Kasvihuoneilmiön voimistumisen vaikutus ilmastoon

Jouni RäisänenHelsingin yliopiston fysiikan laitos

8.6.2012

Luennon sisältö

• Ilmastonmuutosten ja -vaihteluiden eri syyt• Luonnollinen kasvihuoneilmiö • Kasvihuoneilmiön voimistuminen• Miten ilmastonmuutoksia ennustetaan?• Ilmastomallien ennusteet tulevista muutoksista• Hiukan ilmastonmuutosten hillitsemisestä

3

Ilmastonmuutosten ja vaihteluiden eri syyt

(lyhyesti!)

Maapallon ilmasto on aina vaihdellut

Mannerjäätiköiden laajin ulottuvuus viime jääkaudella n. 20.000 vuotta sitten. (Hannes Grobe, Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Institude, Bremerhaven)

Luonnollisen ilmastonvaihtelun syitä• Mannerten liike

– useiden miljoonien – satojen miljoonien vuosien aikaskaala

• Maan kiertoradan ja pyörimisakselin suunnan vaihtelu– 10.000 – 100.000 vuotta– jääkausien ja lämpimämpien jaksojen välinen vaihtelu

• Auringon säteilytehon vaihtelu– 11-vuotinen auringonpilkkujakso– Myös pidempiaikaista vaihtelua?

• Tulivuorenpurkaukset– Lyhytaikainen jäähtyminen suurien purkausten jälkeen– Esim. Pinatubo 1991

• Ilmakehän ja valtamerten itse synnyttämä ”satunnaisvaihtelu”– Vuodet eivät ole veljeksiä!

Ihmiskunnan vaikutus ilmastoon

• Kasvihuonekaasujen päästöt– Hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4) ym.

– Maapallon ilmastoa lämmittävä vaikutus

• Pienhiukkasten päästöt– Kaiken kaikkiaan ilmastoa jäähdyttävä vaikutus

• Muita mekanismeja– Metsien raivaaminen pelloiksi ym.

• Kasvihuoneilmiön voimistuminen tärkein huolenaihe– vaikutus seuraavien n. 100 vuoden aikana tapahtuviin

ilmastonmuutoksiin (nykytiedon valossa) paljon muita ihmisen aiheuttamia ja luonnollisia tekijöitä suurempi

7

Luonnollinen kasvihuoneilmiö

Luonnollinen kasvihuoneilmiö

Koko maapallon (pinta + ilmakehä) energiatasapaino

Lämpö-säteily

Auringon-säteily

Maa

Maapallo saa energiaa imemällä (=absorboimalla) auringonsäteilyä

Maapallo menettää energiaa säteilemällä (=emittoimalla) lämpösäteilyä avaruuteen

Tasapainon vallitessaabsorboitunut auringonsäteily = emittoitunut lämpösäteily

Huom: lämpösäteilyälähtee kaikkiinsuuntiin!

• Auringonsäteilyä tulee ilmakehän ulkolaidalle keskimäärin (mukana myös maapallon yöpuoli) 341 W/m2.

• Noin 30% (102 W/m2) auringonsäteilystä heijastuu avaruuteen.

• Maapallolle imeytyy auringonsäteilyä siis noin 341-102 = 239 W/m2.

Tekokuumittausten mukaan

Tasapainon vallitessa avaruuteen pitää siis karata maapallolta

lämpösäteilyä samaiset 239 W/m2.

341Maa

239

102

”Mustan kappaleen” säteily pinta-alayksikköä kohti

Jos maapallo olisi ilmakehätön ”musta kappale” sen pinnan

keskilämpötilaksi saataisiin siis

4TF 428 K Wm1067.5 -- (0 K = -273ºC; 0ºC = 273K)

C18K255KWm1067.5

Wm239 Wm239 4

428

224

s-

s TT

Maapallon pinnan havaittu keskilämpötila ≈ +14ºC.

