1. Hiilen kierto 2. Hiilen varastot Kyösti Ryynänen Luento 8.2.2012 A 3. Hiilen nielut ja lähteet 4. Ilmakehän hiiliyhdisteiden poisto 5. Globaali termostaatti planeetan lämpötilan säätelemiseksi 1 HIILEN KIERTO Olemassaolevan hiilen kierto kivikerroksen, humuskerroksen, ilmakehän ja elämän välillä Aurinkokunnan kaasusta ja pölystä sekä komeettojen ja asteroidien mukana maapallolle sataa vielä uuttakin hiiltä Hiili muodostaa luonnossa miljoonia erilaisia yhdisteitä, missä hiili voi varastoitua tai vapautua erilaisissa reaktioissa Elävän luonnon hiilipitoisuus on tuhatkertainen ei-elävään luontoon verrattuna (elämä perustuu hiilen monipuoliseen kykyyn muodostaa sidoksia) 2 HIILEN KIERRON SYKLIT Eri pituisia syklejä (vuosista satoihin miljooniin vuosiin), reagoivat eri viiveillä varastoiden tai vapauttaen hiiltä ilmastojärjestelmään Geokemiallinen kierto (vuoristojen rapautuminen, subduktiovyöhykkeet ja vulkaaninen toiminta) Sedimentaatio (fossiiliset polttoaineet) Termohaliilikierto (merien syvä vesi) Biomassan hajoaminen humukseksi (biomassan nettotuotto) HIILIVARASTOT 1. Maaperässä 2. Merissä 3. Ilmakehässä 4. Kasveissa ja eläimissä 3 4 MAAPERÄN HIILIVARASTO Humuskerros (orgaanisesti syntynyt) sisältää runsaasti hiiltä Ikiroudassa ja sen alla metaanihydraatteina ¼ maaperän hiilestä Merten pohjissa metaanihydraatteina 1 m3 metaanihydraattia sisältää 164 m3 metaania metaanimolykyylit lukkiutuneena paineessa vesimolekyylien sisään/väliin, kupliva ja sihisevä näytepala saatava nopeasti pakkaseen, sananmukaisesti palavaa jäätä Maaperän hiilivarasto on suurempi kuin puiden ja ilmakehän maaperässä orgaanista hiiltä 1500 miljardia tonnia eli noin 2x kasvillisuuden ja ilmakehän hiilen määrä pienetkin muutokset maaperän hiilimäärässä vaikuttavat ilmakehän CO2 pitoisuuteen Suot ja kosteikot ovat pitkäikäisiä hiilen varastoja, koska hajoaminen on arktisessa kylmässä ja kosteassa hidasta Keskilämpötilan noustessa metsät, maaperä, kosteikot ja ikirouta muuttuvat hiilen lähteiksi 5 FOSSIILISET POLTTOAINEET JA PUU Syntyvät kovassa paineessa ja lämpötilassa Kivihiilikausi Öljy, kivihiili, ruskohiili, maakaasu, turve lämpöarvoltaan parhaista fossiilisista polttoaineista vapautuu vähiten hiilidioksidia Puun käyttö rakennusaineena varastoi hiiltä puun poltosta vapautuu fossiilisten polttoaineiden käytöön nähden paljon hiilidioksidia 6 1
MERET Merien hiilestä 5% on orgaanista (eloperäistä) loput 95% liuennut ilmakehästä Kylmä vesi pystyy sitomaan enemmän CO2:ta kuin lämpimämpi vesi, ennustettu että vuoteen 2050 mennessä meret muuttuisivat nieluista lähteiksi Vesi on tiheimmillään +4 asteisena. Sitä lämpimämpi ja kylmempi vesi jää kellumaan ylemmäksi Meret ovat kerrostuneet, jolloin veden kierto perustuu lähinnä merivirtoihin (joita aikaansaavat tuulet, merijäätiköt sekä suolaisen veden tiheyden kasvu haihtumisen myötä) Pintavesi lämpenee nopeasti ja vaihtaa kaasuja alailmakehän