MikÀ aiheuttaa CO2-pitoisuuden kasvun?

Otetaanpa tÀllainen peruskysymys: Mittauksin on osoitettu ilmakehÀn CO2-pitoisuuden kasvaneen aika tasaisesti, kai jostain 1800-luvun lopulta lÀhtien. MikÀ aiheuttaa tÀmÀn CO2-pitoisuuden kasvun ja miten kasvun aiheuttaja on osoitettu?

Ihmisen pÀÀstöt on kuitenkin vain muutamia prosentteja luonnollisesta hiilikierrosta. Ainakin kaksi tÀrkeintÀ absorptiomekanismia, liukeneminen veteen ja sitoutuminen kasvillisuuteen, voimistuvat CO2:n osapaineen kasvaessa. EnsimmÀinen approksimaatio olisi, ettÀ ihmisen CO2-pÀÀstöt aiheuttaisivat CO2-pitoisuuteen askelmuutoksen, joka olisi suunnilleen yhtÀ suuri kuin pÀÀstöjen osuus kokonaiskierrosta (ts. jos pÀÀstö on 10% koko-C:stÀ, pitoisuus nousisi suunnilleen saman verran, esim. 270->300 ppm). KÀytÀnnössÀ varmaan vÀhÀn jotain muuta mutta missÀÀn tapauksessa ei pitÀisi aiheutua tasaista kasvua, mikÀ nyt on mitattu.

MikÀ siis selittÀÀ CO2-pitoisuuden lÀhes lineaarisen kasvun?

Hei,

kiitos tÀrkeÀstÀ peruskysymyksestÀ! TÀssÀ viimein kauan odotettu vastaus siihen.

IlmakehÀn 1800-luvun lopulta lÀhtien jatkunut hiilidioksidipitoisuuden nousu johtuu yksiselitteisesti fossiilisten polttoaineiden polttamisesta. Avaan perusteluja tÀssÀ tarkemmin.

Maapallon ilmastosysteemissÀ perustilassa hiilidioksidin lÀhteet ja nielut ovat tasapainossa eli ilmakehÀÀn vapautuu ja siitÀ poistuu yhtÀ paljon hiilidioksidia vuoden aikana (noin 770-790 Gt hiiltÀ/vuosi, ks. kuva 1.). TÀmÀ tasapaino vallitsi esiteollisena aikana (jolloin poltettiin vain puuta) ja hiilidioksidin pitoisuus oli tÀllöin noin 270 ppm (parts per million eli miljoonasosaa ilman molekyyleistÀ). Hiilidioksidi kiertÀÀ ilmastosysteemissÀ lyhyen ja pitkÀn aikavÀlin varastojen vÀlillÀ (sitoutuu kasvillisuuteen ja meriin, joista sitÀ vapautuu edelleen ilmakehÀÀn mm. kasvillisuuden lahotessa).

Carbon_Cycle_IPCC_AR4
Kuva 1. Hiilen kierto ilmakehÀn sekÀ maaekosysteemin ja merien vÀlillÀ. Hiilidioksidivuot ovat yksiköissÀ Gt CO2/vuosi (gigatonnia hiilidioksidia vuodessa). Luvut ovat 2000-luvun alkupuolelta, nykyisin ihmiskunnan pÀÀstöt ovat 39 Gt CO2/vuosi.

Fossiilisten polttoaineiden polttaminen, jossa palamisreaktiossa syntyy hiilidioksidia joka vapautuu suoraan ilmakehÀÀn, on tuottanut ilmakehÀÀn ns. ”uutta” (uutta nykyilmakehĂ€lle, vaikka tosiasiassa todella vanhaa) hiilidioksidia, joka ei ole ollut osa viime vuosisatojen ja tuhansien hiilen kiertoa biosfÀÀrin ja ilmakehĂ€n vĂ€lillĂ€. Jos fossiilisia polttoaineita olisi poltettu vain hetken ja sitten polttaminen lopetettu, olisivat CO2 pitoisuudet asettuneet jollekin hieman korkeammalle tasolle pehmeĂ€sti nousevan askelfunktion tapaan kuten kuvasit. Nyt fossiilisten polttoaineiden poltto on jatkunut pari vuosisataa kiihtyvĂ€llĂ€ vauhdilla ja se tuottaa koko ajan lisÀÀ hiilidioksidia ilmakehĂ€systeemiin. Hiilidioksidin nielut kyllĂ€ kasvavat koko ajan (yhteyttĂ€minen voimistuu, kun CO2-pitoisuus ja lĂ€mpötila nousevat; myös meriin sitoutuu enemmĂ€n hiilidioksidia ilman CO2-pitoisuuden kasvaessa kemiallisen tasapainon mukaan), mutta nielut eivĂ€t kasva niin nopeasti ettĂ€ ne riittĂ€isivĂ€t kompensoimaan jatkuvasti kasvavat pÀÀstöt. NĂ€in hiilidioksidipitoisuus ilmakehĂ€ssĂ€ nousee ja syynĂ€ ovat fossiiliset polttoaineet.

TÀllÀ hetkellÀ ilmakehÀn hiilidioksidipitoisuus on noin 410 ppm. Jos hiilidioksidipÀÀstöt lopetettaisiin nyt, hiilidioksidin imeytyminen nieluihin (kasvillisuus ja meri) jatkuisi edelleen, mutta nÀmÀ nielut eivÀt pystyisi imemÀÀn kaikkea tÀllÀ hetkellÀ ilmassa olevaa ylimÀÀrÀistÀ hiilidioksidia. Muutamien vuosikymmenien kuluessa hiilidioksidipitoisuus tasaantuisi jollekin hieman nykyistÀ pitoisuutta 410 ppm alemmalle tasolle. Vuosisatojen ja tuhansien kuluessa CO2-pitoisuus palautuisi lÀhelle esiteollista pitoisuutta 270 ppm. TÀhÀn kuitenkin menisi hyvin kauan, koska hiilidioksidi poistuu sen lyhyestÀ kierrosta ilmakehÀssÀ (kasvillisuus ja meret) hitaasti.

