Kasvihuoneilmi

1
Kasvihuoneilmiön voimistumisen vaikutus ilmastoon

• Jouni Räisänen
• Helsingin yliopiston fysiikan laitos
• 8.6.2012

2
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!)
4
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)
5
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!

6
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
8
Luonnollinen kasvihuoneilmiö
Koko maapallon (pinta ilmakehä) energiatasapaino
Huom lämpösäteilyä lähtee kaikkiin suuntiin!
Maapallo saa energiaa imemällä (absorboimalla)
auringonsäteilyä Maapallo menettää energiaa
säteilemällä (emittoimalla) lämpösäteilyä
avaruuteen Tasapainon vallitessa absorboitunut
auringonsäteily emittoitunut lämpösäteily
9
Tekokuumittausten mukaan

• 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.

341
239
Maa
102
Tasapainon vallitessa avaruuteen pitää siis
karata maapallolta lämpösäteilyä samaiset 239
W/m2.
10
Mustan kappaleen säteily
pinta-alayksikköä kohti
(0 K -273ºC 0ºC 273K)
Jos maapallo olisi ilmakehätön musta kappale
sen pinnan keskilämpötilaksi saataisiin siis
Maapallon pinnan havaittu keskilämpötila 14ºC.
Syy eroon lämpösäteily ei pääse suoraan
avaruuteen (kasvihuoneilmiö)
11
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
? Molekyylirakenne kaasun määrää tärkeämpi!
Moniatomiset ( 3) molekyylit absorboivat
lämpösäteilyä paljon tehokkaammin kuin
2-atomiset
Kiehl ja Trenberth (1997, Bull. Am. Meteor.
Soc.)
12
Kasvihuoneilmiön voimistuminen
13
Kasvihuoneilmiön voimistuminen
CO2 40 CH4 150 N2O 20
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)
Nykyinen CO2-pitoisuus korkein ainakin 800.000
vuoteen. Hyvin kauan (kymmeniä satoja
miljoonia vuosia) sitten CO2ta on kyllä ollut
paljon enemmänkin (ja ilmasto nykyistä lämpimämpi)
14
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

15
Ihmiskunnan vaikutus hiilen kiertokulkuun (GtC /
vuosi, 2000-2005)
4.1 GtC / v. 1.9 ppmv /v.
Ilmakehä
? 1.6
Hiilen sitoutuminen maa-alueille
Hiilen sitoutuminen valtameriin
7.2
Trooppisten metsien hakkuu
? 2.5
Maabiosfääri maaperä
7.0
0.2
2.2
Fossiiliset polttoain.
Sementin valmistus
Valtameret
Karbonaatti kalliot
Fossiilinen hiili
Karkeasti ottaen siis puolet päästöistä jäänyt
ilmakehään
Geologiset varannot
16
ILMASTOA MUUTTAVAT TEKIJÄT ( säteilypakote) Maa
pallon ilmastoa muuttavia ihmisen toiminnasta ja
luonnollisista tekijöistä johtuvia
säteilypakotteita. Muutokset vuodesta 1750
vuoteen 2005.
Lämmittävät tekijät
Jäähdyttävät tekijät
Heikki Tuomenvirta / IL
17
Ilmakehän pienhiukkaset (aerosolit)
Hiukkasia
Hiukkasia

• 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!

18
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 1Cn
  lämpenemistä kohti
• Vesihöyryn lisääntyminen tärkeä ilmaston
  muutoksia voimistava palauteilmiö!

19
Havaittu muutos maapallon keskilämpötilassa

• Lämpötila noussut 1900-l. alusta
  0.7-0.8C,1970-luvulta 0.5C
• Havaintojen ja mallitulosten vertailun
  perusteella ainakin suurin osa lämpenemisestä
  todennäköisesti kasvihuonekaasujen lisääntymisen
  aiheuttamaa

20
Tulevien ilmastonmuutosten ennustaminen
21
Miten tulevia ilmastonmuutoksia pyritään
ennustamaan?
Kasvihuonekaasu- ja hiukkaspäästöt
Oletukset väestön- kasvusta, teknologisesta
kehityksestä ym.
Kasvihuonekaasu- ja hiukkaspitoisuudet
Hiilenkiertomalli ym.
Ilmastonmuutos
Ilmastomalli
Laskelman jokaisessa vaiheessa omat
virhelähteensä. Ennusteet eivät siksi ole kovin
tarkkoja!
22
Skenaarioita CO2-päästöt ja -pitoisuudet
Päästöt (109 t / vuosi)
Pitoisuus (miljoonasosia)
970
540
370

• Väestön ja talouden kasvu vs. puhtaamman
  tekniikan kehitys?
• CO2 pitkäikäinen ? vain rajut päästövähennykset
  pysäyttävät pitoisuuden kasvun!

