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’)

Kiitos vastauksestanne. Valitettavasti se ei oikein vastaa esittÀmÀÀni ydinkysymykseen kvantitatiivisesti: millÀ mekanismilla ihmisen toiminnan aiheuttama muutaman prosentin lisÀ CO2-virtoihin johtaa ilmakehÀn CO2-pitoisuuden kasvuun 50 prosentilla?

Hiilitasapainon luonne on minusta ymmÀrretty vastauksessa vÀÀrin. Ei varmastikaan ole niin, ettÀ luonnolliset virrat olisivat vakioita vaan ne muuttuvat virtoja ajavien voimien mukana. Kun kiertoon tulee lisÀkomponentti, virrat muuttuvat, kunnes saavutetaan uusi tasapainotila. TÀtÀ voi ajatella vaikka allasmallilla, jossa tulot ja poistot ovat tasapainossa: kun tuloa lisÀtÀÀn, pinta hakeutuu uuteen tasapainoon.

Ei olisi oikein uskottavaa, ettÀ ilmakehÀ olisi epÀvakaa tasapaino, kuin kuula pallon pÀÀllÀ. TÀrkeimmÀt nielut ovatkin stabiloivia: niin absorptio mereen kuin yhteyttÀminen voimistuvat CO2-pitoisuuden kasvaessa. Muutaman prosentin lisÀ CO2-tuotossa aiheuttaisi muutaman prosentin nousun CO2-tasossa, eikÀ mitÀÀn kymmenien prosenttien kasvua, jolle ei loppua nÀy.

Minusta nyt todettu CO2-pitoisuuden kĂ€yttĂ€ytyminen osoittaa, ettĂ€ sen syynĂ€ ei ole ainakaan tunnetut pÀÀstöt. Pikemminkin jatkuva kasvu olisi analoginen siihen, ettĂ€ allasmallissa olisi “viemĂ€ri tukossa”: jokin nielu ei toimi enÀÀ yhtĂ€ tehokkaasti kuin ennen.

Ensisijaisesti epĂ€ilen, ettĂ€ maankĂ€ytön muutosten vaikutuksia tai kerrannaisvaikutuksia ei ole mallinnettu oikein. 1850-luvun jĂ€lkeen ihminen on valjastanut yhden jos toisenkin alueen kĂ€yttöönsĂ€. Yle uutisoi helmikuussa kÀÀnteisestĂ€ havainnosta: “Tutkimus: EnsimmĂ€isten eurooppalaisten rantautuminen Amerikkaan oli kohtalokasta myös ilmastolle” Intiaanien tuhoaminen johti Ranskan kokoisen alueen metsittymiseen, mikĂ€ alensi CO2-pitoisuutta, ja tĂ€mĂ€n vĂ€itetÀÀn olleen yhteydessĂ€ pienen jÀÀkauden syntyyn.

En tunne kovin hyvin delta-13C-menetelmÀn epÀvarmuuksia, mutta kÀsittÀÀkseni 13C-pitoisuuden lasku osoittaa vain, ettÀ hiili on todennÀköisesti eloperÀistÀ. Se voi olla perÀisin fossiilisista polttoaineista mutta myös muusta biomassan hajoamisesta. Jos ilmakehÀstÀ voidaan mitata 13C-pitoisuuden muutos, niin on aika todennÀköistÀ, ettÀ muutos aiheutuu jostain meneillÀÀn olevasta biologisesta prosessista. Ihmisen tuottamat pÀÀstöt on vain muutama prosentti koko kierrosta, joten ei niiden osuus ilmakehÀssÀ kiertÀvÀstÀ CO2:sta ole sitÀ suurempi.

En myöskÀÀn ymmÀrrÀ, mistÀ suuret viiveet ilmakehÀn reagointiin tulisivat: ilmakehÀn CO2:n kiertoaika on noin viiden vuoden luokkaa. Ei nielut erottele CO2:n alkuperÀÀ, joten vaikutusten pitÀisi nÀkyÀ nopeasti.

Hei,

tÀhÀn nopeana vastauksena viittaan toiseen ketjuun juuri kirjoittamaani vastaukseen. SiinÀ kommentoin ilmastoskeptikon kirjoittamaan artikkelia, jossa yritetÀÀn todistaa juuri tÀmÀ sinun epÀilyksesi ettÀ ihmisen pÀÀstöt (jotka siis 5 % kokonaishiilen kierrosta) eivÀt olisi voineet aiheuttaa nÀin suurta nousua ilmakehÀn hiilidioksidipitoisuudessa.

