Puut kertovat ilmastosta

Tässä käydään läpi ilmastotutkimusta puiden vuosirenkaiden (lustojen) perusteella, eli dendroklimatologian perusteita. Teksti pohjautuu tuoreeseen katselmusartikkeliin, jonka on kirjoittanut Paul Sheppard (2010). Dendroklimatologia perustuu dendrokronologiaan, jota tässä artikkelissa myös paljon käsitellään. Sheppard määrittelee dendrokronologian näin:

Dendrokronologiaksi kutsuttu tieteenhaara tutkii puiden vuosirenkaita sekä menneen ajan ympäristöoloja ja tapahtumia, joita puiden vuosirenkaat voivat kuvata.

Dendroklimatologia, joka on yksi dendrokronologian osa-alueista, taas käyttää dendrokronologian menetelmiä menneen ajan ilmaston tutkimiseen.


Puut kertovat menneestä ilmastosta. Kuva: Ari Jokimäki.

Historiaa

Jo muinaiset kreikkalaiset tiesivät, että puiden vuosirenkaat muodostuivat vuosittain, ja että niiden leveys oli vaihteleva. Leonardo da Vinci keksi yhdistää puiden vuosirenkaiden leveyden vaihtelun renkaan muodostumisen aikaisiin ympäristöoloihin. Tieteellisesti asiaa tutki ensimmäisenä tiettävästi tähtitieteilijä Andrew Ellicott Douglass 1900-luvun alussa. Tarkastellaanpa Douglassin ensimmäistä aiheeseen liittyvää artikkelia hiukan lähemmin (Douglass, 1909). Aluksi Douglass kuvailee työhypoteesinsa:

(1) puiden vuosirenkaat mittaavat puun ravinnonsaantia; (2) ravinnonsaanti riippuu paljolti kosteuden määrästä erityisesti siellä, missä kosteuden määrä on rajallinen ja puut joutuvat taistelemaan elämästään enemmän kuivuutta kuin kilpailevaa kasvillisuutta vastaan; (3) siksi sellaisissa maissa puiden vuosirenkaat todennäköisesti muodostavat sateisuuden mittarin.

Näiden kolmen askeleen tutkimiseksi Douglass sitten määritteli kolme tehtävää asiaa: puiden kasvukäyrän muodostaminen, kasvukäyrän vertaaminen sateisuuteen ja tukimuksen jatkaminen tarpeeksi pitkälle menneisyyteen, jotta puiden kertomaa voidaan verrata tunnettuihin tähtitieteellisiin tapahtumiin ja vaihteluihin.

Douglass esitteli ensimmäiseksi 25 puun keskiarvon Flagstaffista (joka sijaitsee Arizonassa) kahdeksan vuoden ajalta, jolloin oli sateisuuden havaintoja samalta alueelta. Harmi kyllä, Monthly Weather Review ei tuolloin pystynyt julkaisemaan Douglassin kuvia, joihin hän tekstissään viittasi. Douglass kuitenkin kertoi, että puiden kasvukäyrän yhteys sateisuuteen oli hyvin selvä. Hän vahvisti tämän myös vertaamalla joidenkin puiden mittaussarjoja hiukan kauempana sijainneisiin pitemmän ajan sateisuuden mittaussarjoihin ja edelleen vastaavuus oli hyvä. Tosin tässä jälkimmäisessä tapauksessa Douglass joutui käyttämään muutaman vuoden keskiarvoja. Hän totesikin, että lähialueilla yhteys sateisuuteen on selvä, mutta kauempana (n. 110 km) vastaavuutta yksittäisten vuosien kanssa ei ole. Käyttämällä useiden vuosien keskiarvoa vastaavuus muuttuu kuitenkin jälleen hyväksi myös kauempaa otettujen mittaussarjojen kanssa.

Tämän jälkeen Douglass kuvaili asian perusteita. Hän totesi, että ensimmäiseksi on selvitettävä yksittäisen renkaan muodostumisen ajoitus. Yleensä renkaat ovat selviä, mutta vaikeita tunnistettaviakin on erityisesti puiden keskiosassa (Douglass arvioi epävarmoja tapauksia olevan keskimäärin noin 2 %). Douglass kuvasi kuinka vuosivaihtelu näkyy vuosirenkaissa; kapea tummempi osa syntyi syksyllä ja talvella sekä vaalea leveämpi osa kesällä.

Douglass kuvaili myös mittausmateriaalin keräystä. Hän aloitti menemällä talviaikaan metsään ja suoritti vuosirenkaiden mittaukset paikanpäällä. Tämän jälkeen näytteiden keräys tehtiin niin, että häntä avustanut henkilö sahautti (ja joissakin tapauksissa Douglass itse valvoi sahausta) puiden kannoista näytteet ja lähetti ne Douglassille kaupunkiin mitattavaksi. Renkaiden leveyden mittaus tapahtui niin, että teräsmitta laitettiin puun sahausnäytteen pintaan vuosirenkaiden kanssa poikittain ja jokaisen renkaan paikka luettiin mitasta suurennuslasin avulla.

Douglass muodosti kaikista mittauksista yhden kasvukäyrän ottamalla kaikkien puiden keskiarvon kullekin vuosirenkaalle. Tutkiessaan tuloksena syntynyttä kasvukäyrää hän löysi siitä 11 vuoden jaksollisuuden, joka näkyi myös paikan lämpötilasarjassa. Douglass yhdisti sen auringonpilkkujaksoon siten, että Auringon vaikutus vaikutti sateisuuteen, joka sitten vaikutti puiden kasvuun. Asian innokkaille harrastajille Douglassin artikkelin yhteydessä on annettu hänen mittaussarjansa taulukoituna.

Dendrokronologia kasvoi sen jälkeen tieteenhaarana. Se levisi myös muihin maihin. Nykyään mittaussarjoja onkin kaikkialta, josta niitä on ollut mahdollista saada. Tropiikissa mittaussarjat ovat harvassa, koska vähäinen vuodenaikojen vaihtelu aiheuttaa puulajeille tasaisen kasvun, niin että näkyviä vuosirenkaita ei oikein tahdo syntyä. Tähän on mahdollisesti tiedossa parannusta, sillä röntgenkuvauksella on onnistuttu paljastamaan näkymättömät vuosirenkaat puuaineksessa olevaan kalsiumiin perustuen (Poussart et al., 2006). Tätä ennenkin on ollut joitakin menetelmiä trooppisten puiden vuosirenkaiden mittaukseen, mutta ne ovat olleet epätarkkoja ja työläitä. Muitakin lupaavia menetelmiä on kehitetty (Ohashi et al., 2009).

Kronologian muodostaminen

Ensimmäinen asia puiden vuosirenkaiden kronologiaa tehtäessä on paikan valinta. Ei riitä, että valitaan paikka, jossa kasvaa puita. Paikoissa, joissa puut joutuvat elämään kuivissa oloissa, puiden vuosirenkaat indikoivat kosteusolosuhteita eli sateisuutta. Paikoissa, joissa puiden kasvua hillitsee lämpötila, puiden vuosirenkaat indikoivat lämpötilaa.

Kun paikka on valittu, on seuraavaksi valittava puut, joista näytteet otetaan. Puiden valintaan vaikuttavat näennäinen ikä ja niiden kasvupaikka. Kasvupaikan suhteen oleellista on eritoten mahdollisten häiriötekijöiden läsnäolo. Tällaisia ovat esim. todisteet tulipaloista, erikoiset tuuliolosuhteet, eliöstön häirintä (lähinnä puille eikä näytteenottajalle – hyttysien ei pidä antaa häiritä tätä tärkeää työtä), tulivuoren purkaukset ja ihmisen toiminta.

Näytteiden ottamisen jälkeen on seuraavaksi ajoitettava vuosirenkaat. Jos ajoitus epäonnistuu, ei muodostetulla kronologialla ole oikeastaan mitään virkaa. Tässä yhteydessä vertaillaan monien puiden (eli kronologiaa varten on otettava näytteitä useammasta puusta) vuosirenkaita ja sovitetaan niiden renkaat toisiinsa, jolloin yksittäisten puiden vuosirenkaat asettuvat oikeaan ajanjaksoonsa. Sovittaminen tehdään tarkastelemalla erityisen ohuiden ja leveiden renkaiden muodostamia kuvioita ja sitä, miten ne sopivat eri puissa yhteen. Jos kaikissa valitun alueen puissa näkyy selkeästi samat erityispiirteet renkaiden leveyksissä, voidaan muodostetun kronologian ajoitus katsoa käytännössä varmaksi. Muodostettaessa kauan sitten kuolleiden puiden kronologioita, ajoitukseen käytetään yleensä radiohiiliajoitusta, jossa muutamasta kronologiaan kuuluvasta puusta lähetetään laboratorioon ajoitettavaksi radiohiilen perusteella. Tämä menetelmä ei kuitenkaan ole kovin tarkka, vaan siinä joudutaan tyytymään joidenkin kymmenien tai jopa satojen vuosien tarkkuuteen.

Puiden vuosirenkaiden tärkein mitattava asia on niiden leveys. Joskus mitataan myös erikseen voimakkaan (kesä) ja vähäisen kasvun (syksy-talvi) leveydet kustakin vuosirenkaasta. Myöskin saatetaan mitata puuaineksen tiheys, jolloin yleensä erityisesti ollaan kiinnostuneita kesän kasvukauden puuaineksen tiheydestä, joka yleensä indikoi lämpötilaa. Joskus mitataan myös hiilen isotooppeja puuaineksesta.

Vuosirenkaiden mittaussarjat tarkistetaan niin, että niistä etsitään voimakkaasti poikkeavia arvoja, jotka eivät näytä sopivan muuhun sarjaan. Tämän jälkeen vuosirengassarjoista poistetaan ylimääräiset trendit. Puiden vuosirenkaiden leveys pienenee luonnollisesti puun paksuuden mukaan puun ytimestä reunaan mennessä. Tämä pieneneminen ei kuvaa puun ympäristöoloja millään lailla ja on poistettava mitatusta sarjasta ennenkuin siitä aletaan tulkita ilmastollisia olosuhteita. Tämä vaihe on hyvin haastava. Nykyisillä menetelmillä trendinpoistovaiheessa saatetaan poistaa myös hyvin pitkäaikaisia ilmaston vaihteluita, joita ei voida erottaa puun luonnolliseen kasvuun liittyvästä trendistä.

Seuraavaksi eri puiden vuosirengassarjat yhdistetään kronologiaksi. Kronologioissa käytetään yleensä 20 tai enemmän yksittäistä puuta. Tätä yhdistettyä kronologiaa voi sitten käyttää alueen ilmasto-olojen tulkintaan.

Kalibrointi ja ilmaston tulkinta

Ennen kuin kronologiasta voidaan tulkita jotain ilmastoon liittyvää asiaa, on kronologiaa ensin verrattava kyseisen asian mittaussarjoihin ja kalibroitava kronologia kyseisten mittaussarjojen kanssa. Puiden vuosirenkaista saadaan tulkittua asioita ainoastaan yhden vuoden tai yhden kasvukauden tarkkuudella, joten vertailumittauksetkin on järjestettävä vastaavanlaisiksi. Vertailumittauksina voidaan käyttää yksittäistä mittausasemaa tai monien läheisten mittausasemien keskiarvoa.

Kronologia on siis kalibroitava vertailtavan asian kanssa yhteensopivaksi. Jos kronologia kertoo puiden vuosirenkaiden leveyden millimetreissä, emme voi lukea siitä esimerkiksi lämpötila-arvoja suoraan. Karkeasti ottaen kalibroinnissa vain sovitetaan vuosirenkaiden leveyden mitta-asteikko kuvaamaan lämpötila-asteikkoa.