23
Skenaarioita rikkidioksidin (SO2) päästöt
Huom Rikkidioksidin päästöt synnyttävät ilmastoa
jäähdyttäviä hiukkasia. Samat hiukkaset
aiheuttavat myös happosateita yms.

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

? Kasvihuonekaasujen lisääntymisen aiheuttama
lämmitys- vaikutus pääsee yhä enemmän niskan
päälle hiukkasten jäähdytysvaikutuksesta
24
Ilmastonmuutosten ennustaminen ilmastomallien
avulla
Ilmastoon vaikuttavat ulkoiset tekijät (mm.
kasvi- huonekaasupitoisuudet) ajan funktiona
Ilmastomalli Fysikaaliset luonnonlait
tietokoneohjelman muodossa, niin hyvin kuin
osataan
IlmaK
Maa
Meri
Jää
Pitkä sääennuste
Ilmasto sään tilastolliset ominaisuudet
25
Ilmastomallin osat
Ilmakehä
Maa
Meri- jää
Meri
Lämmön ( ), veden ( ) ja
liikemäärän ( ) vaihto mallin osien
välillä
Kullakin osamallilla oma (rikas) sisäinen
rakenteensa!
26
Ilmakehämallin rakenne

• Globaali 3-ulotteinen hilapisteikkö
• (D? D? 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
27
Primitiiviyhtälöt
Sama yhtälöryhmä kuin säänennustusmalleissa Peria
atteessa varsin tarkka kuvaus ilmakehän
fysiikasta
Vesi- höyry!
Mukana kuitenkin termejä (Fx, Fy, Q, Sq ) joita
ei voida laskea tarkasti riippuvat ilmiöistä,
joita mallin erotuskyky ei riitä näkemään.
28
Esimerkki maapallon keskilämpötilan muutos
eräässä malliajossa
Malli
Havainnot
Ero vuosien 1961-1990 Keskilämpötilaan nähden
- tähänastinen muutos sopusoinnussa havaintojen
kanssa - tällä vuosisadalla lämpeneminen
nopeutuu, koska kasvihuonekaasut lisääntyvät
aiempaakin nopeammin
29
Maapallon keskilämpötilan tähänastisten muutosten
simulointi ilmastomalleilla
havaittu
havaittu
simuloitu
simuloitu
Aurinko tulivuoret kasvihuone- kaasut
aerosolihiukkaset (58 ajoa 14 eri mallilla)
Aurinko tulivuoret (19 ajoa 5 eri mallilla)
30
Miten ilmaston ennakoidaan muuttuvan?
31
Ennustettu maapallon keskilämpötilan nousu tällä
vuosisadalla
6.4

• Epävarmuus
• ilmastomallit
• hiilen kiertokulku

5.4
4.4
3.8
3.8
Lämpötilan muutos (ºC)
Vertailun vuoksi - 1900-luvulla lämpötila
nousi n. 0.7ºC - maapallon keskilämmön ero
viime jääkauden ja nykyajan välillä 4-7ºC
2.9
2.4
2.0
1.7
1.4
1.4
1.1
B1 A1T B2 A1B A2 A1FI
Pienehköt kasvihuone- kaasupäästöt
Suuret kasvihuone- kaasupäästöt
32
Vuoden keskilämpötilan muutos seuraavien 100
vuoden aikana?
ºC

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

33
Paikallinen lämpötilan muutos / maapallon
keskilämpötilan muutos
ºC/ºC
? Lähes kaikki maa-alueet lämpenevät nopeammin
kuin mitä maapallon keskilämpötilan nousu
kertoo?!
34
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)

35
Lämpötilan ja sademäärän muutokset Euroopassa
seuraavien 100 vuoden aikana?
talvi (joulu-helmikuu)
kesä (kesä-elokuu)
Lämpötilan muutos (C)
Sademäärän muutos ()
36
Muutokset vaihtelevat mallista toiseen
Vuoden keskilämpötilan muutos 100 vuoden
aikana 21 eri ilmastomallissa
37
Vuoden keskilämpötilan (vaaka-akseli) ja
sademäärän (pystyakseli) muutokset Etelä-Suomessa
(60N, 25E)
Mukana vain ilmasto-malleihin liittyvä
epä-varmuus, ei päästö- epävarmuutta.

Sademäärän muutos ()
Lämpötilan muutos (C)
38
Helsingin säät alkaneella vuosisadalla?
Lämpötila (ºC)
Sademäärä (mm)
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)
39
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.

