1. Kasvihuoneilmiö Luento 30.1.2013 Kyösti Ryynänen 2. Kasvihuonekaasut 3. Kasvihuonekaasujen lähteet 4. Eri kasvihuonekaasujen merkitys 5. Pitoisuuksien muutokset Menneisyydessä Nykyiset trendit Tulevaisuudessa 1 KASVIHUONEILMIÖ Kasvihuonekaasut absorboivat infrapunasäteilyä, vesihöyry tärkein Aerosolit heijastavat, sirottavat, absorboivat toimivat pilvien tiivistymisytiminä Pilvet heijastavat (tummat puhtaat pilvet ja vaaleat likaiset pilvet) absorboivat (talvisin pilvisellä säällä lämpimämpää ja pilvettömänä päivänä kylmää) 2 1
KASVIHUONEILMIÖ Kasvihuoneilmiö on Maa-planeetan elinkelpoisuuden kannalta merkittävä planeetan lämpötilaa nostava, tasaava ja säätelevä tekijä Ilmakehä nykykoostumuksessaan nostaa planeetan (alailmakehän) keskilämpötilaa 33C astetta eli nykyiseen +15C Ilman kasvihuonekaasuja maapallon keskilämpötila olisi -18C, koska Auringon säteilyteho yksinään ei riitä pitämään Maata lämpötilaltaan elinkelpoisena Kauttaaltaan jäätyneen Lumipallomaan albedo olisi niin suuri, että tasapainolämpötila olisi -24C 3 KASVIHUONEILMIÖ Maapallon esihistoriassa kasvihuoneilmiö oli paljon voimakkaampi (100-1000 x nykyinen CO2 pitoisuus) kompensoiden 25-30% nykyistä heikomman Auringon tehonpuutteen lämmittää planeettaamme Kasvihuoneilmiö on vähentynyt hyvin heikoksi Koska Aurinko edelleen kirkastuu, kasvihuoneilmiön olisi edelleen heikennyttävä, jottei Maa alkaisi lämpenemään 100Ma kuluttua atmosfääriltään hiilidioksiditonkin maapallo alkaa väistämättä lämpiämään 500Ma kuluttua kostea kasvihuoneilmiö 1000Ma kuluttua höyrystymisvaihe Tulevien sukupolvien sopeutuminen mm. vähän hiilidioksidia vaativien C4 kasvien kehittäminen (geenimanipulaatio) C3 kasvien tilalle 4 2
KASVIHUONEILMIÖITÄ ERIASTEISIA Maapallon atmosfääri on pysynyt pitkiä aikoja stabiilina eli se on aina löytänyt uuden (vain vähän) aikaisemmasta poikkeavan tasapainotilan, mikä on tehnyt mahdolliseksi elämän kehittymisen ja säilymisen planeetallamme Maapallo on toistaiseksi toipunut jääkausista (lumipallomaat kylmimpiä) etenkin tulivuoritoiminnan jatkuessa ja nostaessa kasvihuonekaasupitoisuuksia (hiilinielujen pysähdyttyä, merten jäädyttyä ja kasvien jäätyä kuolleina lumen alle) Kostealla kasvihuoneilmiöllä tarkoitetaan tilannetta, jossa planeetta menettää lämpötilan noustessa haihtumisen lisääntymisen seurauksena merensä Merien kiehuminen tapahtuu vasta, kun liuottimen höyrystymispiste saavutetaan 5 KASVIHUONEILMIÖ Aurinkokunnan eri planeetojen atmosfäärien tiheys ja koostumus vaihtelevat saaden aikaan eri suuruisia lämpötilan nousuja Venus Mars Aurinkokunnasta tunnetaan myös yksi käänteinen kasvihuoneilmiö (anti-greenhouse effect) Titan kuulta, jossa atmosfäärin olemassaolo kylmentää Titanin lämpötilaa, Titanin atmosfääri ei päästä helposti lävitseen lyhytaaltoista Auringon säteilyä, mutta päästää lävitseen pitkäaaltoista lämpösäteilyä (vastaava vaikutus valtavalla aerosolimäärällä ilmakehässä, ns. ydintalvi) 6 3