Syy eroon: lämpösäteily ei pääse suoraan avaruuteen (“kasvihuoneilmiö”)

Eri kaasujen suhteelliset määrät ilmakehässä ja niiden osuudet luonnollisesta kasvihuoneilmiöstä

Määrä Kasvihuonevaikutus*

Typpi (N2) 78% 0%

Happi (O2) 21% 0%

Vesihöyry (H2O) 0,4% 60%

Hiilidioksidi (CO2) 0,04% 26%

Metaani (CH4) 0,0002%

Ilokaasu (N2O) 0,00003%

Otsoni (O3) 0,00004% 8%

yht. 6%

* Kiehl ja Trenberth (1997, Bull. Am. Meteor. Soc.)

Molekyylirakenne kaasun määrää tärkeämpi!

Moniatomiset (≥ 3) molekyylit absorboivat lämpösäteilyä paljon tehokkaammin kuin 2-atomiset

12

Kasvihuoneilmiön voimistuminen

Kasvihuoneilmiön voimistuminen

CO2-pitoisuus: v. 1750: 280 x 10-6

1975: 331 x 10-6 2011: 391 x 10-6 2100: 540 – 970 x 10-6 (nykyiset skenaariot)

CO2 + 40%CH4 + 150%N2O + 20%

Nykyinen CO2-pitoisuus korkein ainakin 800.000 vuoteen. Hyvin kauan (kymmeniä – satoja miljoonia vuosia) sitten CO2:ta on kyllä ollut paljon enemmänkin (ja ilmasto nykyistä lämpimämpi)

Mistä hiilidioksidin päästöt tulevat?

• Fossiiliset polttoaineet + sementin valmistus ~85%, mistä:– Kivihiili (+ ruskohiili + turve) ~40%– Öljy ~ 35%– Maakaasu ~20%– sementin valmistus ~4%

• Sademetsien hakkuu ~15%

• Eri maiden osuudet ”fossiilisista” päästöistä:– Kiina: 23%– Yhdysvallat: 18%– EU yhteensä: 14%– Intia ja Venäjä: kumpikin 6%

• Suomi– 0,19% päästöistä– 0,08% maapallon väestöstä

Fossiiliset polttoain.

Valtameret

”Geologiset varannot”

Fossiilinen hiiliKarbonaattikalliot

Maabiosfääri+ maaperä

Ilmakehä

Sementinvalmistus

7.0

0.2

7.2

Trooppistenmetsienhakkuu

Hiilensitoutuminenmaa-alueille

2.5

1

.6

Hiilensitoutuminenvaltameriin

2.2

Ihmiskunnan vaikutus hiilen kiertokulkuun (GtC / vuosi, 2000-2005)

+4.1 GtC / v. =+1.9 ppmv /v.

Karkeasti ottaen siis puolet päästöistä jäänyt ilmakehään

ILMASTOA MUUTTAVAT TEKIJÄT

(= säteilypakote)

Maapallon ilmastoa muuttavia ihmisen toiminnasta ja luonnollisista tekijöistä johtuvia säteilypakotteita.Muutokset vuodesta1750 vuoteen 2005.

IHMISENAIHEUTTAMAT

LUON-TAISET

Heikki Tuomenvirta / IL

Lä

mm

ittä

vä

t te

kijä

tJ

ääh

dyt

täv

ät

tek

ijät

Ilmakehän pienhiukkaset (=aerosolit)

• Vaikutukset monimutkaisia, mutta kaiken kaikkiaan maapalloa jäähdyttäviä:– Hiukkaset itse heijastavat auringonsäteilyä avaruuteen– Pilvien heijastuskyvyn ja (ehkä) pilvisyyden lisääntyminen

• Hiukkaset ovat voineet kumota ison osan kasvihuone-kaasujen tähänastisen lisääntymisen lämmitys-vaikutuksesta, mutta epävarmuus suuri!

HiukkasiaHiukkasia

Vesihöyryn osuus ilmastonmuutoksessa

• Vesihöyry ilmakehän tärkein kasvihuonekaasu

• Ihmistoimien suora vaikutus ilmakehän vesihöyryn määrään hyvin pieni– Päästöt pieniä luonnolliseen veden haihtumiseen verrattuna – Veden kiertokulku nopeaa: keskimäärin pinnalta haihtunut vesihöyry viettää

ilmakehässä vain n. 9 vuorokautta

• Ilmakehän lämmetessä vesihöyry lisääntyy– Kyllästyskosteus ( = kaasumaisen vesihöyryn maksimimäärä ilmassa) kasvaa n.

7% 1°C:n lämpenemistä kohti

• Vesihöyryn lisääntyminen tärkeä ilmaston muutoksia voimistava palauteilmiö!

Havaittu muutos maapallon keskilämpötilassa

• Lämpötila noussut 1900-l. alusta 0.7-0.8°C,1970-luvulta 0.5°C

• Havaintojen ja mallitulosten vertailun perusteella: ainakin suurin osa lämpenemisestä todennäköisesti kasvihuonekaasujen lisääntymisen aiheuttamaa

20

Tulevien ilmastonmuutosten ennustaminen

Miten tulevia ilmastonmuutoksia pyritään ennustamaan?

Kasvihuonekaasu- ja hiukkaspäästöt

Ilmastonmuutos

Oletukset väestön-kasvusta, teknologisesta kehityksestä ym.

Hiilenkiertomalli ym.

Ilmastomalli

Kasvihuonekaasu- ja hiukkaspitoisuudet

Laskelman jokaisessa vaiheessa omat virhelähteensä. Ennusteet eivät siksi ole kovin tarkkoja!

Skenaarioita: CO2-päästöt ja -pitoisuudet

• Väestön ja talouden kasvu vs. puhtaamman tekniikan kehitys?

• CO2 pitkäikäinen vain rajut päästövähennykset pysäyttävät pitoisuuden kasvun!

Päästöt (109 t / vuosi) Pitoisuus (miljoonasosia)

540

970

370

Skenaarioita: rikkidioksidin (SO2) päästöt

• Rikkipäästöt kääntynevät ennemmin tai myöhemmin laskuun – ja hiukkaspitoisuudet myös, koska hiukkaset lyhytikäisiä

Huom:Rikkidioksidin päästöt synnyttävätilmastoa jäähdyttäviä hiukkasia.

Samat hiukkaset aiheuttavatmyös happosateita yms.

Kasvihuonekaasujen lisääntymisen aiheuttama lämmitys- vaikutus pääsee yhä enemmän niskan päälle hiukkasten jäähdytysvaikutuksesta

Ilmastonmuutosten ennustaminen ilmastomallien avulla

Ilmastomalli: Fysikaaliset luonnonlait tietokoneohjelman muodossa, niin hyvin kuin osataan

“Pitkä sääennuste”

Ilmasto = sään tilastolliset ominaisuudet

Ilmastoon vaikuttavat ulkoiset tekijät (mm. kasvi-huonekaasupitoisuudet)ajan funktiona

IlmaK Maa Meri Jää

Ilmastomallin osat

Kullakin osamallilla oma (rikas) sisäinen rakenteensa!

Ilmakehä

MaaMeri-jää

Meri

Lämmön ( ), veden ( ) ja liikemäärän ( ) vaihto mallin osien välillä

Ilmakehämallin rakenne• Globaali 3-ulotteinen hilapisteikkö

( ~ ~ 2° ~ 200 km; ~30 tasoa) • Primitiiviyhtälöt

lämpötilan, tuulen, vesihöyrypitoisuu-

den, paineen ym. hetkelliset muutos-

nopeudet kussakin pisteessä

• Aikaintegrointi (Esim. 30 min aika-askel, ~100-400 vuotta.

Uudet muutosnopeudet joka askeleella.)

30 min

100-400 vuotta

Primitiiviyhtälöt xFfvxp

u

y

uv

x

uu

t

u

yFfuyp

v

y

vv

x

vu

t

v

pp c

Q

pc

RT

p

T

y

Tv

x

Tu

t

T

p

RT

p

0

py

v

x

u

qSp

q

y

qv

x

qu

t

q

XSp

X

y

Xv

x

Xu

t

X

Sama yhtälöryhmäkuin säänennustusmalleissa

Periaatteessa varsin tarkka kuvaus ilmakehän fysiikasta

Mukana kuitenkin termejä (Fx, Fy, Q, Sq …) joita ei voida laskea tarkasti: riippuvat ilmiöistä, joita mallin erotuskyky ei riitä näkemään.

Vesi-höyry!

Esimerkki: maapallon keskilämpötilan muutos eräässä malliajossa

Malli

Havainnot

Ero

vu

osie

n 1

96

1-1

99

0K

esk

iläm

pö

tilaa

n n

äh

den

- tähänastinen muutos sopusoinnussa havaintojen kanssa- tällä vuosisadalla lämpeneminen nopeutuu, koska kasvihuonekaasut lisääntyvät aiempaakin nopeammin

Maapallon keskilämpötilan tähänastisten muutosten simulointi ilmastomalleilla

havaittusimuloitu

havaittusimuloitu

Aurinko + tulivuoret + kasvihuone-kaasut + aerosolihiukkaset(58 ajoa 14 eri mallilla)

Aurinko + tulivuoret (19 ajoa 5 eri mallilla)

30

Miten ilmaston ennakoidaan muuttuvan?

Ennustettu maapallon keskilämpötilan nousu tällä vuosisadalla

B1 A1T B2 A1B A2 A1FIPienehkötkasvihuone-kaasupäästöt

Suuretkasvihuone-kaasupäästöt

1.1

2.9

1.4

3.8 3.8

1.41.7

4.4

5.4

2.02.4

6.4

Läm

pö

tila

n m

uu

tos

(ºC

)

Epävarmuus(i) ilmastomallit(ii) hiilen kiertokulku

Vertailun vuoksi- 1900-luvulla lämpötila nousi n. 0.7ºC- maapallon keskilämmön ero viime jääkauden ja nykyajan välillä 4-7ºC

Vuoden keskilämpötilan muutos seuraavien 100 vuoden aikana?

- Keskiarvo 21 ilmastomallin tuloksissa- ”Keskisuuret” kasvihuonekaasupäästöt (A1B-skenaario)

ºC

Paikallinen lämpötilan muutos / maapallon keskilämpötilan muutos

Lähes kaikki maa-alueet lämpenevät nopeammin kuin mitä maapallon keskilämpötilan nousu kertoo?!

ºC/ºC

Vuoden keskisademäärän muutos (%) seuraavien 100 vuoden aikana?

Lisää sadetta- korkeat leveysasteet- suurin osa tropiikista

Vähemmän sadetta- subtrooppiset alueet- esim. Välimeren seutu!

- Keskiarvo 21 ilmastomallin tuloksissa- ”Keskisuuret” kasvihuonekaasupäästöt (A1B-skenaario)

Lämpötilan ja sademäärän muutokset Euroopassa seuraavien 100 vuoden aikana?

talvi (joulu-helmikuu) kesä (kesä-elokuu)

Läm

pötil

anm

uuto

s (°

C)

Sad

emää

rän

muu

tos

(%)

Muutokset vaihtelevat mallista toiseen…

Vuoden keskilämpötilan muutos 100 vuoden aikana21 eri ilmastomallissa

Vuoden keskilämpötilan (vaaka-akseli) ja sademäärän (pystyakseli) muutokset Etelä-Suomessa (60°N, 25°E)

Mukana vain ilmasto-malleihin liittyvä epä-varmuus, ei päästö-epävarmuutta.

Lämpötilan muutos (°C)

Sad

emää

rän

mu

uto

s (%

)

Helsingin säät alkaneella vuosisadalla?

“Ennuste” laadittu olettamalla, että (1) Keskimääräinen lämpötila nousisi 4ºC ja sademäärä 15% sadassa vuodessa (tämänhetkinen ”paras arvaus”?) (2) Vuosienvälinen vaihtelu toistuisi samanlaisena kuin 1900-luvulla (tosiasiassa yksittäisten vuosien säitä ei voi ennustaa)

Lämpötila (ºC) Sademäärä (mm)

Edellisen kalvon opetus

• Kasvihuoneilmiön voimistumisen aiheuttama ilmastonmuutos näkyy kaikkein selvimmin lämpötilojen nousuna.

• Muiden suureiden (sademäärä, tuulisuus ym.) muutokset erottuvat luonnollisen vaihtelun seasta heikommin.

• Ääri-ilmiöiden muutoksista selvin on korkeiden lämpötilojen yleistyminen ja matalien lämpötilojen harvinaistuminen.

www.fmi.fi

15.7°C

Kesän keskilämpötila Suomessa v. 1901-2011: havainnot sellaisenaan

15.7°C

Kesän keskilämpötila Suomessa v. 1901-2011: havainnot sellaisenaan ja nykyilmastoa vastaaviksi korjattuina

Kesän keskilämpötila Suomessa

Kuinka usein +15.7ºC (kuten vuonne 2011) tai lämpimämpää?

Suoraan havainnoista: p ~ 3% (kerran ~30 vuodessa)

Lämpötila (°C)

To

den

näk

öis

yyst

ihey

s (1

/°C

)

3%

Kesän keskilämpötila Suomessa

Kuinka usein +15.7ºC (kuten vuonne 2011) tai lämpimämpää?

Suoraan havainnoista: p ~ 3% (kerran ~30 vuodessa)

Ilmastomallituloksiin perus-tuva arvio nykyilmastolle:p ~ 10% (kerran 10 vuodessa)

Tulevaisuudessa useammin.Lämpötila (°C)

To

den

näk

öis

yyst

ihey

s (1

/°C

)

10%

3%

45

Merenpinnan nousu

Merenpinta nousee, koska

1. Merivesi laajenee lämmetessään2. Maa-alueiden jäätiköiden sulaminen lisää merten vesimäärää (Merijään sulaminen ei sen sijaan vaikuta!)

1. Maanpinnan kohoaminen* / vajoaminen 2. Muutokset tuulissa, merivirroissa ym. 3. Painovoimakentän muutokset jäätiköiden sulaessa

Muutos eri alueilla erisuuruinen

Merenpinnan korkeuden hetkelliset huippuarvotriippuvat myös myrskyisyyden muutoksista

* Pohjanmaan rannikolla maankohoaminen lähes 90 cm / 100 v.

Laskettu keskimääräisen merenpinnan nousu tämän vuosisadan aikana (IPCC 2007)

B1 A1T B2 A1B A2 A1FI

Pienehkötpäästöt

Suuretpäästöt

18

38

20

45 43

20 21

4851

2326

59

Mer

enp

inn

an n

ou

su (

cm) Laskelma

konservatiivinen:mahdollista, että Grönlanti ja Etelämannersulavat laskettuanopeamminMerenpinnan nousujatkuu vielä v. 2100jälkeenkin (siinäkintapauksessa, ettäilmaston lämpeneminenpysähtyisi!)

Jäätiköt• Täyden sulamisen teoreettinen vaikutus merenpintaan

– Etelämanner ~ 60 m – Grönlanti ~ 7 m– vuoristo- ja muut pienet jäätiköt ~ 0.5 m

• Grönlannin sulaminen mahdollista, mutta Etelämantereesta vain pieni osa uhanalainen

Pahimmillaan jäätiköiden sulaminen voisi nostaa merenpintaa v. 3000(??) mennessä n. 10 metriä?

Meriveden lämpölaajeneminen• Vaikutus merenpintaan teoriassa n. 50 cm / 1°C

– olettaen että kaikki merivesi lämpenisi yhtä paljon • Tässäkin pitkä viive: lämpeneminen leviää pinnalta

merten syvänteisiin vuosisatojen/-tuhansien kuluessa

49

Ilmastonmuutosten hillitseminen

(lyhyesti)

ILMASTOA MUUTTAVAT TEKIJÄT

(= säteilypakote)

Maapallon ilmastoa muuttavia ihmisen toiminnasta ja luonnollisista tekijöistä johtuvia säteilypakotteita.Muutokset vuodesta1750 vuoteen 2005.

