Eri maissa erilaiset ongelmat maanviljelykselle ilmastonmuutoksesta

Ilmastonmuutoksella on melko suora vaikutus maanviljelykseen eri puolilla maailmaa. Toisissa maissa on odotettavissa ainakin hetkellistä satojen paranemista ja toisissa maissa on odotettavissa satojen heikkenemistä. Hiljattain on julkaistu uutta tietoa ilmastonmuutoksen vaikutuksesta Venäjän, Kiinan ja Intian maanviljelykseen. Uutiset ovat valitettavasti yleisesti ottaen huonoja.

Ilmastonmuutos vaikuttaa maanviljelyyn. Kuva: Esko Pettay.

Dronin ja Kirilenko ovat tutkineet ilmastonmuutoksen vaikutusta viljankasvatukseen Venäjällä. Venäjällä, kuten muillakin pohjoisilla alueilla, odotetaan yleisesti lämpimämmän ilmaston parantavan satoja. Tämä johtuu pidentyneestä satokaudesta, hallavaurioiden vähenemisestä, mahdollisuudesta käyttää tuottavampia lajikkeita ja uusien, yhä pohjoisempien alueiden muuttumisesta kelvolliseksi viljelylle. Viljelyskelpoisia alueita saattaa Venäjällä löytyä tulevaisuudessa jopa 600 kilometriä pohjoisempana kuin nykyään.

Dronin ja Kirilenko kuitenkin huomasivat, ettei tämä yleinen käsitys välttämättä pädekään Venäjällä, koska maan tärkeimmillä maanviljelysalueilla kuivuuden riski kasvaa. Dronin ja Kirilenko tarkastelevat menneitä kuivuusjaksoja, joiden perusteella he löytävät joitakin mahdollisia keinoja tilanteen helpottamiseksi.

Tao ja muut ovat tutkineet maanviljelyksen tilannetta Kiinassa lämpenevässä ilmastossa. He yrittivät paikallistaa mahdolliset tämän asian kannalta herkät alueet Kiinassa. Herkimmät alueet löytyivät Kiinan koillisosista. Ilmastonmuutoksen edetessä Kiinan vesiresursseissa tapahtuu muutoksia ja näyttäisi siltä, että vuosien 2021 ja 2040 välillä kuivuus olisi pahimmillaan.

Tuottavuus kuitenkin näyttäisi yleisesti paranevan Kiinan alueella vuoteen 2080 mennessä. Lähivuosikymmeninä on kuitenkin odotettavissa, että tuottavuus ensin laskee jopa vuosikymmenien ajan. Tao ja muut varoittavat, että vaikka yleisesti ottaen tuottavuus näyttäisi paranevan, tulevaisuudessa saattaa tulla lopputulokseen vaikuttavia muutoksia vesiresursseissa. He tähdentävät, että asia vaatii tarkempia lisätutkimuksia.

Intiassa tilanne on aivan erilainen kuin Venäjällä ja Kiinassa. Intiassa lämpötilan nousu vähentää suoraan tuottavuutta. Tämä on jo havaittu, sillä Intiassa pidetyn konferenssin osanottajien mukaan tapahtunut 0,5 celsiusasteen lämpeneminen on vähentänyt vehnän ja sokeriruo’on satoja. Kasvitaudit ovat myös leviämässä Intiassa. Kasvitautien tutkijoiden mukaan kassavaa vaivaava mosaiikkivirus on levinnyt Keralan alueella voimakkaasti ilmastonmuutoksen ansiosta.

Intiassa maanviljelykseen liittyy vielä uusia ongelmia sadonkorjuun jälkeen. Viljanjyville on nimittäin ilmastonmuutoksen myötä saatava parempia kylmävarastoja, jotta varastointihävikki saataisiin pienemmäksi.

Lähteet:

Nikolai Dronin and Andrei Kirilenko, Climate change, food stress, and security in Russia, 2010, Regional Environmental Change, DOI: 10.1007/s10113-010-0165-x. [tiivistelmä]

Fulu Tao, Zhao Zhang and Masayuki Yokozawa, Dangerous levels of climate change for agricultural production in China, 2010, Regional Environmental Change, DOI: 10.1007/s10113-010-0159-8. [tiivistelmä]

Crop viruses spurred by climate change in India – ClimateSignals
Symposium on climate change and plant diseases – The Hindu

Kananmunan kuoret voivat auttaa estämään ilmastonmuutosta

Kananmunan kuorikalvot voivat sitoa seitsemän kertaa oman painonsa verran hiilidioksidia. Kuva: Jari Kolehmainen.

Elintarviketeollisuus tuottaa paljon jätteitä, mutta yksi niistä, nimittäin kananmunan kuoret, voisivat olla halpa ja helppo apukeino ilmastonmuutoksen torjumiseksi. Asiaan liittyvä tutkimus julkaistiin International Journal of Global Warming -lehdessä tässä kuussa.

Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut 1800-luvun puolivälistä lähtien, kun fossiilisten polttoaineiden eli kivihiilen, öljyn ja maakaasun käyttäminen polttoaineena oli yleistynyt teollisen vallankumouksen myötä. Viime vuosikymmeninä havaittu maapallon keskilämpötilan nousu johtuu lähinnä kasvihuonekaasujen pitoisuuden kohoamisesta ilmakehässä. Vuonna 2005 hiilidioksidipitoisuus oli yli kolmanneksen suurempi kuin ennen teollista vallankumousta. Se oli noussut 280 tilavuuden miljoonasosasta (ppm) 381 miljoonasosaan. Lähes 300 miljardia tonnia hiiltä on päästetty ilmakehään fossiilisten polttoaineiden ja sementin tuotannosta alkaen vuodesta 1751 – puolet tästä 1970-luvun puolivälin jälkeen.

Basab Chaudhuri kollegoineen Kalkutan yliopistosta osoitti, että kananmunan kuoren sisäpuolella oleva kalvo voi imeä lähes seitsemän kertaa oman painonsa verran hiilidioksidia ilmasta. Kun käytettyä kalvoa liuotetaan etikkahapolla, samaa kalvoa on mahdollista käyttää jopa neljä kertaa. Hiilidioksidia olisi mahdollista tallettaa tähän muotoon, kunnes keksitään energiatehokkaita ja ympäristöongelmia aiheuttamattomia menetelmiä hyödyntää sitä. Hiilidioksidia käytetään laajalti kemianteollisuudessa monenlaisten tuotteiden valmistukseen sekä joissakin tapauksissa vaihtoehtona myrkyllisille liuottimille.

Kananmunan kuori koostuu kolmesta osasta: uloinna vahamainen kerros (ns. kutikula), keskellä kalsiumpitoinen kuori ja kuoren sisäpinnalla kuorikalvo (ulompi ja sisempi kuorikalvo). Kuori ja kuorikalvot koostuvat kalsiumkarbonaatteihin kiinnittyvistä proteiinisäikeistä. Kuorikalvo on noin 100 mikrometriä paksu, eikä sitä pystytä tehokkaasti erottamaan kuoresta. Koska jo yksin Intiassa kulutetaan noin 1,6 miljoonaa tonnia munia vuodessa, on varmasti kannattavaa kehittää menetelmiä, jotta kuorikalvoja olisi mahdollista hyödyntää materiaalina ilmastonmuutoksen estämisessä.

Tutkijat osoittivat, että on mahdollista käyttää heikkoa happoa, jonka avulla voidaan erottaa kalvo kananmunan kuoresta käytettäväksi hiilidioksidin sitojana. Artikkelissa kuitenkin huomautetaan, että teollisessa mittakaavassa kannattavaan erottamiseen tarvittaisiin sopiva mekaanisen erottelun menetelmä. Tutkijoiden mukaan käytettyjen kananmunien kuorien jättäminen ilmalle alttiiksi voisi olla jokamiehen keino vähentää ilman hiilidioksidipitoisuutta.

Lähteet:

Arghya Banerjee, Sriparna Panda, Manojit Sidhantha, Sampa Chakrabarti, Basab Chaudhuri, Sekhar Bhattacharjee. Utilisation of eggshell membrane as an adsorbent for carbon dioxide. International Journal of Global Warming, 2010; 2 (3): 252 DOI: 10.1504/IJGW.2010.036136 [tiivistelmä].

Inderscience Publishers. Eggshells Could Help Combat Climate Change, Research Suggests. ScienceDaily, 26 October 2010 [uutinen].

Lisätietoa teollisuuden hiilidioksidin talteenotosta ja hyödyntämisestä:

CO2-raportti. Kysy ilmastonmuutoksesta. Teollisuuden hiilidioksidin talteenotto [kysymys 17.6.2010].

Tulivuorten vaikutus ilmastoon

Tulivuorten vaikutusta ilmastoon on tutkittu kauan. Tulivuorten tutkimukset keskittyivät aluksi yksittäisiin aktiivisiin tulivuoriin ja menneisyyden tulivuorten aktiivisuuteen. Tulivuorten vaikutusta ilmastoon alettiin tutkia toden teolla 1800-luvulla. Tämän jälkeen ala on kehittynyt voimakkaasti ja viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana ilmaston ja tulivuorten yhteyttä on todella alettu ymmärtää. Kiitos tästä kuuluu muiden muassa lisääntyneelle kiinnostukselle ilmastonmuutoksen myötä, parantuneille havaintomenetelmille (mm. satelliittihavainnot, globaali tulivuorten seurantajärjestelmä ja jääkairanäytteet) ja ilmastomallinnuksen kehitykselle.

Tulivuori Ecuadorissa. Kuva: Esko Pettay.

Ensimmäiset tunnetut maininnat tulivuorten vaikutuksesta ilmastoon liittyvät tulivuori Etnan purkaukseen vuonna 44 eaa. Tästä raportoidessaan Plutarkos ja muut kertoivat purkauksen himmentäneen Auringon ja ehdottivat sitä seuranneen viilenemisen kuihduttaneen sadon ja aiheuttaneen nälänhätää Roomassa ja Egyptissä. Seuraava tunnettu maininta tulivuorten ja ilmaston yhteydestä on vasta vuodelta 1784, kun Benjamin Franklin ehdotti vuoden 1783 purkauksen Lagagigar-tulivuorella Islannissa aiheuttaneen sitä seuranneen kylmän kesän ja talven Euroopassa.

Humphreys tutki tulivuorten purkauksien ja lämpötilan yhteyttä 1900-luvun alkupuolella ja ehdotti tulivuorten viilentävän vaikutuksen johtuvan stratosfäärin aerosoleista. Mitchell tutki myös lämpötilan ja tulivuorten yhteyttä 1900-luvun puolivälin jälkeen. Heillä kummallakin tutkimuksia rajoitti saatavilla olevan lämpötiladatan vähäisyys. El Chichón -tulivuoren purkaus vuonna 1982 ja Pinatubon purkaus vuonna 1991 tarjosivat mahdollisuuden tutkia tulivuorien ja ilmaston yhteyttä kehittyneemmillä menetelmillä ja niistä saatiinkin paljon uutta ja tarkempaa tietoa.

Tulivuoren purkaukset syytävät ilmakehään valtavat määrät kaasuja ja aerosolihiukkasia. Nämä vaikuttavat maapallon säteilytasapainoon ja ilmastoon. Tulivuoren purkauksista syntyvä sulfaattipilvi vaikuttaa huomattavasti sekä lyhytaaltoisen (esim. näkyvä valo) ja pitkäaaltoisen (lämpösäteily) säteilyn kulkuun ilmakehässä. Tämä vaikuttaa maapallon pinnan lämpötilaan suoran säteilyvaikutuksen ansiosta ja epäsuorasti ilmakehän kiertoliikkeiden muutoksien kautta. Merkittävin vaikutus on sulfaattiaerosolien kyky estää Auringon säteilyä, millä on maapallon pintaa viilentävä vaikutus.

Pienistä tulivuorien purkauksista purkautuu verrattain vähän vulkaanisia aineita troposfääriin. Sulfaattiaerosolit säilyvät troposfäärissä tyypillisesti vain muutaman päivän, joten sellaisilla tulivuoren purkauksilla on vain lyhytaikainen ja vähäinen vaikutus paikalliseen säähän. Joillakin erityisen voimakkailla troposfääripurkauksilla voi kuitenkin olla myös pieni ilmastollinen vaikutus. Tulivuorien troposfääripurkauksista poiketen ihmisen sulfaattipäästöt vaikuttavat troposfäärissä voimakkaasti ilmastoon, koska niitä päästetään jatkuvalla syötöllä paljon. Ihmisen toiminta aiheuttaa siis troposfääriin sulfaatin jatkuvan läsnäolon, kun taas tulivuorien sulfaatit ovat siellä vain vähän aikaa.

Suurista tulivuoren purkauksista saattaa purkautua vulkaanisia aineita stratosfääriin asti. Sellaisella purkauksella on voimakkaampi vaikutus ilmastoon, koska vulkaanisia aerosoleja on silloin yleensä paljon ja ne pysyvät stratosfäärissä paljon kauemmin kuin troposfäärissä. Lisäksi stratosfäärissä tapahtuvien ilmavirtausten ansiosta vulkaaniset aerosolit leviävät laajalle alueelle, jopa koko maapallolle erityisesti tropiikissa tapahtuvien purkauksien osalta. Todella voimakkaat purkaukset voivat viilentää maapallon pintaa ja troposfääriä huomattavasti.

Suuria tulivuoren purkauksia tapahtuu verrattain harvoin, joten tulivuorien ilmastovaikutusten tukimuksessa on tärkeää tutkia menneitä tulivuoren purkauksia. Tulivuorien yksi hyvä puoli on se, että niiden purkaukset ovat näkyviä tapahtumia, joten menneisyydessä tapahtuneiden purkausten ajankohdista on jäänyt paljon tietoa historiankirjoihin. Tämän ansiosta menneisyyden tulivuorien ilmastovaikutuksen tutkiminen on helpompaa. Lisäksi toki tarvitaan myös tietoa menneistä ilmasto-olosuhteista tunnettujen tulivuoren purkauksien ajalta.

Menneistä tulivuorenpurkauksista on kirjoitettu paljon. Esimerkkinä mainittakoon Vesuviuksen purkaus, joka hautasi roomalaisen kaupungin Pompeijin vuonna 79. Historialliset dokumentit ovat kuitenkin vajavaisia. Vain voimakasta tuhoa aiheuttaneet purkaukset on kirjattu ylös. Syrjäisten paikkojen purkauksia kirjattiin ylös harvemmin silminnäkijöiden puuttuessa. Lisäksi kirjoitettu historia ei ulotu monissa paikoissa kovin pitkälle menneisyyteen eivätkä kuvaukset ole tieteellisesti tarkkoja (kuvaukset ovat yleensä vain kuvaavia ilman numeerista tietoa). Vasta 1800-luvun puolivälissä tulivuorista alettiin pitää kirjaa järjestelmällisesti sekä täsmällisesti ja 1950-luvulla aloitettiin maailmanlaajuinen seurantajärjestelmä.

Tulivuoria voidaan tutkia myös purkauksen jälkeen. Purkauksen voimakkuutta voidaan arvioida syntyneen kraatterin koon perusteella sekä aiheutuneen tuhkalaskeuman laajuudella. Purkautuneen vulkaanisen aineksen koostumuksesta voidaan määritellä purkauksen tyyppi sekä purkauksen välitön vaikutus ympäristöön.

Tulivuorien aktiivisuuden proksit

Silminnäkijäraportteihin perustuvat historiankirjat ja tulivuorien tutkimus jälkeenpäin tuottavat vaillinaisen tulivuorirekisterin. Kuten yllä todettiin, kaikkia purkauksia ei huomata, jolloin ne jäävät kirjaamatta ylös ja tutkimatta. Tässä ongelmassa auttavat niin sanotut proksit, eli tulivuorenpurkauksien epäsuorat indikaattorit. Tulivuorien tutkimisessa kaksi tärkeää proksia ovat jääkairanäytteet jäätiköistä ja puiden vuosirenkaat.

Tulivuorten purkauksissa ilmakehään purkautuva materiaali laskeutuu jossain vaiheessa maanpinnalle. Materiaali leviää hyvin laajalle alueelle, joten tulivuorien materiaalia laskeutuu myös etelänavan ja Grönlannin jäätiköille. Jäälle laskeutuva tulivuoren materiaali peittyy lumeen ja jäätikön kasvaessa entisten aikojen tulivuorten purkaukset jäävät uusien jääkerrosten alle. Jälki entisten aikojen tulivuorten purkauksista siis säilyy jäätikön jäässä ja tieto purkauksista on mahdollista selvittää jäätiköstä poratuista kairanäytteistä. Kairanäytteistä mitataan happamuus ja/tai sulfaattipitoisuus, joiden avulla menneiden tulivuorten purkausten signaali saadaan näkyviin.

On kuitenkin paljon tekijöitä, jotka vaikeuttavat tulivuorten purkausten näkymistä kairanäytteiden happamuusmittauksissa. Esimerkiksi näytteessä voi olla läsnä muita happoja, kuten typpihappoa, tai emäksinen pöly saattaa neutraloida vulkaaniset hapot. Näiden ongelmien takia sulfaattimittaukset ovatkin luotettavampia tulivuorten purkausten indikaattoreita. Sulfaattilähteitä on tulivuorten lisäksi vain vähän ja sulfaattien mittaus pystytään nykyään tekemään nopeasti ja tulos on tarkka. Nykyään meillä on jääkairanäytteistä mitattuja tulivuoritoiminnan mittaussarjoja, jotka ulottuvat yli 100 000 vuoden taakse menneisyyteen.

Jääkairauksista saadaan tulivuorten aktiivisuudesta kertova mittaussarja, joka on moniin muihin tapoihin verrattuna parempi siinä mielessä, että jääkairauksista saadaan mitattua muutakin kuin pelkästään purkauksien ajoitus. Jäänäytteistä mitattavan tulivuoriperäisten sulfaattien pitoisuuden perusteella saadaan määritettyä tulivuorten aiheuttama ilmakehän optinen syvyys, jonka voidaan katsoa esittävän tulivuorten ilmastopakotetta. Tähän liittyy kuitenkin huomattavia ongelmia, joten näin saatua tulivuorten pakotetta on tulkittava varoen. Sulfaattipitoisuuksista on esimerkiksi vaikea erottaa joidenkin harvojen stratosfääripurkausten vaikutusta monien troposfääripurkausten vaikutuksesta (erityisesti silloin kun pienemmät troposfääripurkaukset ovat tapahtuneet melko lähellä jääkairausnäytteen ottopaikkaa), joten tuloksena oleva pakote saattaa olla liian suuri.

Hiljattain on onnistuttu kehittämään menetelmä, jolla stratosfääri- ja troposfääripurkaukset voidaan erottaa toisistaan jääkairanäytteessä olevan sulfaatin isotooppien perusteella. Stratosfääripurkausten sulfaatin isotooppikoostumus on erilainen kuin troposfääripurkausten sulfaatin. Tämä johtuu siitä, että stratosfäärissä tapahtuu erilaisia kemiallisia prosesseja kuin troposfäärissä ja kyseiset prosessit jättävät jälkensä stratosfäärissä käyneeseen sulfaattiin.

Jääkairanäytteiden sulfaattimittauksiin liittyen on vielä kuitenkin paljon työtä tehtävänä. Tällä hetkellä sulfaattimittaussarjojen laatu kärsii huomattavasti kun mennään tuhatta vuotta kauemmas historiaan. Jääkairanäytteestä otetut peräkkäiset mittaukset ovat ajallisesti kaukana toisistaan ja lisäksi mittausten ajoituksen tarkkuus muuttuu huonommaksi kauemmas historiaan mennessä. Tässä asiassa on odotettavissa merkittäviä parannuksia tulevaisuudessa.

Tulivuorenpurkauksen aiheuttama viileneminen näkyy puiden kasvussa kapeampina vuosirenkaina erityisesti korkealla kasvavissa puissa. Jos lämpötila menee kasvukauden aikana pakkasen puolelle, se näkyy vuosirenkaassa vaurioituneina solukkona. Tällaisten ”pakkasenpuremien” vuosirenkaiden tunnistaminen on tärkeää muodostettaessa tulivuorten aktiivisuusmääritystä puiden vuosirenkaiden perusteella. Lisäksi vuosirenkaiden leveyden ja tiheyden tarkka mittaus on tärkeää.

Puiden vuosirenkaista on tehty tulivuorten aktiivisuuden mittaussarjoja muutaman tuhannen vuoden taakse menneisyyteen. Näitä voidaan käyttää jääkairanäytteiden tukena vahvistamaan tulivuorten aktiivisuuden mittaussarjoja erityisesti purkausten ajoituksen suhteen. Puiden vuosirenkaisiin perustuva mittaussarja ei kuitenkaan ole suora tulivuorten aktiivisuuden mittari, vaan pelkästään ilmastollisten olojen mittari. Monet muutkin asiat vaikuttavat puiden vuosirenkaiden ilmastovasteeseen, joten ne eivät ole niin luotettava tulivuorten aktiivisuuden indikaattori kuin jääkairanäytteistä saatavat sulfaattipitoisuuden mittaussarjat.

On olemassa muitakin tulivuorten aktiivisuuden epäsuoria mittaustapoja. Auringon säteilyn suorasta mittaamisesta maan pinnalta voidaan päätellä tulivuorten purkauksien ajankohtia. Hiukan erikoisempi menetelmä on päätellä tulivuorten purkauksien vaikutus vanhojen kuuhavaintojen perusteella. Tulivuorten purkaukset nimittäin vaikuttavat ilmakehän optisiin ominaisuuksiin ja siksi ne myös vaikuttavat siihen, millaisena kuu näkyy erityisesti täydellisen kuunpimennyksen aikana. Vanhoista kuunpimennyksen kuvauksista onkin määritelty menneiden tulivuorten purkauksien ajoitus vuosille 1671-1881.

Tulivuorten vaikutus ilmastoon

Tulivuoren eri tavat vaikuttaa ilmastoon.

Tulivuoren purkauksesta purkautuva materiaali säilyy ilmakehässä vain vähän aikaa, joten tulivuorten purkauksen välitön vaikutus ilmastoon kestää vain muutaman vuoden. Meillä on kuitenkin todisteita myös tulivuorten pitkäaikaisesta vaikutuksesta ilmastoon. Esimerkiksi etelänavalta (Siple Dome) poratusta jääkairanäytteestä voitiin päätellä tulivuorilla olevan ilmastollisia vaikutuksia tuhansien vuosien aikaskaalalla. Toisaalta saman alueen toisessa näytteessä (EPICA Dome C) ei näkynyt minkäänlaista pitkän ajan vastaavuutta tulivuorten ja ilmaston välillä. Näiden kahden esimerkin perusteella on selvää, että tietomme tulivuorten pitkäaikaisesta vaikutuksesta ilmastoon on vielä hyvin epävarmaa.

Etelänavan jääkairanäytteissä ei näy kovin paljon mainitsemisen arvoista tulivuorenpurkausten esiintymistiheydessä lukuunottamatta niiden yleistä lisääntymistä viimeisen 2000 vuoden aikana. Grönlannin jääkairanäytteissä taas näkyy enemmän tulivuorenpurkauksia holoseenin alussa. Ero Grönlannin ja etelänavan tulivuorisarjoissa selittyy luultavasti paikallisilla tulivuorten purkauksilla. Grönlannin jäätiköllä on odotettavissa, että siellä näkyy esimerkiksi Islannissa ja Alaskassa tapahtuneet paljon pienemmät purkaukset kuin etelänavalla.

Tulivuorilla voi olla vaikutusta ilmastoon pitkällä aikavälillä, jos purkausten esiintymistiheys muuttuu. Lisäksi tiedetään, että ilmaston takaisinkytkentäprosessit voivat pidentää yksittäisen tulivuoren ilmastollista vaikutusta yli kymmeneen vuoteen joillakin alueilla.