Hiilidioksidille ei voida mÀÀritellÀ yksikÀsitteistÀ elinaikaa, koska se poistuu ilmakehÀstÀ erilaisiin varastoihin (kasvillisuus ja meret), joissa sen viipymÀaika on vaihteleva (vuodesta satoihin vuosiin). Puhutaan hiilen kierrosta. TÀstÀ syystÀ hiilidioksidin poistumista ei voida mallintaa yksinkertaisesti eksponentiaalisen laskun mallilla, kuten esimerkiksi metaanin tapauksessa voidaan tehdÀ (jonka elinaika mÀÀrÀytyy kemiallisen reaktion poiston kautta ja on noin 12 vuotta).

Yksinkertaisessa allasmalliajattelussa tehdÀÀn se perusvirhe, ettÀ yritetÀÀn mallintaa liian yksinkertaisella fysikaalisella mallilla systeemiÀ, joka todellisuudessa ei ole nÀin yksinkertainen. Hiilidioksidin kohdalla biologiset systeemit (kasvit) sekÀ meri ja hiilen kierto nÀiden ja ilmakehÀn vÀlillÀ ovat olennaisen tÀrkeitÀ, ja nÀmÀ on kuvattava mallissa oikein, jotta voidaan mallintaa mitÀ todellisuudessa hiilidioksidille maapallon ilmakehÀ-ekosysteemi-meret-kokonaisuudessa tapahtuu.

YmmĂ€rrĂ€n alkuperĂ€isen kysymyksesi ja siihen liittyvĂ€n ihmetyksesi, sillĂ€ onhan se tosiaan ensiajattelemalla erikoista ettĂ€ nĂ€in pienet suhteelliset pÀÀstöt (5 %) riittĂ€vĂ€t nĂ€in valtavaan muutokseen ilmakehĂ€n hiilidioksidipitoisuudessa. InsinöörimĂ€isellĂ€ ajattelulla (olen itsekin taustaltani tekn. fysiikan DI) tĂ€mĂ€ ei heti kuulosta mahdolliselta. Avain on kuitenkin juuri tĂ€mĂ€, ettĂ€ hiilidioksidin aito poistuminen ilmakehĂ€stĂ€ on hyvin hidas prosessi ja kasvien ja meren nielut ovat vain sitoutumista varastoihin joista hiilidioksidi palaa ilmakehÀÀn erilaisten kiertoaikojen jĂ€lkeen. TĂ€mĂ€ tekee hiilidioksidista niin erikoisen kaasun. LisĂ€ksi on muistettava ettĂ€ pÀÀstöt ilmakehÀÀn jatkuvat koko ajan (eli tuo muutama prosentti tulee koko ajan lisÀÀ) eli allasmallia ajatellen “hana” on ikÀÀnkuin aina auki.

TÀssÀ vielÀ kuva hiilen kierrosta (lÀhde IPCC 5. arviointiraportti).

Kommentoin ensisijaisesti ns. allasmallia, koska se on mielestÀni mielikuvana harhaanjohtava. Vaikka hiilidioksidin (CO2) kierto ilmakehÀn ja biomassan vÀlillÀ on ns. nopea, poistuma tÀstÀ kierrosta on hidas. Eli ns. luonnolliset pÀÀstöt liittyvÀt lÀhinnÀ tÀhÀn kiertoon, eivÀtkÀ siten ole ns. aitoja pÀÀstöjÀ.

Voidaan ajatella, ettÀ ilmakehÀ, kasvava ja maatuva biomassa sekÀ valtameret ovat ns. allas, jossa hiili on eri muodoissaan. Kun tÀhÀn kiertoon lisÀtÀÀn hiilidioksidia, muutos ei vastaa padolla padottua jÀrveÀ tai muuta vastaavaa vesiallasta. Se ennemmin vastaa allasta (esim. iso saavi), jonka yksi sivu on korvattu paksulla kankaalla, joka lÀpÀisee vettÀ hitaasti (symboli kierrosta poistuvalle CO2:lle). Poistuma on siis hidas, myös lisÀhiilen saapuminen luonnollisesti on hidasta, kun esim.mineralisoitunut hiili palaakiertoon.

