Uudet tutkimukset paljastavat odotettua voimakkaamman ilmastonmuutoksen

Uusien tutkimusten mukaan maapallo saattaa lämmetä tulevaisuudessa huomattavasti. Ilmastoherkkyys näyttää asettuvan aiemman arviohaarukan ylälaitaan. Ilmastoherkkyys myös näyttäisi kasvavan ilmaston lämmetessä. Lisäksi ilmastoherkkyysarvioissa ei ole yleensä mukana hitaita palauteilmiöitä, jotka kasvattavat ilmastoherkkyyttä huomattavasti. Maapallo saattaa lämmetä satojen vuosien kuluessa yli kymmenen celsiusastetta, jos kasvihuonekaasujen päästöjä ei vähennetä. Arktisilla alueilla lämpeneminen on vielä voimakkaampaa, joten Suomikin saattaa lämmetä kymmenillä asteilla.

Ilmastoherkkyys kuvaa sitä, miten paljon maapallon lämpötila muuttuu, kun joku ilmastoa muuttava tekijä muuttuu. Nykyään asia ilmaistaan yleisesti lämpötilan nousuna ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistumista kohti.

Eri ilmastomalleissa ilmastoherkkyys vaihtelee suuresti, ja tämä tilanne on vallinnut jo vuosikymmenien ajan. Tämän seurauksena ilmastoherkkyyden arviot ovat vaihdelleet noin 1,5 ja 5 celsiusasteen välillä. On jopa käynyt niin, että tietojemme lisääntyessä arvioiden epävarmuus on lisääntynyt (Hannart ja muut, 2013). Suurin osa tästä laajasta arviohaarukasta johtuu epävarmuudesta pilvisyyden muutoksissa ilmaston lämmetessä. Alapilvien muutokset ovat tässä erityisen tärkeitä, sillä ne voivat vaikuttaa voimakkaasti tulevaan lämpenemiskehitykseen.

Seuraavassa esitellään muutama uusi tutkimus, joiden perusteella näyttää siltä, että todellinen ilmastoherkkyys on arvioiden ylälaidassa ja oikeastaan huomattavasti suurempi.

Pilvien epävarmuus ratkeamassa lämmittävään suuntaan

Sherwood ja muut (2014) ovat selvitelleet syitä pilvisyyden muutoksien aiheuttamaan epävarmuuteen ilmaston lämpenemisen määrässä. Heidän mukaansa vesihöyryn roolin ymmärtäminen pilvien muodostuksessa on oleellinen epävarmuuden pienentämiseksi.

Haihdunnan myötä ilmakehään nouseva vesihöyry voi joko nousta korkealle ilmakehään ja muodostaa rankkoja sateita tai jäädä matalammalle ja palata takaisin maanpinnalle muodostamatta sateita.

Sherwood ja muut huomasivat, että sellaisissa malleissa, joissa ilmastoherkkyys on vähäinen, simulaatioissa esiintyy liian vähän vesihöyryn jäämistä matalammalle ilmakehässä. Sellaisissa malleissa melkein kaikki vesihöyry kulkeutuu korkeammalle, ja sataa sieltä takaisin alas. Toisaalta mallisimulaatioissa haihdunta lisääntyy. Tämä merkitsee sitä, että pilvien määrä lisääntyy tilannetta väärin simuloivissa malleissa. Pilvien määrän lisääntyminen taas lisäisi auringonvalon heijastumista takaisin avaruuteen, mikä vähentäisi ilmaston lämpenemistä.

Näin ei kuitenkaan käy todellisuudessa, vaan vesihöyry kulkeutuu molempia reittejä ja pilvisyyden määrä itse asiassa näyttää vähenevän haihdunnan lisääntyessä. Sellaisissa ilmastomalleissa, joissa vesihöyryn kulkeutuminen on esitetty oikein, ilmastoherkkyys on suuri. Sherwoodin ja muiden mukaan ilmastoherkkyys näyttää olevan noin 3-5 celsiusastetta hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistuessa todennäköisimmän arvion ollessa neljä celsiusastetta.

Hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistuminen esiteolliseen aikaan verrattuna tulee nykytiedon mukaan tapahtumaan jo tällä vuosisadalla. Siksi voimme odottaa, että vuoteen 2100 mennessä maapallon ilmasto lämpenee vähintään neljä celsiusastetta, jos Sherwoodin ja muiden tulokset pitävät paikkansa, eikä asialle tehdä mitään ja päästöjen määrä kehittyy kuten yleisesti arvellaan.

Ilmastoherkkyys kasvaa ilmaston lämmetessä

Viime aikoina on saatu joitakin tutkimustuloksia, joiden mukaan ilmastoherkkyyden määrä riippuu ilmaston tilasta ilmastonmuutoksen alkaessa. Joissakin ilmastomalleissa ilmastoherkkyys lisääntyy ilmaston lämmetessä, mutta joissakin malleissa ilmastoherkkyydellä on minimi nykyilmastossa ja herkkyys lisääntyy sekä lämpimämmässä että kylmemmässä ilmastossa. Nykyilmastoa kylmemmän ilmaston suuremmasta ilmastoherkkyydestä ovat hiljattain raportoineet Kutzbach ja muut (2013).

Meraner ja muut (2013) ovat selvitelleet ilmastoherkkyyden muuttumista uusien ilmastomallien simulaatioilla. Heidän simulaatioissaan ilmastoherkkyys kasvaa ilmaston lämmetessä neljässä mallissa kuudesta (yhdessä mallissa ei näy tilastollisesti merkitsevää muutosta ja yhdessä mallissa ilmastoherkkyys pienenee ilmaston lämmetessä). Tämä näyttää johtuvan ilmaston palauteilmiöiden (ilmaston lämpenemistä voimistavien ja heikentävien tekijöiden) muuttumisesta enemmän ilmaston lämpenemistä voimistavaan suuntaan. Pääasiassa tämä näyttää johtuvan vesihöyryn ilmaston lämpenemistä voimistavan vaikutuksen lisääntymisestä ilmaston lämmetessä. Erityisesti muutos näyttää johtuvan vesihöyryn palauteilmiön voimistumisesta tropiikissa, mikä näyttäisi liittyvän tropopaussin (troposfäärin ja stratosfäärin välinen rajakerros ilmakehässä) siirtymiseen korkeammalle ilmakehässä.

Caballero ja Huber (2013) ovat tutkineet ilmastoherkkyyttä menneiden aikojen ilmasto-olosuhteissa verrattuna nykypäivään. Heidän tutkimuksensa kohdistui paleogeenikauteen (noin 66-23 miljoonaa vuotta sitten), jolloin maapallon ilmasto oli selvästi nykyistä lämpimämpi. He löysivät kolme tekijää, jotka ylläpitivät lämmintä ilmastoa. Yksi näistä on ilmastoherkkyyden nopea suureneminen, kun maapallon lämpötila ylittää raja-arvon 23 celsiusastetta. Syy tähän näyttää olevan tropiikin pilvisyyden väheneminen, minkä takia auringon valoa heijastuu vähemmän takaisin avaruuteen.

Mainittakoon sivumennen, että Caballeron ja Huberin tuloksien mukaan hiilidioksidin logaritmiseksi tiedetty ilmastovaikutus (hiilidioksidipitoisuuden kasvaessa pitoisuuden lisääntyminen vaikuttaa yhä vähemmän), näyttää muuttuvan suurilla hiilidioksidipitoisuuksilla epälogaritmiseksi siten, että hiilidioksidin lisäys vaikuttaakin hieman aiemmin luultua enemmän.

Hitaat palauteilmiöt voimistavat ilmaston lämpenemistä

Jo melko kauan on ollut tiedossa, että maapallon ilmastojärjestelmässä on hitaita palauteilmiöitä, jotka liittyvät jäätiköiden sulamiseen ja kasvillisuuden muutoksiin (esimerkiksi Hansen ja muut, 2008). Hitaita palauteilmiöitä ei yleensä oteta huomioon ilmastoherkkyyttä määriteltäessä.

Yllä mainitun tutkimuksen Caballero ja Huber (2013) tuloksien mukaan yksi tärkeä tekijä, joka piti yllä huomattavan lämmintä ilmastoa paleogeenikaudella, oli hitaiden palauteilmiöiden vaikutus. He tekivät mallisimulaatioita paleogeenikauden ilmastolle ja nykypäivän ilmastolle. Simulaatioissa näiden kahden aikakauden välillä näkyi viiden celsiusasteen ero hiilidioksidipitoisuudesta riippumatta. Tämän katsottiin johtuvan pääasiassa hitaista palauteilmiöistä.