40
www.fmi.fi
41
Kesän keskilämpötila Suomessa v. 1901-2011
havainnot sellaisenaan
15.7C
42
Kesän keskilämpötila Suomessa v. 1901-2011
havainnot sellaisenaan ja nykyilmastoa
vastaaviksi korjattuina
15.7C
43
Kesän keskilämpötila Suomessa
Kuinka usein 15.7ºC (kuten vuonne 2011) tai
lämpimämpää? Suoraan havainnoista p 3
(kerran 30 vuodessa)
Todennäköisyystiheys (1/C)
Lämpötila (C)
3
44
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.
Todennäköisyystiheys (1/C)
10
Lämpötila (C)
3
45
Merenpinnan nousu
46
Merenpinta nousee, koska

• Merivesi laajenee lämmetessään
• Maa-alueiden jäätiköiden sulaminen lisää merten
  vesimäärää
• (Merijään sulaminen ei sen sijaan
  vaikuta!)

Muutos eri alueilla erisuuruinen

• Maanpinnan kohoaminen / vajoaminen
• Muutokset tuulissa, merivirroissa ym.
• Painovoimakentän muutokset jäätiköiden
  sulaessa

Merenpinnan korkeuden hetkelliset
huippuarvot riippuvat myös myrskyisyyden
muutoksista
Pohjanmaan rannikolla maankohoaminen lähes 90
cm / 100 v.
47
Laskettu keskimääräisen merenpinnan nousu tämän
vuosisadan aikana (IPCC 2007)
59
Laskelma konservatiivinen mahdollista, että
Grönlanti ja Etelämanner sulavat
laskettua nopeammin
51
48
45
43
38
Merenpinnan nousu (cm)
Merenpinnan nousu jatkuu vielä v. 2100 jälkeenkin
(siinäkin tapauksessa, että ilmaston
lämpeneminen pysähtyisi!)
26
23
20
20
21
18
B1 A1T B2 A1B A2 A1FI
Pienehköt päästöt
Suuret päästöt
48
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 / 1C
  olettaen että kaikki merivesi
  lämpenisi yhtä paljon
• Tässäkin pitkä viive lämpeneminen leviää
  pinnalta merten syvänteisiin vuosisatojen/-tuhansi
  en kuluessa

49
Ilmastonmuutosten hillitseminen(lyhyesti)
50
ILMASTOA MUUTTAVAT TEKIJÄT ( säteilypakote) Maa
pallon ilmastoa muuttavia ihmisen toiminnasta ja
luonnollisista tekijöistä johtuvia
säteilypakotteita. Muutokset vuodesta 1750
vuoteen 2005.
Lämmittävät tekijät
Jäähdyttävät tekijät
Heikki Tuomenvirta / IL
51
Ilmastonmuutosten hillintäkeinot
Energian säästö
CO2-pitoisuuden kasvun hillitseminen
Ei-fossiilisiin energialähteisiin siirtyminen
Maapallon lämpenemisen hidastaminen
vaatii lämmittävän säteilypakotteen kurissapitoa
Muiden kasvihuone- kaasujen ja noen päästöjen
pienentä- minen
Metsitys ym.
Pinnalle imeytyvän auringonsäteilyn vähentäminen (
geoinsinöörikeinot)
Kaikkein tärkeintä fossiilisten poltto- aineiden
käytön vähentäminen!
52
Hiilidioksidin (CO2) päästöt
80 päästöistä fossiilisten polttoaineiden
käytöstä. Näille päästöille (E) voidaan
kirjoittaa yhtälö
E V ( / V) (J / ) (E / J)
V väkiluku / V elintaso
taloudellinen hyvä henkeä kohti J /
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
53
Viive
100 v.
0
1000 v.
Lisäksi päästöjen vähentämiseen liittyvä
yhteiskunnallinen / teknis-taloudellinen viive
Lähivuosina ja -vuosikymmeninä tehtävät ratkaisut
vaikuttavat ilmasto- ym. oloihin vuosituhansien
ajan
54
Vakiinnuttamisskenaariot
Kuinka paljon CO2n päästöjä pitäisi vähentää,
jotta pitoisuuden kasvu pysähtyisi (periaatteessa
voidaan tutkia muitakin kaasuja)?
1. Valitaan pitoisuuden aikakehitys, s.e.
kasvu loppuu jollekin tasolle (esim. 550
ppmv) 2. Lasketaan, kuinka isot päästöt
saisivat pitoisuuden muuttumaan
valitulla tavalla
1100
1000
900
750
700
650
550
500
450
300
2000
2100
2200
2300
jopa 1000 ppmv tavoitetaso vaatisi pitkällä
tähtäimellä paljon nykyistä pienempiä
päästöjä 450 ppmv taso mahdollinen vain,
jos päästöt kääntyvät laskuun 2020 mennessä!
20
10
1000
450
550
0
2300
2000
2100
2200
55
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!