Myös isotooppimittauksin (hiilen isotooppien C12 ja C13 suhde) on voitu todistaa, ettÀ nykyinen ilman hiilidiokdisidipitoisuuden kasvu johtuu fossiilisista polttoaineista. Kivihiilen ja muiden fossiilisten polttoaineiden, jotka ovat muodostuneet vuosimiljoonia sitten muinaisten saniaismetsien jÀÀnteistÀ, hiilen isotooppijakauma on erilainen kuin sillÀ hiilidioksidilla, joka on ilmakehÀssÀ. NÀin on aukottomasti todistettu, ettÀ nykyinen ilmakehÀn CO2-pitoisuuden kasvu johtuu nimenomaan fossiilisista polttoaineista.

Hiilidioksidipitoisuus on kasvanut ihmisen toimesta siis 270 ppm —> 410 ppm hyvin lyhyessĂ€ ajassa (noin 150 vuotta). Prosentuaalinen muutos on 152 % eli pitoisuus on kasvanut 52 %. Luonnollisessa maapallon ilmaston vaihteluissa (jÀÀkaudet, joihin syynĂ€ maan radan muutokset Auringon ympĂ€ri), 100 ppm:n muutokseen on kulunut 5 000-20 000 vuotta. Nykyinen muutosvauhti on siis aivan omaa luokkaansa.

TÀssÀ alla vielÀ pari kuvaa hiilidioksidin pÀÀstöistÀ ja nieluista. Kuvasta 2 (muokattu KansainvÀlisen ilmastopaneelin IPCC:n 5. arviointiraportin kuvasta) nÀkyy, miten pÀÀstöt ja vastaavasti nielut ovat kasvaneet ajan kuluessa. Karkeasti ottaen puolet ihmiskunnan aiheuttamista pÀÀstöistÀ sitoutuu kasvillisuuteen ja meriin, loput 50 % jÀÀ ilmakehÀÀn (kuvat 2 ja 3).

Olet oikeassa, ettÀ ihmisen aiheuttamat pÀÀstöt ovat vain murto-osa siitÀ hiilidioksidista, joka kiertÀÀ ilmakehÀ-maaekosysteemi-meriekosysteemin sisÀllÀ vuosittain (ks. kuva 1). Kasvillisuus ja meret sitovat ja vapauttavat hiilidioksidia noin 780 Gt/vuosi. Ihmiskunnan pÀÀstöt ovat noin 39 Gt/vuosi eli noin 4-5 % prosenttia luonnollisesta hiilen kierrosta. TÀmÀ todellakin kuulostaa pieneltÀ mÀÀrÀltÀ ja voi olla ÀkkiseltÀÀn vaikea uskoa, ettÀ nÀin pieni lisÀys hiilidioksidivuossa aiheuttaa reilussa 100 vuodessa niin suuren muutoksen kuin mitÀ nyt on nÀhty. Kyse on kuitenkin siitÀ, ettÀ ihmiskunnan pÀÀstöt ovat rikkoneet tasapainotilan, jossa biosfÀÀri-meri-ilmakehÀ-systeemi on pitkÀÀn ollut. TÀmÀ tasapaino on yllÀttÀvÀn herkkÀ emissioissa tapahtuville muutoksille, eritoten kun epÀtasapaino eli pÀÀstöt jatkuvat vuodesta toiseen. Se hiilidioksidi, jota systeemi ei pysty imemÀÀn, kasautuu ilmakehÀÀn.


Kuva 2. Ihmiskunnan aiheuttamat hiilidioksidipÀÀstöt (kuvan ylĂ€osa) ja niiden sitoutuminen nieluihin (kuvan alaosa). Se osa pÀÀstöistĂ€, jota kasvillisuus ja meret eivĂ€t pysty imemÀÀn, jÀÀ ilmakehÀÀn (vaaleansinen alue kuvaajassa). ‘Land-use change’ viittaa metsien kaatamiseen (yleensĂ€ polttamalla) laidunmaiksi.


Kuva 3. Hiilidioksidin ihmisperÀiset lÀhteet ja nielut karkeasti. Vuodesta 2010 pÀÀstöt ovat hieman kasvaneet, mutta lÀhteiden ja nielujen prosenttiosuudet ovat pysyneet suurinpiirtein samoina.

LÀhteitÀ (kuvat poimittu nÀistÀ):

Mauna Loan hiilidioksidimittaukset (pisin yhtenÀinen aikasarja modernein instrumentein): https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

https://www.carbonbrief.org/what-global-co2-emissions-2016-mean-climate-change

https://skepticalscience.com/human-co2-smaller-than-natural-emissions-intermediate.htm

https://skepticalscience.com/human-fingerprint-in-global-warming.html

http://www.realclimate.org/index.php/archives/2004/12/how-do-we-know-that-recent-cosub2sub-increases-are-due-to-human-activities-updated

Hiilen kierrosta lisÀÀ: https://mooc.helsinki.fi/mod/book/view.php?id=2997&chapterid=33 (klikkaa sivun alareunasta ‘kirjaudu vierailijana’)