Previdi ja muut (2013) tekivät yhteenvedon ilmastoherkkyyteen liittyvästä tutkimustiedosta. Heidän mukaansa maapallon ilmastoherkkyys nousee 4-6 celsiusasteeseen, kun arviossa otetaan huomioon jäätiköiden ja kasvillisuuden muutoksien vaikutus maapallon pinnan heijastuskykyyn. Ilmastoherkkyys nousee vielä lisää, jos tarkasteluun otetaan myös luonnollisten kasvihuonekaasupäästölähteiden ja -nielujen muutokset ilmaston muuttuessa.

Tulevaisuuden lämmin maailma

Uusien tutkimustuloksien perusteella näyttää siis siltä, että ilmastoherkkyys on aiempien arvioiden vaihteluhaarukan yläosassa, kun otetaan huomioon vain nopeat palauteilmiöt. Hitaiden palauteilmiöiden mukaan ottaminen nostaa ilmastoherkkyyttä huomattavasti. Lisäksi ilmastoherkkyys näyttää kasvavan ilmaston lämmetessä. Mitä tästä kaikesta seuraa tulevaisuudessa? Arvioimme tätä seuraavassa, mutta lukijan on hyvä pitää mielessä, että kyseessä on hyvin karkea ja epävarma arvio.

Katsotaan ensin vuoden 2100 tilannetta. Seuraavassa kuvassa on esitetty ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden muutos, jos asialle ei tehdä mitään ja jatkamme hiilidioksidipäästöjä entiseen malliin (kuva on IPCC:n viidennen arviointiraportin kuva 12.36a).

Kuvasta nähdään, että hiilidioksidipitoisuus oli hiukan alle 300 ppm (eli miljoonasosaa) esiteollisena aikana ja sen odotetaan nousevan pitoisuuteen 900 ppm vuoteen 2100 mennessä, jos päästöjen määrä kehittyy arvioiden mukaan eikä niihin puututa. Hiilidioksidipitoisuudessa 600 ppm pitoisuus on tuplaantunut yhden kerran (ja näyttäisi tapahtuvan noin vuoden 2060 tienoilla) ja seuraava tuplaantuminen olisi pitoisuudessa 1200 ppm. Vuoden 2100 pitoisuus 900 ppm on tämän puolivälissä, joten vuoteen 2100 mennessä tapahtuu 1,5 hiilidioksidipitoisuuden tuplaantumista.

Sherwoodin ja muiden tuloksissa ilmastoherkkyyden todennäköisin arvio on neljä celsiusastetta (arviohaarukka 3-5 astetta). Vuoteen 2100 mennessä tämä merkitsisi kuuden celsiusasteen lämpenemistä (4,5 – 7,5 astetta), mutta on muistettava, että ilmastojärjestelmän viiveiden takia kaikki tämä lämpeneminen ei tapahdu vuoteen 2100 mennessä. Katsotaan tilannetta vielä pidemmälle tulevaisuuteen. Jätetään tästä tarkastelusta pois ilmastoherkkyyden kasvaminen lämpenemisen myötä. Seuraavassa kuvassa on esitetty arvioitu lämpötilakehitys vuoteen 2300 asti (kuva on IPCC:n viidennen arviointiraportin kuva 12.5).

Kuvan punainen alue kuvaa mahdollista lämpötilakehitystä, jos kasvihuonekaasupäästöt jatkuvat entiseen malliin, eikä asialle tehdä mitään. Kuvaa tarkastellessa on hyvä pitää mielessä, että kuvassa nollataso on asetettu vuosien 1986 ja 2005 väliseen keskiarvoon. Nollataso ei siis ole esiteollisen ajan lämpötila. Nollataso on noin 0,7 celsiusastetta lämpimämpi kuin esiteollinen aika.

