Vesihöyryn vaikutus ilmakehän lämpötilaan?

Vesihöyryn vaikutus ilmakehän lämpötilaan?

Hei, kiitos tärkeästä peruskysymyksestä!

Vesihöyry on hyvin tärkeä kasvihuonekaasu ilmakehässä. Itse asiassa se on tärkein kaasu luonnollisessa kasvihuoneilmiössä, joka tekee maapallosta elinkelpoisen. Ilmakehän luonnollisen kasvihuoneilmiön ansiosta maapallo on 32 astetta lämpimämpi kuin se olisi ilman ilmakehää. Maapallon keskilämpötila on noin +14 C (keskiarvo vuosille 1951-1980 [1]), ja ilman kasvihuoneilmiötä keskilämpötila olisi noin -18 C. Jos meillä ei olisi ilmakehää ja luonnollista kasvihuoneilmiötä, vesi olisi jäätyneenä lähes kaikkialla maapallolla ja nykyisenkaltainen elämä ei olisi mahdollista. Tästä luonnollisesta kasvihuoneilmiöstä ilman vesihöyry tuottaa 60 %, seuraavaksi tärkein kaasu hiilidioksidi tuottaa 26 %, ja näiden jälkeen metaani, ilokaasu ja otsoni vastaavat lopusta. Vesihöyrystä tekee tärkeän kasvihuonekaasun kaksi asiaa: 1) se imee maan lähettämää lämpösäteilyä hyvin monilla aallonpituuksilla, ja 2) sen pitoisuus eli määrä ilmakehässä on suuri. Vesihöyryä on ilmakehässä paljon enemmän kuin hiilidioksidia: vesihöyryä on noin 0,4 % ilmasta, kun hiilidioksidia noin 0,04 % eli 0,4 promillea (400 ppm = 400 miljoonasosaa).

Ilmastonmuutoksessa - joka on siis kasvihuoneilmiön voimistumista lisääntyneen kasvihuonekaasujen määrän takia - vesihöyryllä on myös tärkeä rooli: se voimistaa ilmastonmuutosta. Vesihöyryn määrää ilmakehässä säätelee ilman lämpötila: mitä korkeampi lämpötila, sitä enemmän vettä haihtuu ja sitä enemmän vesihöyryä sama ilmamäärä sisältää. Fysiikan termein puhutaan saturaatiohöyrynpaineesta, joka kasvaa lämpötilan mukana: mitä korkeampi lämpötila, sitä enemmän höyryä ilmaan mahtuu. Ihminen ei pysty kontrolloimaan vesihöyryn määrää ilmakehässä: kun ilma on saavuttaa kastepisteen (saturaation), vesi sataa alas sadepisaroissa tai tiivistyy pinnoille. Näin vesihöyryn määrä ilmakehässä on palautemekanismi, joka vahvistaa ilmaston lämpenemistä. Kun ilmastomme lämpenee, lämmin ilmakehä sisältää enemmän vesihöyryä, ja koska vesihöyry on kasvihuonekaasu, lisääntynyt vesihöyryn määrä ilmakehässä lämmittää ilmastoa. Jos hiilidioksidi aiheuttaa tietyn määrän lämpenemistä (esimerkiksi 0,5 C), niin lisääntynyt vesihöyryn määrä tekee tuon lämpenemisen todellisuudessa noin kaksinkertaiseksi (tässä tapauksessa siis noin 1 C).

Vesihöyry ilmastonmuutoksessa ei ole siten muutoksen syy, vaan seurausmekanismi. Tästä syystä esimerkiksiksi IPCC:n säteilypakotekuvassa [2], joka listaa ilmastonmuutoksen aiheuttajat, alailmakehän vesihöyry ei ole mukana. Se on kuitenkin laskettu mukaan siihen lämpenemiseen, joka näistä säteilypakotteista aiheutuu. Eli kaikki ilmastoennusteet (esim. IPCC:n raporteissa) sisältävät vesihöyryn vaikutuksen.

Miksi vesihöyry sitten on niin tehokas kasvihuonekaasu? Syy löytyy molekyylirakenteesta: vesihöyrymolekyyli (H2O eli kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi) on epäsymmetrinen, “Mikki Hiiren pään muotoinen” molekyyli. Epäsymmetrisessä molekyylissä sähkövaraus on jakautunut epätasaisesti molekyylin sisällä ja tällainen molekyyli vuorovaikuttaa lämpösäteilyn kanssa hyvin voimakkaasti. Sanotaan, että kasvihuonekaasut imevät eli absorboivat lämpösäteilyä. Molekyylitasolla se tarkoittaa sitä, että lämpösäteily saa molekyylin pyörimään ja värähtelemään - ja vesihöyrymolekyylillä näitä pyörimis- ja värähtelymahdollisuuksia (puhtaan erilaisista energiatiloista) on hyvin paljon. Vesihöyry imee lämpösäteilyä hyvin monilla aallonpituuksilla - itse asiassa paljon useammilla aallonpituuksilla kuin hiilidioksidi [3].

Ilmastonmuutoksen aiheuttajaksi vesihöyrystä ei kuitenkaan ole (kuten yllä selitetty), vaan muutoksen aiheuttaa hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen lisääntyminen (tai muutokset muissa ilmastoon vaikuttavissa tekijöissä). Vesihöyry sitten vahvistaa tätä muutosta.

Terveisin,
Sanna-Liisa Sihto-Nissilä
(FT, Ilmasto.nyt-kurssin opettaja Aalto-yliopisto)

[1] https://earthobservatory.nasa.gov/world-of-change/global-temperatures

[2] IPCC:n uusimmasta raportista (2021, Figure 4.1., https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/) säteilypakotteen aiheuttajat ilmastonmuutoksessa:

Huom!: Troposfäärin (alin ilmakehän kerros, jossa pilvet ja sääilmiöt esiintyvät) vesihöyry vahvistaa muiden kasvihuonekaasujen aiheuttaman lämpenemisen noin kaksinkertaiseksi.

Kuvassa on merkitty stratosfäärin (ilmakehän kerros noin 10-50 km:n korkeudessa) vesihöyry erikseen, koska tässä kerroksessa vesihöyry toimii ilmaston kannalta eri tavalla kuin alemman troposfäärin (0-10 km) vesihöyry. Stratosfäärin ilma ei ole suorassa kontaktissa maapallon pinnan veden kanssa eikä stratosfäärissä ole vesipisaroista koostuvia pilviä jotka sataisivat alas.)

[3] Tästä kuvasta näkee, miten laajalla aallonpituuksien alueella vesihöyry absorboi (maapallolta lähtevä säteily on infrapuna-alueen lämpösäteilyä, ja tähän säteilyyn kasvihuoneilmiö liittyy):

(Kuvan lähde: http://www.ces.fau.edu/nasa/module-2/how-greenhouse-effect-works.php)

Miten hiilidioksidi pystyy lämmittämään väitetyllä tavalla, koska sen rakenne on synmetrinen?

1 Like

Kiitos vastauksestasi.

Kysyin vesihöyrystä koska kostean ilman termodynamiikka on ollut meikäläisen leipälaji eräiden kuivatuslaitteiden parissa ja tietenkin koska ilmastomuutos ilmiönä sinänsä kiinnostaa minua. Siksi vastauksesi herätti muutaman kysymyksen, joita tässä nyt yritän pohtia.
”Vesihöyryn määrää ilmakehässä säätelee ilman lämpötila: mitä korkeampi lämpötila, sitä enemmän vettä haihtuu ja sitä enemmän vesihöyryä sama ilmamäärä sisältää.”
Näinhän se pääsääntöisesti tietysti on paria poikkeusta lukuun ottamatta. Vesihöyryn määrää ilmassa säätää kosteusgradientti: haihtuminen tapahtuu aina korkeammasta kosteuspitoisuudesta alemman pitoisuuden suuntaan. Siksi esimerkiksi samassa lämpötilassa haihtuminen/ tiivistyminen on mahdollista. Samasta syystä tiettyjen olosuhteiden vallitessa, vaikka ilman lämpötila on korkeampi kuin pinnan , niin kosteutta tiivistyy pinnalle, eikä päinvastoin.
”kun ilma on saavuttaa kastepisteen (saturaation), vesi sataa alas sadepisaroissa tai tiivistyy pinnoille. Näin vesihöyryn määrä ilmakehässä on palautemekanismi, joka vahvistaa ilmaston lämpenemistä.”
Haihtunut vesi tietysti palautuu sateena maahan, mutta millä mekanismilla tämä vahvistaa ilmaston lämpenemistä? Pikemminkin vesihöyry kuljettaa energiaa pinnalta yläilmakehään.
”Kun ilmastomme lämpenee, lämmin ilmakehä sisältää enemmän vesihöyryä ja, koska vesihöyry on kasvihuonekaasu, lisääntynyt vesihöyryn määrä ilmakehkässä lämmittää ilmastoa.”
Mutta eikö samalla lämpötilan nousun myötä myös pilvisyys lisäänny haihdunnan kasvaessa? Pilvisyyden lisääntyessä puolestaan Auringon säteilyä pääsee vähemmän maahan seurauksena alailmakehän jäähtyminen, haihdunta vähenee ja pilvipeite pienenee kunnes sama kierto toistuu.
Jos alailmakehän lämpötila on keskimäärin 15C ja meren keskimääräinen pintalämpötila 16C, niin haihduttamiseen tarvittavasta energiasta noin 89% kuluu veden haihduttamiseen ja vain 11% kostean ilman lämmittämiseen.
Lämpötila yhdessä ilman kosteuden kanssa määrittää ilman lämpösisällön eli entalpian. Pelkkä lämpötilan muutos ei välttämättä ole mittari ilmaston muutokselle, eikä edes kerro ilmastomuutoksen suuntaa. Esimerkiksi ilma 15C HR 75% entalpia on noin 35 kJ/kg, mutta sama entalpia on myös ilmalla HR 0% lämpötila 35C! Helleraja 25C voidaan saavuttaa entalpiahaarukalla (25-75) kJ/kg. Jostain minulle tuntemattomasta syystä entalpiaa ei kuitenkaan lasketa, vaikka sääasemat mittaavatkin lämpötilan lisäksi myös ilman kosteuden.
Mitä suurempi ilman lämpösisältö eli entalpia on, niin suurempi määrä energiaa tarvitaan ilman lämpötilan muuttamiseen niin lämmittämiseen kuin jäähdyttämiseenkin, joten onko vesihöyryllä nettomääräisesti ilmakehää lämmittävä vaikutus vai ei puhumattakaan että se kaksinkertaistaa hiilidioksidin lämmittävän vaikutuksen – tälle väitteelle en ole löytänyt vakuuttavia perusteita.
Ruska terveisin
Kari Kivirauma

1 Like