Tulivuorten osuutta tunnettuihin ilmastonmuutoksiin, kuten keskiajan lämpökauteen ja pieneen jääkauteen, on tutkittu paljon. On ehdotettu, että pieni jääkausi johtui stratosfääripurkausten tiheämmästä esiintymisestä. Toisaalta jotkut tutkimukset ovat yhdistäneet pienen jääkauden Auringon aktiivisuuden muutoksiin. Tulivuorien esiintymistiheys oli vuosien 800 ja 1100 välillä pienempi kuin pienen jääkauden aikaan. Tämän perusteella on ehdotettu, että tulivuorten esiintymistiheyden muutos vaikutti osaltaan ilmaston muuttumiseen keskiajan lämpökaudesta pieneksi jääkaudeksi. Tulivuorten vaikutus voikin olla erityisen merkittävä silloin, kun ilmasto on jo muutenkin muuttumassa.

1800-luvun puolivälin jälkeen maapallon ilmasto on yleisesti ottaen lämmennyt. Ajoittain lämpenemisen on kuitenkin keskeyttänyt viilenevä jakso. 1900-luvun alkupuolella ilmasto lämpeni ja samaan aikaan oli hyvin vähän voimakkaita tulivuorenpurkauksia. Tulivuoret ovat siis saattaneet vaikuttaa vuosien 1910 ja 1940 välillä tapahtuneeseen lämpenemiseen. Toisaalta 1900-luvun jälkimmäisellä puoliskolla tapahtuneen lämpenemisen aikana tapahtui useita voimakkaita tulivuorenpurkauksia, mutta pientä heilahdusta lukuunottamatta lämpötila jatkoi nousuaan. Tämän perusteella fossiilisista polttoaineista peräisin olevan hiilidioksidin ilmastovaikutus on muuttunut hallitsevaksi luonnollisten ilmastonvaihteluiden, kuten esimerkiksi tulivuorten aiheuttamien, kustannuksella. 1900-luvun jälkimmäisen puoliskon suuret tulivuorenpurkaukset (esimerkiksi Pinatubo vuonna 1991) aiheuttivat vain hetkellisen viilenemisen maapallon ilmastoon yleisen lämpenemisen jatkuessa.

On myös ehdotettu, että tulivuorten aiheuttama ilmastovaikutus voisi osittain liipaista El Niñon käyntiin, mutta myöhemmissä tutkimuksissa asia ei ole saanut vahvistusta ja tulokset ovat sen osalta ristiriitaisia.

Hyvin harvinaisilla, jättimäisillä tulivuorenpurkauksilla (supertulivuorilla) voi olla erittäin voimakkaita ilmastovaikutuksia. Niiden on arveltu jopa voivan aloittaa jääkausia. Viimeisin tiedossa oleva jättimäinen tulivuorenpurkaus tapahtui Indonesian Toba-tulivuorella noin 74 000 vuotta sitten. Tämän purkauksen on arveltu aiheuttaneen varhaisen ihmiskunnan väestönkasvuun ”pullonkaulan”. Toban purkauksen on arveltu aiheuttaneen noin 3-5 celsiusasteen viilenemisen globaalisti ja meren lämpötilan vähenemisen yhdellä celsiusasteella trooppisilla alueilla. Tämä on lämpötilanmuutos, joka suuruudeltaan on lähellä jääkausiin liittyviä muutoksia.

Tällä hetkellä emme kuitenkaan tiedä tarkkaan, kuinka kauan aikaa Toban purkaus vaikutti ja miten paljon se vaikutti jääkauteen siirtymiseen. Tässäkin asiassa tutkimustulokset ovat ristiriitaisia.

Tulivuorista purkautuu myös kasvihuonekaasuja, kuten hiilidioksidia ja vesihöyryä. Yksittäisen purkauksen kasvihuonekaasupäästöt ovat kuitenkin niin pieniä verrattuna ilmakehässä jo olevaan määrään, että yksittäisen tulivuoren kasvihuonekaasupäästöjen ilmastovaikutus on mitätön.

Ilmastomallit ovat viime aikoina kehittyneet kovasti ja niiden avulla voidaankin jo tutkia myös tulivuortenpurkausten vaikutusta ilmastoon. Vuoden 1991 Pinatubon purkaus antoi paljon hyvää mittaustietoa mallinnuksen tueksi ja oli siinä mielessä erittäin tärkeä. Kun ilmastomalleihin yhdistetään vielä jääkairanäytteistä saadut sulfaattien mittaussarjat, voidaan tulivuorien toimintaa mallintaa pidemmällä aikavälillä. Malleilla voidaan tutkia tulivuorien suoran vaikutuksen lisäksi myös epäsuoria vaikutuksia, kuten El Niñon käyttäytymistä tulivuorenpurkausten yhteydessä.

Yllä mainittujen lisäksi tulivuorilla on muitakin ilmastovaikutuksia, kuten esimerkiksi purkauksien aiheuttama stratosfäärin lämpeneminen ja purkausten vaikutus ilmakehän kiertoliikkeisiin.

Tulevaisuuden haasteet

Olemme edellä nähneet, kuinka tulivuorien ilmastovaikutuksen tutkimus on kehittynyt voimakkaasti. Toisaalta olemme myös nähneet, että tietämyksessämme on vielä paljon aukkoja tulivuorten ilmastovaikutukseen liittyen. Tutkijoilla riittää siis haasteita myös tulevaisuudessa.

Jääkairanäytteissä laadukas tieto rajoittuu tällä hetkellä viimeiseen 1000-1500 vuoteen. Tulevaisuudessa tarvitaan parannusta näytteiden ajoituksessa ja niitä pitää saada ajallisesti tiheämmin. Lisää kehitystä on myös tehtävänä muiden tekijöiden vaikutuksen poissulkemiseksi tulivuorten aktiivisuuden mittaussarjoista.

Ilmastomallit kykenevät mallintamaan purkausten vaikutuksen melko hyvin. Silloin tällöin ne kuitenkin liioittelevat purkausten vaikutusta. Näin on erityisesti epätavallisen voimakkaiden purkausten yhteydessä. Tämän on arveltu viittaavan siihen, että purkautuvan massan muuttaminen ilmastopakotteeksi ilmastomalleissa vaatii parannuksia. On myöskin vielä selviteltävä, kuinka muiden pakotteiden (kuten esimerkiksi kasvihuonekaasut) läsnäolo vaikuttaa tulivuoren ilmastopakotteeseen.

Tulivuorten ilmastoa viilentävä vaikutus on herättänyt mielenkiintoa, kun on tarkasteltu kysymystä siitä, miten saada ilmaston lämpeneminen pysäytettyä. Eräs ehdotus muokata keinotekoisesti ilmastoa on juuri tulivuorten ilmastoa viilentävän vaikutuksen perua. On nimittäin ehdotettu, että stratosfääriin levitettäisiin paljon rikkiyhdisteitä ja niistä stratosfäärissä muodostuvat sulfaattiaerosolit vähentäisivät sitten Auringosta tulevan säteilyn maan pinnalle saapuvaa määrää. Ehdotusta on kritisoitu siitä, että sillä olisi muita haitallisia vaikutuksia (esim. stratosfäärin otsonipitoisuudelle, joka vaikeuttaisi entisestään hankalaa tilannetta otsoniaukkoihin liittyen) eikä se edes vaikuttaisi kasvihuonekaasupitoisuuksiin eikä se niin ollen poistaisi muita haittoja, kuten merten happamoitumista. Rikkiyhdisteiden vaikutus olisi myös lyhytaikainen, joten niitä pitäisi levittää stratosfääriin jatkuvasti.

Lähteet:

Jihong Cole-Dai, 2010, Volcanoes and climate, Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, DOI: 10.1002/wcc.76. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Robock, A. (2000), Volcanic eruptions and climate, Rev. Geophys., 38(2), 191–219, doi:10.1029/1998RG000054. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Merieläimet hapoilla

Meriveden pH laskee merten absorboidessa hiilidioksidia ilmakehästä. Kokeet osoittavat, että meriveden happamoituminen heikentää monien eläinryhmien kasvua ja lisääntymiskykyä. Muutoksen nopeus on eläinlajien sopeutumiskyvyn kannalta liian nopeaa. Merten ravintoketju on näiden muutosten seurauksena vaarassa.

Hiilidioksidi muodostaa hiilihappoa reagoidessaan meriveden kanssa. Ilmakehän jatkuvasti kasvava hiilidioksidipitoisuus johtaa näin meriveden happamoitumiseen. Kun vesi happamoituu riittävästi, monien eläinten kalkkikuoret alkavat liueta. Tämän lisäksi veden happamoituminen vaikuttaa myös yleisesti eläinten elintoimintoihin. Mm. kasvu ja lisääntymiskyky voivat kärsiä.

Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvaessa sitoutuu sitä jatkuvasti lisää meriin. Meriveteen päätyy arviolta 30 miljoonaa tonnia lisää hiilidioksidia joka päivä. Ilman merten kykyä sitoa itseensä hiilidioksidia ilmakehän pitoisuudet olisivat huomattavasti nykyistä korkeammat.

Tutkimusten mukaan Tyynenmeren ylimmän sadan metrin happamuus on noussut 6 % viimeisten 15 vuoden aikana. Maailmanlaajuisesti merten pintakerroksen pH on happamoitunut 0,12 yksiköllä teollisen vallankumouksen jälkeen. 0,12 yksikön muutos ei vaikuta lukuna paljolta, mutta koska kyseessä on logaritminen asteikko, tarkoittaa tämä 30% lisäystä happamuudessa.

Merten happamuudessa ei ole tapahtunut näin nopeita muutoksia miljooniin vuosiin. Paleontologisten tutkimusten mukaan vastaavat muutokset ovat aiemmin aiheuttaneet joukkotuhoja merieliöstölle. Noin 250 miljoonaa vuotta sitten valtavat tulivuorenpurkaukset ja metaanin vapautuminen lähes kaksinkertaistivat ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden ja johtivat meriveden happamoitumiseen hävittäen yli 90% merten eläinlajeista.

Mikäli päästöt jatkuvat nykyiseen tahtiin, ilmakehän hiilidioksidipitoisuus nousee 500 ppm:ään vuoteen 2050 ja 800 ppm:ään vuoteen 2100 mennessä. Merten pintakerroksen pH voi tällöin pudota tasolle 7,8-7,7 eli happamuus (positiivisten vetyionien aktiivisuus) voi kasvaa 150 %.

Jotkin merten otuksista ovat hyvin herkkiä happamuuden muutoksille. Esim. Kalifornian rannikkovesissä esiintyvän hankajalkaisiin kuuluvan lajin kuolleisuus vain 0,2 yksikköä happamammassa vedessä oli 50%. Kyseinen laji on monen arvokkaan kalalajin ravintoa. Kalat itsessään eivät ole kovin herkkiä happamuuden muutoksille, mutta niiden ravinto voi olla.

Näyttää siltä, että nyt käynnissä oleva merten happamuuden muutos on 100 kertaa nopeampaa kuin milloinkaan viimeisen tuhannen vuoden aikana. Jatkuessaan merten happamoituminen voi aiheuttaa merkittäviä ongelmia ravintoketjulle ja myös vaarantaa ihmisten hyödyntämiä lajeja.

Merten happamoitumisen kannalta ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ei saisi ylittää 450 ppm:ää ja tulisi vakiinnuttaa suunnilleen tasolle 350 ppm.

Lähde: Scientific American, Elokuu 2010 (http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=threatening-ocean-life)

Täydennys 22.10.2019

”Jos 0,25 yksikön muutos riitti aiheuttamaan massasukupuuton, tulee meidän olla huolissamme.” Tutkijat arvioivat, että merten pH laskee 0,4 yksiköllä vuosisadan loppuun mennessä, mikäli hiilidioksidipäästöjä ei saada loppumaan. Tästä aiheutuisi merten ekosysteemeille ja elämän edellytyksille valtavaa ja erittäin pitkäkestoista haittaa.

https://www.pnas.org/content/early/2019/10/15/1905989116

https://www.theguardian.com/environment/2019/oct/21/ocean-acidification-can-cause-mass-extinctions-fossils-reveal

25.10.2019

Myös HS kirjoittaa aiheesta

https://www.hs.fi/tiede/art-2000006284435.html

kuvat: Esko Pettay

Mihin tietoon luottaa palmuöljydieseliin liittyen?

Neste Oilin pääosin palmuöljystä valmistama NExBTL-diesel (arkikielessä palmuöljydiesel tai biodiesel) on ollut lähiaikoina näkyvästi esillä mediassa. Kati Juuruksen toimittama ohjelma MOT: Nesteen pulmaöljy esitteli maanantai-iltana 18.10. YLE TV1:ssä palmuöljypohjaiseen biodieseliin liittyviä todennäköisiä ongelmia mm. tutkijahaastatteluihin perustuen (katsottavissa YLE-areenalla). Neste Oil reagoi jo ennen MOT-ohjelman tv-esitystä lehdistötiedotteella, jossa kerrottiin että kyseisen ohjelman väite EU:n kriteereihin nähden riittämättömistä päästövähenemistä on väärä. Yhtiö ei ole antanut uutta lehdistötiedotetta ohjelman televisioesityksen jälkeen. Myös eri ympäristöjärjestöt (Greenpeace ja WWF) ovat olleet aktiivisia palmuöljyyn liittyvässä viestinnässä. Palmuöljyyn liittyy paljon ristiriitaisia viestejä, joten asiaan paneutumattoman on vaikea päättää mihin tietoon voi luottaa. Mikä oikein on todellinen tilanne näiden EU:n kriteerien täyttymisen suhteen? Ja jos nämä kriteerit täyttyvät, niin saavutetaanko Neste Oilin palmuöljypohjaisella biodieselillä kasvihuonekaasupäästövähenemiä myös todellisuudessa? Vai voiko palmuöljyn lisääntyvä käyttö jopa kasvattaa kasvihuonekaasupäästöjä kriteerien täyttymisestä huolimatta? Olen päässyt perehtymään tutkimustöissäni tähän aiheeseen, joten haluan osaltani antaa vastauksen näihin osin avoimeksi jääneisiin kysymyksiin.

Metaanipäästöt palmuöljypuristamoilta ja EU:n kriteerien täyttyminen

Maanantain MOT-ohjelmassa haastateltu EU:n energiakomissaarin tiedottaja Marlene Holzner kertoi seuraavaa:

”Jos haluaa tuottaa biodieseliä palmuöljystä, silloin pitää myös rakentaa puristamo, jossa metaani otetaan talteen. Eli jos dieseliä tuotetaan palmuöljystä jonka metaania ei ole otettu puristamossa talteen, se ei ole meidän standardiemme mukaista.”

Ohjelmassa myös todettiin, että metaania ei oteta tällä hetkellä talteen Neste Oilillekin palmuöljyä toimittavilla Kaakkois-Aasian palmuöljypuristamoilla. Neste Oilin lehdistötiedote vaikuttaa siis olevan ristiriidassa energiakomissaarin tiedottaja Holznerin MOT:lle antaman lausunnon kanssa. Mikä siis on todellinen tilanne näiden EU direktiivin päästövähenemäkriteerien täyttämisen suhteen?

Yllättävää kyllä, molemmat tahot ovat nähdäkseni oikeassa. Neste Oil viittaa lehdistötiedotteessaan siihen, että se aikoo käyttää direktiivin mukaisesti omia elinkaarilaskelmia tuotantoketjun kasvihuonekaasupäästöjen todentamiseksi. Toki näitä laskentamenetelmiä ei ole vielä lyöty lopullisesti lukkoon. MOT-ohjelman mukaan Neste Oilin ympäristöjohtaja Simo Honkanen oli kuitenkin ilmoittanut, ettei elinkaarilaskelmia ole toistaiseksi saatavilla ohjelman käyttöön. Tämä lausunto voi monien silmissä vaikuttaa epäilyttävältä, mutta todellisuudessa se ei sitä ole. Palmuöljypohjaisesta NExBTL-dieselistä on julkisesti saatavilla elinkaariarviointeja ja esimerkiksi tässä julkisessa konferenssiesitelmässä ja -artikkelissamme on perehdytty palmuöljypuristamojen päästötaseisiin. Näiden tietojen perusteella voidaan laskea, että Neste Oil tulisi saavuttamaan 35 % laskennallisen päästövähenemän palmuöljydieselillä. Näin riippumatta siitä, otetaanko metaania talteen palmuöljypuristamojen jätevesialtailta vai ei. Palmuöljypuristamon teknisistä ratkaisuista riippuen saavutetaan laskelmissa n. 32…80 % päästövähenemät. Ja alle 35 % laskennallisiin päästövähenemiin jäädään vain siinä tapauksessa, että metaanipäästöjen lisäksi puristamon öljynpuristusprosessi on huomattavasi tehottomampi kuin se keskimäärin näillä puristamoilla on. Toki plantaaseilla maaperästä vapautuvien päästöjen laskennan vielä toistaiseksi avoimet kysymykset voivat vaikuttaa lopullisiin lukuihin (VTT 2010).

Edellä kuitenkin kirjoitin, että myös Marlene Holznerin lausunto oli täysin oikeassa. Tavallaan. Tämä johtuu siitä, että Marlene Holzner viitannee lausunnossaan EU direktiivissä annettuihin päästöjen oletusarvoihin. Näissä komission antamissa oletusarvoissa tälle kriteerien täyttymisen kannalta merkitykselliselle puristamovaiheelle lasketaan rasitteeksi noin 1,5 kertaa todellisia päästöjä suurempi arvo (tätä on selvitetty yksityiskohtaisesti edellä annetuissa konferenssimateriaaleissa). Näiden oletusarvojen perusteella EU:n 35 % kriteeri ei täyttyisi. Mutta säännöthän ovat sellaiset, että näitä suurempia oletusarvoja ei sovelleta, jos biopolttoaineen toimittaja pystyy toimittamaan varsinaiset elinkaarilaskelmat tuotteelleen. Komissaarin tiedottaja Holzner ei siis ilmeisestikään ole tietoinen siitä, että Neste Oil aikoo toimittaa tällaiset elinkaarilaskelmat laskennan perusteiksi. Palmuöljyä raaka-aineena käyttävä NExBTL-diesel tullee siis täyttämään EU:n asettamat kriteerit ilman metaanin talteenottoakin. Toki edellä mainittu ja toistaiseksi avoin plantaasin maaperästä vapautuvien päästöjen laskentamenetelmä voi vielä muuttaa tilanteen.

Aiheutuuko toiminnasta maankäytön muutoksia ja siten lisäpäästöjä?

Vaikka siis EU:n asettamat laskentakriteerit täyttyvät, niin saavutetaanko Neste Oilin palmuöljypohjaisella biodieselillä päästövähenemiä myös todellisuudessa? VTT:n erikoistutkija Sampo Soimakallio, Lappeenrannan teknillisen yliopiston ympäristöjohtamisen professori Lassi Linnanen ja CIFOR:n tutkimusjohtaja Markku Kanninen kertoivat asiasta MOT-ohjelmassa näin:

Kanninen:
”[Bioenergiakäytön mielekkyys] riippuu niin paljon siitä mikä on ollut sen palmuviljelmän alkuperäinen maankäyttö. Jos se tuotetaan näillä maataloustuotannosta poistuneilla huonotuottoisilla mailla, niin se negatiivinen puoli ei ole mikään suuri. Jos siitä on kaadettu iso täysikäinen sademetsä pois se on ihan selvä että siinä menee 400-500 vuotta ennen kuin siinä saavutetaan se hiilitasapaino.”

”Viime vuosina Indonesiassa on istutettu noin 400-500.000 hehtaaria uutta palmuöljytuotantoa viljelmää niin näistä noin puolet on soilla.”

Linnanen:
”[Epäsuora maankäytön muutos] kannattaisi ottaa mukaan, koska silloin huolimatta siihen aiheeseen liittyvistä monista epävarmuuksista ja sen laskelmien tekemisen vaikeudesta, niin se tuo hyvin tärkeitä näkökulmia päätöksen tekoon mukaan siitä, että mihin, mihin maapallon rajalliset resurssit, biomassaresurssit mukaan lukien, niin riittää”

”Ei palmuöljyn hiilijalanjälki [epäsuorien maankäyttövaikutusten huomioinnilla] parane”

Soimakallio:
”Se suuri ongelma tässä on oikeastaan juuri nämä tällaiset epäsuorat vaikutukset ja tämän hallitsematon kysynnän kasvu.”

”On todennäköistä, että keskimäärin palmuöljyn tuotanto aiheuttaa fossiilisia polttoaineita suuremmat päästöt.”

Näiden kolmen alan asiantuntijan näkemykset perustuvat julkisesti saatavilla olevaan puolueettomaan tutkimustietoon. Neste Oilin palmuöljydieselin elinkaaren välittömät kasvihuonekaasupäästöt ovat siis luokkaa 20-60 g CO2e/MJ, mistä tulee tuo laskennallinen n. 30-80 % päästövähenemä verrattuna perinteiseen dieseliin. Lukuisat vertaisarvioidut tutkimustulokset antavat kuitenkin viitteitä siihen suuntaan, että maankäytöstä aiheutuvat päästöt ovat monta kertaa näitä puristamon metaanipäästöjä suurempia (mm. Fargione ym. 2008, Reijnders & Huijbregts 2006, Upham ym. 2009 ja Wicke ym. 2008). Maankäytön muutoksista aiheutuvien päästöjen suuruus eri lähteiden perusteella on kyllä epävarma (mm. Liska & Perrin 2009), mutta tutkimustulosten perusteella näiden päästöjen taso olisi luokkaa 0-800 g CO2e/MJ. Tämän seurauksena on todennäköistä, että biopolttoaineen tuotanto palmuöljystä aiheuttaakin fossiilisia polttoaineita suuremmat päästöt (mm. UNEP 2009, kuva alla).

EU:n nykyisten laskentasääntöjen täyttäminen ja todelliset ympäristövaikutukset ovat siis kaksi täysin eri asiaa. Nuo EU direktiivin nykyiset laskentasäännöt ovat sellaiset, että palmuöljyä raaka-aineena käyttävä NExBTL-diesel tullee ne täyttämään ilman metaanin talteenottoakin Kaakkois-Aasian palmuöljypuristamoilla – ainakin vuoteen 2017 asti, milloin kriteerit päästövähenemistä tiukkenevat 50 %:iin. EU selvittää parhaillaan, miten myös nuo välillisestä maankäytöstä aiheutuvat päästöt voitaisiin luotettavimmin sisällyttää laskentasääntöihin.

Neste Oil Oyj:n Rotterdamin ja Singaporen NExBTL-dieseljalostamot avataan 2012 mennessä, minkä seurauksena aiheutuu 5 % suuruinen lisätarve tuottaa palmuöljyä maailmanmarkkinoille (Neste Oil 2010). Pelkästään tämän johdosta lisääntyneen palmuöljyn tarpeen tyydyttämiseen tarvitaan noin EDIT 26.10. 5 700-7 000 km2 uusia plantaaseja (* ei 11 – 14 000 km2) eli alue joka vastaa Uudenmaan maakunnan pinta-alaa. Voiko todella olla niin, että tämän suuruisesta lisääntyvästä viljelyalan tarpeesta ei aiheudu välillistä trooppista metsäkatoa? Alueella, jossa jo nyt hakataan arviolta yli 7000 km2 sademetsää vuosittain maa- ja metsätalouden tarpeisiin?

Jos toiminnasta todella aiheutuu metsäkatoa, niin silloin syntyy lisäpäästöjä tästä maankäytön muutoksesta johtuen, yllä viitattujen tutkimustulosten mukaisesti. Tämä ongelma koskettaa yhtälailla kaikkea palmuöljyn käyttöä – ei vain biopolttoaineita. Noin 75 % kaikesta viljellystä palmuöljystä päätyy elintarviketeollisuuden käyttöön (Panapanaan ym 2009 s. 14). Se on tällä hetkellä edullisin kasviöljy ja siten lukuisat kaikkien päivittäin käyttämät kasvirasvapohjaiset tuotteet sisältävät palmuöljyä. Nykyinen julkinen keskustelu ainoastaan biopolttoaineiden yhteydestä trooppiseen metsäkatoon on siis aivan liian kapeakatseista.

Taustatietoja:

(*) Palmuöljyn satoisuus on Malesiassa keskimäärin (EDIT 26.10.) 4,2 t/ha ja Indonesiassa 3,4 t/ha (ei 2,1 ja 1,7 t/ha, kuten aiempi lähde, FFD 2009 väitti). Pinta-ala laskettu 2,4 Mt palmuöljyn tarpeelle. Lähde: FAOSTAT

Forest Footprint Disclosure Annual Review 2009

GLOENER-hanke

FinLCA-hanke ja maankäyttö

EDIT 26.10: Tekstiä korjattu palmuöljyn satoisuuden osalta Forest Footprint Disclosure Annual Review 2009 -raportissa olleen virheen vuoksi.

Kuivuus vaivaa maapalloa tulevaisuudessa?

Monia maapallon tiheästi asuttuja maita uhkaa tulevina vuosikymmeninä vakava ja pitkäaikainen kuivuus uuden tutkimuksen mukaan. Tutkimuksen teki National Center for Atmospheric Research (NCAR) -tutkimuslaitoksen tutkija Aiguo Dai. Yksityiskohtaisessa analyysissä todetaan, että ilmastonmuutokseen liittyvä lämpeneminen todennäköisesti aiheuttaa kuivumista suuressa osassa maailmaa seuraavien 30 vuoden aikana. Vuosisadan loppuun mennessä kuivuus saattaa saavuttaa joillakin alueilla mittakaavan, jollaista on havaittu harvoin, jos koskaan, nykyaikana.

Kuivuuden muutokset kuluvalla vuosisadalla.

Käyttämällä 22 ilmastomallia ja kattavaa kuivuusolosuhteiden selvitystä sekä aikaisemmin julkaistujen tutkimuksien analysointia, artikkelissa todetaan, että suurinta osaa läntisestä pallonpuoliskosta, mukaan lukien suuret osat Euraasiaa, Afrikkaa ja Australiaa, saattaa uhata äärimmäinen kuivuus tällä vuosisadalla. Sen sijaan korkeampien leveysasteiden alueet Alaskasta Skandinaviaan todennäköisesti muuttuvat entistä kosteammiksi.

Dai kuitenkin varoittaa, että tulokset perustuvat tämänhetkiseen parhaaseen tietoon kasvihuonekaasupäästöjen kehityksestä. Mitä tulevina vuosikymmeninä oikeasti tapahtuu, riippuu monista tekijöistä, kuten tulevaisuuden kasvihuonekaasupäästöjen todellisista määristä sekä ilmaston luonnollisista vaihteluista (esimerkiksi El Niñon vaikutuksesta).

Uudet tutkimustulokset ilmestyivät äskettäin osana katselmusartikkelia, joka julkaistiin Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change -julkaisussa. Tutkimusta rahoitti National Science Foundation -säätiö, joka on NCAR:n sponsori.

”Olemme kohtaamassa mahdollisuuden laajalle kuivuudelle tulevina vuosikymmeninä, mutta tätä ei ole vielä täysin tiedostettu kansan eikä ilmastonmuutoksen tutkijoiden keskuudessa.” Dai sanoo. ”Jos tämän tutkimuksen ennusteet ovat edes lähellä toteutua, vaikutus tulee olemaan valtava yhteiskunnalle maailmanlaajuisesti.”

Vaikka ilmaston alueelliset ennusteet ovat epävarmempia kuin maailmanlaajuiset ennusteet, Dain tutkimus viittaa siihen, että suurin osa Yhdysvalloista on huomattavasti kuivempaa vuoteen 2030 mennessä. Lisäksi suurimmassa osassa Yhdysvaltoja äärimmäisen kuivuuden riski kasvaa kuluvan vuosisadan aikana.

Muita maita ja maanosia, joissa voi esiintyä merkittävää kuivuutta ovat:

– suuri osa latinalaisesta Amerikasta, mukaan lukien suuri osa Meksikosta ja Brasiliasta,
– Välimeren rantavaltiot, joita kuivuus voi koetella erityisen pahasti,
– suuri osa Lounais-Aasiasta,
– suurin osa Afrikasta ja Australiasta (varsinkin joillakin alueilla Afrikassa voi olla erityisen kuivat olosuhteet) ja
– Kaakkois-Aasia, mukaan lukien osa Kiinasta ja sen naapurimaista.

Tutkimuksessa todetaan myös, että kuivuusriskien voidaan odottaa laskevan tämän vuosisadan aikana suuressa osassa Pohjois-Eurooppaa, Venäjää, Kanadaa ja Alaskaa sekä joillakin alueilla eteläisellä pallonpuoliskolla. Kokonaisuutena maapallon maa-alueet näyttäisivät kuitenkin muuttuvan kuivemmiksi.

”Pohjoisten, harvaan asuttujen korkeiden leveysasteiden alueiden lisääntyvä kosteus ei pärjää tiheämmin asuttujen lauhkeiden ja trooppisten alueiden kuivumiselle”, Dai sanoo.

Tutkimukseen liittymätön ilmastonmuutoksen asiantuntija Richard Seager Columbian yliopistosta lisää:

”Kuten Dai tässä korostaa, valtavan suuria subtrooppisten ja keskisten leveysasteiden manneralueita kohtaa tulevaisuus, jossa maaperä on kuivempi ja pintavettä on vähemmän lämpimämmän ilmakehän aiheuttamien vähentyneiden sateiden ja haihtumisen lisääntymisen seurauksena. Termi ”ilmaston lämpeneminen” ei tee oikeutta niille ilmastonmuutoksille, jotka maailma kokee tulevina vuosikymmeninä. Jotkut kohtaamistamme pahimmista vaikeuksista liittyvät veteen, ei pelkästään lämpötilaan.”

Lähteet:

Climate change: Drought may threaten much of globe within decades – UCAR-tiedote. Yllä oleva artikkeli on melko suora suomennos tästä tiedotteesta.

Aiguo Dai, Drought under global warming: a review, Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, 2010, DOI: 10.1002/wcc.81. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Kosteus lisääntyy troposfäärissä

Kaksi uutta tutkimusta päätyvät samaan lopputulokseen: kosteus todennäköisesti lisääntyy troposfäärissä. Toisessa tutkimuksessa on käsitelty säähavaintopallojen radiosondien kosteusmittauksia uusin menetelmin ja tuloksien mukaan troposfäärin vesihöyrypitoisuus kasvaa maailmanlaajuisesti. Toisessa tutkimuksessa tarkasteltiin eri analyysien tuloksia ja yhtä lukuunottamatta kaikki muut näyttävät kosteuden lisääntyneen. Tutkimuksessa esitetään useita syitä sille, miksi muista poikkeavan analyysin tulokset eivät näytä olevan todenmukaisia.

Ilmakehän lämmetessä on odotettavissa, että troposfäärin vesihöyrypitoisuus lisääntyy. Tämä perustuu siihen hyvin tunnettuun tosiasiaan, että lämpimämpi ilmakehä voi sisältää enemmän vesihöyryä. Vesihöyryn lisääntyessä troposfäärissä se voimakkaana kasvihuonekaasuna aiheuttaa lisää lämpenemistä. Tällaista prosessia kutsutaan takaisinkytkennäksi. Ilmastojärjestelmän tunnetuista takaisinkytkennöistä vesihöyryn takaisinkytkentä on voimakkain. Se yksinään saattaa kaksinkertaistaa hiilidioksidin aiheuttaman lämpenemisen.

Vesihöyryn takaisinkytkennän voimakkuutta on tutkittu paljon viimeisten vuosikymmenien aikana. Tiedeyhteisössä ollaan nykyään melko yksimielisiä siitä, että vesihöyryn takaisinkytkentä on positiivinen ja voimakas. Viime vuonna kuitenkin julkaistiin tutkimus (Paltridge ja muut, 2009), jossa troposfäärin kosteuden esitettiin vähenevän. Jos se pitäisi paikkansa, vesihöyryn takaisinkytkentä olisikin negatiivinen eli jarruttaisi lämpenemistä.

Paltridge ja muut käyttivät tutkimuksessaan NCEP/NCAR-analyysiä. Kyseisessä analyysissä esitetään maapallon mennyt säätila havaintojen ja numeerisen sääennustusmallin tuloksien avulla.

Eri analyysien vertailu

Uudessa tutkimuksessa Dressler ja Davis ovat tarkastelleet myös muita analyysejä NCEP/NCAR:n lisäksi. Muut analyysit ovat: NASAn Modern Era Retrospective‐Analysis for Research and Applications (MERRA, vuodesta 1979 nykypäivään), ECMWF:n kaksi analyysiä Interim (uudempi, vuodesta 1989 nykypäivään) sekä ERA-40 (vanhempi, vuodesta 1957 vuoteen 2002) ja japanilainen analyysi JRA (vuodesta 1979 nykypäivään). NCEP/NCAR-analyysi ulottuu vuodesta 1948 nykypäivään. Satelliittien datan mukaantulo vuonna 1979 saattaa vaikuttaa hieman analyysin tuloksiin, joten Dessler ja Davis keskittyvät analyysien dataan vain vuodesta 1979 lähtien.

Dessler ja Davis esittävät kosteuden muutokset eri analyyseissä kolmella eri alueella: tropiikissa, pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla. Tulokset esitetään myös ilmakehän eri korkeuksilla. Tulokset NCEP/NCAR-analyysin osalta ovat samankaltaiset Paltridgen ja muiden tutkimuksen kanssa. NCEP/NCAR-analyysin tulokset poikkeavat eniten muista analyyseistä trooppisen troposfäärin keski- ja yläosissa. Siellä NCEP/NCAR-analyysi näyttää voimakkaasti vähenevää kosteutta, kun taas muut näyttävät siellä muuttumatonta tai lisääntyvää kosteutta (paitsi ERA-40, joka näyttää hiukan vähenevää kosteutta). Muualla NCEP/NCAR-analyysi ei poikkea merkittävästi muista analyyseistä.

Seuraavaksi Dessler ja Davis ottavat pintalämpötilan analyysiin mukaan. Näin saadaan tarkempi kuva siitä, miten ilmakehän kosteus muuttuu lämpenemisen seurauksena. Lyhyen aikavälin tarkastelussa troposfäärin kosteus lisääntyy lämpenemisen myötä kaikissa analyyseissä, myös NCEP/NCAR-analyysissä. Tämä tulos on yhdenmukainen viimeaikaisten tutkimusten kanssa ja myös Paltridge ja muut saivat vastaavan tuloksen. Pitkän aikavälin tarkastelussa NCEP/NCAR-analyysi poikkeaa toisista analyyseistä trooppisen troposfäärin keski- ja yläosissa, missä NCEP/NCAR-analyysi näyttää edelleen vähenevää kosteutta, mutta tässä tarkastelussa muut näyttävät lisääntyvää kosteutta mukaan lukien ne, jotka edellisessä tarkastelussa näyttivät muuttumatonta tai lievästi vähentynyttä kosteutta.

Kosteuden muutos eri korkeuksilla ilmakehässä eri analyysien mukaan.

Näiden tuloksien perusteella Paltridgen ja muiden löytämä NCEP/NCAR-analyysissä näkyvä kosteuden väheneminen liittyy pitkän aikavälin vasteeseen pintalämpötilan muutokselle. Tässä herää kysymys siitä, että voisiko vesihöyryn takaisinkytkentä olla lyhyellä aikavälillä positiivinen ja pitkällä aikavälillä negatiivinen? Takaisinkytkennän suuruuden mahdollista vaihtelua eri aikaväleillä ei voida sulkea pois ja aiemmissa tutkimuksissa on näkynytkin joitakin merkkejä erilaisesta reaktiosta lyhyellä aikavälillä El Niñon aikana verrattuna pitkän aikavälin tapahtumiin. Nämä kuitenkin liittyivät enemmän pintalämpötilan jakaumaan El Niñoon liittyen kuin vesihöyryn käyttäytymiseen lämpötilan muutoksissa.

Desslerin ja Davisin mukaan kaiken nykytiedon valossa näyttää äärimmäisen epätodennäköiseltä, että lyhyen aikavälin takaisinkytkentä olisi positiivinen ja pitkän aikavälin takaisinkytkentä negatiivinen. Teoriasta ei löydy sellaista kuvausta, joka voisi aiheuttaa sellaisen tilanteen. Nykykäsityksen mukaan ylemmän troposfäärin muutoksien pitäisi tasaantua termodynaamisessa mielessä noin kuukaudessa, joten muutamien vuosien aikavälillä vesihöyryn takaisinkytkennän pitäisi olla sama kuin pitemmillä aikaväleillä. Ilmastomallit antavat myös tämäntapaisen tuloksen.

Meillä on myös mittauksia vesihöyryn takaisinkytkennästä pitkällä aikavälillä ja niissä näkyy positiivinen takaisinkytkentä. Lisäksi menneiden ilmastonmuutosten analyysin tulokset eivät sovi yhteen negatiivisen vesihöyryn takaisinkytkennän kanssa.

Ainoastaan NCEP/NCAR-analyysi näyttää voimakkaasti vähenevää kosteutta trooppisen troposfäärin keski- ja yläosissa pintalämpötilan noustessa. Uudemmat analyysit, kuten MERRA ja ERA-Interim, sisältävät paljon sellaisia parannuksia, joita ei ole NCEP/NCAR-analyysissä. Niinpä uudemmat analyysit ovat luotettavampia tuloksiensa suhteen etenkin, kun niiden tulokset ovat sopusoinnussa asiaan liittyvän teoreettisen tiedon kanssa. Kuten aiemmin näimme, uudempien analyysien tulokset näyttävät kosteuden lisääntymistä pintalämpötilan noustessa.

Analyysejä vertailtiin myös riippumattomien havaintojen kanssa (AIRS-satelliitin mittaukset). Muut analyysit ovat melko hyvin yhteensopivia niiden kanssa, mutta NCEP/NCAR-analyysi poikkeaa tässä tarkastelussa selvästi muista. Niinpä näyttää siltä, että NCEP/NCAR-analyysissä on luultavasti joitakin vääristymiä. Lisäosoituksena tästä on se, että NCEP/NCAR-analyysissä ei näy vuoden 1998 El Niñoon liittynyttä voimakasta kosteuden lisääntymistä. Myös Paltridge ja muut arvelivat tutkimuksessaan, että NCEP/NCAR-analyysin näyttämät trendit eivät välttämättä ole todellisia.

Radiosondimittaukset

Troposfäärin kosteutta on mitattu jo pitkän aikaa säähavaintopallojen mukana olevilla radiosondeilla. Niiden avulla on saatu ainoat paikan päältä otetut pitkään jatkuneet mittaukset, jotka kattavat lähes koko maapallon. Radiosondien mittaussarjoihin liittyy kuitenkin paljon ongelmia, jotka liittyvät mittauslaitteistojen ja havaintomenetelmien muutoksiin. Näiden muutoksien vaikutusten korjaaminen mittaussarjoissa on osoittautunut erittäin vaikeaksi.

Dai ja muut esittävät uudessa tutkimusartikkelissaan uuden lähestymistavan ongelmaan. He käyttävät tilastollisia menetelmiä epäjatkuvuuskohtien tunnistamiseen mittaussarjoista. Näillä menetelmillä löytyy suurin osa epäjatkuvuuskohdista. Mittaussarjoista on ensin poistettava joitakin näytteenoton aiheuttamia ongelmia ja sitten sarjoista voidaan korjata epäjatkuvuuskohdat.

Tuloksena on uudelleen käsitelty globaali mittaussarja troposfäärin kosteudelle. Korjatussa sarjassa kosteuden vaihtelut ovat pienempiä kuin alkuperäisessä vuosien 1973 ja 2008 välillä. Korjattu mittaussarja näyttää troposfäärin kosteuden lisääntyneen globaalisti.

Lähteet:

Aiguo Dai, Junhong Wang, Peter W. Thorne, David E. Parker, Leopold Haimberger, Xiaolan L. Wang, A New Approach to Homogenize Daily Radiosonde Humidity Data, Journal of Climate 2010, doi: 10.1175/2010JCLI3816.1. [tiivistelmä]

Dessler, A. E., and S. M. Davis (2010), Trends in tropospheric humidity from reanalysis systems, J. Geophys. Res., 115, D19127, doi:10.1029/2010JD014192. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Garth Paltridge, Albert Arking and Michael Pook, Trends in middle- and upper-level tropospheric humidity from NCEP reanalysis data, Theoretical and Applied Climatology, Volume 98, Numbers 3-4, 351-359, DOI: 10.1007/s00704-009-0117-x. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Ilmastoherkkyyden vaihteluväli säteilyn havaintosarjoista

Ilmastoherkkyydelle, eli maapallon lämpötilan muutokselle ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kaksinkertaistuessa, arvioitu todennäköinen alue on pysynyt melko samana pitkän aikaa. Uusien tilastollisten menetelmien myötä on saatu hieman lisävalaistusta ongelman eri osa-alueisiin liittyviin epävarmuuksiin. Nykyään ilmastoherkkyyden arvoksi ilmoitetaankin jo melko säännönmukaisesti noin 2 – 4,5 celsiusastetta. Epävarmuuksia on silti vielä paljon erityisesti ylärajaan liittyen.

Uudessa tutkimuksessa käytetään säteilyn käyttäytymistä kuvaavia indeksejä, joiden avulla yritetään saada riippuvuussuhde ilmastoherkkyyden ja havaittujen säteilysuureiden välille. Indeksien avulla on mahdollista rajoittaa ilmastoherkkyyden vaihteluvälejä huomioimalla säteilyn käyttäytyminen ilmastojärjestelmässä.

Ilmastoherkkyyden ja joidenkin indeksien välille löytyykin hyviä korrelaatioita. Sellaisia indeksejä ovat esimerkiksi pilvien aiheuttama lämpösäteily maanpinnalla, maanpinnan lyhytaaltoinen säteily pilvettömänä päivänä, lyhytaaltosäteilyn nettobudjetti ja lyhytaaltoisen säteilyn vaimeneminen ilmakehässä. Ilmastoherkkyyttä tutkittiin CMIP3-mallien avulla. Tarkasteltava ajanjakso oli 1990-1999. Mallien käyttäytymistä ohjattiin eri säteilyhavaintosarjojen avulla.

Ilmastoherkkyys eri havaintosarjojen perusteella.

Tulokseksi mallisimulaatioista saatiin ilmastoherkkyyden vaihteluvälit eri havaintosarjojen perusteella. Eri havaintosarjojen tulokset on esitetty oheisessa kuvassa. Havaintosarjat ovat Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES), Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP), NASAn Modern Era Retrospective-Analysis (MERRA), japanilainen 25-vuoden analyysi (JRA25), ERA-Interim, ERA-40 ja NCEP:n analyysi.

Yksittäisten havaintosarjojen ja nykyisten ilmastomallien rakenteen perusteella 1,7 celsiusastetta pienemmät ilmastoherkkyyden arvot eivät todennäköisesti ole sopusoinnussa havaitun säteilyn käyttäytymisen kanssa. Havaintosarjojen yhteistarkastelussa ilmastoherkkyyden arvo on todennäköisesti suurempi kuin 2,9 celsiusastetta tämän tutkimuksen perusteella. Toisaalta tutkimuksessa ei pystytty sulkemaan pois 4,5 celsiusastetta suurempia ilmastoherkkyyden arvoja. Johtopäätöksenä esitetään, että tutkimuksen tulokset ovat sopusoinnussa muiden vastaavien tuloksien kanssa. Lisäksi ilmastoherkkyyden alarajan tuntemus näyttää olevan hyvällä pohjalla, koska rakenteellisesti erilaisilla malleilla päästään suunnilleen samaan alarajaan.

Lähde: Markus Huber, Irina Mahlstein, Martin Wild, John Fasullo, Reto Knutti, Constraints on climate sensitivity from radiation patterns in climate models, Journal of Climate 2010, doi: 10.1175/2010JCLI3403.1. [tiivistelmä]

Heikki Nevanlinna: Ilmatieteen laitoksen historialliset lämpötilahavainnot Helsingissä

Vieraileva kirjoittaja: Heikki Nevanlinna, Ilmatieteen laitos

Kaisaniemessä sijaitsee Helsingin virallinen sääasema. Asema on Helsingin yliopiston kasvitieteellisen puutarhan alueella (Aseman paikkakoordinaatit ovat 60° 10.5′ N; 24° 56.9′ E). Havainnot välitetään automaattisesti sääpalvelua ja tutkimusta varten sekä viestitetään ennustavalle meteorologille, internetiin (www.fmi.fi) ja kansainväliseen jakeluun. Kaisaniemen sääasema on vanhin suomalainen säähavaintoasema. Se perustettiin vuonna 1844 ja nykyisellä paikallaan se on ollut vuodesta 1969. Kaisaniemi on yksi Ilmatieteen laitoksen yli sadasta automaattisesta sääasemasta.

Varhainen historia 1700-luvulta

Säännölliset meteorologiset havainnot Suomessa alkoivat jo 1700-luvun puolivälissä Turun Akatemiassa. Lämpötilan ja muiden ilmatieteellisten suureiden havaintoja tehtiin 1700-luvun lopulla useilla paikkakunnilla Suomessa.

Turun palon (1827) jälkeen Akatemia siirrettiin Keisarin käskyllä Helsinkiin, jossa syksyllä 1828 aloitti toimintansa Suomen Aleksanterin yliopisto, nykyinen Helsingin yliopisto.

Yliopiston fysiikan professori Gustaf Gabriel Hällström (1775-1844) tutki ja havaitsi useita geofysikaalisia kohteita kuten esimerkiksi ilman lämpötilaa ja painetta, hallailmiötä, revontulia, kompassin liikkeitä ja maanpinnan nousua. Hällström aloitti vuonna 1828 säännölliset lämpötilahavainnot kotipihallaan, missä nykyään sijaitsee Helsingin yliopiston keskustakampuksen laitosrakennus Porthania. Tunneittain (ei kuitenkaan yöaikana) tehdyt havainnot jatkuivat aina Hällströmin kuolemaan saakka vuoteen 1844.

Ilmatieteen laitos perustetaan – lämpötilamittaukset Kaisaniemessä alkavat

Meteorologiset ja magneettiset havainnot saatiin varmemmalle pohjalle, kun Keisarin käskyllä Helsingin yliopiston yhteyteen perustettiin Magneettis-meteorologinen observatorio vuonna 1838. Perustamisaloitteen teki Venäjän meteorologisten observatorioiden esimies Adolf Kupffer (1799-1865). Helsingistä tuli Venäjän viisi observatoriota käsittävän havaintoverkoston läntisin jatke. Vastaavia muita observatorioita oli maailmalla tuolloin toiminnassa noin 20.

Ajan kaikissa observatorioissa seurattiin systemaattisesti samanaikaisia meteorologisia ja geomagneettisia muutoksia. 1800-luvun tieteellisen ajatustavan mukaan magneettikentän vaihtelut johtuvat ilman ja maan lämpötilavaihteluista. Näiden kahden ilmiön syy- ja seuraussuhteiden tutkimus oli tuon ajan keskeisiä kohteita maailman tiedeyhteisössä.

Observatorion esimieheksi määrättiin fysiikan dosentti (myöhemmin professori) Johan Jakob Nervander (1805-1848). Hän oli 1830-luvulla tehnyt laajan monivuotisen tutustumismatkan Euroopan tieteen keskuksiin, joissa Nervander solmi kiinteät suhteet alan johtaviin tiedemiehiin (mm. Gauss, Ampere, Örsted). Nervanderin tieteellinen erikoisala oli maan magneettikentän havainnot ja tutkimukset.

Observatoriorakennukset valmistuivat vuonna 1841 Kaisaniemen puistoon entisen Säätalon paikalle nykyisen Kaisaniemen koulun viereen. C.L.Engelin tekemän suunnitelman mukaan observatorio piti rakentaa Katajanokalle, mutta kun uudeksi paikaksi valittiin syrjäinen Kaisaniemi rakennuspiirustukset riisuttiin yksinkertaisempaan muotoon Engelin kuoleman (1840) jälkeen.

Kuva 1. Ilmatieteellisen Keskuslaitoksen päärakennus Helsingin Kaisaniemessä 1930-luvulla. Rakennus valmistui vuonna 1841 ja se purettiin vuonna 1963. Sen paikalla sijaitsi 1966-2005 Ilmatieteen laitoksen päärakennus Säätalo.

Observatorio käsitti päärakennuksen, jossa oli johtaja Nervanderin asunto ja jonka havaintosalissa varsinaiset havainnot tehtiin. Sivurakennuksessa oli tilat havainnontekijöille, karjasuoja ja leipomo. Johtajan palkkaetuihin kuului saada laiduntaa lehmiä, kanoja ja sikoja Kaisaniemen puistossa (joka tuolloin tunnettiin nimellä Allmänna Promenaden). Erillisessä rakennuksessa (absoluuttihuone) tehtiin havaintolaitteiden tarkistusmittauksia. Näin observatoriokokonaisuus oli itsellinen taloudellinen ja toiminnallinen yksikkö.

Observatorio aloitti säännölliset havainnot heinäkuussa 1844. Havainnontekijöiksi oli palkattu 12 ylioppilasta, jotka tekivät havaintoja vuorotyönä kellon ympäri kaikkina vuoden päivinä. Havainnot tehtiin Göttingenin observatorion horisontin mukaan ajan kansainvälisen tieteellisen käytännön mukaisesti. Observatoriosta oli muodostunut Helsingin yliopiston suurin ja kallein laitos.

Havaintokohteina olivat maan magneettikentän muutokset 10 minuutin välein tehtävinä havaintoina, lämpötila ja ilmanpaine mitattiin kolmasti tunnissa. Lisäksi tehtiin havainnot tuulen nopeudesta ja voimakkuudesta, pilvistä ja sateesta.

Ilman lämpötilahavaintoihin käytettiin lämpömittareita, jotka oli sijoitettu erityisen säteilysuojan alle observatorion ikkunoiden viereen. Lämpötilat luettiin Reamurin asteikolta (°R), missä 0 – 80 °R vastaa nykyisen Celsius-järjestelmän lämpötilaväliä 0 – 100 °C. Vastaava käytäntö oli vallalla kaikkialla Euroopassa. Vasta 1800-luvun lopulla siirryttiin yleisesti celsiusasteisiin.

Helsingin magneettis-meteorologinen observatorio siirrettiin vuonna 1880 yliopiston alaisuudesta Suomen Tiedeseuralle, joka oli perustettu samana vuonna (1838) kuin observatoriokin. Samalla sen nimi muutettiin muotoon Finska Meteorologiska Centralanstalt, suomeksi Meteorologillinen Päälaitos. Nimenmuutoksessa viittaus magnetismiin oli jäänyt pois, mikä kertoo observatorion toiminnallisen painopisteen siirtymisestä meteorologian suuntaan. Magneettisia havaintoja jatkettiin kuitenkin entisessä laajuudessa. Lämpömittarit ja muut meteorologiset kojeet siirrettiin observatorion pihalle erityisiin havaintokojuihin.

Helsingin kaupunki kasvi nopeasti 1800-luvun lopulla. Alkujaan kaupungin reunamailla sijainnut observatorio joutui rakennusten ympäröimäksi Vuorikadun ja Puutarhakadun puolelta. Lisäksi 1900-luvun alussa alkanut sähköraitiotieliikenne häiritsi vakavasti herkkiä magneettisia mittauksia. Pasilaan Ilmalaan perustettiin uusi observatorio häiriöttömämpään paikkaan vuonna 1912. Meteorologiset mittaukset jatkuivat kuitenkin edelleen Kaisaniemessä.

Tiedeseuran Meteorologillinen Päälaitos siirtyi valtion laitokseksi vuonna 1919 Valtion Ilmatieteellisen Keskuslaitoksen nimellä. Nykyinen Ilmatieteen laitos on vuodelta 1968.

Ilmatieteellisen keskuslaitoksen päärakennus vaurioitui sotien 1939-1944 aikana ja oli osittain käyttökelvottomassa tilassa vuosikausia Se purettiin lopulta vuonna 1963 ja paikalle nousi uusi toimitalo – Säätalo – vuonna 1966. Sieltä Ilmatieteen laitos muutti vuonna 2005 Kumpulaan yliopistokampukselle rakennettuun Dynamicumin toimitaloon.

Kuva 2. Ilmatieteen laitoksen päärakennus, Säätalo, 1966-2005, Kaisaniemen puiston reunalla osoitteessa Vuorikatu 24 A. Katolla näkyvässä korkeammassa mastossa on tuulen nopeuden akustinen mittalaite (Vrt. Kuva 11). Vasemmalla puiden takana on Kaisaniemen koulu. Kuva on otettu likimain samasta suunnasta kuin Kuva 1.

Kaisaniemen säähavainnot tänään

Kaisaniemen säähavainnot siirrettiin Yliopiston kasvitieteellisen puutarhan alueelle vuonna 1962 ja nykyiselle paikalleen vuonna 1969. Asema automatisoitiin vuonna 2001 ja manuaaliset säähavainnot siellä loppuivat vuonna 2008. Sääautomaatti (Milos 500, Vaisala Oyj) kerää jatkuvasti (tiedot tallentuvat 10 minuutin välein) mittaustuloksia lämpötilasta, ilman suhteellisesta kosteudesta, sademääräästä ja sateen voimakkuudesta, näkyvyydestä, pilvisyydestä ja ilmanpaineesta. Asemalla mitataan talvisin myös lumen syvyyttä. Tuulen suunta- ja nopeustiedot saadaan entisen Säätalon katolla sijaitsevasta tuulimittarista (Kuvat 2 & 11). Säätiedot siirretään modemin välityksellä reaaliajassa Ilmatieteen laitoksen säätietokantaan. Sieltä ne toimitetaan edelleen päivystäville meteorologeille, internetiin (www.fmi.fi) ja kansainväliseen jakeluun.

Kuvien 5 – 11 selosteteksteissä on Kaisaniemen sääaseman mittalaitteiden tarkemmat kuvaukset.

Kuva 3. Yleisnäkymä Kaisaniemen automaattiselle sääasemalle (AWS).

Kuva 4. Kaisaniemen sääasema. Käytöstä poistetut perinteelliset yleisöllekin tutut säähavaintokojut. Etualalla myös käytöstä väistynyt sademittari tuulisuojasäleikköineen.

Kuva 5. Kaisaniemen sääasema. Etualalla on lämpötilan automaattinen mittalaite, jossa lämpötila mitataan platinavastuksen (Pt-100) sähkövastuksen (resistanssi) muutoksista. Sensori on sylinterimäisen säteilysuojan sisällä. Sen sisällä on myös elektroninen kosteusanturi (HMP35; Vaisala Oyj). Kansainvälisten havaintostandardien mukaan sensorien etäisyys maanpinnasta on 2 m.

Kuva 6. Kaisaniemen sääasema. Automaattinen sademittari VRG101 (Vaisala Oyj). Tiedot sateen määristä perustuvat säiliöön (30 l) kertyvän veden punnitustuloksesta. Säiliö pitää tyhjentää kaksi kertaa vuodessa. Sadeastian jäätyminen on estetty ympäristömyrkyttömällä kemikaliolla ja sähkölämmityksellä. Säiliön ympärillä on sälekköinen tuulensuojain (ns. Tretjaykovin mallia), joka vähentää tuulen pyörteisyyttä keruuastian ympärillä, jolloin kaikki satava aines saadaan tarkemmin talteen.

Kuva 7. Kaisaniemen sääsema. Automaattinen lumensyvyysmittari (SR50AH, Campbell Sci. Ltd). Viiston puomin päässä on ultraaanianturi. Laite mittaa aanen kulkuajan perusteella etäisyyden hiekoitetulle alueelle kertyvan lumenpeitteen ylapinnasta anturiin. Mittaustarkkuus ± 1 cm. Laite on lammitetty jaatymisen estamiseksi.

Kuva 8. Kaisaniemen sääasema. Automaattinen pilvenkorkeusmittari (CT25K, Vaisala Oyj) eli ceilometri. Laite lähettää ihmissilmälle näkymättömiä lasersädepulsseja (aallonpituus 905 nm) ylös pilviin, joista ne heijastuvat takaisin laitteeseen. Kulkuajan perusteella voidan laskea pilvien korkeudet. Pilviheijastumien muutoksista tunnista toiseen voidaan myös arvioida kokonaispilvisyys taivaankannen 1/8-osina. Mittausalue on 0 – 7.5 km.

Kuva 9. Kaisaniemen sääasema. Automaattinen vallitsevan sään mittalaite (FD12P, Vaisala Oyj). Laitteen mittauskohde on kahden vastakkaisen vaakasuoran putken välinen alue. Siihen kohdistuu infrapunavalon pulsseja, joiden sirontaa mitataan kohdealueessa. Sirontatiedoista saadaan ilmassa olevan kosteuden ja muiden näkyvyyttä estävien komponenttien määrä. Tiedoista lasketaan näkyvyys muutettuna kilometreiksi (0 – 50 km). Lisäksi saadaan tieto lumi- tai vesisateen tyypistä ja voimakkuudesta.

Kuva 10. Kaisaniemen sääasema. Automaattisen sääaseman (ASW) säätietojen keräily, prosessointi ja lähetinyksikkö (Milos 500, Vaisala Oyj). Tietojen välitys tapahtuu GSM-puhelinyhteyden kautta. Suojakaapin sisällä on paineanturi (Barocap, Vaisala Oyj) ilmanpaineen automaattimittaukseen.

Kuva 11. Vasemmalla perinteellinen tuulimittari (kuppianemometri) tuulen nopeuden mittaamiseksi ja tuulen suunnan sensori, tuuliviiri (Vaisala Oyj). Tuulitiedot välittyvät elektronisesti sensorista keruuyksikköön. Oikealla moderni tuulen nopeuden ja suunnan anturi (Thies). Mittaus perustuu taitetuista putkista pareittain lähetettyyn ultraäänisignaaliin. Äänen kulkuajasta putkesta toiseen voidaan laskea tuulen suunta ja nopeus. Kaisaniemen sääaseman Thiesin anturiin perustuva tuulimittari on (entisen) Säätalon katolla (Kuva 2).

Kaisaniemen lämpötilahavainnot ilmastonmuutoksessa

Kuvassa 12 on Kaisaniemen lämpötilamittauksista vuoden keskilämpötilat 1844 – 2009. Kyseessä on Suomen pisin lämpötilasarja. Pystyviivat ilmoittavat vuosilämpötilan poikkeaman pitkän ajan (1971 – 2000) keskiarvosta, joka on + 5.6 °C. Musta viiva kuvaa lämpötilan 11 vuoden liukuvaa keskiarvoa. Koko havaintokaudella lämpötilan yleinen kehitys on kohti korkeampia lukemia osana maailmanlaajuista ilmastonmuutosta, vaikka välillä muutos (esi-merkiksi 1940 – 1980) on ollut hitaampaa. Alin vuosikeskiarvo mitattiin vuonna 1867 suurten nälkävuosien aikaan. Poikkeuksellisen kylmiä vuosia (talvia) olivat myös sotavuodet 1940 – 1942 ja vuodet 1985 ja 1987. Havaintokauden lämpimin vuosi oli 2008, jolloin keskilämpötila oli noin 2 °C korkeampi kuin vertailukauden 1971-2000 taso.

Lämpötila on noussut vuodesta 1844 lähtien noin 2.8 °C, jossa on noin 0.5 °C kaupunkilämpösaarekkeen vaikutusta ja mittausmenetelmien muutoksista aiheutuvaa osuutta.

Kuvassa 12 katkoviiva edustaa lämpötilan kehitystä, jos kaupunkiolosuhteista aiheutuva korjaus ja muut muutokset olisivat samoja kuin nykypäivänä. Kaupungistumisen vaikutus lämpötilaan on ollut suurinta 1800-luvulla ja 1900-luvun alkukymmeninä, jolloin se oli noin 0.2 – 0.3 °C.

Kuva 12. Kaisaniemen sääaseman (1844-2009) lämpötilan vuosipoikkeamat vertailukauden 1971 – 2000 suhteen. Vertailukautta kylmemmät vuodet ovat sinisellä ja lämpimämmät punaisella. Musta viiva näyttää lämpötilakehityksen 11-vuotisen liukuvan keskiarvon. Katkoviivassa on huomioitu kaupunkilämpöefekti ja mittausmenetelmien muutoksista aiheutuvat virheet. Se siis näyttää lämpötilakehityksen sellaisena kuin jos nykytila olisi ollut aina vallalla.

Aiheeseen liittyvää kirjallisuutta

Heino, R., 1994. Climate in Finland during the period of meteorological observations. Finn. Met. Inst. – Contributions, No. 12.

Holmberg, P. and Nevanlinna, H., 2005. Geomagnetism in Finland: the lasting legacy of Johan Jakob Nervander. Europhysics News, 3, 82-85.

Hotakainen, M., 2010. Suomen säähistoria. Helsinki-kirjat, 290 s.

Laaksonen, K., 1981. Ilman keskilämpötilan muutokset Helsingissä jaksona 1829-1980. TERRA, 93, 155-175.

Nevanlinna, H. (toim.), 2005. Kaisaniemestä Kumpulaan – tutkimusta, havaintoja ja ihmisiä Ilmatieteen laitoksessa. Ilmatieteen laitos, Yliopistopaino, 264 s.

Nevanlinna, H. (toim.), 2009. Ilmatieteen laitos 170 vuotta 1838 – 2008. 69 s, Ilmatieteen laitos Raportteja 2/2009.

Seppinen, I., 1988. Ilmatieteen laitos 1838 – 1988. Ilmatieteen laitos, 290 s.

Uutta tutkimusta vesistöjen ja ilmakehän hiilidioksidin vuorovaikutuksesta

Tällä kirjoituksella osallistumme kansainväliseen Blog Action Day -tapahtumaan, joka kokoaa maailman blogit julkaisemaan samana päivänä kirjoituksen samasta aiheesta. Tämän vuoden aiheena on vesi.

Ilmakehän hiilidioksidin ja maapallon vesistöjen vuorovaikutukseen liittyy tällä hetkellä paljon tärkeitä asioita. Esimerkiksi merien kyvyn sitoa hiilidioksidia odotetaan laskevan, mikä nostaisi ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta entisestään. Toinen esimerkki on merien happamoituminen, jonka on ennustettu aiheuttavan vakavia tuhoja merien ekosysteemeille. Tähän aihepiiriin liittyen on lähiaikoina julkaistu monta uutta tutkimusartikkelia. Tässä tutustumme niihin saadaksemme hiukan käsitystä siitä, minkälaisia asioita (muiden muassa) ilmakehän hiilidioksidin ja maapallon vesistöjen vuorovaikutukseen liittyen tutkitaan tällä hetkellä.

Ihmistoiminnasta peräisin olevan hiilidioksidin kerääntyminen mereen

González-Dávila ja kumppanit ovat tutkineet ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousun vaikutuksia meressä eri syvyyksillä. Tutkimus tehtiin Kanarian saarien lähistöllä. Tutkimuksessa mitattiin meren happamuutta ja alkaliniteettiä. Lisäksi käytettiin hiilidioksidin osapaineen mittauksia meren pinnalta. Tutkimuksessa oli tarkoitus seurata, miten ihmistoiminnasta peräisin oleva hiilidioksidi kertyy mereen. Tutkimus keskittyi ajanjaksolle 1995-2004.

Ihmisen toiminnasta peräisin olevan hiilen pitoisuus eri syvyyksillä.

Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvu oli havaittavissa meren pintakerroksen lisääntyvänä epäorgaanisen hiilen määränä. Tämän seurauksena meren pintakerros on muuttunut happamammaksi (muutos oli -0.0017±0.0003 pH-yksikköä vuodessa). Lisäksi karbonaatti-ionien pitoisuus ja kalsiumkarbonaatin kyllästystila ovat pienentyneet.

Epäorgaanisen hiilen lisääntyminen on ollut erilaista eri syvyyksillä. Epäorgaaninen hiili lisääntyi 300 metrin syvyydessä 0,53 moolin miljoonasosaa per kilogramma vuosittain. Vastaava luku 600 metrissä oli 0,49 ja 1000 metrissä 0,40.

Ihmisen toiminnasta peräisin olevaa hiilidioksidia meressä havaittiin tutkimuksen ajanjaksolla keskimäärin 66 ± 3 moolia per neliömetri. Määrä ei kuitenkaan ollut vakio, vaan se muuttui 61,7:stä vuonna 1994 arvoon 70,2 vuonna 2004.

Hurrikaanin vaikutus meren ja ilmakehän hiilidioksidin vaihtoon

Huang ja Imberger ovat tutkineet, miten hurrikaani Franceksen kulku merellä vaikutti ilmakehän ja meren väliseen hiilidioksidin vaihtoon. Tutkimuksen he tekivät siihen sopivalla tietokonemallilla. Lisäksi arvioitiin, kuinka suuri hurrikaanien vaikutus on globaalisti ilmakehän ja meren väliseen hiilidioksidin vaihtoon ja kuinka paljon se on muuttunut viime aikoina.

Vuoden 2004 hurrikaani Franceksella oli selvä vaikutus ilmakehän ja meren väliseen hiilidioksidin vaihtoon. Hurrikaani Franceksen ansiosta merestä pääsi ilmakehään noin 4-10 teragrammaa eli miljardia kilogrammaa hiilidioksidia. Tärkein syy tähän oli meren pintaveden viileneminen. Hurrikaanin vaikutus paikalliseen ilmakehän ja meren väliseen hiilidioksidin vaihtoon ulottui noin sadan kilometrin päähän kummallekin puolelle hurrikaanin reitiltä.

Hurrikaanien globaaliksi vaikutukseksi arvioitiin, että ilmakehään pääsi noin 47-141 teragrammaa hiilidioksidia. Arvio perustuu kuitenkin vain hurrikaani Franceksen vaikutuksen tutkimiseen. Viime vuosikymmenien aikana hurrikaanien aiheuttamien hiilidioksidipäästöjen arveltiin lisääntyneen noin 71-75 prosenttia.

Pohjoisen purojen päästöt

Pohjoisten järvien tiedetään olevan hiilidioksidin suhteen ylikyllästyneitä. Pohjoisen järvet ovatkin hiilidioksidipäästöjen lähteitä. Uudessa tutkimuksessa Koprivnjak ja muut ovat selvitelleet pohjoisen purojen hiilidioksidipäästöjä. Osoittautui, että pohjoisen purot ovat järviäkin ylikyllästyneempiä hiilidioksidin suhteen. Niinpä niistäkin pääsee hiilidioksidia ilmakehään.

Järvien ja purojen ilmakehään päästämästä hiilidioksidista purojen osuus on noin 8 prosenttia vuoden jäättömänä aikana. Parhaimmillaan osuus nousee vuodenaikavaihtelussa jopa noin 34 prosenttiin. Purojen päästöt ovat suurimmillaan kesällä ja pienimmillään keväällä.

Etelänavalla merien happamoituminen viivästyy

McNeil ja kumppanit ovat tutkineet meren happamoitumisen etenemistä etelänavalla. Etelänavan vesissä on paljon eliöitä, jotka ovat riippuvaisia aragoniitti-mineraalista. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousu vaikuttaa meressä niin, että aragoniitti alkaa liueta. Tällä on suora vaikutus etelänavan ekosysteemille. Aragoniitin liukenemisen on tähän mennessä arvioitu alkavan noin vuonna 2015.

Tutkimuksessa käytettiin havaintoja meren pintaveden hiilidioksidipitoisuudesta Rossinmerellä, etelänavan lähistöllä. Havaintoja käytettiin merimallin apuna tilannetta simuloitaessa. Tavoitteena oli selvittää, milloin olosuhteet alkavat olla sellaiset, että aragoniitin liukeneminen alkaa.

Osoittautui, että merijään laajuudesta ja syvään mereen kulkeutumisesta johtuen mereen varastoitui odotettua vähemmän ihmistoiminnasta peräisin olevaa hiilidioksidia. Tämän ansiosta aragoniitin liukeneminen ei näyttäisi alkavan vielä vuonna 2015, vaan se saattaa viivästyä jopa 30 vuodella.

Pohjois-Atlantilla hiilidioksidin liukeneminen mereen vähentynyt

Metzl ja kumppanit ovat mitanneet epäorgaanisen hiilen ja alkaliniteetin määrää Pohjois-Atlantilta Islannin ja Kanadan väliseltä alueelta. Lisäksi käytettiin hiilidioksidin ”fugasiteetin” (joka on eräänlainen hiilidioksidin osapainetta vastaava suure) mittauksia. Näiden avulla voidaan määritellä meren ottamaa hiilidioksidin määrää ja sen muutoksien syitä.

Ajanjaksolla 1993-2003 talviaikaan fugasiteetti nousi meressä enemmän kuin ilmakehässä. Tämä viittaa siihen, että meri otti vähemmän hiilidioksidia ilmakehästä, mikä selittyy pääasiassa meren pintalämpötilan nousulla. Kyseinen lämpeneminen puolestaan selittyy Pohjois-Atlantin oskillaation kääntymisellä negatiiviseen vaiheeseen, minkä takia alueelle virtasi lämpimämpää vettä.

Ajanjaksolla 2001-2008 fugasiteetti nousi huomattavan nopeasti, ja talvella 2007-2008 alueen meri oli hiilidioksidin suhteen ylikyllästyneessä tilassa. Tässä tapauksessa muutos oli selitettävissä ihmisen toiminnasta peräisin olevan hiilidioksidin kulkeutumisella mereen sekä muutoksilla alueen konvektio-olosuhteissa, jotka aiheuttivat muutoksia meren sekoittumiseen. Pohjois-Atlantin oskillaatio ei näyttänyt suoraan liittyvän näihin muutoksiin. Havaittu fugasiteetin muutos tarkoittaa myös sitä, että meri muuttui alueella happamammaksi (pH:n muutos oli −0.069 ± 0.007 per vuosikymmen).

Lähteet:

González-Dávila, M., Santana-Casiano, J. M., Rueda, M. J., and Llinás, O.: The water column distribution of carbonate system variables at the ESTOC site from 1995 to 2004, Biogeosciences, 7, 3067-3081, doi:10.5194/bg-7-3067-2010, 2010. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Huang, P., and J. Imberger (2010), Variation of pCO2 in ocean surface water in response to the passage of a hurricane, J. Geophys. Res., 115, C10024, doi:10.1029/2010JC006185. [tiivistelmä]

Koprivnjak, J.-F., P. J. Dillon, and L. A. Molot (2010), Importance of CO2 evasion from small boreal streams, Global Biogeochem. Cycles, 24, GB4003, doi:10.1029/2009GB003723. [tiivistelmä]

McNeil, B. I., A. Tagliabue, and C. Sweeney (2010), A multi-decadal delay in the onset of corrosive ‘acidified’ waters in the Ross Sea of Antarctica due to strong air-sea CO2 disequilibrium, Geophys. Res. Lett., 37, L19607, doi:10.1029/2010GL044597. [tiivistelmä]

Metzl, N., et al. (2010), Recent acceleration of the sea surface fCO2 growth rate in the North Atlantic subpolar gyre (1993–2008) revealed by winter observations, Global Biogeochem. Cycles, 24, GB4004, doi:10.1029/2009GB003658. [tiivistelmä]