Vuonna 2100 kuvassa punaisen alueen paras arvio (punainen viiva) on noin neljän asteen kohdalla. Sherwood ja muut arvioivat maapallon lämpenevän vähintään neljällä celsiusasteella vuoteen 2100 mennessä. Hyvin karkeasti ottaen voimme siis sanoa, että Sherwoodin ja muiden arvio esittää oranssin alueen ylempää puoliskoa. Tästä voimme arvioida, että vuonna 2300 maapallon odotetaan Sherwoodin ja muiden tuloksia mukaillen lämpenevän noin 8-13 celsiusastetta (kuvaajan punaisen alueen yläpuoliskon raja-arvot vuoden 2300 kohdalla).

Tässä arviossa on kuitenkin mukana vain nopeat palauteilmiöt. Arvioimme hitaiden palauteilmiöiden vaikutuksen Caballeron ja Huberin tuloksien perusteella, eli lisäämme lämpenemiseen viisi astetta. Saamme tulokseksi 13-18 celsiusastetta lämpenemistä maapallolle joskus tulevaisuudessa, jos asialle ei tehdä mitään.

Miten Suomen ilmasto kehittyy tulevaisuudessa? Arktisella alueella lämpeneminen etenee kaksi kertaa nopeammin kuin maapallolla keskimäärin, ja Suomen pohjoisosa sijaitsee arktisella alueella. Tämän tilanteen jatkuessa olisi arktisella alueella odotettavissa lämpenemistä 9-15 celsiusastetta vuoteen 2100 mennessä. On kuitenkin otettava huomioon, että lämpenemisen voimistuminen arktisella alueella todennäköisesti vähenee, kun merijäätä ja lumipeitettä ei enää esiinny suuressa määrin. Joskus tulevaisuudessa arktinen alue voisi lämmetä 26-36 celsiusasteella, jos oletetaan arktisen alueen edelleen lämpenevän kaksi kertaa maapallon keskiarvoa enemmän. Tällöin Suomessakaan ei enää ihmeteltäisi laulun sanoin ”no onkos tullut kesä nyt talven keskelle”, vaan se olisi normaaliin arkeen kuuluva asia.

Lähteet:

Rodrigo Caballero and Matthew Huber, 2013, State-dependent climate sensitivity in past warm climates and its implications for future climate projections, PNAS, August 27, 2013, vol. 110 no. 35, 14162–14167, doi: 10.1073/pnas.1303365110. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Alexis Hannart, Michael Ghil, Jean-Louis Dufresne, Philippe Naveau, 2013, Disconcerting learning on climate sensitivity and the uncertain future of uncertainty, Climatic Change, August 2013, Volume 119, Issue 3-4, pp 585-601, DOI: 10.1007/s10584-013-0770-z. [tiivistelmä]

James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha, David Beerling, Robert Berner, Valerie Masson-Delmotte, Mark Pagani, Maureen Raymo, Dana L. Royer and James C. Zachos, 2008, Target Atmospheric CO₂: Where Should Humanity Aim? The Open Atmospheric Science Journal, 2, 217-231, DOI: 10.2174/1874282300802010217. [tiivistelmä, koko artikkeli]

John E. Kutzbach, Feng He, Steve J. Vavrus, William F. Ruddiman, 2013, The dependence of equilibrium climate sensitivity on climate state: Applications to studies of climates colder than present, Geophysical Research Letters, Volume 40, Issue 14, pages 3721–3726, 28 July 2013, DOI: 10.1002/grl.50724. [tiivistelmä]

Katharina Meraner, Thorsten Mauritsen, Aiko Voigt, 2013, Robust increase in equilibrium climate sensitivity under global warming, Geophysical Research Letters, Volume 40, Issue 22, pages 5944–5948, 28 November 2013, DOI: 10.1002/2013GL058118. [tiivistelmä, koko artikkeli]

M. Previdi, B. G. Liepert, D. Peteet, J. Hansen, D. J. Beerling, A. J. Broccoli, S. Frolking, J. N. Galloway, M. Heimann, C. Le Quéré, S. Levitus, V. Ramaswamy, 2013, Climate sensitivity in the Anthropocene, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Volume 139, Issue 674, pages 1121–1131, July 2013 Part A, DOI: 10.1002/qj.2165. [tiivistelmä, koko artikkeli (ehkä vanha versio)]

Steven C. Sherwood, Sandrine Bony & Jean-Louis Dufresne, 2014, Spread in model climate sensitivity traced to atmospheric convective mixing, Nature 505, 37–42 (02 January 2014), doi:10.1038/nature12829. [tiivistelmä]