IHMISENAIHEUTTAMAT

LUON-TAISET

Heikki Tuomenvirta / IL

Lä

mm

ittä

vä

t te

kijä

tJ

ääh

dyt

täv

ät

tek

ijät

CO2-pitoisuuden kasvun hillitseminen

Energiansäästö

Metsitys ym.

Muiden kasvihuone-kaasujen ja noenpäästöjen pienentä-minen

Pinnalle imeytyvänauringonsäteilynvähentäminen(geoinsinöörikeinot)

Ei-fossiilisiinenergialähteisiinsiirtyminen

Maapallon lämpenemisenhidastaminen vaatiilämmittävänsäteilypakotteenkurissapitoa

Ilmastonmuutosten hillintäkeinot

Kaikkein tärkeintäfossiilisten poltto-aineiden käytön vähentäminen!

Hiilidioksidin (CO2) päästöt

E = V × (€ / V) × (J / €) × (E / J)

80% päästöistä fossiilisten polttoaineiden käytöstä.Näille päästöille (E) voidaan kirjoittaa yhtälö

V = väkiluku€ / V = elintaso = ”taloudellinen hyvä” henkeä kohtiJ / € = energiankulutus tuotettaessa yksi yksikkö ”taloudellista hyvää” (talouden energiaintensiteetti)E / J = hiilidioksidipäästöt tuotettua energiayksikköä kohti (energiantuotannon hiili-intensiteetti)

Päästöjä voidaan rajoittaa (1) väestönkasvua hillitsemällä ja (2) elintasosta tinkimällä, mutta myös (3) talouden energia-intensiteettiä ja (4) energiantuotannon hiili-intensiteettiä vähentämällä

Viive

Lisäksi: päästöjen vähentämiseen liittyvä yhteiskunnallinen / teknis-taloudellinen viive

1000 v.100 v.0

Lähivuosina ja -vuosikymmeninä tehtävät ratkaisut vaikuttavat ilmasto- ym. oloihin vuosituhansien ajan

VakiinnuttamisskenaariotKuinka paljon CO2:n päästöjä pitäisi vähentää, jotta pitoisuuden kasvu pysähtyisi (periaatteessa voidaan tutkia muitakin kaasuja)?

2000 2100 2200 2300

23002000 2100 2200

300

500

700

900

1100

20

10

0

750

1000

650550450

1000

450

1. Valitaan pitoisuuden aikakehitys, s.e. kasvu loppuu jollekin tasolle (esim. 550 ppmv)2. Lasketaan, kuinka isot päästöt saisivat pitoisuuden muuttumaan valitulla tavalla

550

* jopa 1000 ppmv tavoitetaso vaatisi pitkällä tähtäimellä paljon nykyistä pienempiä päästöjä

* 450 ppmv taso mahdollinen vain, jos päästöt kääntyvät laskuun ~2020 mennessä!

Yhteenveto• Luonnollinen kasvihuoneilmiö pitää maapallon elinkelpoisena

• Kasvihuonekaasujen pitoisuudet kasvavat kasvihuoneilmiö voimistuu maapallon ilmasto lämpenee

• Muutoksia myös sadeoloissa, merenpinnan korkeudessa ym.

• Muutosten suuruutta ei voida ennustaa tarkasti – päästöjen kehitys– ilmastomallien puutteet – ilmaston luonnollinen vaihtelu

• Muutosten hillitseminen ( kasvihuonekaasujen päästöjen rajoittaminen) ihmiskunnan vaikeimpia haasteita

• Muutosten pysäyttäminen lyhyellä tähtäimellä mahdotonta: myös sopeutuminen muuttuviin ilmasto-oloihin tarpeen!