Kun nyt alamme lisĂ€tĂ€ nestettĂ€ (symboli hiilelle, pÀÀosin CO2:ta) tĂ€hĂ€n saaviin, sen pinta alkaa nousta varsin nopeasti. Huomaa, ettĂ€ vesi voi kyllĂ€ kiertÀÀ saavin sisĂ€llĂ€ vapaasti (ilmakehĂ€, biokehĂ€, valtameret), mutta poistuminen mineraaleiksi tai muihin pitkĂ€aikaisiin nieluihin on erittĂ€in hidas. NiinpĂ€, vaikka nesteen (eli CO2 pÀÀstöjen) lisÀÀminen loppuisi, kestÀÀ kauan ennen kuin neste pÀÀsee poistumaan jĂ€rjestelmĂ€stÀ 

Toivottavasti tÀmÀ mielikuva auttaa ymmÀrtÀmÀÀn eroa ns. allas-ajattelun ja ilmaan kertyvÀn hiilen vÀlillÀ. Hiili ei kerry vain ilmakehÀÀn, vaan myös biokehÀÀn ja meriin. Ja se kiertÀÀ nÀiden vÀlillÀ vapaasti. Mutta tÀmÀ on tÀysin eri asia kuin ettÀ systeemiin lisÀtÀÀn uutta hiiltÀ kallioperÀstÀ polttamalla sinne vuosimiljoonien aikana kertynyttÀ kivihiiltÀ.

TÀmÀ on mielestÀni ihan hyvÀ havainnollistus. Usein asioiden miettimistÀ helpottaa, jos niistÀ pystyy rakentamaan itselleen jonkinlaisen kÀytÀnnöllisen mielikuvan. Hiilidioksidin kanssa tÀmÀ on erityisen vaikeaa, koska hiilen kierrossa on niin monta aikaskaalaa. TÀssÀ kuitenkin nyt yksi apuvÀline ajatteluun, kiitokset Jukka!

Kiitos vastauksistanne. Jatkokysymys oli nĂ€emmĂ€ jÀÀnyt holdiin


Minusta nĂ€yttÀÀ vĂ€hĂ€n siltĂ€, ettĂ€ vastauksissa sekoitetaan sujuvasti kahta eri kiertomekanismia: hiilen nopea kierto vain ilmakehĂ€ssĂ€ ja hitaampi kierto, jossa on biosfÀÀri ja meret mukana. Onko nyt niin, ettĂ€ “ilmakehĂ€n hiilidioksidista” puhuttaessa te tarkoitatte tĂ€tĂ€ laajaa kiertoa, kun minĂ€ olen tarkoittanut pelkkÀÀ suoraviivaista ilmakehĂ€n tarkastelua?

Onko nopean kierron osalta edes suurempaa erimielisyyttÀ: ihminen tuottaa ilmakehÀn CO2:sta sen n. 5% ja loput 95% on perÀisin luonnon prosesseista. Kaikki ilmakehÀn hiili myös poistuu muutamassa vuodessa luontaisiin prosesseihin. IlmakehÀn CO2-pitoisuuden kasvussa ei siis ole kyse siitÀ, ettÀ juuri fossiilinen hiili jÀisi ilmakehÀÀn vaan pÀÀosin olisi kyse luonnon mekanismeista palautuvasta hiilestÀ.

Hitaampi kierto onkin sitten hankalampi tapaus. EnsinnÀkin pitÀisi uskoa, ettÀ biosfÀÀrin prosessit osattaisiin mallintaa numeerisesti riittÀvÀn tarkasti. Kun hiilen kulkeutumiseen merissÀkin liittyy suuria epÀvarmuuksia, niin en ihan pureksimatta niele ajatusta. Varmaankin saadaan laskettua numeroita mutta paljonko niiden laskemiseen liittyy oletuksia ja epÀvarmuuksia?

Joka tapauksessa ilmakehÀssÀ oleva CO2 on pÀÀasiassa biosfÀÀrin kierrosta perÀisin. Jokin osuus tÀstÀ toki on alkujaan fossiilista hiiltÀ, mutta ei kai ole mitÀÀn syytÀ olettaa, ettÀ kaikki ilmakehÀn ylimÀÀrÀinen CO2 olisi juuri fossiilista? NiinpÀ yllÀ esitetty tulkinta delta-C13:sta ei oikein vakuuta. Pikemminkin C13-anomalia viittaa siihen, ettÀ ilmakehÀn ylimÀÀrÀinen hiili olisi perÀisin hajoavasta biomassasta.

Koska kasvillisuuden globaalia lÀhtötilaa 1600-1800 luvuilla ei ole mitenkÀÀn tarkasti inventoitu, niin miten voidaan sulkea pois maankÀytön muutokset CO2-pitoisuuden kasvun aiheuttajana? Paljon on raivattu metsÀÀ pelloksi tai muuten vain tuhottu ja melkoisen osan pelloistakin on eroosio tuhonnut. Toki maankÀyttö ja sen muutokset on mukana pikku tÀppÀnÀ tilastoissa - mutta onko niitÀ laskettu edes sinne pÀin oikein?