Uudessa tutkimuksessa on selvitetty ilmakehämittauksien ja mallisimulaatioiden avulla ilmakehän hiilidioksidipitoisuudessa näkyvien vaihtelujen aiheuttaneita päästölähteitä. Mittausten avulla selvitettiin hiilidioksidin päästölähteen tyyppi ja lisäksi mallisimulaatioilla osoitettiin, mistä paikasta kyseinen päästö on peräisin.
Hiilidioksidin, hiili-13:n ja happi-18:n mittauksia Alpeilla yhden kuukauden ajalta.
Hiilidioksidin ja muiden ihmiskunnan toiminnasta peräisin olevien kasvihuonekaasujen pitoisuuden nousu ilmakehässä on aiheuttanut huolta maapallon ilmaston kannalta. Kasvihuonekaasujen aiheuttama ilmastopakote on noussut merkittäväksi tekijäksi maapallon ilmaston säätelyssä.
Fossiilisista polttoaineista peräisin oleva hiilidioksidi on tällä hetkellä suurin muutoksia aiheuttava tekijä ilmakehän hiilidioksidipitoisuudessa. Hiilidioksidilisäyksen käyttäytymisessä maapallon hiilen kierrossa on paljon yksityiskohtia, joita ei tunneta vielä kovin hyvin. Hiilen vakaiden isotooppien pitoisuuksien mittaukset ilmakehän hiilidioksidista voivat auttaa selvittämään, mihin ja miten paljon hiilidioksidia kulkeutuu.
Hiilen isotoopin 13 (hiili-13) pitoisuus auttaa määrittämään, paljonko hiilidioksidia menee maa-alueille ja paljonko meriin. Tämä johtuu siitä, että maa-alueiden kasvillisuuden ja merien ottaman hiilidioksidin isotooppikoostumuksessa on eroja. Myös fossiilisista polttoaineista peräisin olevalla hiilidioksidilla on oma tunnistettava isotooppikoostumus. Sen avulla voidaan määritellä hiilidioksidin päästölähteitä ja niiden vaihteluita.
Myös hiilidioksidissa olevien happiatomien isotooppikoostumusta voidaan käyttää hiilidioksidilähteiden tutkimiseen varsinkin silloin, kun hiilidioksidi on peräisin biologisesta toiminnasta tai maaperän prosesseista. Hapen isotooppien käyttö hiilen kierron tutkimuksissa on kuitenkin toistaiseksi osoittautunut melko haastavaksi. Hiilidioksidin happi nimittäin vaihtaa isotooppeja kasvien lehdissä ja maaperässä olevan veden kanssa, mikä vaikeuttaa hapen isotooppikoostumuksen tulkintaa. Globaalissa tarkastelussa ilmakehän hiilidioksidissa olevan hapen isotoopin 18 (happi-18) koostumuksen määrittelee pääasiassa isotooppivaihdon kohteena olleen veden isotooppikoostumus.
Ilmakehän hiilidioksidin happi-18:n pitoisuutta lisäävät isotooppivaihto meren ja kasvien lehdissä olevan veden kanssa, kun taas isotooppivaihto maaperässä olevan veden kanssa vähentää happi-18:n pitoisuutta. Fossiilisista polttoaineista peräisin oleva hiilidioksidilisäys vähentää ilmakehässä olevan hiilidioksidin happi-18:n pitoisuutta.
Juuri julkaistussa tutkimuksessa on tehty mittauksia ilmakehän hiilidioksidin, hiili-13:n ja happi-18:n pitoisuuksista. Mittaukset tehtiin laserspektrometrillä korkealla Alpeilla sijaitsevalla tutkimusasemalla. Mittauksien perusteella pyrittiin yksilöimään tiettyinä aikoina esiintyneiden hiilidioksidipäästöjen lähteet.
Tutkimuspaikkana toiminut Jungfraujoch-tutkimusasema sijaitsee läntisillä Sveitsin Alpeilla 3580 metrin korkeudella. Korkean sijaintinsa ja ympärivuotisen toimintansa ansiosta asema sopii hyvin pitkäaikaiseen havainnointiin. Aseman ympäristössä on voimakkaasti teollistuneita alueita, joten asema sopii päästölähteiden tutkimuspaikaksi. Tämän takia asemalla seurataankin jatkuvasti monia ilmakehän kaasuja ja aerosoleja.