MARS JA VENUS Mars ja Venus menettäneet merensä ja järvensä 3,5-2 miljardia vuotta sitten (siihen asti monimuotoinen elämä mahdollista) Mars pienimassaisena (1/10 Maan) ei pystynyt pitämään atmosfääriä, tulivuoritoiminta ja atmosfääriä varatuilta hiukkasilta suojellut magneettikenttä katosivat planeetan sisuksen jäähdyttyä, CO2:n palautuminen atmosfääriin loppui Marsin atmosfäärin tiheys 1/100 x Maan ilmakehän tiheydestä Etenkin Marsin etelänavalla jäätä, joka sulaessaan peittäisi Marsin 11m vesikerrokseen Marsin hiekkamyrskyt peittäneet viime vuosisadalla ajoittain koko planeetan (hiekkamyrskyissä 2001 alailmakehä lämpeni nopeasti jopa 40C astetta) Venus Maan-massaisena sisarplaneettana pystynyt säilyttämään paksun atmosfäärin Arvíoitu että Venuksen ilmakehän suuressa paineessa vesi kiehuisi vasta 374C asteen lämpötilassa, Mars menettänyt hiljalleen haihduttamalla jo kaiken vetensä tätä ennen 7 ILMAKEHÄN MUUTOKSET Maan esihistoriallisella ajalla alkuilmakehä poikkesi nykyisestä ehdotettu CO2, N2 ja H2O valtaista alkuilmakehää ehdotettu CO2, H2S, H2O ja CH4 valtaista alkuilmakehää Ilmakehän metaanipitoisuus alkoi lisääntyä anaerobisen elämänmuodon tuloksena Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus alkoi laskea kasvien fotosynteesin seurauksena, samalla happipitoisuus alkoi kohota mahdollistaen aerobisten elämänmuotojen kehittymisen Bakteerielämä edisti vuorien rapautumista, jolloin CO2 poistui meriin Myöhemmällä ajalla kasvihuonekaasujen pitoisuuksien äkkinäiset muutokset (metaanihydraattien vapautuminen ja supertulivuorten purkaukset) ovat merkittävämpi tekijä maapallon historiassa kuin hitaat pitoisuuksien muutokset 8 4
KASVIHUONEILMIÖ Pienhiukkaset viilentävät Yläilmakehän otsonilisäys viilentää hiukan (heijastaa UVB-säteilyä takaisin avaruuteen) Alailmakehän otsonilisäys lämmittää (absorboi säteilyä) Vesihöyry lämmittää Lisääntynyt pilvipeite voi tehdä kumpaa tahansa 9 KASVIHUONEKAASUT Näkyvä valo ja radioaallot läpäisevät ilmakehän, mutta infrapuna-alueella säteily absorboituu Kokonaisvaikutukseltaan merkittävimmät kasvihuonekaasut H2O Vesi CO2 Hiilidioksidi O3 Otsoni CH4 Metaani N2O Typpioksidi CFC-yhdisteet eli freonit 10 5
EI KASVIHUONEKAASUJA N2 Typpi (78%) ja O2 Happi (21%) eivät ole kasvihuonekaasuja, eivät rajoita lämpösäteilyn pääsyä avaruuteen Alunperin kaikki happi poistunut ilmakehästä hapetusreaktioiden kautta, nykyinen happi seurausta kasvien fotosynteesistä Matalissa vesissä pilkkoutuu happea vedestä auringonvalon avulla Fossiilisten polttoaineiden poltto kuluttaa ilmakehän happea, happipitoisuuden on todettu pienentyneen Hapen moolimäärä on 700 kertainen hiilidioksidiin nähden, joten happipitoisuus alenee vain vähän hiilidioksidipitoisuuden muuttuessa 11 EPÄSUORAT KASVIHUONEKAASUT Haihtuvat orgaaniset yhdisteet hiilimonoksidi (häkä CO) ja typen oksidit aikaansaavat hiilidioksidin muodostumista Kasvihuonekaasut muuttuvat toisiksi kasvihuonekaasuiksi (samalla absorbtiokyky muuttuu), esim. metaani edistää otsonin syntyä valokemiallisessa reaktiossa 12 6
Maaperä Meret Kasvit Eläimet KASVIHUONEKAASUJEN LÄHTEET Energiantuotanto Teollisuus Liikenne 13 KASVIHUONEKAASUT Merkittävin on vesihöyry H2O, noin 1% (määrä vaihtelee), merkitys 60%, arvioitu 80% jopa 95% kaikista lämmittävistä tekijöistä Kaikkien kasvihuonekaasujen pitoisuus CO2:ksi muunnettuna on noin 435 ppm (miljoonasosaa), mistä 390 ppm on itse hiilidioksidia CH4 1,8 ppm (metaani, suokaasu, maakaasu), metanogeeniset arkit pelkistävät hiilidioksidia hapettomissa olosuhteissa, mätänemisessä mikrobit pilkkovat monimutkaisia yhdisteitä, karjatalous, kaatopaikat, riisinviljely, kaivokset, öljykentät, luonnon eläimet 14 7
KASVIHUONEKAASUT otsonin hyödyt yläilmakehässä (UV-suoja), haitat soluille maanpinnan tasalla N2O 300x hiiilidioksidia voimakkaampi, typpilannoitus, katalysaattoriautot (ennen katalysaattorin lämpenemistä) CFC-yhdisteet alumiini- ja elektroniikkateollisuus 15 KASVIHUONEKAASUJEN PYSYVYYS Metaani poistuu ilmakehästä 7-10 vuodessa (ellei tulisi koko ajan lisää) Hiilidioksidi pysyy ilmakehässä 100-500 vuotta (pitoisuudet nousevat koska vanha ei poistu ja uutta tulee koko ajan lisää) Hiukkaset (pöly, noki, saasteet) poistuisivat muutamassa viikossa, ellei uusia muodostuisi (samalla niiden ilmakehää viilentävä vaikutus loppuisi) 16 8
METAANI Metaani-pitoisuus1,8ppm eli 2,5x enemmän kuin 1750, kasvanut esiteolliseen aikaan verrattuna Metaanin arvioitu osuus kokonaislämpenemisestä noin 1/5 CH4 hajoaa ilmassa kymmenessä vuodessa toisiksi kasvihuonekaasuiksi CO2:ksi ja H2O:ksi Noin 2/3 metaanista lähtöisin ihmisestä ja hänen organisoimastaan toiminnastaan 17 CO2 VUOTUINEN VAIHTELU vuotuinen vaihtelu lähinnä pohjoisella pallonpuoliskolla keväällä fotosynteesin kiihtyessä CO2 pitoisuus laskee tasaisesti loppukesää kohti, syksyn tullen pitoisuus alkaa nopeasti nousemaan samalla tavalla keskipäivällä CO2 pitoisuus on alimmillaan ja yöllä korkeimmillaan 18 9
CO2 PITOISUUDET 540Ma sitten 15-20 x nykyinen taso noin 8000ppm 400Ma sitten happipitoisuus kohosi nykyiseksi, samalla hiilidioksidi väheni tuntuvasti (fotosynteesi tarvitsi CO2 kasvien rakennusaineiksi ja luovutti ilmakehään O2) 350-300Ma yli neljä kertaa nykyinen taso (kivihiili ja öljyesiintymät muodostuivat, napaseudut sulana, dinosaurukset levittäytyneet kautta maapallon) 19 CO2 PITOISUUDET Viimeiset 400 000 vuotta, jonka aikana neljä jääkautta CO2 jääkausien aikaan 180 ppm CO2 jääkausien välillä 280 ppm CO2 280 ppm vuonna 1750 (esiteollinen aika) 331 ppm vuonna 1975 390 ppm vuonna 2010 392 ppm joulukuu 2011 394 ppm joulukuu 2012 540-970 ppm vuonna 2100 (nykyiset skenaariot), mikä on pari kolme kertaa 1900-luvun alun taso Ennusteissa vaikeaa arvioida millaisia poliittisia ja teknologisia ratkaisuja kyetään tekemään tulevaisuudessa fossiilisten polttoaineiden merkitys 80% sademetsien hakkuut 20 10
LÄMPÖTILA JA CO2 Lämpötila vaikuttaisi nousevan noin 800 vuotta hiilidioksidipitoisuuden nousua aikaisemmin Valtameristä vapautuu vuosittain 80 miljardia tonnia CO2:ta (tämä lähde on riippuvainen lämpötilasta), pohjoisilla leveysasteilla valtameret toimivat nieluina, mutta päiväntasaajalla valtameret toimivat lähteinä Pintavesien CO2 pitoisuus vaihtelee suuresti 150-750 ppm 21 LÄHDEKIRJALLISUUS Tim Flannery: Ilmaston muuttajat (alkuperäisteos The Weather Makers. The history and Future Impact of Climate Change, 2005), Otava, 2006 Risto Isomäki: 34 tapaa estää maapallon ylikuumeneminen, Tammi 2008 Jorma Keskitalo: Maapallon muuttuva ilmasto, Tammi, 2005 Esko Kuusisto Jukka Käyhkö: Globaalimuutos, Otava, 2004 James Lovelock: The Vanishing Face of Gaia, A Final Warning, Allen Lane, 2009 Pasi Toiviainen: Ilmastonmuutos. Nyt. muistiinpanoja maailmanlopusta, Otava, 2007 22 11