Kalibroinnissa käytetään erilaisia tilastollisia menetelmiä, kuten kalibroidun vuosirengaskronologian ja vertailumittausten keskinäisen korrelaation laskeminen. Tästä tuloksena saadaan lukuarvo siitä, kuinka hyvin nämä kaksi vastaavat toisiaan. Tämä lukuarvo siis kertoo kuinka hyvin vuosirengaskronologia kuvaa vertailussa ollutta ilmastollista asiaa. Jos kronologiaa on verrattu vaikkapa alueen lämpötilamittauksiin ja korrelaation laskennassa on saatu hyvä vastaavuus näiden kahden välillä, kronologian voidaan katsoa kuvaavan lämpötilaa ja sitä voi silloin pitää kelvollisena ”lämpötilamittarina”.

Voidaan tietysti kysyä, että jos meillä on alueelta oikeitakin lämpötilamittauksia, niin mitä järkeä yleensäkään on yrittää lukea lämpötilaa puiden vuosirenkaista? Meillä ei kuitenkaan ole lämpötilamittauksia kuin 1800-luvulta alkaen parhaissa tapauksissa ja paikallisesti mittauksia on yleensä vasta 1900-luvulta alkaen. Puiden vuosirengaskronologioilla päästään ajassa taaksepäin usein paljon kauemmas, joten voimme käyttää puiden vuosirengaskronologioita menneiden aikojen lämpömittarina.

Ilmasto-olojen tulkintaa kalibroidusta kronologiasta tehtäessä oletetaan, että puiden vuosirenkaat reagoivat ilmastoon samalla tavalla nykyään kuin ennenkin. Tämä oletus ei aina pidä paikkaansa, mutta peruslähtökohtana se on hyvä. Täytyy vain pitää aina mielessä tällaisten epävarmuustekijöiden olemassaolo.

Muitakin epävarmuustekijöitä on. Vuosirengaskronologioiden vastaavuus tietyn ilmastoparametrin (esim. lämpötilan) kanssa ei koskaan ole täydellinen. Puiden kasvuun vaikuttaa aina moni asia vaikka yksi tekijä olisikin tärkein. Siksi puiden vuosirenkaat eivät koskaan kerro esimerkiksi lämpötilaa aivan täsmälleen. Tämän vuoksi ei kannata yrittää tulkita yksittäisten vuosien lämpötila-arvoja puiden vuosirengaskronologioista vaan keskittyä pitempiaikaisiin muutoksiin, joita vuosirengaskronologiat kuvaavat paremmin.

Eräs viime aikoina kovasti puhuttanut epävarmuuden lähde on ollut ns. ”divergenssiongelma”. Asianmukaisesti käsitellyt puiden vuosirengaskronologiat kuvaavat yleisesti ottaen hyvin lämpötiloja aina 1960-luvulle saakka, mutta sen jälkeen monissa paikoissa mitatut lämpötilat ja vuosirengaskronologiat lähtevät poikkeamaan toisistaan voimakkaasti. Ilmiötä esiintyy eniten pohjoisen pallonpuoliskon boreaalisella metsävyöhykkeellä. Syytä tähän ei vielä tiedetä varmasti. Ehdotettuja syitä ovat mm. lisääntyneen kuivuuden aiheuttama stressi, puiden heikentynyt tai muuttunut reaktio lämpenemiseen, vuodenaikojen olosuhteiden muuttuminen, auringonsäteilyn väheneminen ja kalibrointimenetelmien virheellisyys (D’Arrigo et al. 2008).

Kaikkine epävarmuuksineenkin puiden vuosirenkaat ovat tärkeä ilmastotiedon lähde. Ne ovat yksi harvoista menneen ilmaston mittareista, jotka kertovat asioita vuoden tarkkuudella. Lisäksi monet kronologiat ulottuvat pitkälle menneisyyteen, jopa tuhansien vuosien taakse. Pisimmät kronologiat ulottuvat yli 10 000 vuoden taakse (Eronen, 2002).

Kiitos kommenteista Jarille.

Lähteet

D’Arrigo, Rosanne, Rob Wilson, Beate Lieperta ja Paolo Cherubini, 2008, On the ‘Divergence Problem’ in Northern Forests: A review of the tree-ring evidence and possible causes, Global and Planetary Change
Volume 60, Issues 3-4, February 2008, Pages 289-305, doi:10.1016/j.gloplacha.2007.03.004. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Douglass, A. E., 1909, Weather cycles in the growth of big trees. Monthly Weather Review 1909, 37:225–237. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Eronen, Matti, 2002, Puulustot: ympäristömuutosten tietopankki, Tieteessä tapahtuu 6/2002. [koko artikkeli]

Ohashi, Shinta, Naoki Okada, Tadashi Nobuchi, Somkid Siripatanadilok and Teera Veenin, 2009, Detecting invisible growth rings of trees in seasonally dry forests in Thailand: isotopic and wood anatomical approaches, Trees – Structure and Function, Volume 23, Number 4 / August, 2009, DOI: 10.1007/s00468-009-0322-3. [tiivistelmä]

Poussart, P. M., S. C. B. Myneni, and A. Lanzirotti (2006), Tropical dendrochemistry: A novel approach to estimate age and growth from ringless trees, Geophys. Res. Lett., 33, L17711, doi:10.1029/2006GL026929. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Sheppard, Paul R., 2010, Dendroclimatology: extracting climate from trees, Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, Published Online: 16 Apr 2010. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Mainokset
Kategoria(t): Ilmastotiede. 2 Comments »

Valaiden ulosteet tärkeitä ilmastonmuutoksen estäjiä?

Valaiden uloste lannoittaa raudan puutteesta kärsiviä "aneemisia" meriä. Lannoituksen seurauksena tuottajat kasvavat paremmin ja sitovat fotosynteesissään enemmän kasvihuonekaasuna toimivaa hiilidioksidia. Kuvan hetulavalas Etelä-Afrikassa. Kuvaaja Stefan Jacobs.

Valaat voivat pelastaa ”aneemisen” meren. Uuden tutkimuksen mukaan valaiden uloste lannoittaa merkittävästi Eteläistä jäämerta. Tämä on tärkeää hiilidioksidia sitovan kasviplanktonin ja suurempien levien kasvulle.

Rauta on merissä usein se ravinne, jota on tuottajaeliöiden vaatimuksiin nähden vähiten saatavilla, ja joka siis eniten rajoittaa tuottajien kasvua. Kolmasosassa maailman merialueita on hyvin vähän hivenaineena toimivaa rautaa. Kun kasviplanktonit kuolevat, ne vajoavat ja vievät sitomaansa rautaa pois meren pintaosista.

Eläinplanktoniin kuuluvat krillit ovat erityisen tärkeitä Eteläisen jäämeren ekosysteemissä (ks. Ilmastouutiset, viikko 9/2010). Krillit syövät suuren osan kasviplanktonista ja ovat puolestaan itse pingviinien, hylkeiden ja valaiden ravintoa.

Tutkimuksessa analysoitiin neljän hetulavalaslajin kudos- ja ulostenäytteitä sekä seitsemän krillilajin kudosnäytteitä. Tulosten mukaan rauta rikastuu krilleihin ja pysyy meren yläosissa siellä elävien krillien ansiosta.

Koko Eteläisen jäämeren raudasta noin 24 % on sitoutuneena krillien kudoksiin. Uusimpien arvioiden mukaan krillien biomassa Eteläisellä jäämerellä on 379 miljoonaa tonnia ja niihin on varastoituneena 15 000 tonnia rautaa.

Kun valaat syövät rautapitoisia krillejä, ne erittävät suurimman osan raudasta takaisin mereen ja siten lannoittavat merta. Tutkimuksessa hetulavalaiden ulosteen rautapitoisuuden laskettiin olevan noin kymmenen miljoonaa kertaa niin suuri kuin Antarktiksen meriveden rautapitoisuus. Valaiden ulosteesta raudan kiertokulku alkaa jälleen uudelleen.

Ennen kuin kaupallinen valaanpyynti aloitettiin viime vuosisadan alussa, valaat kuluttivat noin 190 miljoonaa tonnia krillejä, jolloin syntyi noin 7 600 tonnia rautapitoista ulostetta. Valaat ovatkin kierrättäneet ehkä noin 12 % Eteläisen jäämeren pintaosien nykyisestä raudasta.

Enemmän rautaa saavat tuottajat kasvavat tehokkaammin ja sitovat siis enemmän kasvihuonekaasuna toimivaa hiilidioksidia fotosynteesissään. Hetulavalaiden ja krillien populaatioiden kasvulla voisikin olla suotuisa vaikutus koko Eteläisen jäämeren ekosysteemin tuottavuuteen ja valtameren kykyyn sitoa hiilidioksidia.

Kiitokset kommenteista Arille ja Merimarille.

Lähde: Australian Antarctic Division, Whales fertilising the Southern Ocean, April 22, 2010  [uutistiedote].

Lämpötilan sahausta

Menneiden aikojen lämpötiloja tutkittaessa on käynyt ilmi, että maapallon napa-alueiden lämpötiloissa näkyy sahausefekti, jossa pohjoisnapa viilenee kun etelänapa lämpenee ja päinvastoin. Tähän mennessä tätä sahausefektiä ei ole havaittu moderneista lämpötilasarjoista. Juuri ilmestyneessä tutkimuksessa efekti on havaittu myös moderneista lämpötilasarjoista.

Tutkimuksessa oli mukana neljä tutkijaa, kaksi Yhdysvalloista ja muut Isosta-Britanniasta ja Kanadasta. Tutkijat käyttivät arktisen alueen ja Antarktiksen lämpötilasarjoja. He poistivat niistä ensin pitkän ajan trendit nähdäkseen lyhyemmän ajan vaihtelut. Kun trendit oli poistettu, kahden alueen sarjat vaihtelivat vastakkaisesti; kun pohjoisnavan lämpötila kasvoi, etelänavan lämpötila viileni ja päinvastoin. On kuitenkin huomattava, että koska pitkän ajan trendit on poistettu, kyseinen lämpötilojen vaihtelu esiintyy vaihteluna pitkän ajan trendien päällä. Pitkän ajan trendin ollessa lämpenevä sahausefekti vaikuttaa niin, että pohjoisnavan lämmetessä keskimääräistä enemmän etelänapa lämpenee keskimääräistä vähemmän ja päinvastoin.

Trendien poiston jälkeen arktisen alueen lämpötilasarja korreloi vahvasti Atlantin oskillaation (AMO) indeksin kanssa (korrelaatio on itse asiassa antikorrelaatio). Tämä viittaa siihen, että Atlantin valtameri saattaa olla se linkki, joka siirtää lämpöä navalta toiselle ja näin säätelee havaittua sahausefektiä.

Lähde: Chylek, P., C. K. Folland, G. Lesins, ja M. K. Dubey (2010), Twentieth century bipolar seesaw of the Arctic and Antarctic surface air temperatures, Geophys. Res. Lett., 37, L08703, doi:10.1029/2010GL042793. [tiivistelmä]

”On todella kylmää!”

(Alkuperäinen teksti: John CookSkeptical Science)

Skeptinen argumentti…

”Itävallassa koetaan nyt historian aikaisin lumisade. Vuoristoon on jo ennustettu 30-40 senttimetriä lunta. Tällaiset dramaattiset lämpötilan pudotukset tarjoavat pintapuolisia todisteita niille, jotka epäilevät ilmastonmuutoksen maailmaan kohdistamaa uhkaa” (Mail Online))

Mitä tiede sanoo…

1970-luvun puolivälistä lähtien Maapallo on lämmennyt noin 0,2 °C vuosikymmenessä. Säät kuitenkin vaihtelevat laidasta laitaan pitkän aikavälin suuntauksesta riippumatta. Ennätyksellisen kylmiä jaksoja on odotettavissa ilmaston lämpenemisestä huolimatta. Viime vuosikymmenten aikana lämpöennätyksiä on kuitenkin mitattu kaksi kertaa useammin kuin pakkasennätyksiä. Tämän suuntauksen voidaan odottaa voimistuvan ilmaston lämpenemisen jatkuessa.

Lue koko teksti >>>

”Al Gore on väärässä”

(Alkuperäinen teksti: John CookSkeptical Science)

Skeptinen argumentti…

”Korkeimman oikeuden tuomari kritisoi Epämiellyttävää totuutta, korostaen ”yhdeksää tieteellistä virhettä”. Esimerkiksi Gore väitti kahden käyrän, CO2:n ja lämpötilan sopivan toisiinsa täsmalleen. Tuomari sanoi: ”Nämä kaksi käyrää eivät ole Herra Goren väittämän mukaisia”. Gore sanoi, että lumen katoaminen Kilimanjarolta johtui ihmisestä. Tuomari sanoi, ettei sitä voida osoittaa. (The Guardian)”

Mitä tiede sanoo…

Vaikka Epämiellyttävässä totuudessa on pieniä virheitä, tärkeimmät esitetyt tosiseikat – todisteet, jotka osoittavat ihmiskunnan aiheuttavan ilmaston lämpenemistä ja sen erilaisia vaikutuksia, ovat yhdenmukaiset vertaisarvioidun tieteen kanssa.

Lue koko teksti >>>

Maankäytön ilmastovaikutukset

Kasvihuonekaasujen päästöt eivät ole ainoa asia, millä ihmiset vaikuttavat ilmastoon. Eräs ihmisen vaikutustapa on maankäyttö. Maankäyttöä on mm. metsien kaataminen ja jonkun alueen muuttaminen kaupunkiympäristöksi. Maankäyttö vaikuttaa mm. maaperän eroosioon ja aavikoitumiseen ja lisäksi ilmaston kannalta oleellista on se, että maankäyttö vaikuttaa maanpinnan energian ja kosteuden tasapainoon (biogeofysikaaliset vaikutukset) sekä muokatun alueen kasvihuonekaasujen päästömääriin (biogeokemialliset vaikutukset).


Ihmisen maankäyttö vaikuttaa myös ilmastoon. Kuva: Ari Jokimäki.

Maankäytön vaikutusta ilmastoon ei vielä tunneta kovin tarkasti, eikä edes sen etumerkki ole varmasti tiedossa – siis se, vaikuttaako maankäyttö ilmastoon lämmittävästi vai viilentävästi. Epävarmuus johtuu pääasiassa yllämainittujen fysikaalisten ja kemiallisten vaikutusten toimimisesta vastakkaisiin suuntiin. Fysikaaliset vaikutukset on yleensä katsottu viilentäviksi, kun taas kemialliset vaikutukset lämmittäviksi.

Uudessa tutkimuksessa Pongratz ja kumppanit ovat verranneet biogeofysikaalisten ja biogeokemiallisten vaikutuksien suuruuksia viimeisen tuhannen vuoden aikana. He sanovat saavuttavansa ennennäkemättömän yksityiskohtaisuuden käyttäen yleistä maa/merivirtausmallia ja yksityiskohtaista maankäytön rekonstruktiota. Näitä käyttäen he erottavat fysikaalisten ja kemiallisten vaikutuksien suuruudet toisistaan.

Tulokseksi he saavat, että biogeofyysiset vaikutukset aiheuttavat lievän viilentävän vaikutuksen (-0,03 °C 1900-luvun aikana) ja biogeokemialliset vaikutukset aiheuttavat voimakkaan lämmittävän vaikutuksen (0,16 – 0,18 °C 1900-luvun aikana). He havaitsevat myös, että kummatkin vaikutukset aiheuttavat eri alueilla voimakkaita vaihteluja, jopa niin, että joillakin harvoilla alueilla biogeofyysiset vaikutukset viilentävät niin paljon, että kokonaisvaikutus on viilentävä. Suurimmalla osalla alueista kokonaisvaikutus on kuitenkin lämmittävä. Koko maapallolle ihmisen maankäyttö siis aiheuttaa lämmittävän vaikutuksen, joka tutkijoiden mukaan johtuu ensisijaisesti maankäytön aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä.

Kiitos kommenteista Pasille ja Tuomakselle.

Lähde: Pongratz, J., C. H. Reick, T. Raddatz, and M. Claussen (2010), Biogeophysical versus biogeochemical climate response to historical anthropogenic land cover change, Geophys. Res. Lett., 37, L08702, doi:10.1029/2010GL043010. [tiivistelmä]

Paha perintö

 

Jos ilmastotieteen Grand Old Man eli James Hansen sanoo, että Chicagon yliopiston geofysiikan professorin David Archerin kirja ”The Long Thaw – How Humans are Changing the Next 100 000 Years of Earth’s Climate” (Pitkä sulaminen – kuinka ihmiskunta muuttaa maapallon ilmaston seuraavaksi 100 000 vuodeksi) on paras kirja, jonka hän on lukenut hiilidioksidista ja ilmaston muutoksesta”, on kirja todella syytä lukea.

 David Archer kirjansa esipuheessa:

Ilmaston lämpeneminen saattaa olla ihmiskunnan pitkäaikaisin perintö. Fossiilisten polttoaineiden hiilidioksidipäästöt ilmakehään säilyvät kauemmin kuin Stonehenge, kauemmin kuin aikakapselit, kauemmin kuin ydinjäte, paljon kauemmin kuin ihmisten sivilisaatiot tähän mennessä. Jokaisesta polttamastamme hiilidioksiditonnista jää hiilidioksidia ilmakehään. Neljännes tuosta tonnista eli 250 kg vaikuttaa ilmastoon vielä tuhannenkin vuoden päästä eli 3000-luvun alussa. Ja tämä on vasta alkua.