Laserspektrometri asennettiin tutkimusasemalle elokuussa 2008. Tämän jälkeen spektrometri on mitannut hiilidioksidin, hiili-13:n ja happi-18:n pitoisuuksia sekunnin välein. Tässä tutkimuksessa keskitytään mittauksiin vain yhden talvikuukauden ajalta. Valinta kohdistui talveen, koska silloin biologinen toiminta on minimissään. Valittu kuukausi on vuoden 2009 helmikuu, koska silloin mittauksissa näkyi paljon mielenkiintoiselta vaikuttavia tapahtumia, joiden aikana esiintyi myös erilaisia tuuliolosuhteita.
Mittausdatan kohinaa vähennettiin käyttämällä kymmenen minuutin keskiarvoja. Hiilidioksidin mittauksissa näkyy useita selviä nousukohtia. Samaan aikaan hiilidioksidipitoisuuden nousujen kanssa hiili-13 ja happi-18 yleensä vähenevät. Tämä on juuri odotettu tulos, jos hiilidioksidi on peräisin fossiilisista polttoaineista. Tutkimuksessa tarkasteltiin neljää tällaista tapahtumaa tarkemmin.
Hiilimonoksidi, hiili-13 ja happi-18 paljastavat hiilidioksidin lähteen
Pohjoisella pallonpuoliskolla ilmakehän hiilimonoksidista (CO – tunnetaan myös nimellä häkä) suurin osa tulee fossiilisista polttoaineista. Hiilimonoksidi pysyy ilmakehässä tarpeeksi kauan (kuukausia), jotta se on havaittavissa, joten ilmakehässä olevasta hiilimonoksidin määrästä voidaan määritellä fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja myös siihen liittyviä hiilidioksidipäästöjä. Lisäksi hiilimonoksidin ja hiilidioksidin suhteesta voidaan saada viitteitä polttoprosessin tyypistä, sillä epätäydellisestä palamisesta syntyvissä päästöissä kyseinen suhde on suuri.
Tutkimusasemalla mitattiin myös hiilimonoksidin pitoisuutta ilmakehästä. Tarkastelun alla olevien neljän tapahtuman aikana hiilimonoksidin ja hiilidioksidin pitoisuuksien välillä oli voimakas korrelaatio. Maaperästä peräisin oleva eloperäinen hiilidioksidi voi kuitenkin kulkeutua ihmiskunnan toiminnasta peräisin olevan hiilidioksidin mukana ja sotkea hiilimonoksidin ja hiilidioksidin suhteen. Hiilimonoksidin ja hiilidioksidin mitatut arvot tässä tutkimuksessa kuitenkin viittaavat vahvasti siihen, että mitatut päästöt voisivat olla peräisin Sveitsin maantieliikenteestä. Toinen vaihtoehto päästölähteeksi on Reininlaakson teollisuus, jonka hiilidioksidipäästöjä eloperäiset hiilidioksidilähteet olisivat hiukan ”laimentaneet”.
Alueellisissa mittauksissa hiili-13:n ja happi-18:n pitoisuudet antavat tietoa erilaisista päästölähteistä. Hiili-13:n pitoisuudet ovat alhaiset kaikissa neljässä tapahtumassa, mikä vihjaa hiilidioksidin päästölähteen olevan polttoprosessi. Useimpien tapahtumien hiili-13:n arvot sopivat fossiilisesta öljystä tuleviin päästöihin. Yhdessä tapahtumassa arvot viittaavat siihen, että osa päästöistä on peräisin joko hiilen tai biomassan/puun poltosta.
Happi-18:n tilanne on paljon monimutkaisempi. Sen määrää ilmakehässä säätelevät sekä eloperäiset että elottomat prosessit. Lisäksi tilannetta sotkee jo mainittu isotooppien vaihto veden kanssa hiilidioksidipitoisuuden muuttumatta. Tilanne on kuitenkin helpompi talvella, jolloin fotosynteesiä ei tapahdu. Talvella kaikki toiminnassa olevat lähteet (isotooppivaihto maaperässä ja fossiiliset polttoaineet) vähentävät happi-18:n määrää ilmakehän hiilidioksidissa.