kanssa tehokkaasti MERIEN HIILINIELU Tuottavassa pintakerroksessa muodostuu orgaanista planktonainesta, joka vajoaa pohjaan ja alkaa hajota kuluttaen matalahappisen ympäristön loppuakin happea Matalat rantavedet (pinta-ala 7%) muodostavat 20% merten hiilinielusta, koska niissä elämä, maa, meri ja ilmakehä linkittyvät tehokkaasti toisiinsa ph (vety-ionien määrä) laskee hitaasti hiilidioksidin reagoidessa veden kanssa, veden ph alenee ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvaessa ph 8,2 esiteollisella ajalla ph 7,7 ennuste 2100 happamoituminen heikentää meren kykyä toimia hiilidioksinieluna ph:n lasku vaikuttaa merieliöstön selviytymiseen 7 8 MERIEN PUMPUT Biologinen pumppu merien biologinen nettoperustuotanto on 75% tuotannosta maalla, ¾ merien pintavesissä planktonia, jotka rakentavat hiilestä kalsiumkarbonaattikuoren, elävät pari viikkoa ja vajoavat merien pohjiin ja sedimentoituvat (planktonjäänteistä muodostuneet mm. Doverin kalkkihiekkakivikalliot) planktonin aineenvaihdunnan optimaalinen lämpötila +10C, kriittinen lämpötila +12C, merielämä on jo vetäytymässä kohti pohjoisia merialueita, missä pintavesi vielä sopivan viileää tuulet lisääntyessään lisäävät hiekkapölyn kulkeutumista aavikoilta merelle lannoittaen luonnollisesti pintavesien ekosysteemiä merivirrat nostavat ravinteita pohjasta pintavesien ekosysteemiin, merien lämpötilan noustessa kerrostuneisuus kasvaa eikä ravinteita enää nouse, minkä seurauksena planktontuotanto vähenee Liukoisuuspumppu kylmempi syvä vesi pystyy sitomaan enemmän CO2:ta kuin lämpimämpi pintavesi ilmastonmuutos lämmittää pintavesiä, jolloin kerrostuneisuus edelleen lisääntyy ja merien kyky sitoa hiiltä vähenee ILMAKEHÄ Kasvit tarvitsevat CO2 ja tuottavat happea Hengitys tarvitsee happea ja tuottaa CO2 Ilmakehän kautta kasvit saavat tehokkaasti tarvitsemiaan hiiliatomeja rakennusaineikseen, yli 90% kasvien tarvitsemasta hiilestä tulee ilmasta, loput kasteluvedestä ja ravinteista Lämpötilan noustessa trooppisissa metsissä uloshengitys (respiraatio) saattaa olla suurempaa kuin yhteyttämisen sitoma CO2, jolloin trooppiset metsät muuttuisivat nieluista lähteiksi 9 10 HIILEN SITOUTUMINEN METSIIN Vaihtelee vuodenajan mukaan keväällä ja kesällä fotosynteesi tehokasta sitoen hiiltä, syksyllä vähän valoa, maaperässä hajoamisprosessit saattavat jatkua lämpiminä ja lumettomina syksyinä ja talvina muuttaen maahengityksen ympärivuotiseksi, toimiikin hiilen lähteenä metsien kasvulle optimaalisin lämpötila on +20C Vaihtelee vuorokauden kuluessa sitoo hiilidioksidia yhteyttäessään päivällä auringonpaisteessa, yöllä puolestaan hiilidioksidia vapautuu KASVIEN KYKY SITOA HIILTÄ Ilmakehän nykyinen CO2 pitoisuus on reilusti alle yhteyttämisen optimitason, pitoisuuden kasvu lisää puustoa kuten muutakin kasvillisuutta tiettyyn rajaan asti Alueittain CO2:n lannoittava vaikutus voi estyä veden puutteeseen, ravinteiden (etenkin typen, sekä yhteyttämisessä tärkeiden kaliumin ja fosforin) puutteeseen ja liian korkeaan lämpötilaan Vesihöyryn lisääntyminen ilmakehässä edistää kasvua C4-kasvit 28,5% fotosynteesi yhteyttäminen heikentyy CO2 lisääntyessä ilmakehässä, tuotannon kasvu pysähtyy 800-1000 ppm pitoisuuksilla C3-kasvit 25,5% fotosynteesi yhteyttäminen voimistuu CO2 lisääntyessä ilmakehässä 11 12 2
METSÄPALOT Vuoden 1997 metsäpalot Indonesiassa aiheuttivat arviolta jopa 40% tuon vuoden koko maapallon fossiilisten polttoaineiden päästöistä Australiassa täysin pysäyttämättömiä megametsäpaloja Lämpötilan nousu lisää metsäpalojen todennäköisyyttä, esim. P-Amerikan länsirannikolla ollut 6 kertaa ja Kanadassa 3 kertaa tavanomaista enemmän metsäpaloja viime vuosina HIILEN VAPAUTUMINEN IHMISEN TOIMESTA Kivihiilen ja öljyn poltto Energiantuotanto ja liikenne Maankäyttö vapauttaa hiiltä maaperän käsittely metsien otto maatalouden ja muuhun käyttöön metsien hävittäminen 13 14 HIILEN TEOLLINEN TALTEENOTTO Tarvitaan koska fossiilisista polttoaineista ei onnistuta suoraan siirtymään pelkästään uusiutuvien polttoaineiden käyttöön fossiilisten polttoaineiden osuus on 64% maailmassa öljyyn ja hiileen perustuva energiasektori ja infrastruktuuri yhteiskuntien energiahuollon perustana fossiilisia energialähteitä käytetään vielä pitkään, tilalle tulee asteittain lisää ydinvoimaa, tuuli- ja aurinkovoimaa ja muita uusiutuvia energialähteitä OLEMASSAOLEVAT TEKNOLOGIAT Hiilen poisto ennen palamista Hiilen poisto palamiskaasuista Hiilen poltto puhtaassa hapessa Kemiallinen kierrättäminen Nämä CCS (Carbon Capture and Storage) -teknologiat voisivat vähentää arviolta 50% CO2 päästöistä vuoteen 2050 mennessä 15 16 ENERGIAN TARVE KASVAA Edellisen jääkauden jälkeen 12 000 vuotta sitten arviolta 1 miljoona ihmistä 1900-luvun alussa oli 1 miljardi ihmistä 1960-luvulla 3 miljardia ihmistä nykyisin 7 miljardia ihmistä (tehontarve 12TW) 2050 arvio 9 miljardia ihmistä (tehontarve 30TW) väestömäärän kasvu keskimääräisen elintason nousu joten kokonaisenergiantarve lisääntyy 17 HIILEN VARASTOINTI MAANKUOREEN Norjan öljy- ja kaasukentillä tehty jo pitkään, hiilidioksidin pumppauksella on parannettu öljyn ja maakaasun saantoa Pumpataan nesteytettynä juuri siihen kerrokseen, joka aikanaan ollut merenpohjaa ja johon on muodostunut öljykerros Edellyttää taskuja, joissa on katto, ettei CO2 pääse pohjavettä kevyempänä karkaamaan, merenpohjan alle satojen metrien savikerroksen alle, mahdollisia vuotoja valvottava koko ajan Tunnetaan luonnollisia purkauksia, jotka ovat tappaneet kokonaisten rannikkokaupunkien väestön Vaihtoehtoja: Islannissa testataan hiilen sitouttamista basalttilaava-kenttiin 18 3
TARVITTAVA INFRASTRUKTUURI Putkistot hiilidioksidin kuljettamiseen energiantuotantolaitoksilta varastoiksi sopiviin kaivoksiin Putkistojen rakentaminen ja riskit osataan maakaasuputkistoista Vuodot mahdollisia Valtavat investoinnit putkistoihin ympäri Eurooppaa 19 AIKATAULUJA TÄLLE VUOSISADALLE Koevoimaloita CO2 poistoilla olemassa ja 2010 kymmeniä toiminnassa eri puolilla Eurooppaa Kaupalliseen käyttöön 2010-2020 luvulla 2050 käytössä jo aivan uusia teknologioita 1800-luvulla tapahtunut teknologinen kehitys, puhumattakaan 1900-luvusta, erilaisia uusia teknologisia ratkaisuja ilmastonmuutoksen (tai sen seurausten) hallintaan voidaan odottaa tämän vuosisadan loppuun mennessä The Experience Curve, jo vuonna 2015 CO2:n talteenottohinta yksikköä kohden tulee olemaan murtoosa nykyisestä 20 GLOBAALI TERMOSTAATTI LÄHDEKIRJALLISUUS Aurinko ikääntyessään kuumenee ja tekee maapallosta elinkelvottoman, tähänkin tulevat sukupolvet joutuvat ottamaan kantaa Maapallo ja sen ilmasto ei ole ollut eikä tule olemaan vakaa järjestelmä ei tiedetä, etteikö Maa-planeetta voisi joutua luonnollisista tai ihmisen aiheuttamista syistä samankaltaisiin palautumattomiin ääritiloihin kuten Mars tai Venus ilmastonmuutoksien hallitsemiseksi/korjaamiseksi voidaan rakentaa globaali termostaatti, ehkei tarvita vielä tässä ilmastonmuutoksessa, mutta vastaisen varalle esim. seuraavaa jääkautta varten, jolloin kasvihuoneilmiötä pitääkin pyrkiä voimistamaan nykyinen ilmastonmuutosteknologia on alkua tälle ekoteknologiselle kehitykselle Miten ja kuka päättää maapallon oikeasta lämpötilasta? Kuka saa rakentaa termostaatin yksinoikeudella ja käyttää sitä? Miten päätetään sopiva keskimääräinen lämpötila maapallolle? Sopeutuminen hitaaseen ja pieneen ilmastonmuutokseen on mahdollista pitkälti perinteisin jo olemassaolevin keinoin, joilla ihmiskunta on tottunut selviytymään ympäristönsä asettamista haasteista John Houghton: Global Warming, The Complete Briefing, Cambridge University Press, 2004 (1994) Hannu Karttunen, : Ilmakehä, sää ja ilmasto, Ursa, 2008 Laurence C. Smith: Uusi pohjoinen, Maailma vuonna 2050, Ursa 2011 Henrik Svensmark & Nigel Calder: The Chilling Stars, A New Theory of Climate Change, Icon Books Ltd., 2007 Ilmasto ja ilmanlaatu tutkimuksen nykytuulet, SMFL:n syyspäivät 13.-14.10.2007 Hyytiälän tutkimusasemalla,esitelmät ja mittauslaitteisiin tutustumiskierros Maan ytimestä avaruuteen, Suomalaisen Tiedeakatemian 100 vuotta 2008 juhlaseminaari 10.-11.1.2008, esitelmät ja esitelmätiivistelmät 21 22 1. Aerosolit 2. Aerosolien lähteet Kyösti Ryynänen Luento 8.2.2012 B 3. Aerosolit ja kasvihuoneilmiö 4. Pilvien tiivistymisytimet 5. Kosmoklimatologia AEROSOLIT Aerosolit ovat kiinteitä tai nestemäisiä hiukkasia ilmassa Hiukkasia syntyy luonnossa ja ihmisen toimesta Hiukkasia myös tiivistyy ilmakehässä kaasusta vesi, rikkihappo ja orgaaniset aineet jäätymis- ja tiivistymiskeskuksina kokoluokka 3 nanometristä 10 mikrometriin hiukkasen elinaika päivästä viikkoihin hiukkasen vaikutus muutamista tunneista päiviin Hiukkaset viilentävät ilmastoa heijastamalla suoraan auringonvaloa takaisin toimimalla epäsuorasti pilvien tiivistymisytiminä Lumen ja jään päälle laskeutuneet tummat nokihiukkaset lämmittävät ilmastoa merkitystä ehdotettu jopa kasvihuonekaasujen luokkaa olevaksi 23 24 4
VAIKUTUS ILMASTOON AEROSOLIEN LÄHTEET Aerosoleilla on etenkin paikallisesti ja alueellisesti suuri vaikutus ilmastoon Aerosolien lähteet ja poistuminen ilmakehästä alailmakehästä troposfääristä poistuu nopeasti yläilmakehästä stratosfääristä poistuu hitaasti Aerosolien määrän ilmakehässä ennustetaan lisääntyvän hitaammin kuin kasvihuonekaasujen pitoisuuksien, tähän vaikuttavat puhtaammat palamisprosessit ja hiukkassuodattimet Maapallon keskilämpötilan nousun arvellaan lisäävän aerosolien määrää ilmakehässä (negatiivinen takaisinkytkentä) Vaikutus ilmastoon 1. Suuri taustahiukkasten määrä aikaansaa pienipisaraisempia pilviä, jotka heijastavat voimakkaammin säteilyä 2. Vaikutus pilvien muodostumiseen, elinikään ja sateiden voimakkuuteen 1. Saastepäästöt fossiilisista polttoaineista (noki, rikkidioksidi, sulfaattihiukkaset, muut yhdisteet) Energiantuotanto Teollisuus Liikenne 2. Kasvillisuus (orgaaniset hiilivedyt, metsät, siitepölyt, virukset) 3. Merien plankton (sulfaattihiukkaset) 4. Merenpärskeiden suolakiteet 5. Metsäpalot (tumma noki, sulfaattihiukkaset) 6. Hiekkamyrskyt (vaalea hiekkapöly) 7. Tulivuorenpurkaukset (tuhka, rikkidioksidi -> sulfaattihiukkaset) 8. Supertulivuorten räjähdykset (mahdollista mm.yellowstonessa) 9. Laakiopurkaukset (hitaat massiiviset tulivuoren rakopurkaukset) 10. Asteroidien ja komeettojen törmäykset Maahan (pölyä) 25 26 TERVEYS JA HIUKKASET Vaikutus näkyvyys, ilmasto, terveys Alle 1 mikrometrin kokoiset pääsevät keuhkoihin Antarktiksella 200 hiukkasta/cm3 Suomen maaseudulla 2000-3000/cm3 Helsingissä 10 000 /cm3 New Delhissä 250 000 /cm3 Suurkaupunkien saastuneilla alueilla jopa 1 000 000 hiukkasta/cm3 PILVET JA VESIHÖYRY Vesi vaikuttaa kasvihuoneilmiön voimakkuuteen kahdensuuntaisesti Vesihöyry lämmittää maapalloa Pilvien vaikutus vaihtelee Eri korkeudella ilmakehässä olevat pilvet Heijastuskyvyltään erilaiset pilvet Absorbtiokyvyltään erilaiset pilvet Paikallisesti maanpinnan tai merenpinnan heijastuskykyyn verrattuna 27 28 PILVET Suurin osa ilmakehän kosteudesta ja siten myös pilvistä on lähellä maanpintaa alailmakehässä Alatroposfäärin suuripisaraiset ja korkeat pilvet heijastavat noin 60% auringonsäteilystä takaisin avaruuteen Yläilmakehän ohuet pilvet absorboivat auringonsäteilyä (lentoliikenne lisää cirrus-pilvien määrää) Eli alailmakehän pilvet keskimäärin viilentävät ja yläilmakehän lämmittävät maapalloa PILVET Vaaleissa pilvissä on enemmän pisaroita ja niiden elinikä on pidempi, heijastavat enemmän valoa Tummissa pilvissä on vähemmän pisaroita ja elinikä on lyhyempi, heijastavat vähemmän valoa (metsän yläpuolella muodostuvat pilvet ovat tummempia ja puhtaampia) 29 30 5
PILVET Napa-alueilla pilvet lämmittävät (albedo pienempi kuin lumella ja jäällä) ja muualla kylmentävät maapalloa (albedo suurempi kuin maa-aineksilla ja kasvillisuudella) Pilvien vaikutus ilmastoon vaihtelee lumipeitteen (vuodenajan) mukaan Pilvet osaltaan aikaansaavat ja säätelevät ilmastoa KEINOTEKOISET PILVET Ilman vesihöyry tiivistyy lentokoneiden pakokaasuissa olevien pienten hiukkasten ympärille Lentokoneiden tiivistymisjuovat ovat keinotekoisia pilviä (condensation trail), tiivistyy pilveksi muutamassa sekunnissa, 6-11 km korkeudessa, 40-50C pakkasessa Kosteassa ilmassa vana säilyy pitkään ennustaen sadetta Kuivassa ilmassa jääkiteet haihtuvat pian vesihöyryksi, jolloin vana jää lyhyeksi Juovista nähdään ilmakerroksen tuulen nopeus ja suunta Rakettilaukaisut aiheuttavat samallatavoin juovia Ilmakehän tutkimuksiin käytettiin aikaisemmin keinotekoisia bariumpilviä 31 32 PILVIEN TIIVISTYMISYTIMET Hiukkaset keräävät pinnalleen lisää materiaalia Kosmisten säteiden ionisoimat hiukkaset kasvavat nopeammin kuin varaukseltaan neutraalit hiukkaset Kasvuprosessi orgaanisesta kaasusta pilvien tiivistymisytimiksi muutama molekyyli ~1 nm kasvavat suuremmiksi 1-3 nm pilvien tiivistymisytimiksi 50-100 nm EVENTTIEN ESIINTYMINEN Hiukkasmuodostus kasvaa päiväsaikaan Auringon säteilyssä Keväisin hiukkaskasvutapahtumia (eventtejä) enemmän kuin muulloin Tropiikin metsien yllä hiukkasista kasvaa todennäköisemmin ja/tai nopeammin tiivistymisydinten kokoisia Taustahiukkasten määrä ja koko (valmiina ilmamassassa olevat hiukkaset) tärkeä tekijä hiukkasten kasvulle Ilmamassan historia, edeltävinä vuorokausina kulkema reitti, selittää ilmamassan ominaisuuksia suhteellinen ilmankosteus estää hiukkasten syntyä kaupunkisaasteet estävät hiukkasten syntyä 33 34 KOSMOKLIMATOLOGIA Avaruudesta tulevat kosmiset säteet (suurenergisia varattuja protoneja, heliumytimiä, raskaampia ytimiä ja elektroneja) aikaansaavat alailmakehässä ionisaatiojuovia, joista edelleen saa alkunsa pilvien tiivistymisytimiä Supernovaräjähdykset Linnunradassa lisäävät kosmisten säteiden määrää, minkä seurauksena alailmakehän tiivistymisytimet lisääntyvät ja pilviä muodostuu enemmän KOSMOKLIMATOLOGIA Auringon magneettikenttä estää kosmisia säteitä pääsemästä Maa-planeetan ilmakehään Samalla Auringon magneettikentän vaihtelut säätelevät kosmisten säteiden pääsyä ilmakehään Maan oman magneettikentän vaikutus alailmakehän kosmisten säteiden vaihteluun arvioidaan pieneksi 35 36 6
LÄHDEKIRJALLISUUS John Houghton: Global Warming, The Complete Briefing, Cambridge University Press, 2004 (1994) Hannu Karttunen, : Ilmakehä, sää ja ilmasto, Ursa, 2008 Henrik Svensmark & Nigel Calder: The Chilling Stars, A New Theory of Climate Change, Icon Books Ltd., 2007 Ilmasto ja ilmanlaatu tutkimuksen nykytuulet, SMFL:n syyspäivät 13.- 14.10.2007 Hyytiälän tutkimusasemalla,esitelmät ja mittauslaitteisiin tutustumiskierros Maan ytimestä avaruuteen, Suomalaisen Tiedeakatemian 100 vuotta 2008 juhlaseminaari 10.-11.1.2008, esitelmät ja esitelmätiivistelmät 37 7