Kasvihuoneilmiön voimistumisen vaikutus ilmastoon

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. Auringon- säteily Lämpö- säteily Maa 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 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 CO2:ta 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. IHMISEN AIHEUTTAMAT LUON- TAISET ILMASTOA MUUTTAVAT TEKIJÄT (= säteilypakote) Maapallon 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) • 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! Hiukkasia Hiukkasia

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% 1°C:n lämpenemistä kohti • Vesihöyryn lisääntyminen tärkeä ilmaston muutoksia voimistava palauteilmiö!

19. 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

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 Meri- jää 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 Periaatteessa 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(60°N, 25°E) 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 15.7°C

42. Kesän keskilämpötila Suomessa v. 1901-2011:havainnot sellaisenaan ja nykyilmastoa vastaaviksi korjattuina 15.7°C

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 / 1°C – olettaen että kaikki merivesi lämpenisi yhtä paljon • Tässäkin pitkä viive: lämpeneminen leviää pinnalta merten syvänteisiin vuosisatojen/-tuhansien kuluessa

49. Ilmastonmuutosten hillitseminen(lyhyesti)

50. IHMISEN AIHEUTTAMAT LUON- TAISET ILMASTOA MUUTTAVAT TEKIJÄT (= säteilypakote) Maapallon ilmastoa muuttavia ihmisen toiminnasta ja luonnollisista tekijöistä johtuvia säteilypakotteita. Muutokset vuodesta 1750 vuoteen 2005. Lämmittävät tekijät Jäähdyttävät tekijät Heikki Tuomenvirta / IL