Tutkimuksessa mitatut pitoisuudet happi-18:lle ovat liian pieniä sopiakseen jollekin tietylle lähteelle. Näyttääkin siltä, että isotooppivaihto vaikuttaa mitattuihin arvoihin. On kuitenkin mahdollista tutkia asiaa tarkemmin. Kun biologista toimintaa ei ole, isotooppivaihto tapahtuu hiilidioksidin käydessä maaperässä ja reagoidessa siellä olevan veden kanssa. Hiilidioksidi poistuu sen jälkeen maaperästä uuden happi-18:n koostumuksensa kanssa, eikä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus muutu tässä prosessissa. Maaperän veden isotooppikoostumus on suunnilleen sama kuin pohjaveden. Näillä tiedoilla on mahdollista arvioida, kuinka paljon isotooppivaihtoa on tapahtunut ja lopulta myös kuinka paljon mitatuissa arvoissa on polttoprosesseista peräisin olevaa hiilidioksidia. Tässä tapauksessa joudutaan kuitenkin ensin olettamaan, että päästölähde on fossiilinen polttoaine.
Malli selvittää tarkat päästölähteet
Tutkimuksessa käytettiin hiukkasten hajaantumista kuvaavaa FLEXPART-mallia. Mallia käytettiin takaperoisessa tilassa, jossa se kertoo mistä ilmamassat ovat tiettyyn paikkaan saapuneet. Kyseisessä tilassa hiukkasia päästetään tarkasteltavalta paikalta ilmakehään ja niiden tuloreittiä seurataan riittävän kauan. Tällä tavoin tarkasteltiin kaikkia neljää tapahtumaa.
Mallin tuloksien perusteella yhden tapahtuman ilmamassat tulivat Italian suunnasta, missä ilmamassa lensi voimakkaasti teollistuneen alueen kautta. Sieltä hiilidioksidipäästöt lensivät eteläisen föhntuulen mukana Alppien tutkimusaseman antureihin.
Yhdessä tapahtumassa ilmamassat tulivat myös eteläisen föhntuulen mukana, mutta tässä tapauksessa ne eivät tulleet teollistuneen alueen kautta, vaan pikemminkin alueilta, joissa talojen lämmittäminen puita polttamalla on yleistä. Tästä tapahtumasta mitatut arvot sopivatkin erinomaisesti juuri puiden poltosta tuleviin hiilidioksidipäästöihin.
Yhden tapahtuman ilmamassat tulivat luoteesta ja ne kävivät maan pinnalla Länsi-Sveitsin, Itä-Ranskan ja Benelux-maiden tienoilla. Tämä sopii hyvin yhteen tapahtumasta mitattujen arvojen kanssa, jotka viittaavat fossiilisiin polttoaineisiin. Toinenkin tapahtuma oli tämän kanssa hyvin samantapainen ja siinä ilmamassat tulivat myös samoilta alueilta.
Tässä tutkimuksessa tehtyjen erittäin tarkkojen mittauksien ja niiden tueksi tehtyjen mallisimulaatioiden avulla pystyttiin siis tulkitsemaan, millaisesta päästölähteestä ilmakehässä tiettynä aikana esiintynyt hiilidioksidi on peräisin ja lisäksi vielä osoittamaan missä nämä päästölähteet sijaitsevat. Laserspektroskopian avulla saatu jatkuva mittausdata on tässä hyvin tärkeässä asemassa. Ilmanäytteiden otolla ja analysoinnilla ei olisi ollut käytännöllistä tehdä tätä tutkimusta. Lisäksi oleellista on monen eri tietolähteen (hiilidioksidi, hiilimonoksidi, hiili-13, happi-18 ja mallitulokset) yhdistäminen järkeväksi kokonaisuudeksi.
Lähde: Tuzson, B., Henne, S., Brunner, D., Steinbacher, M., Mohn, J., Buchmann, B., and Emmenegger, L.: Continuous isotopic composition measurements of tropospheric CO2 at Jungfraujoch (3580 m a.s.l.), Switzerland: real-time observation of regional pollution events, Atmos. Chem. Phys., 11, 1685-1696, doi:10.5194/acp-11-1685-2011, 2011. [tiivistelmä, koko artikkeli]
Lisätietoa:
Jungfraujoch-tutkimusasema
Ilmastotieto 