VARASTOKI RJASTO. 1 IIIIIIIUIIIIUII l nllll II M i._. ~. JÄÄKAUSIIN It_

Transkriptio

1 VARASTOKI RJASTO 1 IIIIIIIUIIIIUII l nllll II M i._. ~ !:::=:) It_ JÄÄKAUSIIN

2 VARASTOKI RJASTO \\11\1\\\1\11\\1\1\\ \ I IIIIIII\III I JUHA PEKKA LUNKKA Maapallon ilmastohistoria KASVIH UONEISTA JÄÄKAUSIIN GAU DEAMUS HELSINKI UNIVERSITY PRESS HELSINKI 2008

3 Lukijalle KIRJOITTAJA Juha Pekka Lunkka on Oulun yliopiston geotieteiden laitoksen professori ja Helsingin yliopiston geologian ja paleontologian dosentti. Hänen erikoisalanaan ovat mpinaiset ympäristön- ja ilmastonmuutokset erityisesti Feflnoskandiassa ja Luoteis-Venäjällä. Koneen Säätiö on tukenut tämän teoksen kirjoittamista. Copyright 2008 Juha Pekka Lunkka ja Gaudeamus Helsinki University Press Finland. Copyright 2008 Kuvat Sampo Lunkka Gaudeamus Helsinki University Press Oy YliopistokustanllllS, HYY Yhtymä Kansi: Jukka Aalto / Armadillo Graphics ISBN Painopaikka: Esa Print Oy, Tampere 2008 Maapallon ilmastohistoria kertoo ilmastonmuutoksista sekä ilmaston rakentumisesta ja toiminnasta. Jotta voisi ymmärtää ilmastonmuutoksen monimutkaista dynaamisuutta. on tärkeää tietää ilmastoon vaikuttavista tekijöistä samoin kuin ilmaston pitkästä historiasta. Teos kokoaa viime vuosina saadut tutkimustulokset yhteenvedoksi maapallon monivaiheisesta ilmastohistoriasta. Se kuvaa ilmastoa muuttavia luonnollisia mekanismeja sekä tarkastelee ilmaston kehitystä maapallon synnystä nykyhetkeen ja tulevaisuuteen niiden valossa, Tavoitteenani on selvittää, miten ilmasto on muuttunut maapallon geologisen historian aikana. Keskityn erityisesti ilmasto historiaan 100 miljoonan viime vuoden ajalta, Tällä aikajänteellä voidaan havaita, kuinka ilmastossa on tapahtunut sekä pitkän, keskipitkän että lyhyen aikavälin ilmastonmuutoksia, Pitkän aikavälin ilmastonmuutokset kestävät useita miljoonia tai kymmeniä miljoonia vuosia. Keskipitkän aikavälin muutokset toteutuvat vääjäämättömästi kymmenien ja satojen tuhansien vuosien sykleissä, Lyhyt aikaväli puolestaan kattaa tuhansien tai jopa muutaman kymmenen vuoden ilmastonmuutokset. Yhteistä näille muutoksille on se, että ilmasto ole millään aikavälillä muuttumaton. Paikallinen ilmasto saattaa muuttua huomattavasti siitä huolimatta, että maapallon keskilämpötila ei kohoa, LUVUSSA 1 esitellään ilmaston kehitystä ohjaavat perusilmiöt ja eritel-' lään auringosta maapallolle tulevan säteilyenergian jakautumista. Lisäksi käsitellään sitä, miten maapallon ilmastoon vaikuttavat tekijät - kuten ilmakehä, meret, jäätiköt ja elollinen luonto - toimivat, ovat sidoksissa toisiinsa ja lopulta muodostavat monimutkaisen kokonaisuuden. Luvun lopussa selvitetään ilmastoon vaikuttavien geologisten prosessien perusperiaatteita, jotta voidaan ymmärtää, miten geologiset prosessit muuttavat ilmastoa. LUVUSSA 2 selviää, miten geologisista kerrostumista ja muista ilmastoarkistoista voidaan saada tietoa menneisyyden ilmastosta. Maapallon

4 - varhaisesta ilmastohistoriasta kertova geologinen aineisto on huomattavasti epätarkempaa kuin lähimenneisyyttä koskeva tieto. Tärkeä on myös kysymys ajasta: miten geologisista kerrostumista suodatettu ilmastoaineisto voidaan ajoittaa. jotta erilaisten ilmastollisten tapahtumien aikajärjestys voidaan selvittää? Lisäksi luodaan katsaus siihen, mitä uutta ilmastonmallinnus antaa muinaisten i1mastojen rekonstruointiin. LUVUSSA 4 esitetään katsaus ilmastonhistorian ensimmäisistä vuosimiljardeista - maapallon sy{lnystä noin 4.6 miljardia vuotta sitten 100 miljoonan vuoden takaiseen aikaan. Miten maapallon ilmaston geologiset pitkän aikavälin muutokset ovat johtaneet kulloiseenkin ilmastolliseen tilanteeseen ja miten ilmasto-olosuhteiden muutokset ovat vaikuttaneet elämään maapallolla? Ilmastokehityksestä saadaan jo melko tarkka kuva 100 miljoonan viime vuoden ajalta. LUKU 4 keskittyy siihen, miten liitukauden kuuma ja kostea kasvihuoneilmasto alkoi pikku hiljaa kylmetä. Esimerkein pohditaan syitä pitkäaikaiselle ilmaston viilenemiselle. Olennaista on. että geologiset prosessit ja ennen kaikkea mantereiden liikkeet ovat vaikuttaneet eniten pitkän ajan ilmastonmuutoksiin. kun taas keskipitkän aikavälin ilmastonmuutokset johtuvat yksinomaan maapallon aseman ja radan muutoksista aurinkoon nähden. LUVUT 5-6 pureutuvat syvemmälle keskipitkän ja lyhyen aikavälin ilmastonmuutoksiin sekä niiden mekanismeihin. Kvartäärikauden eli 2.6 miljoonan viime vuoden ilmastokehitystä on hallinnut kylmien ja lämpimien ilmastovaiheiden vuorottelu maapallon radan muutosten tahdittamana. Vasta tuolloin suuret mannerjäätiköt muodostuivat pohjoiselle pallonpuoliskolle ja vaikuttivat myöhempään ilmastokehitykseen. }äätiköillä oli suora vaikutus muihin ilmastoa sääteleviin mekanismeihin kuten hiilen kiertoon. ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuuksiin. meriveden kiertoon ja biosf.:-iäriin. LUVUSSA 6 esitellään ilmastonmuutoksia. ilmaston kehitystä ja muutosmekanismeja kahden viimeisen lämpimän ja näiden välisen kylmän ilmastovaiheen aikana sekä historiallisena aikana. Kun nykyinen jo j 1500 vuotta kestänyt lämmin ilmastovaihe ja tätä edeltänyt noin vuotta sitten vallinnut lämmin ilmastovaihe olivat ilmastollisesti vakaita, samaa ei voi sanoa näiden lämpimien ilmastovaiheiden välisestä kylmästä ilmastovaiheesta vuotta sitten. Ilmastokehitys oli hyvin kaoottinen. Maapallon lämpötila heilahteli jopa kymmenen astetta vain muutamassa kymmenessä vuodessa. Näihin nopeiden ja luonnollisten ilmastonmuutosten syihin etsitään vastausta jäätiköiden ja meriveden kierron välisestä vuorovaikutuksesta unohtamatta sitä, että nopeat ilmastonmuutosmekanismit saattavat aktivoitua jo lähitulevaisuudessa. Kirjan lopussa luodaan katsaus siihen. miten ilmasto on muuttunut. miten ihminen on muuttanut ilmastoa ja miten ilmasto tulevaisuudessa käyttäytyy, mikäli ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ilmakehässä jatkaa kasvuaan. Kirjaan on laadittu havainnollisia kuvioita, joista lukija ehkä useimmin palaa seuraavalla sivulla esitettyyn geologisten aikakausien luokitteluun. Lisäksi osin vaikeaakin käsitteistöä helpottaa omaksumaan sanasto ja hakemisto. Vaikka tämän teoksen yksi tärkeimmistä viesteistä on, että ilmasto on monimutkainen ja jopa kaoottiselta tuntuva järjestelmä, olen pyrkinyt systemaattiseen esitystapaan, jotta teoksesta olisi iloa ja hyötyä niin tiedeyhteisölie, opiskelijoille kuin niillekin, joita ilmaston muutos muuten askarruttaa. Oulussa Juha Pekka Lunkka

5 Maailman aikakaudet? Eoni Maailmankausi Kausi Kvartääri '" '" " o o " '".5 0 0!l e '" " '" u.. Kenotsooinen Mesotsooinen Paleotsooinen " Neoprotero- '".9 tsooinen 0 0 Mesoprotero-!l 0 tsoooinen Neoarkeeinen Paleoprotero- "- tsooinen " '" Meso-.5 '" arkeeinen -'" '" Paleo- <: arkeeinen Eoarkeeinen --Maapallon synty-- Neogeeni \>aleogeeni Liitu Jura Trias Perrni Hiili Devoni Siluuri Ordoviikki Kambri 1/ Epookki Holoseeni Pleistoseeni Plioseeni Mioseeni Oligoseeni Eoseeni Paleoseeni '" " 0,01 ".5 '" -'" 1,8 E.'2 C '" ;5 > " : '" :;! ,3 65 '''' -'" -'" "" Z Koppisieme niset kasvit, linnut Havupuut Dinosauruks et Paljassiemen iset kasvit Jäätiköitymi nen Hiilikauden I netsät Ensimmäiset maaeläimet Ensimmäiset putkilokasvit ]äätiköitymin en Simpukat, br, akiopodit, trilobiitit Ediacara-faun a Jäätiköitymin en Eukariootit ]äätiköitymin en Raidalliset rau tamllodostllmat Stromatoliitit Happea tuotta vat bakteerit... En S i m rnalset alkeelliset yksisoluiset Sisällys PROLOGI: ILMASTO MUUTTUU JUURI NYT! t1 1. ILMASTO - PALAPELI VAILLA VERTAA, Ilmastoon vaikuttavat tekijät, Nykyisen ilmaston toiminta - energian kierron epätasapaino, 23 Energiaa auringosta, 23 Energian kierto ilmakehässä ja lämmön siirtyminen, 28 Meret ja niiden vaikutus ilmastoon, 31 Jäätiköiden merkitys ilmastosysteemissä. 35 Biosfaäri, hiilen kiertokulku ja ilmasto, 39 Laattatektoniikka ja aineen geologinen kiertokulku ILMASTOARKISTOT, Geologiset kerrostumat Geologisten kerrostumien ajoitus. 64 Absoluuttiset ajoilusmenetelmät, 65 Isokroninen kerrostuminen. 70 Aikaväliä mittaavat menetelmät, 72 Ajoilusmenetelmien käyttö, 74 Ilmaston mallinnus ENSIMMÄISET VUOSIMILJARDtT _ SYNNYSTÄ LlITUKAUTEEN, Kotimme maapallo Hadesvaiheen ilmasto - helvetti luotiin ennen taivasta, Arkeeisen ajan ilmasto - elämää happivajeessa Proterotsooisen ajan ilmasto - kitulias elämän alku Snowball Earth - LlImipallomaa Kambrikausi - elämän räjähdys Ordoviikkikausi - "lyhyt" ilmaston kylmenemisvaihe, Sillluri- ja dcvonikausi -lämmin ilmastovaihe, Myöhäispaleotsooinen kausi - osasyy nykyiseen kasvihlloneilmiöön, Mesotsooisen maailman kauden ilmasto Jl Maapallon ilmaston pääpiirteet arkeeiselta ajalta jurakauteen. 125

6 4 SATA MILJOONAA VUOTTA - KOHTI KYLMEMPIÄ AIKOJA, Liitukaudell kasvihuoneijmasto, miljoonan viime vuoden ilmaslokehityksen yleispiirteet, Ilmaston pitkän aikavälin viilenemismekanismit, 148 Asteroidi syöksee maapallon jää kausi kierteeseen, 148 Mannerliikunnot -mantereet ilmaston tekijöinä, 150 Syyt pitkän aikavälin ilmastonmuutoksiin, 172 Keskipitkän aikavälin ilmastonmuutokset, 174 Orbitaaliset syklit ja i1mastol1muutos, KVARTÄÄRJKAUSJ - MAAILMA JÄÄTIKÖIDEN VALLASSA, Jäätiköt -kvartäärikauden ilmaston säätelijät, 191 Jäätiköiden ilmaantuminen pohjoiselle pallonpuoliskolle, 192 Miksi pohjoinen pallonpuolisko jäätiköityi? 195 Jäätiköiden määrän vaihtelut kvartäärikaudella, viime vuoden ilmastokehitys, EEMISTÄ HOLOSEENIIN - GEOLOGIAN NYKYHETKI, vuoden ilmasto, Eem -lämmin ilmastovaihe, VeikseJ -maapallo ajautuu uuteen jääkauteen, HoJoseeni - nykyinen lämmin vaihe, Lyhytaikaiset ilmaston vaihtelut, I1mastonl11uulokset historiallisena aikana, 247 EPILOGI: KOHTI TUNTEMATONTA MAAILMAA?, 251 KmJALLlSUUS JA LÄHTEE1; 257 SANASTO, 268 HAKEMISTO,278 KUTOKSE1; 286 Prologi: ilmasto muuttuu juuri nyt! Ilmastonmuutosta tutkiva ystäväni kertoi ilmastonmuutoksesta perusasian, jota moni ei tahdo myöntää: "Ilmaston muutos tapahtuu juuri nyt, ei se tämän kummemmalta tunnu." Tähän saakka - tai oikeastaan viimeiset vuotta - muutos on ollut hyvin maltillinen. Miten on tulevaisuudessa? Johtaako hitaasti uudistuvien fossiilisten polttoaineiden lisääntyvä kulutus kasvihuonekaasujen räjähdysmäiseen kasvuun ilmakehässä ja lämpeneekö ilmasto nopeasti - vai löytyykö luonnosta mekanismeja, jotka voisivat hillitä ilmaston lämpenemistä? Vaikka ilmasto on ollut aina muutoksen tilassa, meneillään oleva muutos on herättänyt monet pohtimaan maapallon tilaa ja ihmisen osuutta ilmaston muuttajana. Suomessa ilmaston muutoksesta kirjoitetaan ja tiedotetaan toistaiseksi vielä vähän verrattuna esimerkiksi Isoon-Britanniaan ja Saksaan, joissa aletaan jo tosissaan varautua ilmaston muutokseen. Yhdysvalloissa meno jatkuu niin kuin maapallo olisi Jumalan erityisessä suojelussa, ja Kiinassa ja Intiassa ilmastonmuutoksesta ei juuri puhuta. Maailmanlaajuisesti ei ole ryhdytty mihinkään todella mittaviin toimiin, jotka auttaisivat todella hillitsemään kasvihuonekaasupäästöjä. Mikäli kasvihuonekaasupäästöjä haluttaisiin pienentää, globaalissa tuotannossa ja kulutuksessa olisi tarpeen tehdä suuria rakenteellisia muutoksia. Ilmastohistorialliset tiedot osoittavat, että milloinkaan ei ole ollut vakaata ilmastoa. Ilmasto on muuttunut ja voi muuttua nopeammin ja katastrofaalisemmin kuin aikaisemmin ihmisen historian aikana. Myös historiallisena aikana on koettu suuria ilmaston muutoksia. Keskiajalla Euroopassa vallitsi harvinaisen lämmin ilmastovaihe, jolloin muun muassa talvet olivat lumettomia ja lauhoja Keski-Suomea myöten. Toisaalta maapallo on vasta toipumassa yli 500 vuoden mittaisesta niin sanotusta [ II) PROtOGI: II.MASTO MUUTTUU JUURI NYT!

7 pienestä jää kaudesta, jolloin maapallon keskilämpötila oli hieman yli renpinta on kuitenkin noussut 3.1 senttimetriä. Mikäli meriveden pinta puoli astetta nykyistä matalampi. kohoaisi samaa vauhtia seuraavat tuhat vuotta. globaali merenpinta olisi Pääsyy vilkkaaseen keskusteluun on se, että ilmakehän hiilidioksidipi tuhannen vuoden kuluttua kolme metriä korkeammalla kuin nykyään. toisuuden kasvu on ollutennätyksellisen nopeaa teollisen vallankumouksen Tämä vastaa suunnilleen sitä merenpinnan tasoa. joka maapallolla oli edel jälkeen. Ilmasto muuttuu vääjäämättömästi kaoottiseen suuntaan ilmake lisen lämpökauden eli interglasiaalin maksimivaiheessa noin vuotta [ 12 ] hän kasyihuonekaasupitoisuuksien kasvaessa. Tiedetään myös. että niillä on yhteys ilmaston kehitykseen, mutta varmasti ei voida vielä tietää, miten ja kuinka pitkäaikaisesti ilmastolll11l1utos todella vaikuttaa. Yleinen käsitys sitten. kun Neanderthalin ihminen edusti nisäkäsevoluution huippua. IPCC:n (2007) ilmastoraportti toteaa myös, että ilmastonmuutos on vaikuttanut muun muassa pohjoisten merialueiden jääpeitteen pienenemi [ 13 ] PROI.OGI: ILMASTO on, että vähentämällä kasvihuonekaasupäästöjä saavutamme niin sanotut normaalit ilmasto-olot. Valitettavasti emme voi olla lainkaan varmoja siitä, seen. Myös alueelliset sademäärät ja tuulisysteemit ovat muuttuneet sekä sään ääri-ilmiöt yleistyneet. Samoin ovat yleistyneet paikalliset ja alueelliset MUUTTUU JUUlt! NYT! että näin tapahtuu. sillä ilmastosysteemi ei toimi näin yksinkertaisesti. myrskyt sekä kuivuus- ja hellekaudet. Paikallisen ilmaston muuttuminen ei kerro mitään globaalista ilmaston Yksi tärkeimmistä tekijöistä, johon koko ilmastokeskustelu kulmi muutoksesta. Siksi olisi hyvä pohtia, miten maapallon keskilämpötilan ko noituu. on siis kasvihuonekaasupitoisuuksien hälyttävä kasvu ilmakehässä hoaminen vaikuttaisi paikallisiin ilmasto-oloihin. teollisen vallankumouksen jälkeisenä aikana. Fysikaalinen tosiasiahan Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC) raportissa vuonna on. että mitä enemmän ilmakehä sisältää lämpösäteilyä pidättäviä kas 2007 päädyttiin jo vakuuttaviin tuloksiin ihmiskunnan ja luonnon vai vihuonekaasuja, hiilidioksidia, metaania, vesihöyryä ja typpioksiduulia, kutuksesta nykyiseen ilmastoon (IPCC 2007). Kolmenkymmenenneljän sitä todennäköisemmin maapallon ilmasto lämpenee. Erityisesti on kiin i1mastoasiantuntijan laatimassa raportissa ilmastopolitiikan tekijöille kir nitetty huomiota hiilidioksidipitoisuuden määrään. sillä hiilidioksidia on jattiin useita vastaansanomattomia faktoja. jotka luultavasti vaikuttavat ilmakehässä verrattoman paljon enemmän kuin muita kasvihuonekaa maapallon ilmastokehitykseen. Raportti osoittaa, että maapallon ilmasto suja - ja ihmistoiminta kaikissa muodoissaan lisää hiilidioksidin tuottoa on viime aikoina lämmennyt. Tämä johtopäätös perustuu ilman ja merive ilmakehään. den lämpötilamittauksiin. havaintoihin jäätiköiden ja merijään sulamisesta sekä mittauksiin globaalin merenpinnan noususta. Maapallon pintalämpötila on kohonnut 150 vuoden aikana selvästi. Kun tarkastellaan maapallon IPCC:n (2007) mukaan ilmakehän kasvihuonekaasuistahiilidioksidi-, metaani- ja typpioksiduulipitoisuudet ovat kasvaneet ihmistoiminnan takia vuodesta 1750 lähtien ja ovat nykyisin suuremmat kuin ennen teol lämpötiloja vuodesta 1850 lähtien tähän päivään saakka. havaitaan. että vii lista aikaa. Hiilidioksidipitoisuuden kasvu ilmakehässä on valtaosaltaan meisestä kahdestatoista vuodesta yksitoista on ollut lämpimpien vuosien seurausta energiatuotannossa käytettävien fossiilisten polttoaineiden kuten joukossa. kivihiilen, öljyn ja kaasun hiilidioksidipäästöistä. Pitoisuuden kasvuun on Meriveden lämpötilaa on voitu mitata luotettavasti vuodesta 1961 kuitenkin vaikuttanut myös muun muassa maan käytän muuttuminen eli alkaen. Mittaukset osoittavat, että maapallon merien keskilämpötila on ko pääasiassa hiilidioksidia sitovien metsien hakkuut. raivaaminen pelloiksi honnut ainakin 3000 metrin syvyyteen saakka. Tosin pintamerivedet noin ja asutusalueiksi. Jääkairauksista saatujen mittaustulosten mukaan ilma 750 metrin syvyyteen saakka kylmenivät vuosina ja kehän hiilidioksidipitoisuus oli ennen teollista vallankumousta noin 280 Tästä huolimatta mantereisilla alueilla laaksojäätiköiden ja lumipeitteis ppm (parts per million eli miljoonasosaa tilavuudesta), kun se nykyään on ten alueiden määrä on selvästi vähentynyt molemmilla pallonpuoliskoilla. noin 380 ppm. Nämä luvut eivät luultavasti kerro tavalliselle ihmiselle tuon Myös Antarktiksen ja Grönlannin mannerjäätiköt ovat muuttuneet aktii taivaallista. Jonkinlaisen käsityksen asiasta saa verrattaessa hiilidioksidi visemmiksi. Sekä meriveden pitkän aikavälin lämpeneminen että jäätiköi pitoisuutta tuhansien vuosien lukemiin: ilmakehän hiilidioksidipitoisuus den sulaminen on nostanut merenpintaa. Vuosina merenpinta on tällä hetkellä suurempi kuin noin vuoteen - eli aikana, jolloin kohosi keskimäärin vain 1.8 millimetriä vuodessa eli 42 vuoden aikana yh hiilidioksidipitoisuus voidaan määrittää jääkairauksista melko luotetta teensä ainoastaan noin 7.6 senttimetriä. Kymmenen vuoden aikana me- vasti. Hiilidioksidipitoisuus on vaihdellut tuolta aj alta esiteolliseen aikaan

8 [ 14] MAAI'ALI.ON ILMASTOlilS-rORIA 180 ppm:n ja 300 ppm:n välillä. Mikäli hiilidioksidipitoisuus yksin määräisi maapallon lämpötilan, Suomessakin kasvatettaisiin kohta banaaneja, sillä niin suureksi hiilidioksidipitoisuus on viime aikoina kasvanut. Myös hiilidioksidia tehokkaamman kasvihuonekaasun. metaanin. määrä ilmakehässä on suurempi kuin vuoteen. Mikä sitten ilmastossa ei ole muuttunut? Päivittäiset lämpötilaerot eli yö- ja päivälämpötilojen vaihtelu on pysynyt muuttumattomana, vaikka lämpötila on globaalisti noussut. Toisaalta Etelämantereen ympärillä oleva merijää ei ole pienentynyt arktisen alueen merijään tavoin eivätkä Etelämannerta ympäröivät alueet ole lämmenneet. Toistaiseksi ei ole todisteita myöskään siitä, että valtamerien meriveden kierto olisi suuresti muuttunut. IPCC (2007) on myös ennustanut ilmastomallien avulla tulevaisuu sevasti erilaiset kuin esimerkiksi 50 tai viisi miljoonaa vuotta sitten. Nykyihmistä voidaan kutsua jääkausien tuotteeksi, ja innovatiiviset keksinnöt kivi kaudesta nykyaikaan saakka ovat syntyneet pitkälti muinaisten, varsin nopeiden ilmastonmuutosten ja näitä seuranneiden ympäristönmuutosten tuloksena. Ihminen on aina joutunut sopeutumaan. Meneillään oleva ilmastonmuutos on jälleen yksi koetinkivi ihmisen historiassa. Sitä tuskin pysytään estämään, mutta ihmiskunnan tulisi varautua kaoottisiksi muuttuviin ilmasto-oloihin nyt ja tulevaisuudessa. Tämä edellyttää ennen kaikkea kasvihuonekaasupäästöjen ja etenkin hiilidioksidipäästöjen rajoittamista ja hiilidioksidin sitomista maankamaraan ja bioshiäriin. Kasvihuonekaasupitoisuuksien rajoituksista ja sitomisesta huolimatta ilmasto luultavasti muuttuu tulevaisuudessakin nopeasti. Tähän on syytä varautua. [ 15 ] PItOLOGI: ILMASTO MUUTTUU JUURI NYT! den ilmastokehitystä. Vaikka mallit ovat vielä puutteellisia, ne antavat kuitenkin yhdensuuntaisia viitteitä tulevaisuuden kehityksestä. Erään mallin avulla päädyttiin esimerkiksi siihen tulokseen, että vaikka kasvihuonekaa Sllpäästöt säilyisivät vuoden 2000 lukemissa, maapallon keskilämpötila nousisi tästä huolimatta 0,2 astetta kahdenkymmenen seuraavan vuoden aikana. Todennäköisimpien ennusteiden mukaan maapallon keskilämpötilan kohoaminen vuoteen 2100 mennessä vuosien keskiarvosta olisi 1,8-4,0 astetta ja merenpinta kohoaisi senttimetriä. Mallinnuksessa ei ole kuitenkaan pystytty ottamaan huomioon jäätiköiden dynamiikan ja ilmaston vuorovaikutussuhteita eikä puutteellisesti tunnettua hiilen kiertokulun vaikutusta ilmastokehitykseen. Näistä puutteista huolimatta yleinen käsitys on, että ilmasto jatkaa lämpenemistään. * * * Televisiossa, radiossa ja lehdistössä tehdään helposti yksinkertaistettuja ja dramaattisia johtopäätöksiä ilmaston muutoksesta. On jopa ajateltu, että suuri osa normaaleista luonnonilmiöistä on ihmisen aiheuttaman ilmastonmuutoksen seurausta. Joskus tämä saattaa saada jopa naiiveja piirteitä. Eräässä radio-ohjelmassa käsiteltiin Raamatun vedenpaisumuskertomusta. Raamattuun perehtynyt asiantuntija kehotti näyttämään kuvaraamatun vedenpaisumuskuvaa kaikille, niin aikuisille kuin lapsillekin. Näin se muistuttaisi tulevasta ilmastonmuutoksesta ja saisi ihmiset käyttäytymään vastuullisemmin ja katumaan luonnolle aiheuttamaansa pahaa. Ihminen on kehittynyt nykyisen kaltaiseksi vain noin muutama kymmenen tuhatta vuotta sitten ilmasto-olosuhteissa, jotka olivat ratkai-

9 f, 1. Maapallon ilmasto vailla vertaa palapeli [ 17].. ILMASTO - PALAI'!'.LI VAILLA VERTAA 1.1. Ilmastoon vaikuttavat tekijät Maapallon ilmasto-olosuhteet ovat riippuvaisia monesta tekijästä. Ne ovat osittain tulosta maapallon ulkopuolisista tekijöistä kuten maapallon sijainnista aurinkokunnassa ja maapallon radan muutoksista sen kiertäessä aurinkoa. Ilmasto-olosuhteet muovautuvat kuitenkin ennen kaikkea maapallon sisäisesti ilmakehän, manner- ja merialueiden vuorovaikutuksessa. Koska kaikki nämä ilmastoon vaikuttavat tekijät muuttuvat ja ovat muuttuneet koko maapallon historian ajan, kulloisetkin ilmasto-olosuhteet ovat syntyneet äärettömän monimutkaisessa vuorovaikutusverkostossa. Vaikka kaikkia vuorovaikutussuhteita ja niiden vaikutusta ilmastoon ei vielä tiedetä, nykyiseen ilmastoon vaikuttavat tekijät ja nykyisen ilmaston toiminta tunnetaan jo melko hyvin, ja muinaisista ilmastoista on saatavissa varsin paljon tietoa. Ilmastoon vaikuttavien perustekijöiden ja nykyisen ilmaston toiminnan tuntemus auttavat ymmärtämään myös maapallon noin 4,6 miljardin vuoden pituista ilmastohistoriaa. Arkielämässä puhutaan usein säästä. Säätiedotukset ovat yksi kuunnelluimmista ja katsotuimmista ohjelmista radiossa ja televisiossa. Monista televisiossa sääkarttojen eteen astelevista meteorologeista on tullut usein myös julkisuuden henkilöitä, joiden vaatetuksesta, ulkonäöstä ja yksityiselämästä tiedämme enemmän kuin sää hän liittyvistä perusilmiöistä. puhumattakaan ilmastosta tai ilmaston muutoksesta ja sään. ilmaston ja ilmaston muutoksen mekanismeista. Säätä kuvailtaessa mitataan lähinnä lämpötilaa. sademäärää. ilmanpainetta ja tuulen voimakkuutta. Käsitteenä ilmasto on hieman epämää-

10 p räinen mutta poikkeaa selvästi käsitteestä sää. Säällä tarkoitetaan yleensä lyhyemmän, muutamien päivien) korkeintaan kuukausien pituista ajanm Ulkoiset pakotteet Ilmastosysteemin sisäiset kytkennät Ilmaston vaihtelut [ 18] ILMASl'O jaksoa, jolloin sääolot kuten lämpötila, sateisuus, pilvisyys ja auringonpaiste samoin kuin tuulisuus vaihtelevat. Ilmasto puolestaan on käsite, joka viittaa pidemmän ajan säätilaan. Kun puhutaan ilmastosta, tarkoitetaan vähintään muutamien kymmenien vuosien keskimääräistä lämpötilaa ja sade määrää - miksei myös tuulisuutta sekä jopa lumen ja jään määrää ja alueellista jakalftumista. Muinaisista ilmasto-oloista puhuttaessa ilmastoa kuvataan yleensä vielä pidemmissä ajanjaksoissa. Tällöin ilmastoa käsitellään satojen ja miljoonien vuosien aikaperiodilla. Muutokset ilmakehässä.,. Muutokset kasvillisuudessa.,. Muutokset jäätiköiden määrässä.,. Muutokset merissä Muutokset maapallon manneralueilla [ 19 ] L MAAPAI.LON ILMASTO - l'alai'ell VAILLA VERTAA Kun tarkastellaan ilmastoon yleisesti vaikuttavia tekijöitä, on hyvä muistaa, että auringosta tuleva sähkömagneettinen säteilyenergia - osues* saan ilmakehään, maapallon merialueille ja mantereille - on koko maapallon ilmaston ja ilmastokehityksen alkuun paneva voima, Ilman maapallolle KUVA 1. Ulkoiset pakotteet eli laattatektoniikka sekä muutokset maan radan asemassa ja auringon aktiivisuudessa ovat perussyitä ilmastonmuutoksille. Nämä ulkoiset pakotteet muuttavat merien, jäätiköiden, manneralueiden, kasvillisuuden ja ilmakehän vuorovaikutussuhteita, minkä tuloksena ilmasto muuttuu. tulevaa auringon energiaa maapallo olisi vain suuri kivijärkäle mittaamattoman suuressa avaruudessa. Maapallon sisäosien radioaktiivisten aineiden hajoamisesta syntyvä geoterminen lämpö ja vetovoimaan perustuva mekanismien tutkimuksessa onkin usein kysymys siitä, kumpi oli ensin vuorovesi-ilmiö tuottavat vain pienen määrän energiaa, joten näiden te muna vai kana, ja maapallon ilmastojärjestelmää tarkasteltaessa on kiin kijöiden vaikutus maapallon energiatalouteen ja sen myötä ilmastoon on nitetty erityistä huomiota syy-seuraussuhteiden analysointiin. Yleensä il hyvin pieni. mastoon vaikuttavia perussyitä kutsutaan pakotteiksi ja näiden ilmastoon Ilmastoon vaikuttavista tekijöistä tiedetään nykyään jo paljon, vaikuttavien pakotteiden seurauksena ilmastosysteemi reagoi eli ilmasto mutta se, miten eri tekijät vaikuttavat ilmastoon, on jo monimutkainen muuttuu jollain tavalla, (KUVA 1.) asia. Tätä tutkitaan intensiivisesti, ja jatkuvasti julkaistaan tieteellisiä ar Ilmastoon vaikuttavista pakotteista ulkoiset pakotteet - eli ne tikkeleita, joissa pyritään selvittämään ilmastoon vaikuttavien tekijöiden maapallon ilmastoon vaikuttavat tekijät, jotka eivät ole suoranaisessa osuutta ilmaston kehityksessä, Ilmakehä, jonka massasta 98 prosenttia on yhteydessä maapallon ilmastoon vaikuttaviin vuorovaikutussuhteisiin il noin 20 kilometrin paksuisena vaippana maanpinnan ympärillä, koostuu makehän, jään, merien, mantereiden ja elollisen luonnon välillä - voidaan typestä (78,1 %), hapesta (20,9 %) ja vain pieneltä osalta muista kaasuista, jakaa astronomisiin pakotteisiin ja mannerlaattojen liikkeen eli laatta lähinnä jalokaasuista (0.93 %) ja hiilidioksidista (0,038 %), Ilmakehä on tektoniikan aiheuttamaan pakotteeseen (esim, Wigley 1981; Vai des 2000; kuitenkin vain yksi tekijä, joka vaikuttaa ilmastoon, sillä ilmasto-olo Ruddiman 2002). Astronomisista pakotteista auringon säteilyintensiteetin suhteet määräytyvät ilmakehän, merien ja mantereella olevien vesistö muutokset aiheuttavat sen, että maapallolle auringosta tulevan säteilyener jen, manneralueiden, jäätiköiden ja elollisen luonnon monimutkaisista gian määrä muuttuu. Useat mallit auringon pitkäaikaisen säteilyenergian vuorovaikutussuhteista. (KUVA 1.) Näiden vuorovaikutussuhteiden muu määrän vaihteluista osoittavat pääpiirteissään sen, että maapallon syn tokset luovat äärettömän monimutkaisen verkoston tapahtumia maapal nystä (noin 4,6 miljardia vuotta sitten) alkaen auringon aktiivisuus on hi lon historian eri vaiheissa, ja muutosten seurauksena maapallon ilmasto taasti kasvanut kohti nykypäivää. 500 miljoonan vuoden aikana auringon muodostuu ja muuttuu. On vielä huomattava, että ilmastoon vaikutta säteilyenergian määrä on kasvanut noin viisi prosenttia ja 100 miljoonan vien tekijöiden vuorovaikutussuhteiden muutokset eivät ole lineaarisia, viime vuoden aikana säteilymäärä on lisääntynyt noin prosentin verran minkä vuoksi on vaikea selvittää ilmastoon vaikuttavien tekijöiden syy (Valdes 2000), On laskettu, että prosentin lisäys auringon säteilyener seuraussuhteita. Ilmastonmuutostutkimuksessa ja ilmastoon vaikuttavien giassa kohottaa maapallon keski lämpötilaa noin kahdella asteella,

11 [20 J MIIIII'lIl.LON ILMASTOlilSTORl1I Auringon säteily muuttuu myös Iyhyempinä ajanjaksoina, jotka kestävät kymmenistä vuosista useisiin satoihin vuosiin, Viime aikoina on osoitettu. että auringon säteilymäärässä on selvää syklisyyttä noin 11 vuoden välein ja että säteily taso vaihtelee myös pidemmillä. satojen vuosien aikajänteillä. Säteily tasojen muutosten vaikutuksilla on mallin neuu olevan noin 0,2 asteen vaikutus maapallon keskilämpötilaan, mutta toistaiseksi ei ole voitu esittää mitään selvää yhteyttä maapallon historiassa tapahtuneiden suurten ilmastonmuutosten ja auringon säteilymäärän muutosten välillä. Auringon säteilymäärän muutosten lisäksi on myös toinen astronomillen tekijä, jolla on suuri vaikutus maapallon saamaan auringonsäteilyyn ja tätä kautta ilmastoon: maapallon aurinkoa kiertävän radan muutokset ja maapallon oman aseman muutokset aurinkoon nähden. Maapallolle tulevan säteilyn määrä vaihtelee satojen ja kymmenien tuhansien vuosien aikana leveysasteittain ja vuodenajoittain. Tämän aiheuttavat maapallon aurinkoa kiert.ävän radan vaihtelut pallonmuotoisemman ja elliptisemmän radan välillä samoin kuin maapallon akselikulman muutokset maapallon ratatasoon nähden sekä maapallon akselin huojunta eli prekessio. Astronomisiin ulkoisiin pakotteisiin voidaan lukea se. millä etäisyydellä aurinkokuntamme on galaksin keskustasta. Idean suurempien kokonaisuuksien vaikutuksesta maapallon ilmastoon esitti brittiläinen astronomi ja matemaatikko William McCrea vuonna Hänen mukaansa kylmät ja lämpimät ilmastovaiheet voisivat olla seurausta aurinkokuntamme kunkinhetkisestä sijainnista galaksin keskustaan nähden (McCrea 1975) Auringon säteilymäärän muutokset kylminä ihnastovaiheina johtuisivat auringon säteilyn voimakkaammasta heijastumisesta pölyisillä galaksin osilla aurinkokunnan kulkiessa ikuista taivaltaan galaksin spiraaliin sidottuna. Näiden kahden. auringon oman säteilymäärän muutosten ja maapallon radan ja sen aseman muutosten lisäksi ilmastoon vaikuttava ulkopuolinen syy on laattatektoniikka. Vaikka laattatektoniikka luokitellaan ulkopuoliseksi pakotteeksi. ilmiö itsessään saa voimansa maapallon sisältä. Laattatektoniikka on geologian perusteoreema, jonka avulla pystytään selvittämään lähes kaikki maapallon geologiset ilmiöt. Laattatektoniikan lähtökohtana on se. että maapallon kuoriosa koostuu useita laatoista. jotka liikkuvat toisiinsa nähden maapallon sisäisen energian tuottamien konvektiovirtausten aj amina. mikä aiheuttaa vuoristojen kohoamista ja tulivuoritoimintaa sekä muita. laattojen reuna-alueiden törmäyksissä esiintyviä tektonisia ilmiöitä. Näiden. maapallon sisäisen energian aiheuttamien laattaliikuntojen seurauksena maapallon korkokuva muuttuu ja merialtaiden koko ja jakauma muuttuvat huomattavasti vuosimiljoonien aikana. Mantereiden ja merialueiden sijainnilla ja keskinäisillä suhteilla on olennainen vaikutus ilmakehään. jäätiköiden laajuuteen. mantereilla ja merissä tapahtuviin ilmastoon kytkeytyviin prosesseihin kuten myös biosfaäriin. Esimerkiksi laattatektoniikasta aiheutuva vulkanismi eli tulivuoritoiminta. jossa suuria määriä erilaisia kaasuja purkautuu ilmakehään. saattaa hetkellisesti lisätä ilmakehän sulfaattipitoisuutta ja kylmentää ilmastoa. mutta pitkään jatkuessaan tulivuoritoiminta lisää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta ja lämmittää ilmastoa. Ulkoisten syiden tai pakotteiden lisäksi on suuri joukko ilmastoon itseensä liittyviä sisäisiä prosesseja. joita itse vallitseva ilmasto voi muuttaa ja jotka voivat joko vahvistaa tai heikentää ilmaston muutosta. (KUVA 1). Ilmastoon Iiittyvillä ulkoisilla pakotteilla ja ilmastoon vaikuttavilla sisäisillä prosesseilla on kaikilla erilainen viive eli vasteaika - toisin sanoen se aika, joka kuluu, kunnes ilmasto reagoi täydellisesti ilmastoa muuttamaan pyrkivään prosessiin. I1makehällä, maan pintaosalla, merillä ja järvillä, jäätiköillä ja elollisella luonnolla on erilainen vasteaika. Esimerkiksi ilmakehällä se on lyhyt. Lämpötilaero päivän ja yön välillä voi olla huomattava. sillä päivällä ilmakehä ja maa saavat auringon säteilyä enemmän kuin yöllä. Ilmakehän muutokset voivat ojia suuria muutaman tunnin tai muutamien päivien sisällä. Säätä on vaikea ennustaa pitkälle tulevaisuuteen osittain siitä syystä. että ilmakehä reagoi nopeasti säähän vaikuttaviin prosesseihin. Maan pintaosilla on hieman pidempi vasteaika kuin i1makehällä. Auringon säteilyn vaikutuksesta maanpinta voi tuntua todella polttavalta. mutta maanpinta ja kalliopinta viilenevät nopeasti. Tämän sai kokea muun muassa tunnettu orientalisti G. A. Wallin tutkimusmatkoillaan arabien parissa, sillä aavikolla saattoi yöaikaan olla jopa pakkasta, ja lounaaksi hiekalla olisi voinut tehdä munakokkelia. Meret ja vesistöt reagoivat muutoksiin hitaasti. Niin meriveden kuin sisävesistöjenkin lämpötilat muuttuvat hitaasti kuukausien tai viikkojen aikana. Tämän huomaa parhaiten käytännössä siitä. että Suomen leveysasteilla suuremmat järvet tai niiden pinta-osat ovat lämminneet yleensä vasta heinäkuussa vuoden lämpötilamaksimiinsa. Tämän jälkeen Jaakko heittää kylmän kiven järveen. ja vesien lämpötila alkaa tasaisesti laskea. Yleensä myöhään syksyllä veden lämpötila on laskenut niin paljon, jolloin [ MAAI'AI.LON ILMASTO - 1'1I1.III'IH.1 VAI... A VllnTIIA

12 f raskain neljäasteinen vesi painuu järvialtaan pohjalle ja lämpimämpi vesi nousee pintaan. Erilaisten pakotteiden ja viiveen ohella on myös ilmastosysteemin 1.2. Nykyisen ilmaston toiminta - energian kierron epätasapaino sisäisiä kytkentöjä eli niin sanottuja positiivia ja negatiivisia palautteita. Näillä tarkoitetaan lähinnä sitä, että ilmaston ollessa jo muutos tilassa [22 J jonkin pakotteen vaikuttaessa ilmastoon, tämä muutos voi nopeutua tai hidastua ilmastosysteemin sisäisten kytkentäjen vuoksi. Esimerkkinä positiivisesta eli ilmastonmulltosta kiihdyttävästä palautteesta voi olla se, että kemiallinen rapautuminen - eli kalliossa ja maaperässä olevien kivilajien mineraalien muuttuminen, liukeneminen tai hapettuminen - tehostuu mantereisilla alueilla laattatektoniikan tuottaessa yhä enemmän rapautumiselle altista vuoristoa. Rapautumisintensiteetin kasvu vähentää ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta, jolloin ilmasto kylmenee, mikä puolestaan johtaa esimerkiksi merijääalueen, lumen peittävän alueen ja jäätiköiden pinta-alan kasvuun ja maapallolle tulevan auringonsäteilyn suurempaan heijastumiseen. Jo alulle päässyt ilmaston kylmeneminen nopeutuu huomattavasti albedo-ilmiän eli auringonsäteilyn takaisinheijastuksen vuoksi. Negatiivinen palaute voi puolestaan hidastaa jo alkuun päässyttä ilmastonmuutosta. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden väheneminen esimerkiksi rapautumisen tehostuessa kylmentää ilmastoa ja kasvattaa jäätiköitä. Kun jäätiköt kasvavat, valtamerien pinta alkaa laskea. Tällöin paljastuu yhä enemmän orgaanispitoisia merenpohjan kerrostumia, jotka hapettuessaan tuottavat hiilidioksidia ilmakehään ja hidastavat ilmaston kylmenemistä. Positiivisia ja negatiivisia palauteilmiöitä on luonnossa paljon, ja niiden vaikutus ilmastonmuutoksen hitauteen tai nopeuteen on usein ratkaiseva. KulLoinenkin ilmasto on riippuvainen kahdesta eri tekijästä: siitä, miten nopeasti erilaiset ilmastoon vaikuttavat pakotteet toimivat, ja siitä, kuinka nopeasti ilmasto reagoi pakotteisiin. Jälkimmäiseen vaikuttaa olennaisesti se, mitkä ovat positiiviset ja negatiiviset palautteet ja mikä on niiden suhde ilmastoa muuttavina tekijöinä. ENERGIAA AURINGOSTA Ilmastonmuutosta ja ilmastohistoriaa käsiteltäessä on välttämätöntä tutustua siihen, miten nykyinen ilmastomekanismi toimii. Ilmaston kehitys ja ilmasto eri puolilla maapalloa määräytyy suurelta osin ilmakehän, mantereisten alueiden, jäätiköiden, kasvillisuuden ja valtamerien vuorovaikutussuhteista, mutta ilmastoa pitää yllä aurinko, joka tuottaa ympäristöönsä elektromagneettista säteilyä lähinnä lyhyellä, näkyvän valon aallonpituudella (noin 0,4-0,7 m eli 0,0004-0,0007 mm). Tämän Iyhytaaltoisen säteilyn ohella osa auringon säteilystä saapuu maapallon yläosaan myös ultraviolettisäteilynä ja vielä Iyhytaaltoisempana röntgen- ja gammasätei Iynä, mutta hyvin Iyhytaaltoisella säteilyllä ei ole suoranaista vaikutusta maapallon ilmastoon. Maapallon yläilmakehä saa auringon säteilyenergiaa keskimäärin 342 W/m' (wattia neliömetrille). Osa tästä energiasta heijastuu maapallon pinnasta, ilmakehän pilvistä ja pölyhiukkasista takaisin avaruuteen. Alempaan ilmakehään ja maan pinnalle imeytyvän energian määrä on keskimäärin noin 235 W 1m2 Osa tästä energiasta puolestaan imeytyy eli absorboituu ilmakehän molekyyleihin, mutta peräti 168 W 1m' eli noin 49 prosenttia koko säteilyenergiasta imeytyy maan pintaan. (KUVA 2.) Mikäli yhtä suuri energiamäärä tulisi kaikkialle maapallon pinnalle vuodenajasta ja leveysasteesta riippumatta, 1600 megawatin tehoinen Olkiluoto 3:n ydinvoimalayksikkö saataisiin teoreettisesti aikaan asentamalla aurinkokennoja kymmenen neliökilometrin alalle. Vaikka auringon energia tulee maapallolle näkyvän valon säteilynä, kohdattuaan materian se lämmittää maapalloa, sillä ilmakehän molekyylit, vesi ja mantereella oleva aine alkavat säteillä auringon Iyhytaaltoista valo [23 J L MAAPAlI.ON ILMASTO - PALAI'ELI VAILLA VERTAA säteilyä takaisin ympäristöönsä pitkäaaltoisenalämpösäteilynä. Maan pintaosien lämpösäteily ei kuitenkaan poistu avaruuteen, vaan siitä jää noin 88 prosenttia ilmakehään, sillä pääasiassa ilmakehän kasvihuonekaasut - hiilidioksidi, vesihöyry, metaani sekä typpioksiduuli - absorboivat maan pinnalta tulevaa lämpösäteilyä heijastaen sitä takaisin maan pintaosiin. Tähän yksinkertaiseen periaatteeseen perustuu kasvihuoneilmiö ja nykyinen huoli

13 tuleva säteilymäärä vaihtelee maapallolla eri leveysasteiden mukaan. Ääri-. kk,' tästä säteilymäärän vuotuisesta vaihtelusta on kaamosaika talesllner vella ja keskiyön auringon aika kesällä. Myös se, kuinka pilvistä eri puolella maapalloa on, vaikuttaa siihen) miten paljon auringon säteilyä pääsee tunkeutumaan maapallon pinnalle ja alempaan ilmakehään. Mikäli pilvisyys 1241 MAAI'AI.I.ON II.MASTO IIISTOIUA 30 Heijastus Te rminen latentti infrapunasäteily., 24., Nousevat ilmavirtaukset 78 on runsasta maapallon tietyillä alueilla, kuten tropiikissa, suuri osa tulevasta säteilystä heijastuu takaisin avaruuteen, Toisaalta runsaspilvisillä alueilla maan pinnalta tuleva lämpösäteily absorboituu eikä pääse karkaaavaruuteen On selvää että eri puolilla maapalloa vallitsevat sääolot maan., vaikuttavat siihen, kuinka paljon auringosta tulevaa lyhytaaltoista säteilyä pääsee maan pinnalle ja alempaan ilmakehään lämmittämään maapalloa ja [251.. MAAI'AI.I.ON ILMASTO - PAI.AI'EU VAII.I.A VERTAA Maanpinnan absorpuo 24 Halhtummen 324 KUVA 2. Maapallon säteily- ja energia tasapaino. Maapallon yläilmakehään tulevasta auringon säteilystä (342 W/m1) noin 49 prosenttia imeytyy maan pintaan. Suuri osa säteilystä heijastuu takaisin avaruuteen tai jää il makehään. Osa maan pinnalle jääneestä energiasta säteilee takaisin ilmakehään lämpösäteilynä ja palaa takaisin kasvihuoneilmiön vuoksi. kuinka suuri osa lämpösäteilystä karkaa kohti avaruutta. Kenties yksi suurimmista alueelliseen säteilyarvoon ja sitä myötä ilmastoon vaikuttavista tekijöistä auringon säteilykulman lisäksi on säteilyn heijastuminen eli albedo-ilmiö. Kohdatessaan maapallon pinnan auringosta tuleva säteily heijastuu eri tavalla erilaisista pinnoista, Säteilyn heijastuminen esimerkiksi merijään ja lumipeitteen alueilta on paljon ilmaston muutoksesta. Mikäli ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuus kasvaa jatkuvasti, seuraa tilanne, jossa maan luovuttama lämpösäteily ei pääse karkaamaan avaruuteen ja maapallon lämpötila alkaa kohota. Kasvihuoneilmiön jatkuessa ja voimistuessa maapallon lämpötila saattaa periaatteessa kohota niin korkeaksi, että maapallon vedet eli meret kiehuvat ja haihtuvat ilmakehään, kunnes tilanne alkaa muistuttaa sitä, mikä Venuksessa vallitsee. Venuksen pinnalla on 460 astetta lämmintä ja ilmakehän hiilidioksidi tehokkaampaa kuin esimerkiksi taigan havupuuvaltaisista metsistä. On laskettu, että noin neljännes auringon säteilystä heijastuu ja siroaa takaisin avaruuteen jo ilmakehästä. Pilvet voivat hetkellisesti heijastaa prosenttia auringon säteilystä. Myös kaikilla muilla pinnoilla on oma heijastusprosenttinsa (TAULUKKO,), ja eri lailla heijastavien alueiden pinta-ala vaihtelee vuodenajoittain esimerkiksi lumipeitteen laajuuden tai kasvin lehtien määrän mukaan. Maapallon pinta-alasta suurin osa eli noin 71 pitoisuus on 96 prosenttia, vaikka Venuksen pinnalle saapuva säteilymäärä ylemmän ilmakehän rikkiyhdisteiden takia on vain puolet siitä energiasta, joka kohdistuu maapallon pinnalle (Ruddiman 2002). Vaikka maapallon TAUJ,UKKO 1. Erilaisten pintojen keskimääräisiä hcijastusprosentteja. Lumen ja jään sekä pilvien heijnstusprosentti saattaa olla jopa 90, joten jään ja lumen määrällä sekä pilvisyydellä on ratkaiseva merkitys maapallon ilmastolie. ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on nykyään vain noin 0,038 prosenttia, on Heijastllspinta Heijastllsprosentti syytä muistaa, että "maapallokattila" on jo liedellä. Maan pinnalle ja sen ilmakehään saapuva keskimääräinen 235 W/m' energiamäärä ei kuitenkaan saavu tasaisesti joka puolelle maapalloa. Monet tekijät vaikuttavat kullekin alueelle tulevaan lopulliseen auringon säteilymäärään. Koska Maa on pallomainen, auringon säteilymäärä on suurempi päiväntasaaja-alueella, missä aurinko porottaa lähes kohtisuoraan maapallon pinnalle. Pohjoisen tai etelän korkeilla leveysasteilla säteily kohtaa maapallon pinnan viistosti, jolloin sama säteilyvuo leviää laajalle pintaalalle. Toisaalta maapallon akselin kaltevuus aiheuttaa sen, että auringosta Uusi lumi tai jää Vanha sulava lumi Pilvet Hiekka-aavikko Normaali maanpinta, maannos Tundra-alueet Ruohoaro Met'säiset alueet Vesistöt '

14 prosenttia on merien peitossa. Vesi heijastaa keskimäärin 5-10 prosenttia säteilystä. On selvää, että korkeilla leveysasteilla auringon säteet osuvat 80 /' Tammi-maalis Heinä-syys. /"""'r.::;;! [26) vinosti meren pinnalle ja tällöin heijastusprosentti voi olla keskimääräistä paljon suurempi, noin prosenttia, jolloin vain noin prosenttia energiasta absorboituu veteen. Toisaalta tropiikin merialueilla vesi ab sorboi jopa 95 prosenttia säteilystä ja vain viisi prosenttia siitä heijastuu ilmakehään. Ilmaston kannalta on siis olennaista se, miten suuret alueet maapallolla ovat ja ovat olleet jäätikön, merijään ja erityyppisen kasvillisuuden peitossa, sillä näiden ympäristöjen heijastusominaisuuksilla on suuri merkitys sille, kuinka paljon auringon energiaa absorboituu ja muuttuu lämpöä tuottavaksi energiaksi, joka ohjailee maapallon ilmastoa. Päiväntasaaja-alueen ja pohjoisten sekä eteläisten napa-alueiden välinen ero auringon säteilyn heijastumisessa on verrattain suuri. (KUVA 3.) l 60 ; E c 40 j ; " '0 Heinäsyys Vuodenaikojen välinen heijastusero N60-30 % ' Tammimaalis o g L O'=-"8'= 0 '--"":60 "" -- 4 LO.,--.:',O".--" " 0.,---,OL.--.:' 40.,.. --6LO.'-- 8 LO. -l 90 ' Pohjoinen Leveyspiiri Etelä KUVA 3. Auringon säteilyn heijastusmääräll vaihtelu maapallon eri leveysasteiden ja vuodenaikojen välillä. Esimerkiksi Helsingin korkeudella, noin 60. pohjoisella leveysasteella, vuodenaikojen välinen heijastusero on noin 30 prosenttia. [27) L MAAPAU.ON ILMASTO - PALAPEI.I VAILLA VERTAA Tätä eroa tasoittavat vain hieman päiväntasaaja-alueen pilvisemmät olosuhteet. Tarkasteltaessa heijastuksen vaihtelua maapallolla leveysasteiden ja vuodenaikojen välillä havaitaan, että heijastuksen vuodenaikaisvaihtelut ovat hyvin pieniä noin 40. pohjoiselle leveysasteelle ja noin 55. eteläiselle leveysasteelle saakka, kun taas varsinkin pohjoisen pallonpuoliskon suurilla leveysasteilla talvikauden ja sydänkesän heijastusarvoissa on suuria eroja. Eteläisen pallonpuoliskon suurilla leveysasteilla heijastusero ei ole niin suuri kuin vastaavilla pohjoisilla leveysasteilla, sillä Etelämantereen päällä on melko tasaisesti heijastava jäätikkö vuodenajasta riippumatta, ja ainoastaan merijää Etelämantereen ympärillä kutistuu ja laajenee vuodenaikojen mukaan. Toisin on arktisella alueella, jossa Pohjoisen jäämeren ympärillä olevien mantereiden eli Pohjois-Euroopan, Siperian ja Pohjois-Amerikan arktisten alueiden lumipeite ja jäämeren merijään alueet kutistuvat ja laajenevat voimakkaasti vuodenaikojen mukaan. Jo nyt on hälyttäviä merkkejä siitä, että arktisen alueen merijää sulaa (Seneze ym. 2007). Jos vuotuinen lumipeitteinen alue mantereilla myös pienenee, johtaa tämä siihen, että yhä pienempi osa auringon säteilystä heijastuu pois maapallolta ja yhä suurempi osa auringon säteilyenergiasta absorboituu meriin ja mantereelle lämmittäen lopulta ilmastoa. Ilmasto lämpenee, mikäli mikään luonnollinen negatiivinen palaute ei sitä estä. Vesi on tärkeä aine ilmastolle. sillä toisin kuin manneralueiden maa ja kallioperä merivesi varastoi tehokkaasti lämpöä. Veden lämpökapasiteetti eli se, kuinka paljon lämpöenergiaa yksi gramma vettä pystyy varastoimaan, on kolmekymmentä kertaa suurempi kuin ilman lämpökapasiteetti. Koska meret peittävät valtaosan maapallon pinnasta, ovat etenkin Kauriin ja Kravun kääntöpiirien väliin jäävien merien pintaosat noin metriin saakka suuria auringon energian varastoja. Merien ilmastoa leudontava vaikutus näkyy kaikkialla mantereisilla alueilla. Talvisaikaan sisämaassa saattaa olla hyvin kylmä, mutta meren tai ylipäätään vesialtaan ääressä on huomattavasti leudompaa, sillä vesi luovuttaa lämpöenergiaa ympäristöönsä. Kesäaikana tilanne on päinvastainen: kun mantereisilla alueilla on kuuma, rannikoilla, vesialtaan äärellä, on selvästi viileämpää. Manneralueet lämpenevät nopeasti kesäisin, mutta maaperällä on keskimäärin 60 kertaa pienempi lämpökapasiteetti kuin vedellä eli se varastoi vähän energiaa ja luovuttaa varastoimansa energian nopeasti. Yksi tärkeimmistä maapallon ilmastosysteemiin vaikuttavista tekijöistä on se, että mantereiset alueet lämpenevät kesällä ja kylmenevät talvella erittäin nopeasti verrattuna merellisiin alueisiin, joissa muutokset ovat hitaampia. Tämä aiheuttaa sen, että lämpöenergia ei ole jakautunut maapallolla tasaisesti, mikä puolestaan johtaa siihen, että energia eli tässä tapauksessa lämpöenergia siirtyy lämpimämmiltä alueilta kylmemmille ja lopulta fysiikan lakien mukaan lämpötilaerot tasoittuvat. Toisin sanoen lämpö siirtyy ilmastossa kahdella tavalla. Toinen lämmönsiirtomekanismi liittyy ilmakehässä tapahtuvaan ilmavirtausten kohoamiseen eli konvektioon. Tässä ilmiössä auringon lämmittämä maapallon pinta lämmittää ilmakehän alimpaa osaa ja saa lämpimän ilman laajenemaan ja kohoamaan ylöspäin. Kohotessaan ilma kuitenkin jäähtyy ja tulee raskaammaksi alkaen virrata taas kohti maanpintaa. Ilma siis on jatkuvassa kiertoliikkeessä maapallon pinnan ja ylemmän ilmakehän välillä.

15 [28J MAAI'AI.I.ON ILMASTO Toinen lämmön siirtomekanismeista on latentin lämmön eli veteen ja vesihöyryyn varastoituneen piilevän energian siirtyminen konvektion aiheuttamien ilmavirtausten mukana. Tässä prosessissa vedessä oleva latentti lämpö on joutunut alun perin ilmaan esimerkiksi meriveden haihtuessa. Konvektiovirtaukset kuljettavat vesihöyryn ja siihen sitoutuneen lämpöenergian ilmavirtausten mukana joskus varsin kauaksi alueelta, mistä vesi on alun perin haihtunut. Vesihöyry tiivistyy aikanaan sateeksi luovuttaen tiivistymisprosessissa energiaa ympäröivään ilmakehään 540 kaloria vesi grammaa kohti. Nykyään trooppisten alueiden ilmakehässä on vesihöyryä noin kolme prosenttia ilman tilavuudesta, kun taas kuivien aavikkoalueiden ilma sisältää vesihöyryä vain noin 0,2 prosenttia. Mikäli ilmasto alkaa lämmetä, haihtuu vesistöistä, etenkin meristä, enemmän vettä vesihöyryksi, joten ilmakehän keskimääräinen vesihöyrypitoisuus kasvaa. Koska vesihöyry on tehokas kasvihuonekaasu. sen pitoisuuden lisäys kiihdyttää ilmaston lämpenemistä. Lämpimämmät olosuhteet johtavat puolestaan siihen. että meristä haihtuu yhä enemmän vettä vesihöyryksi ilmakehään, ja ilmaston lämpeneminen vain kiihtyy. Ilmakehän vesihöyrypitoisuus siis voimistaa moninkertaisesti alkuperäistä ilmaston lämpenemiskehitystä tai viilenemistä, mikäli ilmasto alkaa lämmetä tai viilentyä jonkin muun kytkennän tai ulkoisen ilmastoon vaikuttavan pakotteen voimasta. ENERGIAN KIERTO ILMAKEHÄSSÄ JA LÄMMÖN SIIRTYMINEN Maapallon nykyisen ilmastosysteemin toiminta on ollut pitkään tiedossa ja perustuu loppujen lopuksi siihen. että trooppiset ja subtrooppiset alueet matalilla leveysasteilla saavat paljon enemmän auringon säteilyä kuin alueet. jotka sijaitsevat korkeammilla leveysasteilla. Tämä energiaepätasapaino pyörittää ilmastoa: ilmasto on itse asiassa ilmiö, joka aiheutuu lämmön siirtymisestä trooppisilta alueilta korkeammille leveysasteille ilmakehän ja meriveden välityksellä. Lämmön siirtyminen ilmakehän kautta päiväntasaajan alueelta korkeammille leveysasteille on monimutkainen tapahtuma, johon vaikuttaa eri leveysasteiden saaman auringon säteilymääräepätasapainon lisäksi muun muassa mantereiden ja merien asema maapallolla sekä manneralueiden topografia. Energia siirtyy toisin sanoen siten, että tropiikin alueella muodostuu ilmavirtauksen kiertoliike eli niin sanottu Hadleyn kierto. (KUVA 4.) Kierron alkuvaiheessa päiväntasaaja-alueen lämmin lämmi1" (2)./(y'rnJ ".J 5 KUVA 4. Maapallon ilmakehän yleinen kiertomalli eli niin sanottu Hadleyn kiertomaili. Kaavakuvassa K merkitsee korkeapaineen aluetta ja M matalapaineen aluetta. ilma nousee ylöspäin. Ilmaan on sitoutunut paljon tropiikin merialueilta peräisin olevaa vesihöyryä eli latenttia energiaa. Ilmavirtauksen kohotessa ylöspäin se viilenee, ja vesihöyry muuttuu vedeksi luovuttaen energiaa i1- mavirtaukseen. Tiivistynyt vesi sataa päiväntasaaja-alueelle ja kuiva mutta kuuma ilmavirtaus kulkeutuu molempien pallonpuoliskojen subtrooppisille alueille. Subtrooppisilla alueilla ilmavirtaus suuntautuu alaspäin noin 30. leveyspiirien kohdalla. Korkeapaine 30. leveyspiirien alueella aiheuttaa sen. että Hadleyn kierrossa olevan ilmamassan vajotessa alaspäin ilmavirtaus myös lämpenee ja siitä tulee vielä kuivempi. Hadleyn kierron vuoksi maapallon suuret aavikkoalueet ovat syntyneet juuri noin 30. leveysasteen tienoille, missä haihtuminen on suurta ja korkeapaineen ilmamassa pystyy pitämään kaiken veden vesihöyrynä ilmakehässä. Päiväntasaaja-alueella vallitsee siis lämpimän ilmamassan ylöspäin virtauksen ansiosta matalapaine, kun taas 30. leveyspiirien tienoilla on korkeapaineen alue. Niin sanotut pasaatituulet. jotka kuljettavat osan korkeammille leveyspiireille kuljetetusta energiasta takaisin päiväntasaaja-alueellc, saavat alkunsa siitä, että 30. leveyspiirien alueella olevilta korkeapaineen [29J.. MAAI'ALLON II.MASTO - PALAPELi VAILLA VRlt'I'AA

16 alueilta virtaa ilmaa täyttämään päiväntasaaja-alueen matalapainetta. lännestä itään. Heikompi mutta pysyvä suihkuvirtaus vaikuttaa noin Coriolisvoima eli maan pyörimisestä johtuva voima saa pasaatituulet puhaltamaan pohjoisella pallonpuoliskolla koillisesta ja eteläisellä pallonpuoliskolla kaakosta. Pasaatituulet kohtaavat niin sanotulla ltez-alueella 30. leveyspiirillä ja toinen voimakkaampi 30. ja 60. leveysasteen välillä. Suihkuvirtaukset mutkittelevat virtauslakien mukaan ja kuljettavat myös lämpöä mukanaan, mutta tämän lämmön vaikutus on pieni verrattuna [30J MAAI'ALLON ILMASTO (Intertropical Convergence Zone), päiväntasaajalla, missä ilmavirtaukset suuntautuvat taas ylöspäin tuottaen alueelle runsaasti sateita. Trooppisen ja subtrooppisten alueiden ilmavirtausten kiertoa ja lämmön siirtymistä eri leveyspiirien välillä kuvaa hyvin Hadleyn kiertomaili. Miten sitten ilmavirtaukset ja niiden mukana lämpö kulkeutuu korkeammille leveysasteille? Hadleyn kierron alaspäin laskeutuvan ilma alemman ilmakehän lämmönsiirtoon. MERET JA NIIDEN VA IKUTUS ILMASTOON Meret peittävät maapallon pinnasta noin 71 prosenttia. Meret, varsinkin niiden pintaosat metrin syvyyteen saakka, vaikuttavat olennaisesti [ 31 ).. MAAPAI.LON ILMASTO - I'ALAI'!!I.I VAII.I.A VERTAA massan alueella noin leveysasteilla vallitsee siis korkeapaine. Tältä maapallon ilmasto-olosuhteisiin, sillä meret kuljettavat noin puolet siitä läm melko yhtenäiseltä korkeapaineen alueelta saavat pasaatituulten lisäksi pömäärästä, jonka ilmakehä pystyy kuljettamaan. Pintameriveden kierto alkunsa korkeammilla leveysasteilla puhaltavat länsituule!. Länsituulet vaikuttaa paljon etenkin paikalliseen mutta myös globaaliin ilmastoon. tuovat subtrooppisilta alueilta lämpöä pohjoisimmille ja eteläisimmille Lämpimän pintamerivirran alueellisen vaikutuksen havaitsee parhaiten korkeille leveysasteille. Nämä lämpimät ilmamassat kohtaavat arktisilta etenkin Skandinaviassa ja jopa Suomessa. Esimerkiksi Helsingin seudulla, ja antarktisilta alueilta tulevat kylmät ilmavirtaukset, jolloin muodostuu noin 60. pohjoisella leveysasteella, vuoden keskilämpötila on noin viisi tiuhaan tahtiin lännestä itään liikkuvia korkeapaineen ja matalapaineen astetta. Vastaavalla leveysasteella esimerkiksi Labradorin niemimaalla alueita. Lämpimän ilmamassan liike kohti napa-alueita ja kylmän navoilta Kanadan itärannikolla vuoden keskilämpötila on yli kymmenen astetta saapuvan ilmavirtauksen liike kohti alempia leveysasteita saa kuitenkin matalampi. Syynä tähän eroon on se, että lämmin Norjan rannikkoa hipova aikaan sen, että lämpöä siirtyy korkeille leveysasteille. Golfvirta tuo Fennoskandiaan lämpöä, kun taas Labradorin kylmä meri Tätä yleistä ilmakehän kiertomallia mutkistaa muun muassa mon virta pitää lämpötilat matalina Pohjois-Amerikan itärannikolla. suuni-ilmiö. Kesäaikana suuret manneralueet lämpenevät merialueita Tuulet ohjaavat pintamerivesien liikettä. Maan pyörimisestä aiheu voimakkaammin. Tällöin mantereisille alueille syntyy matalapaine ja tuvan coriolisvoiman vuoksi pintamerivirtausten suunta ei kuitenkaan ole merialueille korkeapaine, jolloin merialueiden kosteaa ilmaa virtaa kohti sama kuin vallitseva tuulen suunta, vaan keskimääräinen pintaveden vir manneralueita. Tilanne on päinvastainen talvella, jolloin merialueilla val taussuunta kääntyy pohjoisella pallonpuoliskolla 90 astetta vallitsevasta litsee matalapaine ja mantereilla korkeapaine, ja ilmavirtaukset käyvät tuulen suunnasta oikeaan ja vastaavasti eteläisellä pallonpuoliskolla 90 mantereelta merelle. Monsuuni-ilmiö ja sen kehitys on tärkeä ilmastoili astetta vasempaan. Koska subtrooppisilla eli matalilla leveysasteilla vallit nen tapahtuma, jonka historiaa ja mekanismia tarkastellaan myöhemmin. sevat pasaatituulten suunnat ovat pohjoisella pallonpuoliskolla koillisesta Ilmasto-olosuhteet voivat johtua myös maan pinnan muodoista eli lounaaseen ja eteläisellä pallonpuoliskolla kaakosta luoteeseen, ja vastaa topografiasta. Osa suurista vuorijonoista sijaitsee valtamerien rannikoilla vasti molempien pallonpuoliskojen keskileveysasteilla tuulet puhaltavat kuten vuorijonot Pohjois- ja Etelä-Amerikan länsiosissa. Mereltä tulevan lännestä itään, maapallon pyörimisestä aiheutuvan coriolisvoiman vaiku ilmamassan kohotessa vuoristojen merenpuoleiset rinteet saavat sadetta, tuksesta meriveteen syntyy molemrnille pallonpuoliskoille suunnattoman mutta mantereen puoleiset osat jäävät vähäsateisiksi ja näillä alueilla voi suuria pyöriviä spiraalimaisia virtauksia. Näissä jättiläismäisissä spiraa esiintyä laajoja aavikoita. Ilmakehän alempien osien lämpö siirtyy päiväntasaajalta ylemmille leissa vesimassat pyörivät hitaasti usean sadan metrin syvyyteen saakka, ja meriveden pinta on keskiosiltaan noin kaksi metriä korkeammalla kuin leveysasteille pääosin tropiikissa alkunsa saavan Hadleyn kierron avulla. spiraalin laidoilla. Maapallon pintamerivirtauksien liike onkin spiraali Alemman ilmakehän kiertosysteemin ohella on kaksi niin sanottua suih maista siellä, missä mantereet eivät sekoita meriveden kiertoa. (KUVA 5 ) kuvirtausta, joissa ilma virtaa nopeasti noin 5-10 kilometrin korkeudessa

17 N -r ' Päiväntasaajan alueen pyörivä lämmin pintamerivesi kuljettaa lämpöä korkeammille leveysasteille ja tasaa päiväntasaajan ja korkeampien leveysasteiden ilmastoeroja. Lämpimistä päiväntasaajan alueella pyörivistä pintamerivirtauksista haarautuu esimerkiksi Pohjois-Euroopan ilmastoa leudontava lämmin Golfvirta. joka saa alkunsa Meksikon lahdelta. Tältä alueelta suolainen pintamerivesi suuntautuu kohti Pohjois-Atlanttia luovuttaen matkallaan lämpöä, kunnes pintavesi kylmenee niin paljon, että se vajoaa Islannin pohjoispuolella muodostaen noin 2-4 kilometrin syvyydellä Pohjois-Atlantin pohjalla kulkevan merivirtauksen. Tämä kulkee Grönlannin ja Labradorin kautta Etelä-Amerikan itäpuolelta eteläiselle pallonpuoliskolle. Merialueiden pintameriveden eli vain noin 100 metrin paksuisen osan kierto on siis riippuvainen planetaarisista tuulista ja coriolisvoimasta. Pintameriveden alaisen useiden kilometrien paksuisen vesimassan liike on puolestaan riippuvainen meriveden tiheyseroista eli siitä, kuinka suolaista ja kylmää merivesi on. Nykyisin suurin osa merten pohjalla olevasta vedestä syntyy pääosin kahdella eri alueella kahden eri prosessin tuloksena. Etelämantereen merialueella syntyy raskasta vettä, kun meriveden lämpötila on matala ja sen suolapitoisuus kasvaa merijään muodostumisen takia. Merialueen jäätyessä talvikautena jää ei sisällä suoloja vaan lähes puhdasta vettä, joten jään alla olevan meriveden suolaisuus kasvaa. Tällä alueella pintavesi painuu merialtaan pohjalle ja alkaa hitaasti virrata tiheyseron ohjaao '--- AIW [32] MAAPAI.LON HISTOIUA sc-=:----== == ----=--- ==J Lämmin Kylmä --.. KUVA S. Pintamerivesien kierto maapallon merissä. Yhtenäiset nuolet kuvaavat lämpimiä pintamerivirtauksia ja katkonaiset nuolet kylmiä pintamerivesivirtauksin. Etelä ABW = Antarktiksen pohjamerivesi NADW = PohjOis-Atlantin syvä merivesi AIW= Atlantin intermediaarinen merivesi. Leveysaste KUVA 6. Atlantin valtameren syviin meriveden kierto. 60' Pohjoinen [33 ] " MAAt'ALi.ON il.mas1'o - PAl.Ai'EI.1 VAll.I.A VP,RTAA mana kohti pohjoista. Niin sanottu Antarktiksen pohjamerivesi (Antarctic Bottom Water) täyttää merialtaita pohjoisen pallonpuoliskon 40. leveysasteelle saakka, missä sitä esiintyy noin neljän kilometrin syvyydestä lähtien. (KUVA 6.) Muun muassa Tyynen valtameren ja Intian valtameren altaan pohjaosat ovat täyttyneet Antarktiksen pohjamerivedellä. Toinen alue. missä syvää merivettä syntyy. sijaitsee Pohjois-Atlantilla. Päiväntasaajan ja subtrooppisen alueen pintavesien suolapitoisuus on haihtumisen vuoksi suuri varsinkin Atlantin valtamerellä. Suolainen merivesi kulkeutuu kohti pohjoista Golfvirtana ja sen jatkeena. Pohjois-Atlantin virtauksena. Saavuttaessaan pohjoiset leveyspiirit suolainen vesi on jo huomattavasti kylmempää ja siis raskaampaa kuin päiväntasaajan alueella. Pintavesi alkaa vajota Islannin ja Labradorin tienoilla yhä syvemmälle muodostaen niin sanotun Pohjois-Atlantin syvän meriveden, joka virtaa Antarktiksen syvän meriveden päälle eteläisen pallonpuoliskon 40. leveyspiirille. Lopulta tämä vesi nousee lähelle pintaa eteläisellä pallonpuoliskolla ja yhtyy Antarktista kiertävään kylmään merivirtaan. Tätä pintavedestä syvälle painuvaa ja taas uudelleen pintaan tulevaa meriveden kiertoa kutsutaan termohaliiniseksi kierroksi, sillä syvänveden muodostuminen on riippuvainen sekä veden lämpötilasta että sen suolapitoisuudesta. Antarktiksen ja Pohjois-Atlantin lisäksi niin sanottua Antarktiksen intermediaarista merivettä muodostuu eteläisen pallonpuoliskon leveyspiirin alueella. Tämä vesi massa virtaa pohjoista kohti etelään virtaavan Pohjois-Atlantin syvän meriveden päällä. Myös Välimeren alueelta purkautuu kylmää ja suolaista vettä Gibraltarinsalmen kautta Pohjois-Atlantille. Välimerestä peräisin olevaa

18 [34] MAAI>ALLON HISTQIUA merivettä esiintyy pohjoisen leveyspiirin alueella noin kilometrin syvyyteen saakka. Pohjalla olevan meriveden kierto on hidasta verrattuna pintameriveden kiertoon. Termohaliinisessa kierrossa muodostuu paljon vettä. jota joutuu jatkuvasti merenpohjalle. On ollut epäselvää, missä tämä pohjalle joutunut vesi nousee ylös pintamerivedeksi. On kuitenkin otaksuttu, että syvällä oleva merivesi nousee pintavedeksi mantereiden rannikoilla, missä rannikonsuuntaiset tuulet,ajavat pintavettä tuulen mukana coriolisvoiman kääntämänä ulappaa kohden. Tällöin pohjalla oleva merivesi pääsee nousemaan eli kumpliamaan pintamerivedeksi. Rannikot, joissa meri vesi kumpuaa voimakkaasti, ovat ravinteikkaita ja otollisia esimerkiksi kalastukselle. Meriveden kierto, jossa pintavesi painuu ensin merien pohjalle kulkeutuen jälleen pintavedeksi, kestää kaikilla maailman merillä yli 1000 vuotta. Atlantin termohaliinisessa kierrossa pintamerivesi ja pohjalla oleva merivesi kiertää nopeasti, kun taas Intian valtameressä ja Tyynellä valtamerellä meriveden kierto on hidasta ja vesimassat vain seisovat pohjassa. Toinen alue, missä pohjalla oleva merivesi voi kummuta pintavedeksi, on päiväntasaajan alue. Päiväntasaajan alueella pohjoiset ja eteläiset pasaatituulet kohtaavat ITCZ-vyöhykkeellä, ja maapallon pyörimisestä johtuvan coriolisvoiman vaikutuksesta rneren pintavesi virtaa vastakkaisiin suuntiin saaden aikaan sen, että kylmää merivettä kumpuaa meren syvyyksistä pintavedeksi. Pintamerivedellä ja sen alla olevalla merivedellä on kohtalonyhteys meriveden kiertosysteemissä, vaikka pohjalla oleva merivesi reagoi hitaasti muun muassa ilmakehän ja pintameriveden muutoksiin. Merien pinnalla oleva vesi ja pohjan eri tiheysvyöhykkeisiin asettuneet vesimassat ovat yhteydessä toisiinsa termohaliinisen kierron kautta, ja kaikki tapahtumat, jotka aiheuttavat muutoksia meriveden termohaliinisessa kierrossa voivat vaikuttaa dramaattisesti ilmastoon. Etenkin PohjoiS-Atlantin termohaliinisella kierrolla on ratkaiseva vaikutus pohjoisen pallonpuoliskon ilmasto-olojen kehitykseen. Viime aikoina paljon keskustelua herättänyt Golfvirran virtausnopeuden heikkeneminen, jonka vuoksi ilmasto viilenisi huomattavasti Länsi- ja Pohjois-Euroopassa, liittyy olennaisesti Pohjois-Atlantin vedenkiertoon. Geologiset ja jäätikkökairauksista saadut todistusaineistot noin vuoden ajalta osoittavat, että Golfvirran heikkeneminen tai pysähtyminen on johtanut suuriin ja nopeisiin ilmaston muutoksiin. JÄÄTIKÖIDEN MERKITYS ILMASTOSYSTEEMISSÄ Ei useinkaan tule ajatelleeksi, että maapallolla oleva jää ja lumi vaikuttavat keskipitkällä ja osittain myös lyhyellä aikavälillä eniten maapallon ilmastoon ja sitä kautta maapallon ympäristönmuutoksiin. Olen useasti kysynyt ilmastonmuutoksesta kiinnostuneilta ihmisiltä, mitä he ajattelevat jäätiköistä ja niiden vaikutuksesta ilmastoon. Suurin osa tuntuu pitävän jäätiköitä vain kiinteinä, paikallaan olevina suurina jääpalasina, joita on pohjois- ja etelänavalla sekä muun muassa Islannissa ja Alpeilla. Jäätiköiden ajatellaan vaikuttavan ilmastoon vain siten, että kun jäätiköt ilmaston lämmetessä sulavat, merenpinta nousee useita kymmeniä metrejä ja tropiikin saaret vajoavat mereen. Monien mielestä mannerjäätiköt voivat sulaa hyvin nopeasti, jo omana elinaikanamme. Jäätiköiden käyttäytyminen on kuitenkin monimutkaista ja niiden vaikutus maapallon ympäristö- ja ilmaston muutoksiin on monimutkainen tapahtumien ketju, jonka vuorovaikutussuhdetta alueelliseen tai globaaliin ilmastoon on vaikeaa arvioida luotettavasti. On kuitenkin selvää. että suuret mannerjäätiköt Etelämantereella ja Grönlannissa reagoivat hitaasti esimerkiksi ilmaston lämpenemiseen. ja niiden sulamiseen kuluu pitkä aika. Geologisen aineisto osoittaa, että vaikka ilmasto maapallon historian aikana on ollut keskimäärin useita asteita lämpimämpi kuin pahimmatkaan ennusteet odottavat sen olevan 100 vuoden päästä, on maapallon suurin jäämassa. Antarktiksen mannerjäätikkö. peittänyt Etelämannerta jo ainakin 15 miljoonaa viime vuotta. Grönlannin mannerjäätikkö näyttää reagoincen ilmaston muutoksiin herkemmin kuin Antarktiksen mannerjäätikkö. Tästä huolimatta Grönlantia on peittänyt vaihtelevan paksuinen jää massa noin 2,4 miljoonan viime vuoden ajan, vaikka maapallon ilmasto on ollut tiettyinä aikakausina keskimäärin lämpimämpi kuin nykyään (Wohlfart ym. 2008). Jotta jäätiköiden olemus ilmastoon vaikuttavana tekijänä tulisi paremmin ymmärrettyä. on tutustuttava jäätiköiden perusominaisuuksiin. Maapallolla on jäätä - eli vettä kiinteässä muodossa - pääasiassa mantereilla. jolloin jää on kasautunut jäätiköiksi, ja merialueilla, jolloin se esiintyy ohuena merijäänä. Pohjoisnavalla ei siis ole jäätiköitä, vaan pohjoisnapaa ja sitä ympäröiviä pohjoisia merialueita peittää muutamien metrien paksuinen merijää. Mantereilla voi esiintyä jäätiköitä alueilla. joissa vuoden keskilämpötila on veden jäätymispisteen alapuolella. Jäätiköitä voi tosin muodostua tällaisilla alueilla vain silloin. kun sataa lunta tai [35J.. ILMASTO - l'alai'illl VAILLA VERTAA

19 [ 36 J MAAI'ALLON IllSTonlA vettä. Vähäisten sateiden takia esimerkiksi Grönlannin mannerjäätikön koillispuoliset alueet ovat jäättömiä polaarisia aavikoita. Yleisimmin jäätiköitä esiintyy korkeilla pohjoisilla ja eteläisillä leveysasteilla ja vuoristoissa, missä ilman lämpötila on matala ja sadanta on riittävä. Tällaiset olosuhteet vallitsevat niinkin etelässä kuin Afrikan Kilimanjaron huipulla noin 5400 metrin korkeudesta ylöspäin. Ernest Hemingwayn novellissa "Kilimanjaron lumet" kerrotaan, että masai-heimon Jumalan taloksi kutsujllan Kilimanjaron läntisen huipun tuntumassa on jäätynyt leopardi. Kilimanjaron jääkairaukset vahvistavat kuitenkin käsitystä, ettei leopardi ole aivan äskettäin vieraillut huipulla. Kilimanjaron jäätikön alimmat eli vanhimmat jääkerrokset ovat noin vuotta vanhoja (Thompson ym. 2002), joten itse huippu ja Kilimanjaron huippua ympäröivät alueet ovat olleet yhtäjaksoisesti jään peitossa ainakin tuon ajan ja luultavasti kauemmin. Kilimanjaron jäätikkö on sulanut 190o-luvun alusta lähtien. Vielä vuonna 1912 jäätikkö ulottui vuoren huipulta eli noin 6000 metrin korkeudelta noin 4500 metrin korkeudelle merenpinnasta, mutta nykyään se ulottuu keskimäärin vain 5400 metrin korkeudelle (Thompson ym. 2002). On ennustettu, että Kilimanjaron jäätikkö sulaa kokonaan muutamassa kymmenessä vuodessa, joten Kilimanjaron huipulle odotellaan taas uutta leopardia. Mantereilla esiintyy erityyppisiä ja erikokoisia jäätiköitä pienistä, esimerkiksi Alppien alueilla olevista laaksojäätiköistä Islannin kaakkoisosassa olevan Vatnajökullin tapaisiin, suuriin lakijäätiköihin ja kaikkein suurimpiin eli niin sanottuihin mannerjäätiköihin saakka. Maapallolla on tällä hetkellä kaksi mannerjäätikköä eli jäätikköä, joiden virtausta ei maa- tai kallioperän topografia rajoita ja joiden pinta-ala on suurempi kuin neliökilometriä (Sugden & john 1985). Näistä toinen, Antarktiksen mannerjäätikkö peittää lähes koko mantereen. Se on koostunut lähinnä kahdesta yhteen sulautuneesta jäätiköitymisalueesta eli Itä- ja Länsi-Antarktiksen mannerjäätiköistä. Antarktiksen mannerjäätikön paksuus on suurimmillaan 4,8 kilometriä, ja jään määrä on noin 30 miljoonaa kuutiokilometriä. Toinen maapallon mannerjäätiköistä on pohjoisella pallonpuoliskolla sijaitseva Grönlannin mannerjäätikkö. Se on Antarktiksen mannerjäätikköä noin kymmenen kertaa pienempi ja sen suurin paksuus on yli kolme kilometriä ja arvioitu jään määrä 2,7 miljoonaa kuutiokilometriä. Yhdessä nämä mannerjäätiköt ovat noin kymmenesosa kaikkien mantereiden pintaalasta. Mikäli molemmat mannerjäätiköt sulaisivat kokonaan, maapallon merenpinta kohoaisi noin 70 metriä, josta Grönlannin mannerjäätikön sulaminen vastaisi noin seitsemän metrin merenpinnan nousua. Maapallon muilla jäätiköillä ei ole olennaista merkitystä globaaiin merenpinnan nostattajana, mikäli ilmaston lämpeneminen etenee. Mannerjäätikön jää käyttäytyy kuten plastinen aine. jää mannerjäätikössä, joka on useita satoja, jopa tuhansia metrejä paksu, deformoituu sisäisesti eli käyttäytyy kuin jäykkä neste ja virtaa jäätikön keskusalueelta gravitaation vaikutuksesta jäätikön reunoille. (KUVA 7.) jäätikköjään toinen virtaustapa on niin sanottu pohjan liukuminen, jossa jään pohjan ja maatai kallioperän väliin syntyy jään painesulamisen kautta vesikerros, jonka päällä jää liikkuu jäätikön pinnan osoittamaan suuntaan eli kohti pienempää painetta. Mannerjäätiköiden ja ylipäätään kaikkien jäätiköiden tilaa voi tarkastella jäätikön massatasapainokäsitteen avulla. Vuotuinen jäätikön massatasapaino tarkoittaa vuoden aikana jäätikölle kerrostuvan lumen ja jään määrän ja samana aikana jäätiköstä poikivien jäävuorten ja sulavan veden määrän erotusta. Niitä jäätikön alueita, joilla jään määrä lisääntyy. kutsutaan akkumulaatioalueiksi. ja niitä alueita. joilla jään määrä vähenee eli sulaminen on vallalla, kutsutaan ablaatioalueiksi. Akkumulaatioalueen ja ablaatioalueen välistä linjaa kutsutaan tasapainolinjaksi. (KUVA 7.) jäätikön tilaa kuvaa hyvin jäätikön tasapainolinjan vuosittaiset ja pitempiaikaiset siirtymät merenpinnan tasoon nähden. Jäätiköityneillä alueilla jäätikön massatasapainon sanotaan olevan negatiivinen jäätikön sulaessa ja positiivinen jäätikön laajetessa. Kun jäätikön massatasapaino on positiivinen, tasapainolinja eli akkumulaatio- ja ablaatioalueen raja siirtyy kohti merenpinnan tasoa. Kun ablaatio on vallalla, jäätikön tasapainolinja siirtyy korkeammalle merenpinnasta. Jäätiköiden dynaamisen olemuksen vuoksi jäätiköiden virtaus kasvaa, kun massatasapaino muuttuu, sillä jäätikköjää pyrkii aina ideaaliseen, plastiselle aineelie tyypilliseen puoliparaabelin muotoiseen jäätikön pinnan profiiliin. Tämä tarkoittaa sitä, että kun jäätikön muodostuminen akkumulaatioalueella kasvaa. jäätikön virtausnopeuden täytyy kasvaa ja jäätikön reunan edetä. Päinvastaisessa tilanteessa. sulamisen kiihtyessä ablaatioalueella, virtausnopeus niin ikään kasvaa jäätikön pyrkiessä uuteen tasapainoon. Tällä hetkellä esimerkiksi Grönlannin mannerjäätiköllä tasapainolinjan korkeus on noin 900 metriä merenpinnan yläpuolella. Tämä tarkoittaa sitä. että alueilla, jotka ovat yli 900 metrin korkeudella merenpinnasta, jää ei sula. vaan sinne kasaantuu lunta ja jäätä. Grönlannin mannerjään ablaatioalue sijaitsee siinä jäätikön osassa. joka on merenpinnan tasosta 900 [ 37 J L MAAI'AL!.ON II.MASTO - I'AI.A!'U!.I VAII.LA Vf.ltTAA

20 [ 38] MAAI'ALI.ON Tasapainolinja 1 Akkumulaatioalue A J.-. } \ \2 I T., Ablaalloalue Mann.,j.ätlkkö \ I Jää-,asapamo lnja.-/ '-.,uo" Manneralue KUVA 7. Kaavakuva mannerjäätikön jään liikesuunnista. Nuolet osoittavat. ""<J El'.- Meri mallnerjäätikköjäiin liikesulilltia jään kasautumis- eli akkumulaatioalueelta sulamis- eli ablaatioalueelle. Näiden alueiden välissä on niin sanottu tasapainolinja, jonka korkeutta merenpinnasta kutsutaan ELA:ksi (Equilibrium Line Altitudc). Mannerjäätikön päättyessä mereen sen reunasta irtoaa jäävuoria ympäröivälie merialueelle. energiaa johdu merivedestä ilmakehään, sillä jää on hyvä eriste. Toisaalta mitä pienempi merijääalue on, sitä enemmän lämpöä vapautuu ilmakehään. Merijäätä muodostuu arktisilla ja antarktisilla merialueilla, ja sen laajuus ja sulaminen seuraavat vuodenaikaisvaihteluja eli auringon säteilymäärän muutoksia. Antarktisilla alueilla merijään muodostuminen on Jokavuotlllen tapahtuma. MeriJ'iata alkaa muodostua talvella Ja sen peit tämä alue on laajimmillaan eteläisen pallon puoliskon keväällä, ja auringon säteilyn voimistuttua se häviää eteläisen pallonpuoliskon kesän ja syksyn aikana. Antarktisen alueen merijää on keskimäärin vain noin metrin paksuinen, kun taas arktisilla merialueilla se on paksuudeltaan noin 1-4 metriä. Toisin kuin antarktisilla merialueilla, merijäätä on pohjoisnapaa [39] >. ILMASTO _ PALAVIH.I VAILLA VERTAA metrin korkeudella. Etelämantereella vallitsevat hyvin kylmät olosuhteet kesälläkio, joten tasapainolinja sijaitsee merenpinnan tasossa. Ainoa tapa, jolla Antarktiksen mannerjäätikkö pienenee. on jäävuorien irtoaminen mannerjäätiköstä Etelämannerta ympäröiville merialueille. On tärkeää muistaa, että jäätikkö on dynaaminen kokonaisuus, ei staattinen kappale. Muutokset jäätikön eri osissa vaikuttavat koko jäätikön käyttäytymiseen ja jäätiköiden dynamiikka saattaa olla sangen nopeaa ja epälineaarista. Jäätiköillä on suora vaikutus alueen ilmakehään ja ilmastoon, sillä mannerjäätiköiden koko, korkeus ja kylmyys aiheuttavat korkeapaineen jäätiköiden keskusalueen yläpuolelle, josta katabaattiset kylmät tuulet puhaltavat kohti jäätikön reunaosia. Toisaalta jäätiköt peittävät nykyään noin kolme prosenttia koko maapallon pinnasta ja kymmenesosan manneralueen pinta-alasta, joten auringon säteilyn heijastuminen jäätiköistä vähentää maanpinnan saamaa säteilymäärää. (TAULUKKO 1.) Mikäli sadanta kasvaa alueilla, joiden keskilämpötila on matala, lumi ja jäätiköiden peittämät alueet kiihdyttävät ilmaston kylmenemistä. Tämä positiivinen, ilmaston viilenemistä nopeuttava prosessi on toistunut useaan kertaan maapallon historian aikana, ja sen vaikutus ilmastoon on varsin hyvin tiedossa vuoden ajalta. Merijään määrä ja alueellinen laajuus on toinen tekijä, jolla on jää ympäröivillä merialueilla ympäri vuoden ja jäädyttyään merijää voi kestää sulamatta 4-5 vuotta. Arktisilla alueilla merijääalue on laajimmillaan huhti-toukokuussa ja pienimmillään syyskuussa, sillä merijää sulaa viiveellä säteilymäärän maksimiajankohtaan nähden. Viime aikojen havainnot siitä, että arktisten merialueiden merijään peittämä alue on pienentynyt viime vuosikymmenten aikana (esim. Serreze ym. 2007), on hälyttävä merkki. Jatkuessaan tämä aiheuttaa ennalta arvaamattomia muutoksia arktisen alueen merellisten ja mantereisten alueiden ympäristölle. Pohjoisen jäämeren ympärysvaltiot ovat osoittaneet yhä suurempaa mielenkiintoa arktisten merialueiden tutkimukseen. Mielenkiinto arktisia alueita kohtaan johtuu pohjimmiltaan siitä, että alueella on luultavasti rikkaita kaasu- ja öljyesiintymiä, joita halutaan hyödyntää tulevaisuudessa, kun Pohjoisen jäämeren merijääalue on pienentynyt tai sulanut kokonaan. Venäjä on jopa haaveillut ulottavansa aluevesirajansa pohjoisnavalle saakka naulaamalla lippunsa Lomonosovin merenalaiseen selänteeseen, mikä on nostattanut vastustusta Tanskassa, Norjassa ja Pohjois-Amerikassa. Luonnon ja ihmiskunnan kannalta olisi ehkä järkevää suojella pohjoiset merialueet ja merenpohja jollakin vastaavanlaisella sopimuksella, joka suojelee toistaiseksi Etelämannerta. tiköiden ja lumipeitteen ohella vaikutusta auringon säteilyn heijastumiseen ja toisaalta merestä ilmakehään vapautuvan lämpöenergian määrään. Merijään peittämän alueen laajuus vaikuttaa erityisesti pohjoisella pallonpuoliskolla huomattavasti siihen, miten paljon lämpöä voi vapautua merivedestä ilmakehään. Mikäli laajat alueet ovat merijään peitossa, ei BIOSFÄÄRI, HIILEN KIERTOKULKU JA ILMASTO Elollinen luonto eli kasvillisuus ja eläimet on osa hiilen kiertokulkua maapallolla. Muutokset hiilen kiertokulussa vaikuttavat suoraan ilmakehän tärkeimmän kasvihuonekaasun. hiilidioksidin. määrään ilmakehässä,