Kosmisilla säteillä vaikutusta pilviin?

Uudessa tutkimuksessa on havaittu, että kosmisten säteiden muutoksilla saattaa olla vaikutus pilviin tietyissä olosuhteissa. Havaittu vaikutus toimii pääasiassa lyhyellä aikavälillä. Vaikutus pitkän ajan ilmaston muutoksiin näyttäisi olevan pieni.


Kosmisten säteiden vuon muutokset (yllä) ja pilvisyyden muutokset eri leveysasteilla (alla) vastaavina päivinä.

Auringon aktiivisuuden pienien vaihteluiden vaikutuksesta maapallon ilmastoon on olemassa todisteita monista menneiden aikojen ilmaston tutkimuksista. Toistaiseksi syytä tähän vaikutukseen ei kuitenkaan tunneta tarpeeksi hyvin, jotta kaikki asiaan liittyvät havainnot voitaisiin selittää tyydyttävästi. Yksi ehdotetuista teorioista on yhteys pilvisyyden ja galaktisten kosmisten säteiden välillä.

Kosmisten säteiden ja pilvisyyden välistä yhteyttä on tutkittu paljon. Tähänastiset tutkimukset ovat keskittyneet joko hyvin lyhytaikaisiin ja voimakkaisiin muutoksiin kosmisten säteiden vuossa tai sen pitkän ajan trendien ja pilvisyyden korrelaatioon. Hyvin lyhytaikaisissa tutkimuksissa on yleensä ollut kyseessä niin sanottu Forbush-vähenemä, joka on hyvin äkillinen ja voimakas vähenemä kosmisten säteiden vuossa. Forbush-vähenemät kestävät tyypillisesti noin 3-6 päivää ja tapahtuvat yleensä magneettisten myrskyjen aikana.

Molemmissa lähestymistavoissa oletetaan, että kosmisten säteiden vuon vaihteluun liittyy aina vastaava vaihtelu pilvisyydessä. Tämä oletus saattaa olla väärä, sillä saattaa olla jopa todennäköisempää, että kosmisten säteiden vaikutus pilvisyydessä näkyy vain sopivissa ilmakehän olosuhteissa. Tästä on myös olemassa hiukan epäsuoria todisteita.

Uudessa tutkimuksessa asiaa on tarkasteltu juuri siitä näkökulmasta, että kosmiset säteet vaikuttavat pilvisyyteen vain tietyissä olosuhteissa. Tutkimuksessa keskitytään maapallon keskileveysasteille (60°–30° N/S) kolmesta eri syystä. Ensinnäkin kyseisillä alueilla esiintyy paljon kerrospilviä, jotka saattavat olla yksi yllämainitun sopivan olosuhteen ilmentymä. Toiseksi kyseisiltä alueilta on olemassa luotettavaa satelliittidataa pilvisyydestä. Kolmanneksi aiemmat tutkimukset viittaavat kyseisten alueiden olevan herkkiä kosmisten säteiden vaikutukselle.

Tutkimuksessa käytettiin maailmanlaajuista neutronien havainnointiverkostoa, mistä saadaan galaktisten kosmisten säteiden vuo. Pilvisyysmittaukset otettiin ISCCP:stä, joka on pitkäaikainen pilvien havainnointiin keskittynyt satelliittiprojekti. ISCCP:n dataan liittyy paljon ongelmia, jotka koskevat satelliittien ratojen muuttumista, pilvien havainnoinnin puutteita (esimerkiksi yläpilvet estävät alapilviä näkymästä) ja muita asioita.

Pilvisyyden datasta valikoitiin vain voimakkaimmat pilvisyyden vaihtelut. Pilvisyyden vaihteluista otettiin mukaan kaikki voimakkaimpaan viiteen prosenttiin kuuluneet vaihtelut vuosien 1986 ja 2006 välillä. Näitä muutoksia verrattiin sitten kosmisten säteiden vaihteluihin.

Tällä tavoin löytyi tilastollisesti merkitsevä korrelaatio. Kosmisten säteiden vuon pienentyessä pilvisyys väheni. Ilmiö näkyi parhaiten troposfäärin keski- ja alaosissa. Ilmiön jakauma korkeuden suhteen sekä alueellisesti viittaa siihen, että ilmiöllä saattaa olla yhteys Hadley-solujen toimintaan. Muut Auringon aktiivisuuteen liittyvät parametrit (magneettikenttä, TSI, UV-aktiivisuus) eivät näyttäneet niin merkittävää yhteyttä pilvien vaihteluiden kanssa kuin kosmisten säteiden vuo näytti. Tämä viittaa siihen, että havaittu vaikutus on muista Auringon ilmiöistä riippumaton.

Havaituilla pilvivaihteluilla näytti olevan vaikutus maapallon pinnan lämpötilaan. Pilvisyyden vähetessä pintalämpötila nousi. Vaikutuksen suuruus sopi pilvimuutoksista odotettuun säteilypakotteeseen. Tästä ilmeisestä korrelaatiosta huolimatta ei pystytä sanomaan varmasti, ovatko pintalämpötilan muutokset kausaalisessa yhteydessä kosmisten säteiden vaihteluihin, vai ovatko pilvien ja pintalämpötilan muutokset vain seurausta ilmaston sisäisestä vaihtelusta. Tutkimuksessa tilannetta analysoitiin ilmastomallin avulla. Mallilla pystyttiin tuottamaan pilvisyyden ja pintalämpötilan välille havaintoja vastaava korrelaatio, mutta mallin tuottamien muutosten määrä oli selvästi pienempi kuin havainnoissa, eivätkä mallin tuottamat muutokset olleet tilastollisesti merkitseviä. Tämä saattaa kuitenkin liittyä käytetyn ilmastomallin vajaavaisuuteen pilvien mallinnuksen osalta.

Tutkimuksessa havaittiin siis korrelaatio kosmisten säteiden ja pilvisyyden muutoksien välillä, joka näyttää olevan riippumaton muista Aurinkoon liittyvistä ilmiöistä. Kosmisten säteiden vaikutuksen arvellaan olevan pitkällä aikavälillä pieni, mutta lyhyemmällä aikavälillä vaikutus saattaa toisinaan voimistaa ilmaston sisäistä vaihtelua niin, että se häiritsee ihmiskunnan aiheuttaman ilmaston lämpenemisen havaittavuutta.

Lähde: Laken, B. A., Kniveton, D. R., and Frogley, M. R.: Cosmic rays linked to rapid mid-latitude cloud changes, Atmos. Chem. Phys., 10, 10941-10948, doi:10.5194/acp-10-10941-2010, 2010. [tiivistelmä, koko teksti]

Aiempia artikkeleita aiheesta:

Svensmark & Friis-Christensen (1997) tarkastelussa
Skeptical Science -suomennos: Aiheuttaako kosminen säteily ilmastonmuutoksen?

Mainokset

”1934 on mittaushistorian lämpimin vuosi”

(Alkuperäinen teksti: John CookSkeptical Science)

Skeptinen argumentti…

”Elokuussa 2007 Steve McIntyre huomasi outoja epäjatkuvuuksia Yhdysvaltain lämpötilatilastoissa vuoden 2000 tammikuun paikkeilla. McIntyre ilmoitti havainnosta NASA:lle joka myönsi ongelman virheeksi, mikä korjattaisiin seuraavien tietojen päivittämisen yhteydessä. Lämpimin vuosi tilastojen mukaan Yhdysvalloissa on nyt 1934. Vuosi 1998 (tiedotusvälineiden pitkään toitottama ennätysvuosi) siirtyy toiselle sijalle.” (Daily Tech).

Mitä tiede sanoo…

1934 on tilastojen mukaan lämpimin vuosi USA:ssa, joka kattaa ainoastaan 2 % maapallon pinta-alasta. NASA:n tilastoissa lämpimin vuosi maailmanlaajuisesti on 2005.

Lue koko teksti >>>

Talven 2010-2011 sääennuste

Syyskuussa puolalaisten meteorologien kerrottiin ennustaneen, että Eurooppaan on tulossa kylmin talvi tuhanteen vuoteen. Ilmatieteen laitoksen mukaan väite oli perusteeton: ”Meillä Ilmatieteen laitoksella oli vaikeuksia selvittää, mikä oli se uusi sensaatiomainen tutkimus, johon tämä ennuste perustuisi. Lopulta selvisi, että puolalainen meteorologi oli vain median haastattelussa kertonut, että JOS Golfvirta hidastuisi tai pysähtyisi, Pohjois-Euroopan ilmasto kylmenisi… Aivan, kaikkihan tuntevat Golfvirran merkityksen ilmastoomme ja voivat tähän lausuntoon yhtyä. Nyt vain oli käynyt niin onnettomasti, että matkalla viesti hieman muuttui ja oleellinen pieni sana ’jos’ oli jäänyt matkan varrelle.” (klimatologi Reija Ruuhela, Ilmastokatsaus 9/2010, s. 3)

Marraskuun puolivälissä julkaistun tutkimuksen mukaan ilmaston lämpeneminen lisää kylmiä talvia. Tutkijat Vladimir Petuhov (Petoukhov) ja V. A. Semenov Potsdamin ilmastovaikutusten tutkimuskeskuksesta (Potsdam Institute for Climate Impact Research) ovat seuranneet Jäämeren itäosia (Barentsinmeri ja Karanmeri). Kun Jäämeren itäosien jääpeite vähenee ilmastonmuutoksen myötä, merestä pääsee vapautumaan entistä enemmän lämpöä, mikä lämmittää ilmaa. Tämä puolestaan aiheuttaa ilmavirtausten muuttumisen, jolloin kylmät talvet Euroopassa ja Pohjois-Aasiassa yleistyvät aluksi. Äärimmäisen kylmien talvien todennäköisyys kasvaa kolminkertaiseksi. Kylmistä talvista on syytetty joskus auringon heikkoa säteilyä ja joskus Golfvirran heikentymistä, mutta tutkijoiden mukaan merijään vähenemisen ja kylmien talvien välinen korrelaatio on huomattavasti selvempi. Kylmät talvet 2005-2006 ja 2009-2010 eivät siis ole tämän tutkimuksen mukaan ristiriidassa ilmaston lämpenemisen kanssa, vaan pikemminkin ne sopivat kuvaan erinomaisen hyvin ilmastonmuutoksen yhteydessä.