”Pitkä sulaminen” jakautuu kolmeen osaan. Ensimmäinen osa käsittelee nykyisyyttä eli 20. vuosisataa ja aikaa vuoteen 2100 asti. Toinen osa nostaa menneisyydestä sellaisia tekijöitä, jotka saattavat vaikuttaa ilmastoon myös tulevaisuudessa. Kirjan kolmannessa osassa pohditaan, millaiselta syvän tulevaisuuden ilmasto voi näyttää.

Ilmastokeskustelu rajoittuu usein pelkästään juuri lähimpien parin sadan vuoden tarkasteluun. Archerin kirja ”The Long Thaw” on tästä tärkeä poikkeus. Archer laajentaa ilmastonäkökulmaa miljoonien vuosien päähän menneisyyteen ja ennen kaikkea satojen tuhansien vuosien päähän tulevaisuuteen. Archerin selkeä esitystyyli ja perusasioiden oivaltava läpikäyminen tekee kirjasta helposti luettavan sellaisillekin, jotka eivät tiedä ilmastonmuutoksesta ja hiilidioksidin osuudesta siihen vielä mitään. Toisaalta kirja antaa asiaa tuntevillekin paljon uutta pohdittavaa ihmisen kyvystä muuttaa maapallon tulevaisuutta.

Olemme poimineet kustakin luvusta joitakin mielenkiintoisia tiedonmurusia kaikille jaettavaksi. Toivottavasti nämä muruset eivät kuitenkaan estä ketään lukemasta itse kirjaa, vaan päinvastoin nimenomaan innostavat kirjan perusteelliseen läpikäymiseen.

Luku 2. Olemme nähneet sen omin silmin

  • Melkein puolet odotetusta lämpenemisestä pelkästään tällä hiilidioksiditasolla on vielä tapahtumatta (s. 34).
  • Ilmastomallit eivät osaa kovinkaan hyvin kuvata pohjoisten merijäiden sulamista (s. 36).

Luku 3. Ennuste tulevalle vuosisadalle

  • Todelliset muinaiset kuivuuskaudet ovat olleet äärevämpiä kuin mallien niille antamat kuivuudet (s. 47).

Luku 4. Vuosituhantiset ilmastosyklit

  • Pieni jääkausi voidaan selittää auringon vähäisemmällä säteilyteholla ja keskiajan lämpöoptimi auringon suuremmalla säteilyteholla (s. 60).
  • Vaikka pieni jääkausi ja keskiajan lämpöoptimi olisivat osa ilmaston 1500-vuotista sykliä, se ei todista, että kasvihuonekaasut eivät aiheuta lämpenemistä. Keskiajan lämpöoptimin ”paluu” voi entisestään pahentaa lämpenemistä (s. 62).
  • Enemmän kuin puolet Grönlannin lämpötilanmuutoksesta, kun siirryttiin jäätiköitymisvaiheesta interglasiaaliin, tapahtui vain muutamassa vuodessa (s. 65).
  • Dansgaard-Oeschgerin (D-O) ja Heinrichin tapahtumien eli jäätikköjen yhtäkkisten sulamisten mekanismit ovat tuntemattomia. Näin ollen on mahdotonta ennustaa, voisiko Grönlannin mannerjäätikkö tehdä ”Heinrichit” tulevaisuudessa (s. 67).
  • D-O:n ja H:n tanssi on näyttänyt tapahtuneen ilman selvää muutosta säteilypakotteessa (s. 67).
  • Jäätiköitymisvaiheen lämpötilan jojoilu voisi selittyä merijään suuremmalla laajuudella interglasiaaliin verrattuna (s. 67).
  • Meri ja jää eivät ole pelkästään passiivisia reagoijia, vaan joissakin olosuhteissa ne voivat määrätä ilmaston suunnan (s. 68).
  • IPCC:n ennuste vuodelle 2100 on toiveikas, eikä siihen ei ole sisällytetty epämiellyttäviä yllätyksiä. Niitä voi tulla (s. 68).

Luku 5. Jääkausisyklit

  • Hiilidioksidi ja jäätiköt ovat kytkeytyneet toisiinsa syy- ja seurausketjun kautta, jossa molemmat vaikuttavat toisiinsa (s. 77).

Luku 6. Geologisen mittakaavan ilmastosyklit

  • Paleoseeni-Eoseeni ajan lämpömaksimin (PETM) aikana 55 miljoonaa vuotta sitten ilmakehään vapautui arviolta 5000 Gt hiiltä eli suunnilleen saman verran kuin maapallon hiilidioksidivarannot ovat nyt (s. 87).
  • Päästön kestoa ei tunneta kovinkaan hyvin. Se on voinut kestää muutama sata vuotta tai jopa 10 000 vuotta. Fossiilisten polttoaineiden aikakausi on ohi parissa vuosisadassa (s. 88).
  • Kun PETM alkoi, merien lämpötila oli 4 °C lämpimämpi kuin nykyisin. PETM:n aikana meret lämpenivät lisää 5-8 °C (s. 88).
  • Hiilidioksidipitoisuus laski PETM:iä edeltävälle tasolle 140 000 vuodessa (s. 89).

7. Nykyisyys menneisyyden sylissä

  • Jo tapahtunut ilmastonmuutos on verrattavissa pieneen jääkauteen ja keskiajan lämpöoptimiin. Paikallisesti vaikutukset ovat voineet olla suuria, mutta globaalit muutokset ovat olleet suhteellisen vähäisiä (s. 91).
  • Jos sen sijaan poltamme kaiken hiilen, ilmasto tulee olemaan lämpimämpi kuin miljooniin vuosiin. Muutos saattaa olla suurempi kuin liitu-tertiäärikauden vaihtumisen aikana, jolloin dinosaurusten 150 miljoonaa vuotta kestänyt aikakausi päättyi (s. 92).
  • Vuodelle 2100 ennustettua lämpenemistä 3-5 °C voisi verrata 5-6 °C:een muutokseen jääkaudesta interglasiaaliin (s. 94).
  • Juuri nyt kun ihmiskunta on muutenkin kuluttamassa enemmän luonnonvaroja kuin mitä kestävä taso on, on huono hetki muuttaa ilmastoa (s. 94).
  • Ihmisellä on eläinlajina oma lämpötilaoptiminsa. Jos järjestäisimme äänestyksen lämpimämmän ja viileämmän maapallon välillä, kumpihan kanta voittaisi? (s. 95).
  • IPCC:n käyttämien ennusteiden mukaan maapallon keskilämpötilan nousu sekä muutokset sadannassa ja merenpinnan tason nousussa ovat aika tasaisia. Todellisuudessa muutokset ovat olleet yleensä äkillisiä (s. 95).

Luku 8. Fossiilisten polttoaineiden hiilidioksidin kohtalo

  • Näkyvää hiiltä (biomassaa) on 500 Gt, jo ilmaan päästettyä 300 Gt, maaperässä 2000 Gt ja fossiilisena hiilenä 5000 Gt (s. 103).
  • Hiilidioksidi sitoutuu paremmin kylmään veteen. Nämä alueet kattavat vain 2-3 % maapallon pinta-alasta (s. 109).
  • Meret sitovat 2 Gt hiiltä joka vuosi. Periaatteessa jos lopetamme hiilidioksidipäästöt tänään, kestää noin 100 vuotta kunnes hiilidioksidipitoisuus ilmakehässä on palautunut luonnolliseen arvoonsa. Mutta hiilidioksidin sitoutuminen muuttaa meriveden kemiaa siten, että meri pystyy ottamaan vastaan nykyistä vähemmän hiilidioksidia (s. 110).

Luku 9. Merten happamoittaminen

  • Kalkkikuorelliset levät (Coccolithophores) ovat merkittävässä asemassa hiilen kierrossa. Niiden kalkkikuoret muodostavat mm. merkittävän osan merenpohjassa olevista kalkkikuorista (CaCO3) (s. 118).
  • CaCO3:n tuotanto on sata kertaa hitaampaa kuin hiilidioksidipäästöt. Hiilenkiertomallit osoittavat, että kestää 2000–10 000 vuotta neutraloida ihmisen päästämä hiilidioksidi (s. 121).
  • Menneiden ilmastojen hiilidioksidipitoisuus on muuttunut hitaasti, antaen merille aikaa neutraloida siihen sitoutunut hiilidioksidi (s. 122).
  • Nykymenolla (kokonaispäästö 1000–2000 Gt vuoteen 2100 mennessä) maapallo pysyy 3 °C lämpimämpänä tuhat vuotta. ”Poltetaan kaikki” menolla (kokonaispäästö 4000–5000 Gt) maapallo pysyy 3 °C lämpimämpänä 10 000 vuotta. Grönlannin jäätikkö sulaa kun ilmasto on 3 °C lämpimämpi kuin esiteollisena aikana (s. 123).
  • Suurin osa hiilidioksidista liukenee mereen muutamassa vuosisadassa. 15–30% jää ilmakehään. Tämä osuus sitoutuu meriin 2000–10 000 vuoden kuluessa kun merien kemia palautuu ja pystyy jälleen ottamaan vastaan lopun hiilidioksidista. 10% hiilidioksidista säilyy ilmakehässä kuitenkin satoja tuhansia vuosia (s. 123).
  • Ihmisen päästämän hiilidioksidin aiheuttama happamuusmyrsky on mahdollisesti kovempi kuin koskaan ennen mukaan lukien PETM, jolloin monet kalkkikuorelliset eliöt ajautuivat sukupuuttoon (s. 124).

Luku 10. Hiilidioksidikierron palautejärjestelmät

  • Sen sijaan, että hiilen kierto vaimentaisi ilmastonmuutosta, se voi voimistaa sitä. Hiilidioksidi lisää lämpenemistä, mutta lämpeneminen voi myös lisätä ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta (s. 125).
  • Merenpohjassa on tuhansia gigatonneja hiiltä metaanina. Jos vain 10 % siitä vapautuisi ilmakehään, hiilidioksidipitoisuus kymmenkertaistuisi. Syvät meret lämpenevät kuitenkin vuosisatojen aikajänteellä (s. 131).
  • Metaaniklatraattien määrä ikiroudassa tunnetaan huonosti. Määrä vaihtelee 10:stä 400 Gt:iin. (s. 134).
  • Jos ilmasto kuitenkin lämpenee paljon, metaani todennäköisesti vapautuu ilmakehään ja tuplaa fossiilisten polttoaineiden aiheuttaman lämpenemisen (s. 136).

Luku 11. Kaukaisen tulevaisuuden merenpinta

  • 120 000 vuotta sitten eli edellisen interglasiaalin aikana meren pinta oli 4-6 m korkeammalla kuin nykyisin. Lämpötila oli sama kuin nykyisin eli noin 1 °C lämpimämpi kuin esihistoriallisena aikana (s. 138).
  • Plioseeniajalla ennen nykyisen jääkausiajan alkua 3 miljoonaa vuotta sitten pohjoisnapa oli jäätön ja meri oli 20–25 m korkeammalla kuin nykyisin. Myös Etelämantereen jääpeite oli pienempi. Maapallon keskilämpötila oli tuolloin arviolta 2 °C lämpimämpi kuin esihistoriallisen aikana (s. 138).
  • Eoseeniajan lämpötila oli 4-5 °C lämpimämpi ja merenpinta oli 70 m korkeammalla kuin nykyisin (s. 139).
  • IPCC:n ennuste merenpinnan nousulle vuoteen 2100 mennessä on +0,5 m. Menneisyyden ilmasto ja merenpinnantaso kuitenkin indikoi, että 3 °C lämpenemisellä merenpinta nousee kaikkiaan 50 m. Koska hiilidioksidi säilyy ilmakehässä kauan, aikaa merenpinnan nousulle on runsaasti vuoden 2100 jälkeenkin. Ennuste vuodelle 2100 on näin ollen vain merenpinnan nousun ”jäävuoren huippu” (s. 140).
  • Veden lämpölaajeneminen 3 °C:een lämpenemisessä aiheuttaa ”vain” 1.5 m nousun. Lopusta vastaa maan päällä olevien jäätikköjen sulaminen. Ilmastohistoria osoittaa, että jää pystyy sulamaan tavalla, jota edes jäätikkötutkijat eivät osaa toistaiseksi ennustaa (s. 141).
  • Jos Grönlannin mannerjäätikkö aloittaa Heinrichin manööverin, tapahtumaa on mahdotonta pysäyttää (s. 142).
  • Nykyisissä ilmastomalleissa jäätikön pinnalla tapahtuvat muutokset välittyvät hitaasti jäätikön pohjalle. Todellisessa Grönlannin jäätikössä muutokset välittyvät vain muutamassa kuukaudessa – ilman 1000 vuoden viivettä (s. 143).

Luku 12. Maapallon kiertorata, hiilidioksidi ja seuraava jääkausi

  • Kiertoratamallien mukaan näyttää siltä, että seuraava jäätiköityminen voisi alkaa aikaisintaan 50 000 vuoden kuluttua. Maapallo oli viimeksi tässä vaiheessa 400 000 vuotta sitten. Silloinkin interglasiaali kesti 50 000 vuotta (s. 153).
  • Jos jatkamme nykyisellä kasvu-uralla ja poltamme 2000 Gt hiiltä, näyttää siltä, että vältämme jäätiköitymisen myös 50 000 vuoden jälkeen aina 130 000 vuoden päähän. Tällöin edessä on seuraava kylmenemisen aloittava pohjoisen pallonpuoliskon viileän kesän vaihe. Jos koko hiilidioksidivaranto eli 5000 Gt poltetaan, jäätiköityminen voi lykkääntyä 500 000 vuotta (s. 156).
  • Lämpenemisen haitat ovat selviä, eikä seuraava jääkausi muutenkaan näytä vaanivan aivan oven takana. Seuraava jääkausi ei myöskään pelasta meitä lämpenemiseltä (s. 157).

Jälkikirjoitus: hiilidioksidiekonomiaa ja -etiikkaa

  • Jos rajoitamme lämpötilan nousun 2 °C:een ja hiilidioksidipitoisuuden 420 ppm:ään kokonaisemissiona tämä on 600 Gt. Me olemme päästäneet ilmaan jo 300 Gt ja loppu 300 Gt vastaa jäljellä olevaa öljyä ja kaasua. Käytännössä maapallon tulevan ilmaston määrää se, mitä teemme hiilelle (s. 162).
  • Jos haluamme stabiloida hiilidioksidipitoisuuden 420 ppm:ään vuoteen 2050 mennessä, päästövähennykset kehittyneille maille ovat 80 % – USA:lle, Kanadalle ja Australialle 90 % (s. 163).
  • 80 %:n päästövähennys voisi koostua 15 viipaleesta, joista kukin vastaisi 1 Gt/vuosi (s. 164).
  • Autojen tehokkuuden lisääminen olisi yksi viipale, 50-kertainen lisäys tuulivoimassa olisi yksi jne. (s. 165).
  • Hiilidioksidin eristäminen ei ole järkevää. Jos vuosittainen vuotomäärä on 0,1 %, kaikki hiilidioksidi leviää ilmakehään 1000 vuoden aikana. Hiilidioksidipitoisuuspiikki kyllä alenee, mutta hiilidioksidipäästöillä olisi edelleen hyvin pitkällinen vaikutus ilmastoon. Sama pätee hiilidioksidin dumppauksessa meren syvänteisiin (s. 167).
  • Rikkiviilennyksen pitäisi jatkua keskeytyksettä tuhansia vuosia (s. 169).
  • Jos hiilidioksidi on tarkoitus kerätä pois ilmakehästä, on typerää päästää sitä sinne alun perinkään (s. 170).
  • Kysymyksen ei ehkä pitäisikään olla taloudellinen, vaan eettinen. Mikä on väärin, on yksinkertaisesti väärin (s. 172).
  • Yksi gallonallinen polttoainetta vapauttaa poltettaessa 2500 kcal ”hyvää” energiaa. ¾-osaa sen hiilidioksidipäästöstä häviää kierrosta muutamassa vuosisadassa, mutta ¼-osa hiilidioksidista säilyy kierrossa tuhansia vuosia pidättäen auringon energiaa kiertonsa aikana 40 miljoonaa kertaa enemmän kuin mitä alkuperäisessä gallonassa oli energiaa. Kaikkiaan maapalloa lämmittää tästä johtuen siis 100 000 000 000 kcal tarpeetonta ja haitallista energiaa (s. 174).

 

Ja lopuksi David Archerin loppukaneetti: 

Tuon polttoainegallonallisen valtava, maailmoja muuttava potentiaali on ottanut ilmasto-ohjakset pois luonnon tasapainottavilta palautejärjestelmiltä ja antanut ne meille ihmisille. Käyttäkäämme näitä uusia voimiamme viisaasti.

Tässä vielä Archerin luentoja ilmastoasioista. Tiedostot ovat melko suuria, joten ne kannattaa ladata omalle koneelle ennen katselua.

http://geoflop.uchicago.edu/forecast/docs/lectures.html

Kiitokset Arille, Tuomakselle, Jarille ja muille kommentoinneille!

%d bloggers like this: