Havaintoja ihmisen aiheuttamasta ilmastonmuutoksesta

Meillä on paljon havaintoja Maapallon pinnan keskimääräisestä lämpenemisestä viimeisien vuosikymmenien aikana. Pintalämpötilamittaukset maalta ja mereltä [1,2], satelliittimittaukset [3,4], säähavaintopallomittaukset [5], meren lämpötilan mittaukset [6] ja porausreikien lämpötilamittaukset [7] näyttävät selkeää lämpenemistä Maapallon keskilämpötilassa. Näitä tukevat lämpenemisen indikaattorit, kuten muutokset eliölajien käyttäytymisessä ja esiintymisalueissa [8], sulavat jäätiköt [9], nouseva merenpinta [10], katoava merijää [11], yms.

Kuva 1. Maapallon pintalämpötilan kehitys kuvattuna 11 vuoden liukuvilla keskiarvoilla. Mittaussarjat ovat lähteistä [1] ja [2].

Hiilidioksidin on osoitettu kykenevän pysäyttämään osan lämpösäteilystä lukemattomissa laboratoriokokeissa, alkaen John Tyndallin julkistamista tuloksista vuonna 1859 [12]. Hän jo pystyi osoittamaan sen yksinkertaisen tosiseikan, että hiilidioksidi pysäyttää osan lämpösäteilystä. Sittemmin hiilidioksidin lämpösäteilyn pysäyttämiskykyä on tutkittu monenlaisissa eri olosuhteissa, esim. erilaisissa paineolosuhteissa, erilaisilla hiilidioksidipitoisuuksilla, erilaisissa kaasuseoksissa, eri säteilytaajuusalueilla, ja niin edelleen [13]. Kaikilla näillä laboratoriotutkimuksilla on yksi yhteinen nimittäjä; ne kaikki ovat tarkentaneet tietojamme hiilidioksidin ominaisuuksista. Tänään olemme entistä varmempia, että hiilidioksidi pysäyttää osan lämpösäteilystä. Lisäksi meillä on hyvä käsitys siitä, kuinka se sen tekee ja miten suuri sen vaikutus on [13].

Sen lisäksi, että olemme mitanneet hiilidioksidin lämpösäteilyn pidätyskykyä laboratorioissa, olemme myös mitanneet samat ominaisuudet suoraan ilmakehästä. Esimerkiksi satelliittien avulla pystymme mittaamaan Maapallon ulossäteilemän lämpösäteilyn spektrin, eli säteilyn voimakkuuden eri taajuuksilla, ja siinä näkyy samat piirteet kuin laboratoriomittauksissakin [14]. Pystymme erottamaan spektristä eri molekyylien vaikutukset (kuten hiilidioksidin ja vaikkapa muidenkin ihmisten ilmakehään päästämien yhdisteiden) [15]. Kaikki kasvihuonekaasut näkyvät lämpösäteilyn spektrissä juuri sen vuoksi, että ne pystyvät pidättämään lämpösäteilyä. Jokaisella kaasumolekyylillä on sille ominaiset taajuudet, joilla se pidättää lämpösäteilyä. Niinpä spektrissä näkyykin kuoppa kaikkien ilmakehässä olevien molekyylien ominaistaajuuksien kohdalla (jos kyseisiä molekyylejä on tarpeeksi ilmakehässä). Spektristä voi myös määritellä paljonko kyseisiä kaasuja ilmakehässä on. Nämä suorat mittaukset hiilidioksidin lämmönpidätyskyvystä laboratoriossa ja ilmakehässä tehtynä eivät paljasta yhtään sellaisia ominaisuuksia, jotka olisivat ristiriidassa ihmisen aiheuttaman ilmastonmuutoksen teorian kanssa.

Teorian mukaan auringonvalo lämmittää ensin maan ja meren pintaa ja lämmennyt pinta lähettää sitten lämpösäteilyä. Pinnan lähettämä lämpösäteily kohtaa ilmakehässä kasvihuonekaasuja, jotka pysäyttävät osan säteilystä ja sitten lähettävät säteilyn uudelleen mielivaltaiseen suuntaan, jolloin noin puolet palaa takaisin maan pintaa kohti. Kun kasvihuonekaasujen pitoisuus ilmassa kasvaa, ne pidättävät enemmän lämpösäteilyä ja enemmän säteilystä palaa takaisin maan pinnalle. Näin ilmakehän alakerroksissa lentelevää lämpösäteilyä on enemmän ja se taas tarkoittaa lämpötilan nousua. Vastaavasti ylemmässä ilmakehässä, erityisesti stratosfäärissä (noin 15-50 km korkeudella), on vähemmän lämpösäteilyä ja se tarkoittaa viilenemistä [16]. Stratosfäärin odotettu viileneminenkin on havaittu mittauksissa [17].

Tiedämme siis, että hiilidioksidi kykenee pysäyttämään lämpösäteilyä. Lisäksi tiedämme, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on ollut vakaassa nousussa vuosikymmenien ajan. Tiedämme sen ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden mittauksista, jotka on mitattu suoraan ilmakehästä monilla eri tavoilla. Olemme mitanneet hiilidioksidipitoisuuden nousun ilmanäytteistä mittaamalla. Tarkat mittaukset aloitti Charles Keeling 1950-luvulla [18], mutta sitä ennenkin oli jo tehty paljon vastaavia mittauksia [19], mutta sen verran huonolla tarkkuudella, että ennen Keelingin työtä emme pystyneet määrittelemään hiilidioksidipitoisuuden pitkän ajan muutoksia ilmakehässä. Näitä näytteitä otetaan edelleen monista paikoista Maapallolta [20]. Näytteitä otetaan esimerkiksi lentokoneista tai mittausasemien läheisestä ilmasta. Monilla mittausasemilla näytteenotto on nykyään automaattista. Olemme myös mitanneet hiilidioksidipitoisuutta monin eri tavoin suoraan ilmakehästä spektrimittauksia hyödyntämällä [19]. Pystymme mittaamaan hiilidioksidipitoisuuden muun muassa auringonvalosta maan pinnalta käsin, heijastuneesta auringonvalosta satelliittien avulla [21] ja Maapallon ulossäteilemästä lämpösäteilystä, sekin satelliittien avulla [22]. Huomion arvoista on se, että kun mittaamme hiilidioksidipitoisuuden Maan säteilemästä lämpösäteilystä, me itse asiassa mittaamme suoraan hiilidioksidin aiheuttaman kasvihuoneilmiön suuruutta. Nykyään alkaa olla arkipäivää hiilidioksidipitoisuuden mittaaminen satelliiteista Maapallon eri paikoissa lyhyin väliajoin, joten meillä on tiedossa miten hiilidioksidipitoisuus vaihtelee eri alueilla [23].

Kuva 2. Ilman hiilidioksidipitoisuuden vuotuiset keskiarvot mitattuna kolmelta eri paikalta; Etelänavalta, Havaijilta (Mauna Loa) ja Alaskasta. Mittaussarjat ovat lähteestä [20].