Tämä nyt julkaistu tutkimus ei kuitenkaan ole ennuste talven 2010-2011 säästä, vaan se kertoo vain kylmien talvien todennäköisyyden kasvavan pitkällä aikavälillä ilmaston lämmetessä. Luontainen sään vaihtelu jatkuu. Yksittäinen talvi voi olla kylmä tai lämmin, vaikka kylmien talvien todennäköisyys kasvaisikin. Lisäksi on huomattava, että kyseinen tutkimus perustui vain yhteen ilmastomalliin.

Marraskuun loppupuolella ruotsalainen meteorologi Per Kållberg ennusti Sydsvenskan-lehdessä Pohjois-Eurooppaan hyvin kylmää talvea 2010-2011. Ennuste perustuu Pohjois-Atlantin oskillaatioon (NAO) joka muuttui negatiiviseksi joulukuussa 2009 ja aiheutti osaltaan kylmän talven 2009-2010. Tämä oskillaatio jatkuu edelleen negatiivisena, minkä seurauksena Pohjois-Eurooppaan pääsee virtaamaan arktisen kylmää ilmaa. Tämä negatiivinen NAO voi tuoda Skandinaviaan samanlaiset kylmät talvet kuin 1950- ja 1960-luvuilla, jolloin esiintyi usein negatiivinen NAO (vastaavasti monien viime vuosien lämpiminä talvina NAO on ollut positiivinen). Skandinavian lisäksi kylmä talvi tulee negatiivisen oskillaation aikana myös Britanniaan, Länsi-Eurooppaan ja Yhdysvaltojen itärannikolle. Sen sijaan Länsi-Grönlannissa seurauksena on kostea ja lämmin sää. Myös USA:n länsirannikolla voi olla epätavallisen lämmintä. Meteorologi Per Kållberg kuitenkin tähdentää, että tämä ennuste toteutuu vain, mikäli negatiivinen NAO jatkuu. Varmuutta asiasta ei ole. Tällä hetkellä NAO on jatkunut negatiivisena poikkeuksellisen pitkään. Pohjoisen pallonpuoliskon lämpötilajakaumaa voi seurata karttakuvasta.

Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskuksen (ECMWF) vuodenaikaisennuste arvioi, että tänä talvena joulukuu, tammikuu ja helmikuu saattaisivat olla Suomen keski- ja pohjoisosissa jopa hieman tavanomaista lämpimämpiä. Etelä-Euroopassa taas voi olla normaalia viileämpää. Tämä ennuste on hyvin samankaltainen yhdysvaltalaisten ennusteiden kanssa.

WSI (Weather Services International) kuitenkin ennustaa talven 2010-2011 olevan Britanniassa ja Länsi-Euroopassa keskimääräistä kylmempi, ei kuitenkaan yhtä kylmä kuin viime talvi. Varsinkin alkutalvesta voi tulla normaalia kylmempi. Kaikkein kylmintä on tämän ennusteen mukaan joulukuussa. Kylmää näyttää riittävän vielä tammikuullekin, mutta helmikuussa voi jo hieman lämmetä.

Aiemmat kirjoituksemme Pohjois-Atlantin oskillaatiosta:

NAO muuttuu hiilidioksidipitoisuuden lisääntyessä

Pohjois-Atlantin oskillaatio, Tyynen valtameren tuulet ja arktinen merijää

Hiilidioksidin mittausmenetelmät globaalissa analyysissä

Uudessa tutkimuksessa on arvioitu erilaisten ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden mittausmenetelmien soveltuvuutta hiilidioksidin päästölähteiden globaaliin havainnointiin. Ilmanäytteiden ottoon perustuva mittausverkosto on epätasaisesti jakautuneena ympäri maapalloa, joten se ei oikein sovellu tähän tarkoitukseen. Differentiaaliabsorptiotekniikkaa käyttävät satelliittimittaukset (esimerkiksi SCIAMACHY, GOSAT ja OCO) näyttävät lupaavammilta tähän tarkoitukseen kuin infrapunamittauksia käyttävät satelliittimittaukset (esimerkiksi AIRS). Parhaiten tarkoitukseen näyttäisi sopivan tulevaisuuden satelliittimittausprojekti A-SCOPE, mutta sekään ei näyttäisi olevan tarpeeksi tarkka ihmiskunnan päästölähteiden seuraamiseen.


Olemassaoleva hiilidioksidipitoisuuden pintamittausverkosto.

Hiilidioksidi on tärkeä ilmakehän kaasu, jonka osuus maapallon kasvihuoneilmiöstä on merkittävä. Ennen teollista aikaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli tuhansien vuosien ajan melko vakaa pitoisuuden vaihdellessa 250 ja 290 ppm:n välillä. Teollinen vallankumous toi 1700-luvun puolivälistä lähtien mukanaan fossiilisten polttoaineiden polton, sementin valmistuksen, metsien häviämisen ja maankäytön muutokset. Näiden seurauksena ilmakehän hiilidioksidipitoisuus alkoi nousta ja kasvihuoneilmiö voimistua.

Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on nykyään noin 390 ppm, eli noin 40 prosenttia suurempi kuin esiteollisena aikana, vaikka luonnollisiin hiilinieluihin onkin mennyt yli puolet ihmiskunnan lisäämästä hiilestä. Joidenkin väitteiden mukaan ihmiskunnan päästämästä hiilidioksidista ilmakehään jäävä osuus olisi hiljattain kasvanut, mikä merkitsisi luonnollisten hiilinielujen pienenemistä. Tällä hetkellä tietämykseemme hiilidioksidin päästöistä ja hiilinieluista liittyy paljon epävarmuuksia, vaikka tietämyksemme onkin voimakkaasti lisääntymässä.

Mallisimulaatioiden mukaan maapallon biosfäärin hiilinielu saattaa pienentyä tai muuttua jopa päästölähteeksi. Ilmastonmuutos saattaa vapauttaa ikiroudan varastoimaa hiiltä Siperiassa ja Alaskassa. Ylipäätään koko maapallon hiilenkiertoon liittyy erittäin merkittäviä epävarmuuksia, joiden selvittäminen olisi ensisijaisen tärkeää. Tätä varten tarvitsemme tarkkaa havaintotietoa hiilidioksidin päästölähteiden ja hiilinielujen toiminnan muutoksista ajan myötä ja niiden maantieteellisestä sijainnista sekä jakaumasta.

Hiilivuon ja -pitoisuuden tiheät mittausverkostot ovat hyödyllisiä välineitä parantamaan tietoamme tässä asiassa. FLUXNET-projektiin kuuluu yli 400 mittausasemaa, joissa tehdään suoria hiilivuon mittauksia. Maailman meteorologisen järjestön ilmakehän hiilidioksidimittausverkosto GLOBALVIEW-CO2 kerää ilmanäytteitä maapallon pinnalta ja analysoi niiden hiilidioksidipitoisuuden 0,1 ppm:n tarkkuudella. Tällaisilla mittausverkostoilla voidaan jo määritellä hiilinielujen ja päästölähteiden toimintaa, mutta nykyisten verkostojen mittauspisteet ovat kuitenkin edelleen hyvin harvassa (erityisesti merialueilla ja tropiikissa) vaikka verkostot ovatkin koko ajan laajentuneet. Lisäksi verkostojen mittauspisteet eivät välttämättä anna edustavaa kuvaa laajemmalta alueelta, vaikka antavatkin hyvin tarkan tiedon juuri mittauspisteen kohdalta.

Satelliittimittaukset kattavat maapallon paljon paremmin, mutta satellittimittaukset ovat erittäin haastavia. Satelliitit mittaavat hiilidioksidipitoisuutta koko ilmapylvään keskiarvona, joka on vaikeaa, koska hiilidioksidipitoisuus on määriteltävä hyvin pienistä vaihteluista ilmapylvään keskiarvon mittauksissa. On arvioitu, että tarvitaan vähintään 3 ppm:n tarkkuus kuukausiarvoissa (kun käytetään miljoonien neliökilometrien skaalaa), jotta maapallon pinnan hiilinieluista ja -lähteistä saataisiin käyttökelpoista tietoa. Alueellisiin tutkimuksiin tarvitaan vielä tarkempia mittauksia.

Satelliittimittauksia on saatavissa muun muassa TOVS-projektista (TIROS Operational Vertical Sounder), AIRS-projektista (Atmospheric Infrared Sounder) ja mahdollisesti tulevasta OCO-projektista (Orbiting Carbon Observatory). Tällä hetkellä maapalloa kuitenkin kiertää GOSAT (Greenhouse gases Observing SATellite), Japanin avaruustutkimusviraston (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) vuonna 2009 laukaisema satelliitti.

TOVS oli keskittynyt otsonimittauksiin eikä sieltä saatu hiilen kiertoon liittyvä tieto ole osoittautunut kovin käyttökelpoiseksi. AIRSin havainnot ovat paljon tarkempia, mutta ne ovat herkimpiä ylemmän troposfäärin hiilidioksidille, joten maapallon pinnan nielujen ja lähteiden selvittely AIRSin havaintojen perusteella on ongelmallista. OCOn tarkoituksena oli tehdä maailmanlaajuisia mittauksia riittävällä tarkkuudella maapallon pinnan nielujen ja lähteiden toiminnan seuraamiseen. Se olisi tarjonnut ratkaisun yllä kuvattuihin mittausverkostojen puutteisiin. Valitettavasti OCO tuhoutui laukaisun yhteydessä ja sen seuraaja, OCO2, on vasta rakenteilla.

Satelliiteista tehtävät lidar-mittaukset ovat lupaava menetelmä, jolla yllä kuvattuja ongelmia voidaan ehkä korjata. Lidarin avulla mittauksia on mahdollista tehdä sekä yöllä että päivällä, eikä lidar ole niin herkkä ilmakehän aerosolien ja ohuiden pilvien aiheuttamille mittausvirheille. Lidaria käyttäviä tulevaisuuden projekteja (nämä eivät siis vielä ole toiminnassa) ovat NASAn ASCENDS (Active Sensing of CO2 Emissions over Nights, Days, and Seasons) ja ESAn A-SCOPE (Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth).

Uusi tutkimus on vertaillut olemassaolevien ja tulevien menetelmien sopivuutta maapallon pinnan hiilinielujen ja -lähteiden havainnointiin. Yllämainittujen havaintoprojektien lisäksi analyysissä oli mukana myös SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CartograpHY), joka on ESAn ENVISATin mukana jo kuusi vuotta ilmakehää mitannut spektrometri.

Mittausten määrä vaihtelee eri menetelmien välillä. Pintamittausverkostossa tehdään vähiten mittauksia (26 000 mittausta vuodessa) ja AIRSissa tehdään eniten mittauksia (928 000 mittausta vuodessa). Maapallon eri osien kattavuus on pintamittausverkostossa paljon huonompi kuin satelliittiprojekteissa. Pintamittausverkoston huonosti kattamia alueita ovat Etelä-Amerikka, Afrikka ja trooppinen Aasia.

Satelliittiprojekteista paras kattavuus on A-SCOPElla ja AIRSilla. Tämä johtuu siitä, että niissä mittauksia voidaan tehdä sekä päivällä että yöllä. Muissa satelliittiprojekteissa (OCO, SCIAMACHY, GOSAT) yömittaukset eivät ole mahdollisia ja siksi niillä ei voi tehdä pohjoisilla korkeilla leveysasteilla (arktisilla alueilla) ollenkaan mittauksia tammikuussa. A-SCOPEn ja AIRSin välinen kattavuuskilpailu päättyy AIRSin voitoksi, koska sillä on laajemmat skannausominaisuudet, eivätkä matalat pilvet häiritse sen mittauksia.

Satellittimittausten painotus korkeuden suhteen on tärkeä asia, kun asiaa tarkastellaan maapallon pinnalla olevien hiilinielujen ja -lähteiden näkökulmasta. Lämpösäteilyyn perustuvat satelliittimittaukset painottuvat melko korkealle ilmakehässä ja ne antavat pinnalta hyvin heikosti tietoa. SCIAMACHY, OCO ja GOSAT perustuvat samaan mittausperiaatteeseen (differentiaaliabsorptiotekniikka), joten niillä kaikilla on samankaltainen korkeuspainotus, joka on melko tasainen eri korkeuksilla mukaan lukien maapallon pinta. A-SCOPElla korkeuspainotus riippuu absorptiokanavan aallonpituudesta. Aallonpituudella 1,6 mikrometriä painotus on keskittynyt korkeammalle ilmakehään, mutta myös pinnalta saadaan tietoa. Aallonpituuden ollessa 2,0 mikrometriä painotus keskittyy maapallon pinnalle ja vähenee lähes lineaarisesti ylöspäin mentäessä. A-SCOPE kahden mikrometrin absorptiokaistalla näyttäisi siis mittauksen korkeuspainotuksen perusteella parhaalta maapallon pinnan hiilinielujen ja -lähteiden havainnointiin.

Mittausvirheiden osalta pintamittausverkosto on tiheästi mittauspisteitä sisältävillä pienillä alueilla (esimerkiksi Ranskassa) ylivoimainen satelliittimittauksiin nähden. Kun siirrytään käsittelemään suurempia alueita (esimerkiksi Ranskan sijasta koko Eurooppaa), satelliittimittaukset pärjäävät AIRSia lukuunottamatta pintamittausverkostoa paremmin. AIRSin heikkous on sen suurempi mittauksen epävarmuus OCOon ja A-SCOPEen verrattuna. Satelliittimittauksissa A-SCOPE on paras mittausvirheiden kannalta. Sen jälkeen seuraa OCO. Seuraavat GOSAT ja SCHIAMACHY ovatkin jo paljon heikompia mittausvirheiden suhteen ja AIRS on siis satelliittimittauksista heikoin tässä mielessä. Mittausvirheiden osalta tilannetta voidaan parantaa, jos muodostetaan satelliittimittausten ja pintamittausverkoston yhdistelmiä. Tämä kuitenkin pätee luonnollisesti vain niillä alueilla, joilla pintamittauksia suoritetaan.

Kaikki käsitellyt mittausmenetelmät näyttävät joka tapauksessa kykenevän tarjoamaan uutta tietoa hiilenkierrosta maapallolla, vaikka se joidenkin menetelmien osalta voikin olla rajoittunutta suurta tarkkuutta vaativissa mittauksissa. Kokonaistarkastelussa A-SCOPE näyttäisi pärjäävän parhaiten. Kasvillisuuteen ja meriin liittyvien hiilinielujen ja -lähteiden havainnointiin näyttäisi löytyvän riittävän tarkkoja menetelmiä. Ihmiskunnan hiilidioksidipäästölähteiden havainnointi sen sijaan on ongelmallisempaa. Niiden havainnointiin riittävällä tarkkuudella ei tässä käsitellyistä menetelmistä näyttänyt ikävä kyllä kykenevän yksikään.

Lähde: Hungershoefer, K., Breon, F.-M., Peylin, P., Chevallier, F., Rayner, P., Klonecki, A., Houweling, S., and Marshall, J.: Evaluation of various observing systems for the global monitoring of CO2 surface fluxes, Atmos. Chem. Phys., 10, 10503-10520, doi:10.5194/acp-10-10503-2010, 2010. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Linkit

Linkkisivumme löytyy täältä. Tulemme jatkossa lisäilemään linkkejä tarpeen mukaan.

Tähän viestiketjuun voitte antaa palautetta linkkisivusta ja sen sisällöstä.

Aavikoiden pöly viilensi maapalloa 1900-luvulla

Aavikoilta ilmakehään lentävä pöly vaikuttaa merkittävästi ilmastoon uuden tutkimuksen mukaan. Viime vuosisadan loppupuolella tapahtuneen ilmaston lämpenemisen aikana pöly näytti jarruttaneen lämpenemistä viilentäen globaalisti noin 0,12 celsiusasteen verran. Pöly vaikuttaa myös maapallon eliöstöön.


Suhteellinen pölyisyys kahdella paikalla 1900-luvun aikana.

Aavikkopöly eli mineraaliaerosolit ovat maa-aineksen hiukkasia, jotka lentelevät ilmakehässä. Aerosoleista aavikkopöly on ”luonnollinen” ilmakehän osa. On olemassa paljon todisteita siitä, että aavikkopölyn esiintyminen ilmakehässä on erittäin herkkä ilmastollisille olosuhteille. Aavikkopölyn määrä ilmakehässä saattaa erota jääkauden ja lämpimän ajanjakson välillä huomattavasti (kertoimella 3-4). Samaten 1900-luvun jälkipuoliskolla aavikkopölyn määrä vaihteli alueellisesti jopa kertoimella 4.

Ihminen saattaa myös vaikuttaa ilmakehässä olevan pölyn määrään. Ilmastonmuutoksen ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousun vaikutusta aavikoitumiseen ja sitä kautta ilmakehän pölyn määrään ei tunneta vielä kovin hyvin, mutta ihmiskunta saattaa vaikuttaa pölyn määrään tuhoamalla pintakasvillisuutta tai puuttumalla veden kiertoon. Ihmisen vaikutus globaalisti ilmakehään kulkeutuvan pölyn määrään on arvioitu olevan välillä -20 ja +60 prosenttia.

Aavikkopöly vaikuttaa todennäköisesti ilmastoon, sillä se vaikuttaa sekä maapallolle tulevaan auringonsäteilyn että maapallolta ulospäin lähtevän lämpösäteilyn määrään (pölyllä on siis myös kasvihuonevaikutus vaikka se ei kaasua olekaan). Lisäksi pöly saattaa vaikuttaa pilvien optisiin ominaisuuksiin ja siten epäsuorasti ilmastoon. Toinen epäsuora ilmastovaikutus johtuu siitä, että pöly sisältää jonkin verran rautaa, joka mereen kulkeutuessaan kiihdyttää meren biologista toimintaa. Tämä taas johtaa lisääntyneeseen hiilidioksidin sitoutumiseen meressä olevaan orgaaniseen ainekseen ja näin ilmakehästä mereen kulkeutuvan hiilidioksidin määrä lisääntyy.

Uudessa tutkimuksessa on tehty rekonstruktio 1900-luvun ilmakehän pölyn määrästä. Menneisyyden ilmakehän pölyn määrä voidaan määrittää jälkeenpäin ainakin jääkairanäytteistä, järvien pohjasedimenteistä ja korallien vuosikasvustoista. Tässä tutkimuksessa käytettiin näitä kolmea, mutta pääasiassa jääkairanäytteitä, jotka on otettu Etelämantereelta ja Tiibetistä (muiden tutkijoiden toimesta – tässä tutkimuksessa käsiteltiin vain valmiiksi olemassa olevia mittaussarjoja). Korallimittaussarjoja käytettiin Punaiseltamereltä ja Kap Verdestä. Järvien pohjasedimenttidataa saatiin Yhdysvaltojen Coloradosta. Mittaussarjat valittiin sen perusteella, että niiden katsottiin antavan tietoa laajalla alueella sijaitsevista aavikkopölyn lähteistä, joita tutkimuksessa tarkasteltiin seitsemää (Pohjois-Amerikka, Etelä-Amerikka, Pohjois-Afrikka, Etelä-Afrikka, Keski-Aasia, Itä-Aasia ja Australia).

Havaintojen analysoinnissa käytettiin apuna pölyyn liittyvien prosessien simulointiin sopivaa CAM/CLM3.1 ilmakehä- ja maamallia. Kyseisellä mallilla voidaan simuloida pölyn lähteitä, kulkeutumista ja laskeumaa ja mallin toiminta on varmistettu havaintoihin vertaamalla. Mallissa oletetaan, että pöly syntyy voimakkaiden tuulien vaivaamilla alueilla, jotka ovat kuivia, kasvillisuudesta vapaita ja joiden maaperästä vapautuu helposti pölyä. Pölysimulaatioihin sisältyvät muuttuvat kasvihuonekaasupitoisuudet ja ihmiskunnasta peräisin olevat aerosolit. Lisäksi tutkimuksessa käytettiin meren ja maa-alueiden biologisen toiminnan simulointiin soveltuvia malleja.

Mallisimulaatioiden avulla laskettiin pölyn aiheuttama säteilypakote. Tätä varten mallisimulaatioita piti aina suorittaa kahteen kertaan; pölyn kanssa ja ilman pölyä. Näiden simulaatioiden erotuksena saatiin sitten pölyn säteilypakote. Lisäksi laskettiin pölyn aiheuttama epäsuora säteilypakote. Aerosolien ja pilvien vuorovaikutus kuitenkin tunnetaan melko huonosti, joten sitä ei sisällytetty mallisimulaatioihin. Siksi epäsuoran säteilypakotteen osalta oli tyydyttävä vain karkeaan arvioon.

Tutkimuksen tuloksien mukaan 1900-luvulla tapahtui voimakasta vaihtelua ilmakehässä olevan aavikkopölyn määrässä. Maksimi oli 1980-luvulla ja monet pölylähteet olivat paljon aktiivisempia 1900-luvun loppupuolella kuin alkupuolella. Syy näihin muutoksiin aavikkopölyn määrässä ei ole selvillä. Ilmastonmuutos saattaa aiheuttaa kuivuutta, joka lisäisi pölyn määrää. Toisaalta ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousu saattaisi lannoittaa kasvillisuutta, joka taas vähentäisi pölyn määrää. Maankäytön muutokset voivat myös olla voimakkaassa roolissa, mutta maankäytön globaali merkitys pölyisyyteen ei ole tiedossa. Tämän uuden tutkimuksen tuloksien perusteella näyttää siltä, että kaikkien tekijöiden nettovaikutus on kuitenkin ollut aavikkopölyn lisääntyminen 1900-luvun aikana.

Keskimääräinen suora säteilypakote aavikkopölystä oli -0,5 wattia per neliömetri ja se vaihteli voimakkaasti ajan myötä. Suhteellisen vähäpölyisen vuosisadan alun ja runsaampipölyisen vuosisadan lopun välinen ero pakotteessa oli -0,07 wattia per neliömetri, eli aavikkopölyllä oli pieni viilentävä vaikutus 1900-luvun loppua kohti mentäessä. Suurimmat erot olivat 1950-luvun ja 1980-luvun välillä, jolloin aiheutui säteilypakotteen muutos, joka oli suuruudeltaan -0,28 wattia per neliömetri. Vertailun vuoksi ihmiskunnan ilmastovaikutus (mukaan lukien kasvihuonekaasut, aerosolit, jne.) on noin +1,6 wattia per neliömetri, eli pölyllä on kuitenkin huomattava suora ilmastollinen vaikutus.

Epäsuoran säteilypakotteen arvioinnin tulos oli se, että epäsuora säteilypakote olisi jokseenkin saman suuruinen kuin suora säteilypakote. Epäsuoran säteilypakotteen muutokseksi saatiin -0,36 wattia per neliömetri 1950-luvun ja 1980-luvun välillä. Yhdessä aavikkopölyn suora ja epäsuora säteilypakote saivat siis aikaan hyvinkin merkittävän, viilentävän ilmastovaikutuksen 1900-luvun loppupuolella. Lämpötilana ilmaistuna vaikutus oli globaaliin keskimääräiseen pintalämpötilaan noin -0,12 celsiusastetta. Vertailun vuoksi 1900-luvun loppupuolen kasvihuonekaasujen ja aerosolien yhteisvaikutukseksi saadaan noin +0,73 celsiusastetta. Tutkimuksen tuloksien perusteella aavikkopölyn lisääntyminen siis jarrutti merkittävällä tavalla 1900-luvun loppupuolen lämpenemistä.

Tämän lisäksi pölyn aiheuttaman biologisen toiminnan muutoksien laskettiin aiheuttaneen 6 ppm:n vähenemisen maa-alueiden kasvillisuuden hiilinieluun, mutta 4 ppm:n lisäyksen merialueiden biologiseen hiilinieluun. On siis todettava, että tämän tutkimuksen tuloksien perusteella aavikkopölyllä on huomattavia vaikutuksia sekä ilmastoon että maapallon biologiseen toimintaan.

Lähde: Mahowald, N. M., Kloster, S., Engelstaedter, S., Moore, J. K., Mukhopadhyay, S., McConnell, J. R., Albani, S., Doney, S. C., Bhattacharya, A., Curran, M. A. J., Flanner, M. G., Hoffman, F. M., Lawrence, D. M., Lindsay, K., Mayewski, P. A., Neff, J., Rothenberg, D., Thomas, E., Thornton, P. E., and Zender, C. S.: Observed 20th century desert dust variability: impact on climate and biogeochemistry, Atmos. Chem. Phys., 10, 10875-10893, doi:10.5194/acp-10-10875-2010, 2010. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Uusi ilmakehän lämpötilarekonstruktio vuosille 1918-1957

Toisin kuin maapallon pintalämpötila-analyysit, jotka ulottuvat 1800-luvulle, ilmakehän lämpötilamittauksien globaalit analyysit ovat toistaiseksi ulottuneet parhaimmillaankin vain vuoteen 1948. Nyt on julkaistu uusi, vuoteen 1918 asti ulottuva rekonstruktio ilmakehän lämpötilamittauksista.


Uuden rekonstruktion antamat lämpötilat eri alueille vuosilta (ylhäältä alas ja vasemmalta oikealle) 1920, 1930, 1940 ja 1950. Kuvasta nähdään myös kuinka rekonstruktion kattavuus paranee ajan myötä.

Maapallon ilmaston tilan analysoimiseksi tarvitaan tarkempia ja ajassa pidemmälle ulottuvia mittaussarjoja sekä niistä tehtyjä globaaleja analyysejä. Tämä on tärkeää ilmaston luonnollisen vaihtelun ymmärtämiseksi paremmin. Maapallon globaalit pintalämpötila-analyysit ulottuvat tällä hetkellä 1800-luvulle, mutta ilmakehän aiemmat analyysit ulottuvat vain vuosiin 1948 (NCEP/NCAR-analyysi) ja 1957 (ERA-40 -analyysi). Muutaman viime vuoden aikana on julkaistu pari analyysiä, jotka ulottuvat pidemmälle, mutta useimmat niistä ovat tavalla tai toisella vaillinaisia (CHUAN, REC1 – näistä lisää alla, sekä 20CR).

Vuonna 1957 perustettiin globaali radiosondiverkosto (radiosondit ovat säähavaintopallojen mukana lentäviä mittalaitteita), jossa mittaukset tehtiin yhtenevillä menetelmillä ja mittauslaitteistoilla. Pelkästään radiosondeihin perustuvia, ja siten vain vuoteen 1957 asti menneisyydessä ulottuvia, analyysejä on olemassa useita, kuten esimerkiksi HadAT2, RAOBCORE ja RATPAC.

Aiemmin on tehty paljon työtä varhaisempien ilmakehän mittausten parissa. Historiallisia mittausarkistoja on koottu yhteen ja muutettu sähköiseen muotoon. Arkistoista on myös tehty jo joitakin rekonstruktioita. Hiljattain esimerkiksi julkaistiin ilmanpaineen analyysi, joka ulottui vuoteen 1871. Historialliset mittaussarjat ovat tärkeitä tutkittaessa ilmaston ilmiöitä, kuten esimerkiksi El Niño ja arktisten alueiden lämpeneminen.

Olemassaolevista historiallisen ilmastodatan analyyseistä CHUANin ongelmana on se, että mittaukset eivät ole yhteneväisiltä korkeuksilta, mittausajat vaihtelevat ja mittauksiin sisältyy virheitä. REC1 on tilastollinen rekonstruktio, mutta siinä on oletettu ilmakehän suuren mittakaavan prosessien pysyvän muuttumattomana, mikä ei välttämättä sovi kaikkiin analyyseihin. Uudessa tutkimusartikkelissa esitellään uusi rekonstruktio, jossa näihin ongelmiin on paneuduttu. Tuloksena oleva rekonstruktio on nimeltään REC2 ja se on periaatteessa tilastollinen rekonstruktio, mutta se on rakenteellisesti mahdollisimman lähellä historiallista dataa. Se on siis eräänlainen REC1:n ja CHUANin välimuoto.

REC2 pohjautuu CHUANin dataan. CHUANissa on 12,6 miljoonaa mittausprofiilia vuotta 1958 edeltävältä ajalta. Lisäksi REC2:ssa käytettiin mittausdataa Integrated Global Radiosonde Archive -arkistosta. Mittausdataan tehtiin tarvittavat korjaukset ja säädöt ja sitten datasta muodostettiin kuukausikeskiarvot. Rekonstruktiossa käytettiin lisäksi apuna lämpötilan ja ilmanpaineen mittauksia maapallon pinnalta sekä ERA-40 ilmakehäanalyysiä.

REC2:ssa rekonstruktio tehtiin erikseen kuudella eri korkeudella ilmakehässä. Rekonstruktio kattaa vuodet 1918-1957. Rekonstruktion erottelukyky vaakatasossa on 2,5 x 2,5 astetta.

REC2:n data on aluksi hyvin harvassa. Ensimmäinen kuukausi, jolta on dataa, on vuoden 1918 lokakuu. Aluksi rekonstruktio kattaa vain Yhdysvaltojen itäosan. Melko pian siihen sisältyy myös Eurooppa. Kattavuus lisääntyy huomattavasti 1930-luvun aikana ja vuoteen 1950 mennessä rekonstruktioon kuuluu jo yli 50 % maapallosta. Tässä vaiheessa eteläisen pallonpuoliskon kattavuus on kuitenkin vielä erittäin heikko.

Tekijät suosittelevat, että uutta rekonstruktiota käytetään yhdessä muiden rekonstruktioiden kanssa (REC1, CHUAN, 20CR, BL2004). Lisäksi he sanovat, että rekonstruktioiden parissa on vielä tehtävä lisää kehitystyötä, jotta 1900-luvun alkupuolen tilanne saadaan paremmin selville.

Lähde: Stefan Brönnimann, Thomas Griesser and Alexander Stickler, A gridded monthly upper-air data set from 1918 to 1957, Climate Dynamics, 2010, DOI: 10.1007/s00382-010-0940-x. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Lisätietoa: Verkkosivusto, jossa uuden rekonstruktion datojen mainittiin löytyvän, mutta josta tätä kirjoittaessa ohjataan CHUAN-verkkosivustolle, mistä näyttäisi löytyvän vain vanha CHUAN-data. REC2-data luultavasti ilmestyy annettuun osoitteeseen lähiaikoina.

%d bloggers like this: