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]

Mainokset

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: