Luento 14.10.2009 1. Hiilen kierto 2. Hiilen varastot 3. Hiilen nielut ja lähteet 4. Ilmakehän hiiliyhdisteiden poisto 5. Globaali termostaatti planeetan lämpötilan säätelemiseksi Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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) Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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) Kyösti Ryynänen 14.10.2009 3
HIILIVARASTOT 1. Maaperässä 2. Merissä 3. Ilmakehässä 4. Kasveissa ja eläimissä Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 6
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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 7
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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 9
ILMAKEHÄ Hengitys tarvitsee happea ja tuottaa CO2 Kasvit tarvitsevat CO2 ja tuottavat happea 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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 11
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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 12
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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 13
HIILEN VAPAUTUMINEN IHMISEN TOIMESTA Fossiilisten polttoaineiden poltosta ilmakehään satakertaisesti hiiltä luonnon omiin prosesseihin verrattuna Kivihiilen ja öljyn poltto Energiantuotanto ja liikenne Maankäyttö vapauttaa hiiltä maaperän käsittely metsien otto maatalouden ja muuhun käyttöön metsien hävittäminen Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 15
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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 16
ENERGIAN TARVE KASVAA 1900 luvun alussa oli 1 miljardi ihmistä nykyisin 6,5 miljardia ihmistä (tehontarve 12TW) 2050 arvio 9 miljardia ihmistä (tehontarve 30TW) väestömäärän kasvu keskimääräisen elintason nousu joten kokonaisenergiantarve lisääntyy Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 18
TARVITTAVA INFRASTRUKTUURI Putkistot hiilidioksidin kuljettamiseen energiantuotantolaitoksilta varastoiksi sopiviin kaivoksiin Putkistojen rakentaminen ja riskit osataan maakaasuputkistoista Vuodot mahdollisia Valtavat investoinnit putkistoihin ympäri Eurooppaa Kyösti Ryynänen 14.10.2009 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 tulee olemaan murto osa nykyisestä Kyösti Ryynänen 14.10.2009 20
GLOBAALI TERMOSTAATTI 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 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 21
LÄHDEKIRJALLISUUS Tim Flannery: Ilmaston muuttajat (alkuperäisteos The Weather Makers. The history and Future Impact of Climate Change, 2005), Otava, 2006 Jatta Jussila (toim.): Ilmastonmuutoksen hillinnän liiketoimintamahdollisuudet, ClimBus teknologiaohjelman katsaus 2007, Teknologiakatsaus 211/2007, Tekes, 2007 Jorma Keskitalo: Maapallon muuttuva ilmasto, Tammi, 2005 Esko Kuusisto Jukka Käyhkö: Globaalimuutos, Otava, 2004 Pasi Toiviainen: Ilmastonmuutos. Nyt. muistiinpanoja maailmanlopusta, Otava, 2007 ClimBus seminaarin (Tekes) esitelmät, Hanasaari, Espoo, 5.2.2008 Maatalous ja metsätieteellisen tiedekunnan 100v juhlaseminaari esitelmät, Viikki, 22.10.2008 Kyösti Ryynänen 14.10.2009 22