Tiedämme siis, että hiilidioksidi kykenee pysäyttämään lämpösäteilyä ja että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa. Lisäksi tiedämme, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvu johtuu pääasiassa ihmiskunnan polttamasta fossiilisesta hiilestä. Tiedämme sen, koska fossiilisesta hiilestä peräisin oleva hiilidioksidi on hiukan erilaista kuin ilmakehässä oleva hiilidioksidi keskimäärin. Ero on hiilidioksidissa olevan hiiliatomin massassa. Atomeita, jotka ovat muuten samanlaisia, mutta niiden massa on erisuuruinen, kutsutaan isotoopeiksi. Käytännössä massan ero isotoopeissa johtuu atomin ytimessä olevien neutronien määrästä. Hiilen luonnossa esiintyvät isotoopit ovat ¹²C, ¹³C ja ¹⁴C, jossa ¹²C on kevyin ja ¹⁴C raskain. Kun arvioidaan, mistä lähteestä ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden lisäys on tullut, isotooppi ¹⁴C on oleellisin. Isotooppia ¹⁴C kutsutaan myös radiohiileksi. Isotoopeista ¹²C ja ¹³C poiketen radiohiili ei ole vakaa, vaan hajoaa itsestään puoliintumisajan ollessa 5730 vuotta [24]. Uutta radiohiiltä syntyy ilmakehässä kosmisten säteiden reagoidessa typpiatomien kanssa, joten ilmakehässä on aina myös hiukan radiohiiltä, vaikka sen elinikä onkin rajallinen. Sen takia elävät kasvit käyttävät yhteyttämisessä myös hiukan radiohiiltä ja silloin myös elävien kasvien tuhoutuessa (esim. polttamalla) niistä vapautuu muiden isotooppien mukana myös hiukan radiohiiltä. Sen sijaan fossiilisissa polttoaineissa (öljy, kivihiili) ei ole radiohiiltä ollenkaan. Fossiiliset polttoaineet ovat peräisin miljoonia vuosia sitten fossilisoituneista kasveista ja koska radiohiili hajoaa itsestään pikku hiljaa, käytännössä katsoen kaikki radiohiili on ehtinyt poistumaan fossiilisista polttoaineista. Niinpä fossiilisia polttoaineita poltettaessa ilmakehään ei vapaudu lainkaan radiohiiltä. Me pystymme mittaamaan ilmakehän isotooppikoostumuksen ja sellaisissa mittauksissa on havaittu, että hiilidioksidipitoisuuden noustessa ilmakehän radiohiilipitoisuus laskee [25]. Tämä voidaan selittää ainoastaan sillä, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden lisäys on peräisin fossiilisista polttoaineista (ja tämä tunnetaan nimellä Suessin efekti).

Meillä on toinenkin hiilen isotooppeihin liittyvä menetelmä, jolla saadaan radiohiilimenetelmää tukeva tulos. Kasvit suosivat kevyitä hiilen isotooppeja, joten niissä on eniten isotooppia ¹²C. Fossiileista peräisin oleva hiili on pääosin muodostunut muinaisista kasveista ja isotoopit ¹²C ja ¹³C ovat vakaita isotooppeja (eli ne eivät hajoa itsestään), joten niiden osalta fossiileista peräisin olevan hiilen isotooppikoostumus on melkein sama kuin nykykasveilla. Ilmakehän mittaukset ovat paljastaneet, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvu on peräisin hiilestä, jossa on paljon kevyintä hiilen isotooppia (¹²C). On havaittu, että ilmakehässä hiilen isotooppi ¹²C yleistyy ja samalla isotooppi ¹³C harvinaistuu. Tämä on juuri odotettu tulos jos lisähiilidioksidi on peräisin fossiilisesta hiilestä tai kasveista. Isotoopin ¹³C harvinaistuminen on tapahtunut samaan aikaan kuin fossiilisten polttoaineiden päästöt ovat lisääntyneet, joten sen perusteella on todennäköistä, että hiilidioksidin lisäys on pääosin fossiilisista polttoaineista [26]. Kun vielä huomioidaan yllä kuvatut isotooppiin ¹⁴C liittyvät havainnot, on jo käytännössä varmaa, että lisäys on fossiilisista polttoaineista peräisin. Hiilidioksidia ei saada ilmakehään pitoisuuden muutoksen edellyttämiä määriä muutenkaan kuin ihmiskunnan polttamasta puusta (ja sen takia hävitetyistä metsistä) ja fossiilisista polttoaineista (öljy, kivihiili). Esimerkiksi tulivuorista, joita yleisesti pidetään merkittävinä hiilidioksidin lähteinä, tulee ilmakehään paljon vähemmän hiilidioksidia kuin ihmiskunnan päästöistä. Tulivuorien hiilidioksidipäästöt ovat noin 1 % ihmiskunnan hiilidioksidipäästöistä [27].

Tiedämme siis, että hiilidioksidi kykenee pysäyttämään lämpösäteilyä ja että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa ihmisestä johtuen. Lisäksi tiedämme, että Maapallon ulossäteilemä lämpösäteily vähenee kasvihuonekaasujen spektrialueilla ja Maapallon pinnalle tulee ilmakehästä kasvava määrä lämpösäteilyä. Senkin tiedämme suorista mittauksista. Olemme mitanneet Maapallon ulossäteilevän lämpösäteilyn vähenevän juuri niissä spektrin osissa, jossa hiilidioksidin tiedetään pysäyttävän lämpösäteilyä [28]. Lisäksi tuo mitattu väheneminen vastaa suuruudeltaan hyvin sitä, mitä ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden perusteella on odotettavissa [29]. Olemme myös mitanneet Maapallon pinnalle saapuvan lämpösäteilyn kasvavan [30]. Tässäkin tapauksessa kasvun määrä sopii kasvihuonekaasujen pitoisuuksien odotettuun vaikutukseen ja olemme jopa mitanneet muutoksen hiilidioksidin spektrialueelta [31]. Maapallon lähettämä lämpösäteily näyttää siis vähenevän hiilidioksidin spektrialueella ja tämä uloslähtevän säteilyn vähennys näyttäisi näkyvän Maapallon pinnalle saapuvan säteilyn lisääntymisenä hiilidioksidin spektrialueella.

Yllä mainittujen asioiden lisäksi meillä on paljon tutkimustietoa, joka viittaa siihen, että hiilidioksidilla on ollut merkittävä rooli menneiden aikojen ilmastonmuutoksissa. Menneinä aikoina ei tosin ollut ihmiskuntaa syytämässä hiilidioksidia taivaalle, mutta silloin muutokset Maapallon pinnalle tulevassa auringonvalon määrässä aiheuttivat ensin hiukan lämpenemistä, joka sitten aiheutti hiilidioksidipitoisuuden kasvua ilmakehässä. Tämä johtui pääasiassa muutoksista lämpenevässä meressä. Lämpenevä meri voi aiheuttaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvua ainakin kolmella eri tavalla; lämpeneminen vaikuttaa hiilidioksidin liukenemiseen meriveteen, meren sekoittumisen lisääntymiseen (joka huuhtoo syvemmältä lisää hiilidioksidia esiin) ja meren biologiseen toimintaan (joka käyttää hiilidioksidia). Näin kasvanut ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ja siitä seuranneet vaikutukset sitten vahvistivat alkaneen ilmastonmuutoksen paljon voimakkaammaksi [32]. Menneinä aikoina hiilidioksidipitoisuus on joskus ollut hyvinkin korkea, moninkertaisesti korkeampi kuin nykyään, ja pääsääntöisesti silloin on myös ollut lämpimämpää kuin nykyään tai sitten meillä on hyvä selitys miksei ollut [32, 33].

Suurin osa yllämainitusta tiedosta on peräisin suorista mittauksista tukeutumatta teorioihin tai ilmastomalleihin. Olemme siis pelkillä mittauksilla pystyneet määrittelemään, että hiilidioksidi aiheuttaa Maapallon lämpenemistä (lisääntyvä lämpösäteily Maapallon pinnalla aiheuttaa pinnan lämpenemistä), eikä viime vuosikymmeninä ole ollut muita tunnettuja tekijöitä, jotka olisivat voineet aiheuttaa havaitun lämpenemisen. Hiilidioksidi yksinään kuitenkin vaikuttaa vain vähän Maapallon pinnan lämpötilaan, ehkä noin yhden Celsius-asteen verran keskimäärin hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistuessa. Kun hiilidioksidi lämmittää Maapalloa, tämä lämpeneminen aiheuttaa erinäisiä asioita. Lämpeneminen esimerkiksi sulattaa lunta ja jäätä. Kun lumi ja jää sulaa tietyltä alueelta paljastaen maan- tai merenpinnan, kyseisen alueen heijastuskyky muuttuu. Lumi ja jää heijastavat auringonvaloa paljon paremmin kuin maan- ja merenpinta. Kun auringonvaloa heijastuu vähemmän takaisin avaruuteen, auringonvaloa jää enemmän maan- tai merenpinnalle lämmittämään niitä. Tämä on esimerkki siitä, kuinka hiilidioksidin lämmitysvaikutus saa aikaan seurannaisvaikutuksen, jolla on lisää lämmittävä vaikutus. Tällaisia vaikutuksia kutsutaan takaisinkytkennöiksi tai palautevaikutuksiksi. Jos seurannaisvaikutuksella on lisää lämmittävä vaikutus, sanotaan sen olevan positiivinen takaisinkytkentä ja jos seurannaisvaikutus hillitsee lämpenemistä, sanotaan sen olevan negatiivinen takaisinkytkentä.

Takaisinkytkentöjen tutkimuksissa on ilmennyt, että on monia positiivisia takaisinkytkentöjä, mutta vain vähän negatiivisia takaisinkytkentöjä. Merkittävimmät takaisinkytkennät ovat vesihöyryn ja pilvisyyden muutokset. Vesihöyryn takaisinkytkentä on todettu monissa mittauksissa selvästi positiiviseksi [34]. Lämmetessään ilmakehä pystyy pitämään yllä suurempaa vesihöyrypitoisuutta ja koska vesihöyry on erittäin voimakas kasvihuonekaasu, se aiheuttaa paljon lisää lämpenemistä. On yleisesti tiedossa, että pilvisyyden muutoksiin sisältyy suurin epävarmuus tällä hetkellä ennustettaessa tulevan lämpenemisen määrää. Ongelma johtuu lähinnä siitä, että meillä ei ole ollut tarpeeksi vakaita ja tarkkoja mittauksia tarpeeksi pitkältä ajalta, jotta olisimme pystyneet mittaamaan pilvien muutokset lämpenemisen yhteydessä tarpeeksi tarkasti [35]. Tilanne on parhaillaan korjaantumassa ja viimeisimmät tutkimustulokset osoittavat pilvien takaisinkytkennän olevan positiivinen [36]. Jos tämä pitää paikkansa, se tarkoittaa sitä, että hiilidioksidin aiheuttama lopullinen lämmitysvaikutus on suuri, koska pilvien muutokset on ollut jokseenkin ainoa tekijä, josta on voitu arvella aiheutuvan voimakas negatiivinen takaisinkytkentä. Jos pilvetkin ovat positiivinen takaisinkytkentä, kuten viimeisten tutkimustulosten valossa näyttää, ei ole enää paljon asioita, jotka voisivat hillitä voimakasta lämpenemistä tulevaisuudessa.

Kiitän Eskoa, Kaitsua, Jaria, Mattia ja Timoa hyvistä kommenteista tekstini parantamiseksi.

Lähteet

1. NASA GISS (Goddard Institute for Space Studies) pintalämpötila-analyysi

2. HadCRUT3 (Hadley Centre ja Climate Research Unit, East Anglia) pintalämpötila-analyysi

3. RSS (Remote Sensing Systems)

4. UAH (University of Alabama in Huntsville) (linkki on suoraan UAH:n dataan, heillä ei tunnu olevan omaa kunnollista sivustoa)

5. HadAT: Upper-air temperatures from weather balloons

6. Pierce et al. (2006), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Anthropogenic Warming of the Oceans: Observations and Model Results”

7. Huang et al. (2000), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Temperature trends over the past five centuries reconstructed from borehole temperatures”

8. Parmesan (2006), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Ecological and Evolutionary Responses to Recent Climate Change”

9. Zemp et al. (2009), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Six decades of glacier mass-balance observations: a review of the worldwide monitoring network”

10. Church & White (2006), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”A 20th century acceleration in global sea-level rise”

11. Comiso et al. (2008), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Accelerated decline in the Arctic sea ice cover”

12. Wikipedia: Tyndall’s Setup For Measuring Radiant Heat Absorption By Gases

13. AGW Observer: Papers on laboratory measurements of CO2 absorption properties

14. Niro et al. (2005), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Spectra calculations in central and wing regions of CO₂ IR bands between 10 and 20 μm. III: atmospheric emission spectra”

15. Clerbaux et al. (2003), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Trace gas measurements from infrared satellite for chemistry and climate applications”

16. Uherek (2006), [koko artikkeli], ”Stratospheric cooling”

17. AGW Observer: Papers on temperature trends in stratosphere

18. Keeling (1960), [koko artikkeli], ”The concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in the atmosphere”

19. AGW Observer: Papers on atmospheric carbon dioxide concentration measurements

20. CDIAC Trends: Atmospheric Carbon Dioxide and Carbon Isotope Records

21. Buchwitz et al. (2007), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”First direct observation of the atmospheric CO₂ year-to-year increase from space”

22. Chédin et al. (2003), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”First global measurement of midtropospheric CO2 from NOAA polar satellites: Tropical zone”

23. Buchwitz (2008), [koko artikkeli], ”Visualization of the global distribution of greenhouse gases using satellite measurements”

24. Wikipedia: Suess effect

25. Levin & Hessheimer (2000), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Radiocarbon – a unique tracer of global carbon cycle dynamics”

26. RealClimate, Steig (2004), ”How do we know that recent CO₂ increases are due to human activities?”

27. Hards (2005), [koko artikkeli], ”Volcanic Contributions to Global Carbon Cycle”

28. AGW Observer: Papers on changes in OLR due to GHG’s

29. Griggs & Harries (2004), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Comparison of spectrally resolved outgoing longwave data between 1970 and present”

30. AGW Observer: Papers on changes in DLR

31. Evans & Puckrin (2006), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Measurements of the Radiative Surface Forcing of Climate”

32. AGW Observer: Papers on GHG role in historical climate changes

33. Royer (2008), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Linkages between CO₂, climate, and evolution in deep time”

34. AGW Observer: Papers on water vapor feedback observations

35. Loeb et al. (2007), [tiivistelmä], ”Variability in global top-of-atmosphere shortwave radiation between 2000 and 2005”. Oleellinen lainaus: ”As a minimum, radiation budget instruments should be stable enough to detect a change in net cloud forcing corresponding to a 25% cloud feedback. A 25% cloud feedback would reduce or amplify the influence of the anthropogenic radiative forcing by the same amount. Estimates of anthropogenic total radiative forcing in the next few decades are 0.6 Wm⁻² per decade [IPCC, 2001, Figure 9.13]. A 25% cloud feedback would change cloud net radiative forcing by 25% of the anthropogenic radiative forcing, or 0.15 Wm⁻² per decade. The global average shortwave (SW) or solar reflected cloud radiative forcing by clouds is ~50 Wm⁻², so that the observation requirements for global broadband radiation budget to directly observe such a cloud feedback is approximately 0.15/50 = 0.3% per decade in SW broadband calibration stability [Ohring et al., 2005]. Achieving this stability per decade in calibration is extremely difficult and has only recently been demonstrated for the first time by the ERBS and CERES broadband radiation budget instruments [Wong et al., 2006; Loeb et al., 2007].”

36. Clement et al. (2009), [tiivistelmä, koko artikkeli], ”Observational and Model Evidence for Positive Low-Level Cloud Feedback”