 Convention on Long Range Transboundary Air Pollution (CLRTAP) 2010 ad-hoc black carbon expert group The Gothenburg Protocol was amended in 2012 to include, ao., emission reduction commitments for fine particulate matter (PM2.5). The amended protocol addresses also black carbon as a component of PM2.5: Parties should, in implementing measures to achieve their national targets for particulate matter, give priority, to the extent they consider appropriate, to emission reduction measures which also significantly reduce black carbon develop, maintain and report inventories and projections for emissions of black carbon as well as provide information to the general public. The CLRTAP is the first binding international agreement to include black carbon CLRTAP = Convention on Longrange Transboundary Air Pollution Gothenburg Protocol = The 1999 Protocol to Abate Acidification, Eutrophication and Ground-level Ozone; 26 Parties. Entered into force on 17 May Sets national emissions ceilings for SO2, NOX, NH3 and NMVOCs as well as PM2.5

46 Arctic Council SLCF work Tromsö 2009 Council initiated the work on black carbon (and other SLCFs) following workshops held by the Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP) in Tromsö ministerial declaration: Implement early actions where possible on methane and other short-lived climate forcers Encouraged collaboration with other international fora Two SLCF groups were established with first focus on BC: Arctic Council Task Force on SLCFs AMAP SLCF Expert Group Arctic Council (est. 1996) high level intergovernmental forum to promote cooperation, coordination and interaction among the Arctic States, with the involvement of the Arctic Indigenous communities on common Arctic issues, in particular sustainable development and environmental protection in the Arctic. Work is organized in Working Groups and their supporting scientific and technical Expert Groups. AMAP (Arctic Monitoring and Assessment Programme) and ACAP (Arctic Contaminants Action Programme) are among them. Member States are Canada, Denmark, Finland, Iceland, Norway, Russian Federation, Sweden, and the United States of America.

47 Arctic Council SLCF work Nuuk SLCF groups reported to the ministers and recommended actions. Nuuk ministerial declaration: requested the groups to continue their work by focusing on methane and tropospheric ozone, as well as further black carbon work where necessary and provide a report to the next Ministerial meeting in Encouraged the Arctic states to implement, as appropriate in their national circumstances, relevant recommendations for reducing emissions of black carbon Established a Short-Lived Climate Forcer Contaminants project steering group, to manage circumpolar demonstration projects Organised under the ACAP working group

48 Arctic Council SLCF work Kiruna SLCF groups reported to the ministers and recommended actions Kiruna ministerial declaration: Welcomed the Task Force report on SLCFs, and supported its recommendations including that national black carbon emission inventories for the Arctic should continue to be developed and reported as a matter of priority Established a Task Force for Action to Reduce Black Carbon and Methane to develop arrangements to achieve enhanced black carbon and methane emissions reductions in the Arctic and report at the ministerial meeting in 2015

49 UNEP assessment(s) set ground for establishment of the CCAC A series of assessments UNEP/WMO assessment Summary for decision makers Technical report UNEP synthesis report: Actions for Controlling SLCFs Focus on regional mitigation opportunities Includes cost assessments of mitigation measures Shindell et al article in Science (13 Jan 2012) UNEP will continue its ongoing scientific assessment efforts and host the secretariat of the Climate and Clean Air Coalition to Reduce Short-Lived Climate Pollutants

50 Climate and Clean Air Coalition to Reduce Short-Lived Climate Pollutants (CCAC) A voluntary initiative, established in 2012 Defines short-lived climate pollutants (SLCPs) to include methane, black carbon, tropospheric ozone, and many hydrofluorocarbons (HFCs) The Coalition s work will augment, not replace, global action to reduce CO2 Seeks to reduce SLCPs by: raising awareness of SLCP impacts and mitigation strategies; enhancing and developing new national and regional actions, promoting best practices and showcasing successful efforts, improving scientific understanding

51 Climate and Clean Air Coalition to Reduce Short-Lived Climate Pollutants (CCAC) Open to governments and other stakeholders who are committed to: mitigating SLCPs in their own countries, to the objectives of the framework, and to helping others take similar actions. Partners may choose to take action in a variety of ways, recognizing that priorities vary among countries. Founding members: Bangladesh, Ghana, Canada, Mexico, Sweden, The United States Currently about 70 member states or organisations, including the European Commission. Finland joined the coalition in the summer of 2012

52 SLCF in the Nordic countries Joint ministerial statements emphasising the issue Nordic Council of Ministers work Workshops Project funding opportunities National actions in the Nordic countries Emission inventories (CLRTAP) Finland: emission inventory and IAM work as a basis for assessments of national policies and impacts Norway: national action plan published in 2013 Sweden: active in international SLCF fora Denmark: participates, has worked on emission inventories

53 International Maritime Organization (IMO) In 2010 the United States, Norway and Sweden submitted a proposal to the International Maritime Organization s (IMO) Marine Environment Protection Committee (MEPC) to consider taking action to reduce BC emissions from shipping that impact the Arctic. The MEPC has mandated a Sub-Committee on Bulk Liquids and Gases to define black carbon and propose how it should be measured in international shipping as well as investigate appropriate control measures to reduce black carbon emissions from international shipping. The sub-committee will report to the 65th session of the MEPC in 2014.

54 WHO black carbon and health

55 Other activities Processes relevant to BC (examples) Global Alliance for Clean Cookstoves EU revision of the TSAP UNFCCC A lot of action in the scientific community Emission inventories Climate impacts Health impacts IPCC AR:s Bond et al Bounding the role of black carbon in the climate system

56

57 Kiitoksia mielenkiinnosta! Kaarle Kupiainen Erikoistutkija, FT Suomen ympäristökeskus SYKE Puh: S-posti: