1
Ilmastonmuutos ja Lapin metsät Mauri Timonen Ilmastonmuutosta koskeva pohdiskelua puulustotutkimuksen näkökulmasta Mauri Timonen Huhtikuu 2005 Lustia-hanke, Metla 2
SISÄLTÖ: ALKUSANAT...4 LUKU I. ILMASTONMUUTOKSEN MONET NÄKÖKULMAT...5 Millaisia ilmastovaihtoehtoja on tarjolla?...5 Jääkaudet ja lämpökaudet...5 Lämpenemisjaksot (Global warming)...5 Lyhytaikaiset vaihtelut (NAO)...7 Äkilliset ilmastonmuutokset...9 LUKU II. ILMASTON LÄMPENEMISEN SYYT...12 Mitkä tekijät vaikuttavat maapallon keskilämpötilaan?...12 LUKU III. ILMASTON VIIMEAIKAINEN KEHITYS...13 Käsityksiä maapallon ilmaston lämpötilatrendeistä...13 Toistuvatko historialliset ilmastonmuutokset?...13 Auringon aktiivisuus ja muut ilmastoon vaikuttavat tekijät...15 Lämpötilamittausten luotettavuus...15 LUKU IV. TULEVAN ILMASTON KEHITYSNÄKYMÄT...18 Ennustamisen suuntaviivat...18 LUKU V. LÄMMIN 1990-LUKU...20 1990-luvulla lämmintä kuin kuumalla 1930-luvulla Lapissa...20 LUKU VI. MUUTTUUKO ILMASTO LAPISSA?...24 LUKU VII. JOKO KASVIHUONEILMIÖ VAIKUTTAA METSÄNRAJALLA?...27 LUKU VIII. PUULUSTOT ILMASTON TULKKINA...30 Suomen ja hiukan Euroopankin metsähistoriaa...30 Puulustot ilmastonmuutostutkimuksen apuna...32 Pitkien lustosarjojen kokoaminen...33 Metsänrajamännyn kasvu ja uudistuminen viimeisen 1000 vuoden aikana...36 LUKU IX. PÄÄTELMIÄ: ONKO MENNEISYYS LAPIN METSIEN TULEVAISUUDEN PEILI?...39 LÄHDEVIITTEET...40 LIITE 3. POSTERIT...54 LIITE 4. LUSTIA-HANKE (METLA)...62 KANSIKUVAT: Etusivu. Atlanttisen kauden kesälämpötilat olivat useita asteita nykyistä korkeammalla. http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/globalwarming/holocene.html NASAn satelliittikuva kertoo kahden viimeisen vuosikymmenen vihertyvästä pohjoisesta pallonpuoliskosta. Se aiheutuu hiilidioksidin lisääntyneestä sitoutumisesta kasvillisuuteen. http://earthobservatory.nasa.gov/newsroom/newimages/images.php3?img_id=5173 3
ALKUSANAT Ilmastolliset havaintoaikasarjat viimeisen 150 vuoden ajalta osoittavat maapallon ilmaston lämmenneen noin yhdellä asteella. Hallitusten välisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC) mukaan 1900-luvun lämpötilan nousu maailmassa on ollut suurin ainakin vuosituhanteen. Viimeisen 200 vuoden aikana ilmakehän hiilidioksipitoisuus on kasvanut neljänneksen ja metaanipitoisuus kaksinkertaistunut. Pohjoisilla alueilla lämpeneminen on ollut muuta maailmaa voimakkaampaa. Asiaa todistavat IPCC:n mukaan muun muassa havainnot jäätiköiden kutistumisesta, merijään ohentumisesta ja lumipeitteisen vuodenajan lyhentymisestä. Kuluvalla vuosisadalla pohjoisten alueiden lämpenemisen odotetaan olevan noin kaksi kertaa suurempaa kuin muilla alueilla. Tuoreen arktisten alueiden ilmastoa käsittelevän ACIA-raportin (2004) mukaan ilmasto on lämpenemässä pohjoisen pallonpuoliskon napa-alueiden läheisyydessä nopeasti ja muutosten odotetaan voimistuvan entisestään. Skandinavian alueelle ennustetaan em. raportin mukaan kolmen asteen nousua vuoden keskilämpötilassa ja 3-5 asteen nousua talvilämpötiloissa vuoteen 2090 mennessä. Seuraavan sadan vuoden aikana ilmastonmuutoksen odotetaan yhä kiihtyvän ja aiheuttavan suuria fyysisiä, ekologisia, sosiaalisia ja taloudellisia muutoksia, joista jotkut ovat raportin mukaan jo alkaneet. Voimistuva ilmastonmuutos asettaa myös metsäntutkimukselle uusia vaateita ja haasteita. Metlassa on viimeisen 10 vuoden ajan kehitetty puiden vuosilustoihin perustuvaa ilmastonmuutostutkimusta. Kehitystyön lippulaivana on toiminut Lapin metsänrajamännyn 7638-vuotinen lustosarja, joka on maailman toiseksi pisin vuodentarkka havupuulustosarja. Vain Pohjois-Amerikan 8000-vuotinen vihnemäntysarja (Pinus longaeva) on pitempi. Venäjän pisin sarja on 7300-vuotinen lehtikuusisarja. Lapin metsänrajamännyn vuosilustoissa näkyy myös maapallonlaajuisen ilmastonmuutoksen jälkiä. Siksi on tärkeää, että metsänrajamäntymme pääsee sille kuuluvalle paikalleen globaalimuutosta kuvaavassa mittaristossa, johon kuuluvat myös muut edellä mainitut lustosarjat sekä Grönlannin jäätiköiden ja korallien ilmastosignaalit. Pallaksella 30.03.2005 järjestetty korkean tason ilmastoseminaari toimi lähtölaukauksena laajentuvalle lustotutkimuksen yhteistyölle, johon osallistuvat Metla, Ilmatieteen laitos, Venäjän tiedeakatemia/vnsukachev-instituutti sekä Arizonan yliopisto. Seminaarin pääpuhujina toimineet akateemikko Eugene A. Vaganov ja dendrokronologian professori Malcolm K. Hughes kiinnittivät erityistä huomiota pohjoisboreaalisen havumetsävyöhykkeen ilmastonmuutokseen ja sen tutkimiseen. Käydyissä jatkokeskusteluissa päätettiin keskittyä aluksi kahteen päälinjaan: 1) pitkien lustosarjojen analysointiin ja jatkokehittämiseen sekä 2) Vaganov-Shashkin mallitustekniikan soveltamiseen Metlan valtakunnallisiin tutkimusaineistoihin, joita ovat esimerkiksi ICP/Forest Focus, VMI, Inka, Tinka, Sinka, SuojaInka ja VKIP). Lapin ilmasto muodostaa osan pohjoisen pallonpuoliskon ilmastojärjestelmästä. Tämän katsauksen tavoitteena on antaa yleiskuva Lapin ilmaston, Lapin metsien ja suurilmaston välisistä yhteyksistä. Toivon näkökulmani edesauttavan kansainvälisen yhteistyön kehittymistä ja erityisesti Metlan tutkimusaineistojen hyödyntämistä sen yhteydessä. Mauri Timonen 4
LUKU I. ILMASTONMUU- TOKSEN MONET NÄKÖ- KULMAT Millaisia ilmastovaihtoehtoja on tarjolla? Ilmastonmuutokset voidaan jakaa kolmeen ryhmään aikajänteen perusteella (Calvin 1998): 1) 100 000 vuoden jaksoissa toistuviin jääkausiin 2) parisataa vuotta kestäviin ilmaston lämpenemisjaksoihin (global warming) ja 3) muutamien vuosien aikajänteellä toimiviin ENSOon (El Niňo/Southern Oscillations), NAOon (North Atlantic Oscillations) ja muihin vastaaviin ilmiöihin. Lisäksi ovat dramaattisimpana ilmastonmuutostyyppinä Grönlannin jääkairaustutkimuksista todetut äkilliset ilmastomuutokset (abrupt climate flips, flip flops). Jääkaudet ja lämpökaudet Jääkaudet ovat luonnollinen ja merkittävä osa maapallon ilmastonvaihteluita (kuva 1). Jääkausiksi kutsutaan viileitä aikajaksoja, joiden aikana napajäätiköt leviävät alemmille leveysasteille. Lämpötiloilla arvioiden kyse on 1,5 5 asteen pudotuksesta lämpökausiin verrattuna. Jääkaudet luonnehtivat kahta hyvin erilaista aikajaksoa: maapallon ilmastohistorian aiemmassa vaiheessa vallitsivat kymmenien tai satojen miljoonien vuosien pituiset viileät jaksot, joiden aikana jäätiköt kaiken aikaa joko laajenivat tai kutistuivat. Jääkausilla tarkoitetaan myös kymmenien tuhansien vuosien pituisia jaksoja, jolloin jäätiköiden määrä on lähellä maksimiaan. Jääkaudet syntyvät Maan aseman ja asennon pitkäaikaisista vaihteluista kiertoradallaan. Maan kiertoradan elliptisyys, sen pyörimisakselin asennossa vuosituhansien aikana tapahtuvat pienet vaihtelut ja sen hyrrämäinen vaapunta (prekessio) vaikuttavat Maan Auringosta saamaan säteilyenergian jakaumaan ja määrään. Kun mainitut tekijät yhdistetään Maapallon ilmaston lämpötilavaihteluihin, voidaan ns. AC- LIN-ilmastoindeksiä (Astronomical CLmate INdex) käyttää myös tulevan ilmaston ennustamiseen (kuva 8, Eronen 1992). Ensimmäiset suuret jäämassat kertyivät maapallolle runsaat kaksi miljardia vuotta sitten, jolloin Huron-jääkausi peitti osan silloista mannerta nykyisen Pohjois-Amerikan alueella. Tämän noin 200 miljoonaa vuotta kestäneen maailman vanhimman jääkauden merkkejä on löytynyt myös Pohjois-Karjalasta, Kontiolahden Urkkavaarasta (Marmo & Ojakangas 1984). Viimeistä noin 2.5 miljoonan vuoden pituista geologista jaksoa kutsutaan jääkausien ajaksi eli kvartäärikaudeksi. Tänä aikana on sattunut yli 20 jäätiköiden etenemis- ja perääntymisvaihetta, viimeisimmän etenemisen tapahduttua 25 000-10 000 vuotta sitten. Viimeisen 750 000 vuoden aikana on ollut kahdeksan jääkautta ja niiden välistä lämpökautta (interglasiaalia). Geologit ovat löytäneet jäänteitä ainakin viidestä nykyisen Suomen maaperällä vallinneesta jääkaudesta (kuva 17a). Viimeisin jääkausivaihe kesti ajan 117 000 10 000 vuotta sitten (kuva 17b). Jäätiköt levisivät Kanadaan, Skandinaviaan, Skotlantiin ja USAn itäosiin peittäen 32% maa-alasta. Nykyiset jäätiköt peittävät 10 % sijaiten pääasiassa Grönlannin ja Antarktiksen alueilla. Holoseeni (kuva 17c) on muodostunut varsin rauhalliseksi jaksoksi viimeisen 100 000 vuoden aikaskaalassa tarkasteltuna (Broecker 1995). Tämänkin jakson lämpötiloissa on ollut aaltoilua ja muita trendimäisiä muutoksia, mutta vaihtelu on pysynyt parin asteen haarukassa. Lämpenemisjaksot (Global warming) Ilmaston lämpeneminen (global warming) määritellään pitkäaikaiseksi Maan alimman kerroksen (troposfäärin) keskilämpötilan nousuksi. Käsite yhdistetään usein ns. voimistuneeseen kasvihuoneilmiöön (Greenhouse effect). Kasvihuoneilmiö on sinänsä luontainen osa Maapallon ilmaston toimintaa, joka perustuu ilmakehän ns. kasvihuonekaasujen ominaisuuteen varastoida maasta poistuvaa lämpösäteilyä. Maapallon keskilämpötila (+15 o C) olisi ilman kasvihuonekaasuja 33 astetta ny- 5
kyistä alempi (-18 o C). Kasvihuonekaasujen osuus ilmakehän kaasuista on noin 2 %, josta pääosan muodostaa vesihöyry hiilidioksidin osuuden ollessa vain 0.04 %. Ihmisen teollinen toiminta on lisännyt kasvihuonekaasujen määrää 0.1 %:n verran. Maapallon keskilämpötilan nousun noin puolella asteella arvioidaan olevan tämän toiminnan seurausta. Maapallon lämpenemisen syyksi on esitetty myös Auringon energiatuotannon vaihteluita. Vuosina 1980-89 tehdyt Solar Max satelliittimittaukset osoittivat, että Auringon energiantuotantoa kuvaava aurinkovakio ei olekaan vakio, vaan sykkivä muuttuja, jonka arvot vaihtelivat ±0.22 % (3 w/m 2 ) keskiarvosta (Wilson 1991). Auringon säteilyenergia nousi 1900-luvun selvään maksimiinsa vuonna 1980 ja saavutti toiseksi korkeimman arvonsa vuonna 1990. Viisi viimeisintä auringonpilkkumaksimia (1944-1990) olivat säteilyvoimakkuudeltaan vuosisadan korkeimmat. Erikoista on, että auringonpilkkujakson pituus lyhentyi 11 vuodesta 9 vuoteen. Tanskalaiset tutkijat (Friis-Christensen & Lassen 1991) vertailivat auringonpilkkujakson pituutta Maapallon keskilämpötilaan (kuva 2) päätyen häkellyttävään yhteensopivuuteen (r=0.95). Ilmiö aiheutuu heidän mukaansa aiempaa aktiivisemmasta ja kuumemmasta Auringosta, jonka kasvanut säteilyteho varastoituu lämpönä meriveteen, josta se edelleen siirtyy ilmaan. Vuonna 1996 tehtiin uusi merkittävä havainto: Svensmark ja Friis-Christensen (1997) löysivät Auringon aktiivisuutta, kosmista säteilyä ja Maan pilvipeitettä koskevan yhteisen lainalaisuuden. Kun Aurinko on aktiivisimmassa vaiheessaan, heikkenee Maapallon ilmakehään kohdistuva neutronipommitus (kosminen säteily), joka puolestaan vaikuttaa pilvipeitteeseen vähentävästi 4 prosentin verran. Siten lämpöä pääsee meriin entistä enemmän. Tuoreimmat maanpintaa, merenpintaa, alempaa troposfääriä ja Auringon energiantuotannon vaihteluita koskevat tutkimukset sekä tutkimustulokset viittaavat siihen, että Auringolla on merkittävä vaikutus Maan ilmastoon (Lean & Rind 2001). On arvioitu, että Auringon säteilytehon kasvu 0.2 %:lla nostaa maapallon lämpötilaa 0.15 asteella. Vertailuna mainittakoon, että jääkauden syntyyn riittää 0.1 %:n (1.5 w/m 2 ) pitkäaikainen säteilytehon muutos. Willson (1991) arvioi Auringon energiatuotannon vaihteluiden selittävän ilmaston lämpenemisestä noin neljänneksen (0.10 o C). Dalyn (2001) ja Landscheitin (2001) mukaan vaikutus voi olla käytännössä jopa kolminkertainen eli 0.45 o C ilmakehän Kuva 1. Fennoskandialle elintärkeä Golf-virta (oik.) on osa suurempaa maapallon meriä kiertävää lämmitysjärjestelmää (Conveyer), jossa päiväntasaajan suunnasta pohjoiseen virtaava lämmin vesi luovuttaa lämpöä merenpinnan yläpuoliseen ilmaan. Tuulet, joita NAO-ilmiö ohjailee, hoitavat lämmön jatkojakelun kohteisiin. Painavammaksi ja suolaisemmaksi tullut jäähtynyt vesi palaa takaisin etelään merten syvänteisiin vaipuessaan. Lähde: Calvin 1998, uudelleen piirsi Mauri Timonen. 6
Kuva 2. Maapallon keskilämpötila seuraa tarkasti (r=0,95) Auringon energiatuotannon vaihteluita kuvaavaa auringonpilkkujakson pituutta (Friis-Christensen & Lassen 1991). Merkille pantavaa on, että totutun 11 vuoden jakson sijasta nykyisin on puhuttava 10 tai jopa 9 vuoden jaksoista! Auringon halkaisijan on todettu pienentyneen noin 410 km:llä viimeisten 200 vuoden aikana. Kutistunut Aurinko on nyt entistä kuumempi, mikä saattaa selittää noin 2,5 w/m 2 tehon kasvun. Viimeksi mainitun on laskettu merkitsevän noin 0.15 asteen nousua Maapallon keskilämpötilassa. Uudelleen piirsi Mauri Timonen. kerrannaisvaikutusten ansiosta. Pohtila (1980) havaitsi metsänrajamännyn uudistumisvuosien sattuvan auringonpilkkujakson maksimin välittömään läheisyyteen, mikä on sopusoinnussa myös Sirénin esittämiin useamman vuoden pituisiin uudistumisjaksoihin vuoden 1855-57 uudistumisjaksoa lukuun ottamatta. Katovuodet puolestaan näyttivät osuvan Auringon aktiivisuuden minimivuosiin. Myös kasvukauden tehoisa lämpösumma näytti seuraavan Auringon aktiivisuuden vaihteluita. Mekanismia, joka olisi selittänyt riippuvuussuhteen, ei vielä 1980- luvun alussa ollut mahdollista esittää. Uudet tutkimustulokset tekevät esitetyt päätelmät ainakin periaatteessa mahdollisiksi. Auringon aktiivisuuteen voi liittyä myös AMO-rytmiksi (Atlantic Multidecadal Oscillations) nimetty Atlantin syvien merivesien lämpötilan jaksollinen 50 70 vuoden vaihtelu (Kerr 2000). AMOn huippuvaiheet sattuivat 1940- ja 1990-luvuille, mikä vastaa pohjoisen pallonpuoliskon keskilämpötilan vaihteluita. Instrumentaalimittauksiin perustuvat kaksi AMO-jaksoa eivät vielä kuitenkaan riitä todistamaan ilmiötä jaksolliseksi; avuksi tarvitaan proksisarjojen pitempiä aikajänteitä. Lapin pitkä kronologia on yksi ehdokas AMO-rytmin tutkimiseksi. Mielenkiintoisen osionsa muodostaa myös AMOn ja Auringon aktiivisuuden väliset yhteydet. On mahdollista, että metsänrajamännyn lustot sisältävät NAO-signaalin lisäksi Auringon aktiivisuutta kuvaavan signaalin, kuten Pohtila jo vuonna 1980 esitti. Lyhytaikaiset vaihtelut (NAO) Vaikka jäätikkö- ja sedimenttilustot osoittavat ilmaston keskilämpötilan pysyneen viimeisten 10 000 vuoden aikana varsin vakaana, on lämmön jakautumisessa maapallon eri osien suhteen suurta vaihtelua. Maapallon lämmönjako perustuu merissä kiertävään lämmönsiirtojärjestelmään, jonka osan muodostaa Golfvirta (Kuva 1). Lämmönsiirron ja ilmaston vuorovaikutteista toimintaa ilmentävät jaksoittaiset vaihtelut, joista tunnetuimmat ovat eteläisellä pallonpuoliskolla vaikuttava ENSO (El Niňo/Southern Oscillations) sekä sen poh- 7
joinen serkku, Pohjois-Atlantin NAO (North Atlantic Oscillations). Niiden huippuvaiheet merkitsevät normaalista poikkeavien sääolojen muodostumista eri puolille maapalloa. NAO-ilmiö vaihtelee jaksoittaisesti aiheuttaen äärivaiheissaan poikkeuksellisia säitä Euroopassa ja Pohjois-Afrikassa. Sen vaikutukset myös Suomen ilmastoon ovat dramaattiset. NAOn huippuvaihe, jota ilmaisee korkea indeksi, ilmenee Suomessa erityisesti sydäntalvella lämminhenkisinä mutta välistä myös myrskyisinä länsi- ja lounaistuulina (kuva 3). Ilmastotutkijat kiinnittivät viime vuosikymmenellä paljon huomiota NAOon liittyvien lounaisten/läntisten ilmavirtausten (länsivirtausten) voimistumiseen. Sen seuraukset näkyivät Suomessakin nousseina talvikauden keskilämpötiloina ja Lapissa myös lisääntyneenä sateisuutena. Talvikuukausien (joulumaaliskuu) keskilämpötila nousi männyn metsänrajaseuduilla jopa parilla asteella koko tarkastelujaksoon (1901-1997) verrattuna ja lunta satoi normaalia enemmän, esimerkiksi talvella (1999/2000) Käsivarressa jopa kolminkertaisesti ja muualla Lapissa kaksinkertaisesti normaaliin nähden. Talvikauden sateisuus ei tosin Suomessa, Käsivartta lukuunottamatta, korreloi kovin hyvin NAOindeksien kanssa. Orografiset tekijät (mm. korkeat maastomuodot) vaikuttavat sateiden alueelliseen jakaantumiseen; erityisesti Norjan ja Ruotsin välimaastossa sijaitseva Kölivuoristo jakaa sateet niin, että NAO-indeksien ja sateisuuden korrelaatio on Norjassa korkea mutta Suomessa pieni. NAO vaikuttaa voimakkaimmin talvikaudella Suomen ilmastoon. Esimerkiksi tammimaaliskuun NAO-indeksi (kuva 4) korreloi helmi-huhtikuun keskilämpötilaan korrelaatiokerrointasolla r=0.7, jota on pidettävä korkeana. NAOn vaikutusta kesäkauden sääoloihin tai puun kasvuun on pidetty vähämerkityksisenä. Samaan suuntaan viittaa kesäheinäkuun keskilämpötila, joka on pysytellyt männyn metsänrajalla viimeisten 25 vuoden aikana 1900-luvun keskiarvon tuntumassa, ehkä hiukan sen alapuolellakin. Jotain näyttää kesäsäissäkin tapahtuneen, sillä lämpötilan äärivaihtelu näyttää pienentyneen: huippuhelteet ja kylmänpiikit puuttuvat. Mielenkiintoinen on myös havainto, jonka mukaan metsänrajamännyn vuosilustoindeksin ja NAOn talvikuukausien (joulu-maaliskuu) välillä vallitsee heikko, mutta tilastollisesti merkitsevä riippuvuus. Uudet tulokset vahvistavat myös Lapin kesäkauden ilmaston yhteyden NAOilmiöön (r = 0.4, kuva 5). Samalla ilmenee, että kolmen kuukauden NAO-indeksit korreloivat ympärivuotisesti vastaavasti laskettuihin lämpötiloihin joko lähes viiveettömästi tai korkeintaan kuukauden viiveellä. Kuva 3. NAO-indeksit (Jones & al. 1997) kuvaavat Islannin ja Azoreiden välisiä ilmanpaine-eroja. Korkea NAO-indeksi eli matala ilmanpaine Islannissa aiheuttaa Pohjois-Euroopan suuntaan voimakkaita lounais- ja länsituulia, jotka siirtävät Golf-virran lämpöä Fennoskandiaan. NAO-indeksit selittävät hyvin 1990-luvun lämpimien talvien syyn. 8
Kuva 4. NAO-indeksi on hyvä Pohjois-Atlantin ilmaston vaihteluiden mittari. Se kuvaa Islannissa ja Azoreilla vallitsevien ilmanpaineiden välistä suhdetta. Korkea NAO-indeksi merkitsee Islannin seuduilla matalapainetta, joka ilmenee Suomessa läntisinä ja lounaisina tuulina. Kevättalven (helmihuhtikuu) keskilämpötila männyn metsänrajalla seuraa noin kuukauden viiveellä tammi-maaliskuun NAO-indeksiä: korrelaatio 0.70 osoittaa yhteyden olevan melko kiinteän. Koko 1990-luvun vallinnut korkea NAO-indeksi teki vuosikymmenestä poikkeuksellisen lämpimän ja lumisen. NAO-indeksin vaihteluväli on viime vuosikymmeninä pienentynyt, mikä saattaa olla yhteydessä sekä keskilämpötilassa että vuosilustoindeksissä tapahtuneeseen vaihtelun pienentymiseen. Jos havainto pitää paikkansa, voi olla kyse siitä, että länsivirtausten mukana saapuva kosteampi meri-ilma lisää myös kesänaikaista pilvisyyttä ja sateisuutta. Tällöin idän, kaakon ja etelän suunnilta saapuvan kuivemman ja kuumemman mantereisen ilmaston äärevöittävä vaikutus (poutapäivät, hallayöt) vähenee. Äkilliset ilmastonmuutokset Äkillisissä ilmastonmuutoksissa valtaosa maapallosta joutuu hyvin lyhyessä ajassa, jopa 10-20 vuodessa, jääkautisten lämpötilojen valtaan. Muutaman sadan vuoden kuluttua sää palautuu yhtä nopeasti normaaliksi kuin oli jäähtynytkin. Nämä tapahtumat ovat toistuneet edeltävän 100 000 vuoden aikana muutaman tuhannen vuoden välein. Viimeisin huomattava kylmeneminen alkoi ilmaston lämpenemisvaiheessa noin 12 700 vuotta sitten. Tämä nuoremmaksi Dryas-kaudeksi kutsuttu vaihe kesti peräti 1300 vuotta. Uusi äkil- 9
Kuva 5. Metsänrajamännyn ilmasto on kesälläkin yhteydessä NAO-ilmiöön. Esimerkiksi toukoheinäkuun keskilämpötilan ja saman jakson NAO-indeksin välinen korrelaatio on 0.61. Vuosilustoindeksin ja NAOn välinen korrelaatio (r=0.26) tässä asetelmassa on vaatimaton, sillä metsänrajamännyn kasvu keskittyy heinä-elokuulle. Metsänrajamännyn kasvukuukausien heinä- ja elokuun keskilämpötilan korrelaatio kesä-elokuun NAO-indeksiin on 0.47 ja lustoindeksiin 0.50. NAOn ja lustoindeksin välinen korrelaatio on 0.35. Kesäkauden eli kesä-elokuun NAO-indeksi ja vastaavan ajanjakson keskilämpötila korreloivat 0.50:n tasolla. Vuosilustoindeksi yltää tällä asetelmalla korkeimpaan korrelaatioonsa NAOn kanssa, 0.40:een. linen lämpeneminen alkoi 11 500 vuotta sitten, jolloin myös ensimmäiset maanviljelyskylät perustettiin Lähi-Itään. Ilmasto alkoi kylmetä jälleen 8200 vuotta sitten, mutta palautui ennalleen jo 100 vuotta myöhemmin. Äkilliset ilmastonmuutokset aiheutuvat Broeckerin (1997) mukaan yhtäkkisistä muutoksista maapallon lämmönsiirtojärjestelmässä. Pohjois-Atlantin suolainen ja talvisin jäähtyvä merivesi toimii kiertoa ylläpitävänä voimana (driving force), sillä vaipuessaan syvyyksiin Kanadan puoleisella rannikolla ja virratessaan etelää kohti se tekee tilaa kevyemmälle ja lämpimämmälle etelästä virtaavalle pintavedelle, josta osan muodostaa Golfvirta. Tällä latauksella vähitellen lämpenevä paluuvesi kulkeutuu Afrikan eteläkärkeen saakka. Järjestelmä latautuu uudelleen Antarktiksen rannikolla, jossa jäätyvä suolainen merivesi vapauttaa suolaa veteen tehden siitä raskaampaa ja saaden sen jälleen vajoamaan. Tämä sysäys puskee vettä pohjoisen suuntaan Intian valtamerta ja Tyyntämerta kohti, jossa se lämpenee ja nousee pintaan aloittaen uuden kierroksen. Aiemmat äkilliset ilmastonmuutokset aiheutuivat teorian mukaan jäätiköiden sulamisessa syntyneiden makeanveden altaiden purkautumisista mereen. Tällöin kevyt suolaton vesi ei vajonnutkaan alaspäin vaan jäi pintaan estäen samalla lämmönsiirtojärjestelmän toiminnan. Tästä oli seurauksena maapallon laajuinen ilmaston nopea jäähtyminen ja kytkeytyminen uuteen ilmastolliseen toimintamalliin. Muutamien vuosisatojen kuluessa löytyi 10
uusi tasapainotila, jolloin ilmasto lämpeni yhtä nopeasti kuin oli laskenutkin. Nykyisinkin on mahdollista, että kasvihuoneilmiön voimistamat sateet ja Grönlannin jäätiköiden massiivinen sulaminen pohjoisilla merialueilla johtaisivat samankaltaiseen tilanteeseen dramaattisine seurauksineen. Ilmastokatastrofi voisi merkitä Euroopan keskilämpötiloissa 5-15 asteen pudotusta kymmenessä vuodessa. Lisäksi kylmenemisvaiheeseen sisältyisi ilmaston epävakaus (flickering), mikä ilmenisi sään rajuina vuotuisina vaihteluina. Muutoksen nopeuden vuoksi on pelättävissä, ettei maatalous ehtisi sopeutua siihen, millä tietenkin olisi mittavat vaikutuksensa. Nykyisten jäätiköiden vakiintuneeseen asemaan luottavat tutkijat arvelevat, ettei olisi edellytyksiä edes 8200 vuoden takaiseen ilmaston notkahdukseen, jolloin ilmeisesti Pohjois-Amerikan Laurentia-jäätikön jääjärvestä yhtäkkisesti purkautuva makea vesi häiritsi maapallon lämmönsiirtojärjestelmän toimintaa Pohjois- Atlantilla (Broecker 1997). Kuva 6. Grönlannin jäälustotutkimuksissa on saatu viitteitä siitä, että nykyinenkin ilmasto saattaisi kylmetä jopa vuosikymmenessä jääkautisiin lämpötiloihin ja jäädä siihen tilaan vuosisadoiksi palatakseen sen jälkeen normaaliksi. Näin tapahtui ilmaston lämpenemisvaiheessa nuoremmalla Dryas-kaudella 12 700-11 400 vuotta sitten. Sen jälkeinen ilmaston kehitys on ollut vakaampi kuin kertaakaan aiemmin 100 000 vuoden aikana. Lähde: Calvin 1998, uudelleen piirsi Mauri Timonen. 11
LUKU II. ILMASTON LÄMPENEMISEN SYYT Taulukko 1. Maapallon keskilämpötilan viimeaikaista kehitystä koskevia trendejä a) Troposfäärissä (maanpinnalla) ja b) Stratosfäärissä. Mitkä tekijät vaikuttavat maapallon keskilämpötilaan? Vaikka Auringon aktiivisuus olisikin ensisijaisesti maapallon lämpötilaa ja välillisesti sen ilmakehän kasvihuonekaasuja säätelevä tekijä, on myös teollisuuden päästöillä ja muilla tekijöillä merkittävä osuutensa ilmakehän kaasujen muodostuksessa, mikä puolestaan vaikuttaa lämpötilaan. IPCC:n mukaan hiilidioksidi voi säilyä ilmakehässä jopa vuosisatoja. Näin ollen voidaan spekuloida, että myös osa 1800-luvun aktiivisen tulivuoritoiminnan tuloksena ilmakehään joutuneesta hiilidioksidista olisi edelleenkin vaikuttamassa maapallon ilmastoon. Myös uusia teorioida maapallon ilmaston lämpenemistä on esitetty. Hansenin (2000) tutkimusten mukaan ilmaston nykyinen lämpeneminen aiheutuu muista kasvihuonekaasuista kuin hiilidioksidista: troposfäärin otsonista, metaanista, CFC-yhdisteistä (kloorifluorihiilivedyt) ja noesta. Niistä metaani on merkittävin. Rajoittamalla näiden aineiden päästöjä saadaan kasvihuonekaasut, hiilidioksidipäästöt mukaan lukien, laskuun. Jos Auringon aktiivisuus ohjaa lämpötilan välityksellä kasvihuoneilmiön primääristä vaihtelua, voi ihminen vaikuttaa ainoastaan sekundääriseen tekijään eli omiin teollisiin kasvihuonekaasupäästöihinsä. Hoytin taulukon mukaan Auringon osuus 0.6 o C:n noususta olisi liki puolet eli 0.25 o C. Jos tulivuoritoiminta huomioidaan, jäisi noususta selittämättä enää kolmannes, joka menisi systemaattisten mittausvirheiden piikkiin (0.25 o C). Taulukon jaottelussa ei käytännössä jäisi enää lainkaan tilaa kasvihuonekaasujen vaikutuksille, joiden suuruudeksi arvioidaan 0.05 0.10 o C. Jos IPCC:ssä esitetty käsitys lämpötilan ja kasvihuonekaasujen vuorovaikutussuhteesta (CO2:n nousu ensin) sekä sen arvioima kasvihuonekaasuista aiheutuva nousu 0.40 o C pitäisivät paikkansa, silloin asia tietenkin on kokonaan toinen. 12
Taulukko 2. Eräiden tekijöiden vaikutus maapallon pintalämpötilaan. Lämmön lähde Vaikutus, o C 1880-1997 Lähde Auringon aktiivisuus +0.25 Lean ym.1995 Tulivuoritoiminnan vähentyminen +0.15 Wu ym. 1990 Teolliset sulfaattiaerosolit > -0.10 Hoyt 2001 Teolliset hiiliaerosolit >+0.10 Hoyt 2001 CO 2 :n nousu 0.05 +0.10 Hoyt 2001 Otsonin vähentyminen stratosfäärissä Lentoliikenteen cirruspilviä lisäävä vaikutus -0.05 Schwartz ja Andreae 1996 + 0.05 Hoyt 2001 Ilmastoasemien asutuslämpö +0.01 +0.10 Balling 1992 (mittausvirhe) Ilmastoasemien ympäristönmuutos (mittausvirhe) Kaikki yhdessä +0.51 0.60 > +0.25 Hoyt 2001 Riippumatta siitä, onko ilmaston lämpeneminen luontaista, ihmisen aikaansaamaa tai niiden yhteisvaikutusta, Suomessakin on syytä varautua ilmaston lämpenemisen aiheuttamiin ympäristönmuutoksiin. Tulivuoritoiminta voi alentaa jopa asteen verran maapallon keskilämpötilaa (http://volcano.und.nodak.edu/vwdocs/gases/ eruptions.html). Tulivuoritoiminta oli poikkeuksellisen voimasta 1800-luvulla, mikä viilensi silloista pikku jääkauden aikaista ilmastoa. Viime vuosisadalla (1900-luvulla) oli purkauksia selvästi vähemmän, mikä selittää Wu n (1990) mukaan 0.15 o C maapallon 0.6 o C:n noususta viimeisen 100 vuoden aikana. Oman mielenkiintoisen lisänsä tieteelliseen keskusteluun ovat tuoneet Antarktiksen jäätikkökairauksista saadut tulokset ilmakehän lämpötilan ja hiilidioksidipitoisuuden syyseuraussuhteista. Vakiintunut käsityshän on se, että lämpötilan nousu seuraisi hiilidioksipitoisuuden nousua. Ei ole kuitenkaan täyttä varmuutta siitä, kumpi tapahtuu ensin vai onko tapahtuma yhtaikainen. Sekin on epävarmaa, mitkä ovat kasvihuonekaasujen, Maan kiertoradan ja merivirtojen vaihteluiden vaikutukset ilmastonmuutokseen. Useissa Antarktiksen jäitä koskevissa tutkimuksissa on saatu viitteitä myös päinvastaisesta järjestyksestä: ensin nousee lämpötila, ja vasta sen jälkeen 400 5000 vuoden viiveellä hiilidioksipitoisuus (mm. Monnin 2001, Fischer ym. 2001, Mudelsee 2001). Näin ollen Maapallon ilmaston viimeaikaisen lämpenemisen ensisijaisena syynä ei olisikaan voimistunut kasvihuoneilmiö vaan jokin muu syy, esimerkiksi joko keskiajan tai jopa atlanttisen lämpökauden jälkivaikutukset. LUKU III. ILMASTON VII- MEAIKAINEN KEHITYS Käsityksiä maapallon ilmaston lämpötilatrendeistä Ehkä eniten hämmennystä on aiheuttanut ilmaston lämpenemistä koskeva havaintojen ristiriitaisuus. Vaikka maamittausasemat osoittavat rajuksi luonnehdittavaa lämpötilan nousua (0.25-0.40 o C) viimeisen parinkymmenen vuoden ajalle, osoittavat ilmasta ja avaruudesta tehdyt mittaukset vain vähäistä tai nollatrendiä maanpinnan tasolle (kuva 9, taulukko 1a) tai jopa negatiivista trendiä stratosfäärissä (taulukko 1b). NOAAsatelliittimittausten mukaan Maapallon keskilämpötila on noussut jaksolla 1979-2000 +0.036 o C vuosikymmentä kohti. Vastaavat arvot pohjoiselle ja eteläiselle pallonpuoliskolle ovat +0.113 o C ja 0.042 o C. Toistuvatko historialliset ilmastonmuutokset? Käsitys Maapallon ilmaston voimakkaasta viimeaikaisesta lämpenemisestä 1900-luvulla perustuu tuhansien ilmastomittausasemien havainnoista laadittuun keskiarvosarjaan. Jonesin (2001) laatiman sarjan mukaan ilmasto lämpeni voimakkaasti 1908-1944 välisenä aikana. Sitä seurasi lievän viilenemisen vaihe aina 1970-luvun lopulle saakka, jonka jälkeen lämpeneminen on ollut jälleen voimakasta (kuva 7). Vuosisadan alun keskilämpötilan nousun syyksi on esitetty Auringon voimistunutta toimintaa (IPCC 2001, Svensmark ja Friis- Christensen 1997). Heidän mukaansa Aurin- 13
Kuva 7. Maapallon ilmaston keskilämpötilan kehitys Jonesin (2001) mukaan. Lämpötilasarja on muodostettu tuhansien ilmastoasemien mittaussarjoja yhdistelemällä. Ilmastoasemat kattavat vain noin 10 % Maapallon pinta-alasta, mikä on hyvä pitää mielessä sarjan globaalia edustavuutta arvioitaessa. gon entisestään aktivoitunut toiminta selittää lämpötilan nousun vuoteen 1985 saakka, mutta sen jälkeen astuu kuvaan jokin selittämätön tekijä. IPCC:n tulkinnan mukaan kyseessä on yksiselitteisesti ihmisen aikaansaama voimistunut kasvihuoneilmiö. Ilmastotutkijoiden suhtautuminen jälkimmäiseen tulkintaan on kuitenkin ristiriitaista monista syistä, joista eräitä esitellään tässä yhteydessä. Mathiesenin (2001) mukaan 71% vuosien 1880-1993 välisestä lämpenemisestä aiheutui Auringon energiantuotannon vaihteluista. Jokainen lämpötilan minimi- ja maksimikohta sattuivat vastaaviin Auringon vaiheisiin. Jääkausien ja niiden välisten lämpöjaksojen toistuminen viimeisten kahden miljoonan vuoden aikana on ilmastohistorian perustietoa, jota voidaan soveltaa myös pitkän aikavälin ilmastoennusteissa. Maan kiertorataan liittyvän ACLIN-indeksin mukaan esimakua seuraavasta jääkaudesta saadaan noin 2000 vuoden kuluttua. Ilmasto kylmenee asteittain siten, että noin 23 000 vuoden kuluttua on edellistä voimakkaampi notkahdus ja noin 60 000 vuoden kuluttua seuraa jääkauden kylmin vaihe. Jäätiköityminen sisältää useita etenemis- ja perääntymisvaiheita. Lämpökaudet (interglasiaalit) ovat lyhyitä jaksoja jääkausiin verrattuna. Viime jääkautta edeltävä Eemikausi kesti 13 000 vuotta. Nykyinen Holoseenikausi on kestänyt jo noin 11 000 vuotta. ACLIN-syklin mukaan on menty jo alle indeksiarvon 2.5, mikä tarkoittaa siirtymistä ilmastoluokituksessa kylmimpään kauteen. Eemi- ja Holoseeni-ilmaston kehittyminen näyttää hyvin samanlaiselta. Jos jaksot oletetaan yhtä pitkiksi, on tämänkin perusteella lämpimän Holoseenin aika parintuhannen vuoden päästä ohi. Voimistuneen kasvihuoneilmiön aiheuttama ns. superinterglasiaali voi viivästyttää joillakin vuosisadoilla jäähtymistä. Hoyt (1997) on yhdistänyt jääkausirytmin syntymisen noin 2 miljoonaa vuotta sitten CO 2 :n asteittaiseen vähentymiseen 1600 ppm:stä (300 miljoonaa vuotta sitten) johonkin kriittiseen kynnysarvoon, esim. 400 ppm:ään, jolloin CO 2 -lämmitysvaikutksen heikennyttyä tähtitieteelliset ilmastotekijät jääkausirytmeineen Kuva 8. Tähtitieteellisessä ilmastoindeksissä ACLIN (Astronomical CLimate INdex) on otettu huomioon Maan kiertoradan elliptisyys, sen pyörimisakselin asennossa vuosituhansien aikana tapahtuvat pienet vaihtelut ja hyrrämäinen vaapunta (prekessio), jotka kaikki vaikuttavat Maapallon Auringosta saamaan säteilyenergian jakaumaan ja määrään. Kun nämä pienet muutokset on suhteutetaan Maapallon ilmaston lämpötilavaihteluihin, on tuloksena tarkka jääkausimittari. Lähde: Eronen 1992, uudelleen piirsi Mauri Timonen 14
pääsivät voitolle. Tämän perusteella voidaan vastaavasti ajatella, että CO 2 -pitoisuuden noustessa takaisin mainittuun 400 ppm:ään jääkaudet jälleen häviäisivät. Ihmisen aikaansaama kasvihuoneilmiö voisi näin ollen koitua myönteiseksi ihmiskuntaa suojelevaksi tekijäksi. Maapallon pohjoisen puoliskon lämpötilan nousu on toisaalta kaksiteräinen miekka: tutkijat ovat havainneet maapallon ilmastohistoriaa tutkiessaan, että lämpenemisjaksoa saattaa seurata myös ilmaston äkillinen viileneminen. Voimistuvan kasvihuoneilmiön pelätään heikentävän Fennoskandiaan lämpöä tuovan maapallon lämmönsiirtojärjestelmän toimintaa. Jos Golf-virta pysähtyisi, se merkitsisi Euroopassa alueesta riippuen 5-15 asteen, (Broeckerin (1987) arvioiden mukaan 6-8 asteen) asteen pudotusta keskilämpötiloissa, mikä tarkoittaisi jääkautisiin olosuhteisiin joutumista. Grönlannin jäälustotutkimuksissa on saatu viitteitä siitä, että nykyinenkin ilmasto saattaisi kylmetä jopa vuosikymmenessä jääkautisiin lämpötiloihin ja jäädä siihen tilaan vuosisadoiksi palatakseen sen jälkeen normaaliksi. Broeckerin (1995) esittämän teorian mukaan kasvihuoneilmiön voimistuminen voi laukaista epävakaan suurten vaihteluiden kehitysvaiheen, jossa isotkin ilmastomuutokset voivat tapahtua jopa vuosikymmenissä. Uhkaksi ilmaston viiletessä muodostuu myös jääkauden nopeutuminen, sillä sen alkaminen ja loppuminen perustuvat vain muutamien asteiden muutokseen keskilämpötilassa. Edellinen suurempi kylmeneminen sattui ilmaston lämpenemisvaiheessa nuoremmalla Dryas-kaudella 12700-11400 vuotta sitten, jolloin Pohjois-Atlantti viileni yhtäkkiä useilla asteilla pudotakseen takaisin jääkautiselle tasolle (Dansgaard ym., 1989).Viimeksi ilmasto viileni äkillisesti 8200 vuotta sitten, kun Pohjois-Amerikan Laurentia-jääkauden sulamisvesistä muodostunut suuri jääjärvi purkautui Meksikon lahteen hidastaen Golfvirran toimintaa. Muutos oli asteen luokkaa ja vaikutti sadan vuoden ajan. Holoseenikaudella on ilmaston kehitys on ollut vakaampi kuin kertaakaan aiemmin 100000 vuoden aikana. Auringon aktiivisuus ja muut ilmastoon vaikuttavat tekijät Hoyt (2001) pitää Auringon energiantuotannon vaihteluita maapallon ilmastonmuutosten todennäköisenä aiheuttajana. Auringon energia ohjautuu maapallolle sisäisen säätelyjärjestelmän välityksellä, jonka tärkein osa on valtamerten, ilmakehän, pilvien, jäätiköiden ja kasvillisuuden heijastusominaisuuksista aiheutuva albedo. Se säätelee maapalolle eri aikoina saapuvan säteilyn määrää (Sharp 2001). Auringon jo lämmittämässä ilmastossa pääsee myös kasvihuoneilmiö voimistumaan, mikä puolestaan lisää lämpenemistä. Lämpötilamittausten luotettavuus Tulosten erilaisuutta selittävät aineistotekniset ongelmat sovitettaessa tuhansien maamittausasemien lämpötilasarjoja yhdeksi yli 100- vuotiseksi keskiarvosarjaksi. Virheellisiä painotuksia aiheuttavat lämpötilaa mittaavien ilmastoasemien alueellinen suppeus (vain noin 10 % Maapallon pinta-alasta), asemaverkoston eläminen, systemaattisesti muuttuvat mittausolosuhteet, erilaiset mittausmenetelmät ja laskentatavat (Daly 1998, 2000, Hoyt 2001). Jo muutamien virhelähteiden huomioon ottaminen vaikuttaa ratkaisevasti lopputulokseen. Systemaattisesti muuttuvista olosuhteista mainittakoon ns. kaupunkien lämmittävä vaikutus (urban heating 1 ). Kun ilmiö eliminoidaan esimerkiksi käyttämällä aineistona maaseudulla sijaitsevia ilmastoasemia, ovat laaditut sarjat yhdenmukaiset satelliittimittausten kanssa (Daly 2000). Nousevaa trendiä selittävät myös vuosikymmenien kuluessa tapahtuneet paikallisilmaston muutokset ilmastoasemien ympäristössä (changing skyline hypothesis 2 ) (Hoyt 2001). 1 Kaupunkiefektissä (urban heating) mm. Auringon lämmön varastoituminen päiväsaikaan asfalttipintoihin (kadut, kiitoradat) ja rakennusten seiniin, liikenne ja talojen lämmittäminen tekevät suurista asutuskeskuksista lämpöpattereita, jotka lämmittävät paikallisilmastoa öisin. Vastaavaa ilmiötä ei havaita läheisten maaseutuasemien mittauksissa. 2 Taivaanrantavaikutuksessa (changing skyline hypothesis) ilmastoaseman ympäristön puuston, pensaiden yms. kasvaminen vuosikymmenien kuluessa muuttaa paikallisilmastoa aiheuttaen paikallisen lämpenemistrendin. 15
Instrumentaalimittauksien lyhyt aikajänne (alle 200 vuotta) ja satelliittimittauksien vielä lyhyempi aikajänne (parikymmentä vuotta) vaikeuttavat ilmastoon vaikuttavien pitkäjaksoisten ilmiöiden selvittämistä. Prokseilla päästään pidempiin aikajänteisiin, mutta niiden puutteena on joko epätarkkuus tai vain osittainen yhteys tutkittavaan ilmiöön. Esimerkiksi Lapin männyn vuosilustoja voi käyttää vain kesä-heinäkuun lämpöolojen selvittämiseen, mutta se ei sovellu koko vuoden keskilämpötilan arviointiin. Satelliittimittausten mukaan troposfäärin alaosissa ei ole havaittavissa viimeiseen 21 vuoteen minkäänlaista trendimäistä lämpenemistä (kuva 9). Ilmastoasemiin perustuvat tulokset ovat sen sijaan osoittavat vuosikymmenessä 0.10-0.15 o C lämpenemistä. Kumpi tulos on oikea? Satelliittimittausten tarkkuutta on voitu testata sekä useista satelliiteista tapahtuvin rinnakkaismittauksin että säähavaintopalloista tehtävin vertailumittauksin. Tulokset ovat olleet yhtä pitävät. Ilmeisesti maa-asemien ilmastomittauksien virhelähteet ovat niin vaikeasti hallittavissa, että systemaattisilta virheiltä yhdistelmäsarjassa ei voida välttyä. Maapallon ilmaston lämpötilan kehitystä seurataan suorien mittausten ohella mallitusteknisin keinoin. Tyypillisesti supertietokoneen laskentatehoa vaativilla GCMsimulointimalleilla (General Circulation Models 3 ) pyritään jäljittelemään mahdollisimman tarkoin suurilmaston toimintaa. Kun malli on saatu toimivaksi (harhattomaksi) laadinta-aineistonsaan, voidaan sen selittävien muuttujien arvoja muuttelemalla saada arvioida myös tulevan ilmaston kehitysvaihtoehdoista (ilmastoskenaariot). Näissä malleissa yleisesti selittäjänä käytetyn ilmakehän CO 2 -pitoisuuden tulevaa kehitystä ennustamalla on päädytty jopa kuuden asteen keskilämpötilan nousuihin Maapallon keskilämpötilassa. Vaikka simulaatioihin ja miksei regressiotekniikkaankiin perustuva mallittaminen on periaatteessa tehokkaampi lähestymistapa kuin yksittäisten muuttujien keskiarvoihin tai suhteisiin perustuva seuranta, on myös suuri harhaan joutumisen vaara tarjolla. Ongelma on samantyyppinen kuin mallitettaessa puun kasvua: monimutkaisten kasvuprosessien, lukuisten ympäristötekijöiden ja niiden monivivahteisten keskinäisten vuorovaikutusten eritteleminen toisistaan ilman koejärjestelyitä on käytännössä mahdotonta. Ja vaikka tällaiset mallit saataisiinkin toimimaan teknisesti harhattomasti laadintaaineistonsa sisällä, johtaa niiden soveltaminen ennustetarkoituksiin helposti mielivaltaisiin tuloksiin. Ilmastodynamiikan mallittamisen vaikeutena ovat lisäksi vaikeasti mitattavat muuttujat. Ei ole takeita siitä, että ilmakehä toimisi tulevaisuudessa samalla tavalla kuin menneisyydessä, jonka tilanteisiin mallit perustuvat. Oman suuren ongelmansa GCMmalleissa muodostavat keskeisten kosteutta 3 General circulation models (GCMs) Mathematical representations of atmospheric and oceanic properties and processes that attempt to describe earth's climate system. Kuva 9. Satelliittimittaukset eivät tue ilmastoasemien mittauksissa saatua nousevaa trendiä. 16
kuvaavien ilmastotunnusten pilvisyyden, ilmakehän vesihöyryn ja sateisuuden hallinta. Oman erityiskysymyksensä ilmastomallituksissa muodostaa se, miten konvektio vaikuttaa NSU-satelliittimittauksissa havaittuun lämpötilan pystysuuntaisen jakautumiseen (Spencer xxxx). Ilmastomallituksessa olevien laadinta- ja mittausteknisten ongelmien vuoksi on pääteltävissä, että jopa 100 vuoden päähän tehtyihin ilmastoennusteisiin tulee suhtautua kriittisesti. Toisaalta ennusteissa olisi päästävä paljon pidempiin, ainakin 500-vuotisiin aikajänteisiin, jolloin esimerkiksi päästäisiin huomioimaan joskus vuosisadan loppupuolella loppuvien fossiilisten polttoaineiden ja muiden maapallon ilmastoa suojelevien toimenpiteiden vaikutukset ilmakehään toimintaan. Ilmastoskenaariot ovat sinänsä hyödyllisiä tutkittaessa erilaisten ilmastovaihtoehtojen yhteiskunnallisia vaikutuksia ja toimenpiteitä. Kuva 10. NOAA:n NSU-satelliittimittauksia pidetään luottavimpana Maapallon lämpötilamittausten lähteenä. Viimeisten 21 vuoden osalta voitaneen todeta, että vuoden 1998 piikkiä lukuun ottamatta mitään erityistä lämpötilanousua ei ole tapahtunut Troposfäärin lämpötiloissa. Vuoden 1998 lämpöpiikin yleisesti hyväksyttynä selityksenä on El Ninon vaihtelun maksimivuosi. Ero iilmastoasemien mittauksissa havaittuun nousevaan trendiin liittynee mittaustekniikkaan, mittausasemien alueelliseen jakaumaan ja ympäristöön sekä mittausten aikajänteisiin liittyviin epävarmuustekijöihin. Ne voivat aiheuttaa tuhansien asemien mittauksista laskettuun keskiarvokäyrään systemaattisia virheitä. Mittausten lyhyt aikajänne (21 vuotta) vaikeuttaa pitkäaikaisten ilmastonmuutosten arviointia. 17
LUKU IV. TULEVAN IL- MASTON KEHITYS- NÄKYMÄT Ennustamisen suuntaviivat Jääkausien ja niiden välisten lämpöjaksojen toistuminen viimeisten kahden miljoonan vuoden aikana on kiistatonta ilmastohistorian tietoa, jota voidaan soveltaa myös pitkän aikavälin ilmastoennusteissa. ACLIN-indeksin (kuva 8) mukaan esimakua seuraavasta jääkaudesta saadaan jo noin 2000 vuoden kuluttua (kuva 11). Ilmasto kylmenee asteittain siten, että noin 23 000 vuoden kuluttua on edellistä voimakkaampi notkahdus ja noin 60 000 vuoden kuluttua seuraa jääkauden kylmin vaihe. Jäätiköityminen sisältää useita etenemis- ja perääntymisvaiheita. Lämpökaudet (interglasiaalit) ovat lyhyitä jaksoja jääkausiin verrattuna. Viime jääkautta edeltävä Eemikausi kesti 13 000 vuotta. Nykyinen Holoseenikausi on kestänyt jo noin 11 000 vuotta. ACLIN-syklin mukaan on menty jo alle indeksiarvon 2.5, mikä tarkoittaa siirtymistä ilmastoluokituksessa kylmimpään kauteen. Eemija Holoseeni-ilmaston kehittyminen näyttää hyvin samanlaiselta (kuva 12). Jos jaksot oletetaan yhtä pitkiksi, on tämänkin perusteella lämpimän Holoseenin aika parintuhannen vuoden päästä ohi. Voimistuneen kasvihuoneilmiön aiheuttama ns. superinterglasiaali voi viivästyttää joillakin vuosisadoilla jäähtymistä. Hoyt (1997) on yhdistänyt jääkausirytmin syntymisen noin 2 miljoonaa vuotta sitten CO 2 :n asteittaiseen vähentymiseen 1600 ppm:stä (300 miljoonaa vuotta sitten) johonkin kriittiseen kynnysarvoon, esim. 400 ppm:ään, jolloin CO 2 -lämmitysvaikutksen heikennyttyä tähtitieteelliset ilmastotekijät jääkausirytmeineen pääsivät voitolle (kuva 13). Tämän perusteella voidaan vastaavasti ajatella, että CO 2 - Kuva 11. Noin 2000 vuoden kuluttua alkaa huomattavampi kylmeneminen. Se merkitsee seuraavan jääkauden alkua. Voimistuva kasvihuoneilmiö saattaa kuitenkin pysäyttää pari miljoonaa vuotta kestäneen jääkausirytmin. Lähde: Hoyt 2001, uud. piirsi Mauri Timonen pitoisuuden noustessa takaisin mainittuun 400 ppm_:ään jääkaudet jälleen häviäisivät! Ihmisen aikaansaama kasvihuoneilmiö näin ollen koituisi myönteiseksi ihmiskuntaa suojelevaksi tekijäksi. ACLIN-syklit vaikuttavat maapallon ilmastoon tuhansien vuosien aikajänteellä. Ihmisiän näkökulmasta niin hitailla muutoksilla ei liene juuri merkitystä, sen sijaan vuosien ja vuosikymmenien aikana tapahtuvilla muutoksilla on. Lähivuosikymmenien ilmaston kehityksen arviointi on epävarmaa, sillä ilmastodynamiikkaan liittyy paljon vaikeasti hallittavia tekijöitä. Ongelmana on myös se, että kaikkia ilmastoon vaikuttavia prosesseja ei vielä tunneta kunnolla tai ei lainkaan. Lisäksi ovat satunnaisesti vaikuttavat kaoottiset tapahtumat (esim. meteoriitit, tulivuorenpurkaukset, maanjäristykset), jotka heikentävät parhaimpienkin mallien ennustekykyä. Kuva 12. Eemi- ja Holoseenikausien kehitys näyttää samankaltaiselta. Eemikausi kesti 13 000 vuotta. Nykyistä Holoseenikautta on jatkunut noin 11 000 vuotta. Vertailuun perustuvan ennusteen mukaan olisi enää vain noin 2000 vuotta seuraavan jääkauden alkuun Lähde: Hoyt 2001, uudelleen piirsi Mauri Timonen. 18
Lähivuosikymmenien ilmastoennusteiden päätekijöinä pidetään voimistunutta kasvihuoneilmiötä ja nykyään yhä enemmän myös Auringon energiantuotannon vaihteluita. Käsitykset lämpenemisen syistä menevät ristiin. Hallitusten kansainvälinen ilmastopaneeli IPCC pitää selviönä, että ilmastonmuutoksen pääsyynä on voimistunut kasvihuoneilmiö. Kriittisesti asiaan suhtautuvat pitävät voimistunutta kasvihuoneilmiötä riittämättömänä synnyttämään havaittua lämpenemistä. Oman mielenkiintoisen lisänsä tieteelliseen keskusteluun on tuonut kiistely ilmakehän keskilämpötilan ja hiilidioksidipitoisuuden nousun syy-seuraussuhteista. Tuoreen Antarktiksen jäätikkökairauksiin perustuvan tutkimuksen (Monnin ym. 2001) mukaan hiilidioksipitoisuuden nousu seuraa 800 ± 600 vuoden viiveellä lämpötilan nousua (kuva 14). Näin ollen maapallon ilmaston lämpenemisen ensisijaisena syynä ei voi olla voimistunut kasvihuoneilmiö vaan jokin muu, todennäköisimmin muutokset Auringon energiantuotannon vaihteluissa. Auringon jo lämmittämässä ilmastossa pääsee myös kasvihuoneilmiö vähitellen voimistumaan, mikä lisää lämpenemistä entisestään. Jos viive virhemarginaalit huomioon ottaen on useiden satojen vuosien tai jopa yli tuhannenkin vuoden luokkaa, voisi nykyinen voimistuva kasvihuoneilmiö olla jopa keskiajan lämpökauden tai lievemmässä tapauksessa 1900- luvun lämpimään alun jälkimaininkeja. Uutena tilannetta sekoittavana tekijänä on ihmisen teollinen toiminta, joka osaltaan lisää kasvihuonekaasujen määrää. Kuvan 14 perusteella voidaan todeta, että voimistunutta kasvihuoneilmiötä kuvaava ilmakehän CO 2 -pitoisuus korreloi voimakkaasti lämpötilan kanssa. Tästä seuraa, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuudella voidaan kuvata lämpötilavaihtelua hyvinkin tarkasti, jos tapahtumien aikajärjestyksellä ei ole merkitystä. Koska tulevan ilmaston kehitystä ennustettaessa ilmiöiden tapahtumajärjestyksellä on ratkaiseva mer- Kuva kitys, 13. voidaan Ilmakehän hiilidioksipitoisuusmuuttujaa alkuaikojen soveltaa ainoastaan 1600 ppm:stä kasvihuoneilmiön jääkauden aikai- Co2-pitoisuus on vaihdelluseen 280 ppm:ään, josta se on kivunnut nykyiseen lämmitysvaikutuksen arvoonsa 368 ppm. mallittamiseen. Hoyt in (2001) teorian Primäärinen 400 lämpötilan ppm olisi raja, nousu jonka ylityttyä selitettävä mukaan kasvihuoneilmiön muilla keinoin. Kun lämmittävä tällaista vaikutus mallia sovelletaan Kyseinen ennustamiseen, arvo alittui on noin vaara 4 ja jääkausi- päätyä on niin suuri, että jääkautta ei pääse enää muodostumaanaika harhaisiin (Kvartääriaika) tuloksiin. alkoi Näin noin siksi, 2 miljoonaa että ennuste perustuu seuraukseen (hiilidioksidipitoi- vuotta sitten. suuden nousu) eikä todelliseen syyhyn (Auringon energiantuotannon vaihtelut). IPCC:n ennusteet antavat yliarvioita siksi, että Auringon aiheuttama lisälämpö yhdistetään virheellisesti teollisen tuotannon aikaansaamaan lisään voimistuneessa kasvihuoneilmiössä. Kuva 14. Tuoreessa Antarktiksen jäitä (Concordia Dome) koskevassa tutkimuksessa todetaan, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus seuraa viiveellisesti (800±600 v) lämpötilan nousua. Nuolet osoittavat muutoskohtia, joissa viive tulee selkeästi esille (huomioi x-akselin aikaskaalan käänteisyys). YD=Nuorempi Dryas, B/A=Bølling/Allerød. Lähde: Monnin 2001, uudelleen piirsi Mauri Timonen. 19
LUKU V. LÄMMIN 1990-LUKU Luettavissa myös linkeistä. http://lustiag.pp.fi/lk281204_3c.pdf, http://lustiag.pp.fi/lk281204_13.pdf ja http://lustiag.pp.fi/ps030105_page4.pdf Seuraavassa kooste, laatijana Mauri Timonen 1990-luvulla lämmintä kuin kuumalla 1930-luvulla Lapissa kesinä lustot jäävät kapeiksi, ja joskus lustoa ei synny lainkaan. Metsänrajamännyn kasvuun vaikuttavat toki monet muutkin tekijät kuin kesä-heinäkuun lämpötila- 1990-luku oli keskilämpötilaltaan Lapissa selvästi lämpimämpi kuin 100 vuoden keskiarvo. Sodankylän mittaustulosten mukaan oltiin kuin kuumalla 1930-luvulla. Syyt viimeisen vuosikymmenen lämpöön ovat kuitenkin hieman erilaiset kuin 70 vuotta sitten. Kylmimmät piikit talvilämpötiloissa ovat jääneet pois. Toisaalta kesätkään eivät ole olleet erityisen kuumia, pikemminkin kostean lämpimiä sateisuuden kasvamisen vuoksi. 1930-luku oli lämmin kuumien kesiensä ansiosta. Se johti muun muassa siihen, että Kemijokilaaksossa ryhdyttiin viljelemään vehnää. Lapin metsänrajamänty on erittäin hyvä ilmastonmuutoksen mittari, sillä sen vuosiluston leveys riippuu voimakkaasti kesä-heinäkuun lämpötilasta (viitteet). Mitä lämpimämpää on sitä paksummaksi lusto kasvaa. Kylminä tietoa hyödynnetään ilmastotutkimuksessa laatimalla ns. vastefunktioita, joissa johdetaan tilastollisen mallin avulla kuukausilämpötilan riippuvuus sädekasvusta (ML:n väitöskirja). Vanhimmat lämpötilamittaukset ulottuvat Suomessa 1700-20
luvulla (Tuomenvirta, Holopainen). Siirryttäessä ajassa vieläkin kauemmas taaksepäin tietoa on etsittävä vuotuisia tapahtumia tallettavista luonnonarkistoista ja historiankirjoituksesta. Luonnonarkistoja ovat mm. Metsänrajamännyn vuosilustoihin perustuva vuodentarkka 7638 vuoden pituinen lustosarja (Eronen et. al 2002, Helama et. al. 2002) on laajentanut ilmastomuutostutkimuksen aikaperspektiivin lähes koko holoseenin ajalle. Tuomenvirta on ulottanut Suomen ilmaston muutoksia vuoteen 1847 saakka, josta alkaen on ollut riittävä mittausasemaverkosto keskilämpötilan arviointiin. Hänen tutkimustensa (Tuomenvirta xxxx) mukaan 1990-luku oli tavanomaista lämpimämpi koko Suomessa ja vuodesta 1976 alkaen näyttää Suomen keskilämpötilassa olevan merkittävä nouseva suuntaus. Viimeisten kymmenien vuoden säät ovat olleet tuulisia ja sateisia Lapissa. Lämpötilojen osalta muutos on merkinnyt sitä, että vuoden sisällä talvet ovat lämmenneet. Kesät sen sijaan eivät ole lämmenneet, sillä Nao-ilmiön voimistuminen (Tuomenvirta 199x) on lisännyt läntisiä tuulia, jotka tuovat mukanaan Atlantilta pilvisyyttä ja sateita. Naon aktiivisuus estää myös Siperian mantereisen kuivan ja kuman ilman leviämisen Lappiin. Maciaksen (2004) tutkimusten mukaan Lapin männyn sädekasvuun vaikuttaa myös talvikauden ilmasto. Roudan sulaminen vaikuttaa puun kasvukauden käynnistymiseen, jonka edellytyksenä on viiden asteen keskilämpötilan ylittyminen. Roudan kertymiseen vaikuttavat mm. keskitalven sateisuus ja lämpötila. Kylmyys ja vähälumisuus keskitalvellaan saavat aikaan roudan tunkeutumisen syvälle maahan. Kevätkaudella voivat runsaat sateet jouduttaa merkittävästi roudan katoamista, jolloin kasvukausikin pääsee normaalia aiemmin alkuun. Männyn sädekasvu lakkaa vuodesta toiseen edeltävistä olosuhteista riippumatta suunnilleen samoihin aikoihin heinäkuun alkupuolella. Männyn kasvukausi voi pidentyä ainoastaan kevään edullisten säiden vuoksi. Paljon julkista huomiota herättäneet ilmastoennusteet (esimerkiksi IPCC ja ACIA) luovat monenlaisia uhkakuvia, joihin tutkimuksen keinoin toivotaan löydettävän ratkaisut. Tässä tutkimuksessa kiinnostaa se, mitä Lapin metsissä juuri nyt on havaittavissa. Tulevan ilmaston ennustamiseen liittyy suuria epävarmuustekijöitä. Tutkimuksessa testataan myös kehitteillä olevaa ilmastonmuutoksen seurantamenetelmää, joka perustuu kolmeen tekijään: männyn sädekasvun ilmastoherkkyyteen, ilmastomittausten erityisanalyysiin ja suurilmaston vaihteluiden tarkkailuun NAO-ja AO-ilmastoindeksien välityksellä. Metsänrajamännyn vuosilustot tarjoavat hyvän keinon kesänaikaisten sääolojen selvittämiseksi. Männyn pitkän lustokalenterin ansiosta Lapin kesäilmasto tunnetaan vuodentarkasti yli 7600 vuoden ajalta. Sarjaa lienee mahdollista jatkaa jopa yli 9000 vuoteen. Talvikauden ilmaston selvittäminen taannehtivasti satojen ja tuhansien vuosien onkin jo paljon vaikeampaa, sillä sopivia luonnonarkistoja ei juurikaan ole tarjolla. Lapin ilmastoa ohjaavasta suurilmastosta kertoo NAO-indeksi, josta on tietoa 1820- luvulta alkaen. Timonen on seurannut mielenkiinnolla ilmastoennusteita, lupaavathan esimerkiksi hallitusten välinsen ilmastopanelin (IPCC) tai arktisten alueiden ilmastonmuutoksen arviointiryhmän (ACIA) ennusteet hurjaa lämpenemistä Suomeenkin. Vuosikymmenien päähän tulevaisuuteen ulottuviin ilmastoennusteiden lupauksia ei Timosen mielestä tule ottaa kirjaimellisesti. Emme lopultakaan edes tiedä sitä, lämpeneekö vai kylmeneekö, siitäkään ei ole siin tulee suhtautua ei Timosen mielestä tule ottaa kirjaimellisesti, Maapallon ilmakehä toimii kaoottisesti. On erittäin vaikeaa, käytännössä mahdotonta, kehittää sellaista laskentamallia, jolla hallittaisiin 21