Kosmisilla säteillä mitätön vaikutus ilmastoon

Kosmisten säteiden on väitetty voivan vaikuttaa merkittävästi maapallon ilmastoon. Uuden tutkimuksen mukaan näin ei kuitenkaan ole. Viimeisen 50 vuoden aikana kosmisten säteiden vaikutus maapallon pintalämpötilaan näyttää olleen parin tuhannesosa-asteen suuruusluokkaa.

Kosmisten säteiden on väitetty olevan merkittävä lähde pilvien tiivistymisytimien muodostumiselle ja sitä kautta niiden on myös väitetty vaikuttavan merkittävästi ilmastoon. Näitä väitteitä on kumottu monessa tutkimuksessa ja tällä hetkellä näyttääkin siltä, että mahdollinen vaikutus ilmastoon on mitätön. On kuitenkin todennäköistä, että on olemassa mekanismeja, joiden kautta kosmiset säteet vaikuttavat ainakin hiukan pilvien muodostumiseen.

Esimerkkinä tästä hiljattain löydettiin korrelaatio Euroopan alueelta päivittäisen lämpötilan vaihtelun ja kosmisten säteiden voimakkaiden vaihteluiden välillä (Forbush-vähenemät ja maanpinnan tason voimistumat). Tämä vihjaa vaikutukseen pilvipeitteen muutoksissa, mutta ne saattavat olla selitettävissä myös auringonsäteilyn määrän muutoksilla. Kosmisten säteiden mahdolliset vaikutukset on kuitenkin otettava vakavasti.

Uudessa tutkimuksessa on arvioitu kosmisten säteiden vaikutusta pilvipeitteeseen. Tutkimuksessa tarkastellaan aiempia tutkimustuloksia laajasti sekä tehdään oma analyysi, jossa pilvimittausten lähteenä on International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP). Tutkijat huomauttavat, että ISCCP:n dataa on kritisoitu, mutta he uskovat, etteivät ISCCP:n ongelmat vaikuta tutkimuksen lopputuloksiin. Heidän mukaansa suurempi ongelma on se, miten hyvin satelliittimittauksien voidaan katsoa kuvaavan pilvipeitteen määrää. Kosmisten säteiden tai auringonsäteilyn aiheuttamat pilvipisarat saattavat syntyä pääosin jo olemassa olevan pilvisyyden sisällä, jolloin satelliitit eivät näe muutosta pilvipeitteessä, mutta uusilla pilvipisaroilla olisi silti vaikutus ilmastoon. Lisäepävarmuutta aiheuttaa se, että erityyppiset pilvet saattavat reagoida eri tavoin kosmisiin säteisiin.

Todisteita kosmisten säteiden vaikutuksesta

Aiemman tutkimuksen mukaan kosmisten säteiden muutokset vaikuttivat vähemmän kuin 23 prosenttia auringonpilkkujakson aikana tapahtuneisiin alapilvien määrän muutoksiin. Auringonpilkkujakson aikana auringon aktiivisuus muuttuu ja se vaikuttaa maapallon lämpötilaan. Lämpötilan muutos puolestaan vaikuttaa alapilvien korkeuteen. Korkeuden muutosten myötä osa alapilvistä muuttuu keskipilviksi. Siksi pilvien muutoksia tarkastellessa olisi parempi ottaa huomioon alapilvien lisäksi myös keskipilvet. Kun sekä ala- että keskipilvet ovat tarkastelussa mukana, kosmisten säteiden muutoksien korrelaatio pilvimuutoksien kanssa on huono.

Forbush-vähenemien, eli pari päivää kestävien muutaman prosentin vähenemien kosmisten säteiden vuossa, on väitetty aiheuttaneen pilvipeitteen muutoksia. Tämä on kuitenkin epäilyksenalaista, sillä havaitut korrelaatiot pilvimuutoksien ja kosmisten säteiden välillä muutaman Forbush-vähenemän aikana ovat saattaneet olla sattumaa. Lisäksi havaittujen kosmisten säteiden vuon muutoksien ja pilvimuutoksien välinen viive on ollut epäilyttävän pitkä niiden välisen mahdollisen fysikaalisen mekanismin kannalta. Joihinkin voimakkaimpiin Forbush-vähenemiin on myös liittynyt voimakasta Auringon aktiivisuutta.

Kaikesta huolimatta Forbush-vähenemiin liittyy todistusaineistoa, joka viittaa jonkinlaiseen vaikutukseen pilvipeitteessä. Voimakkain vaikutus näyttäisi olevan stratosfäärissä, mutta myös vaikutuksesta troposfäärissä on jonkin verran todisteita. On kuitenkin epäselvää, onko tämä vaikutus kosmisten säteiden vai Auringon säteilymuutosten aiheuttamaa.

Kosmisen säteilyn vuon lyhytaikaisten voimistumien yhteydessä on havaittu pieni vaikutus pilvisyyteen. Vaikutus oli suurimmillaan maapallon navoilla, mikä viittaa nimenomaan kosmisten säteiden vaikutukseen. Vaikutus on kuitenkin niin pieni, että globaali vaikutus pilvipeitteeseen arvioidaan olevan noin yksi prosentti.

Tietyillä leveysasteilla on havaittu melko voimakkaitakin pilvimuutoksia voimakkaiden ja nopeiden kosmisten säteiden vuon muutosten yhteydessä. Tässä kuitenkin pilvien voimakas reaktio kosmisiin säteisiin on vain näennäistä, sillä korrelaatio on voimakas ainoastaan hyvin nopeasti muuttuvalle pilvipeitteelle, mikä tapahtuu vain harvoin. Tässäkin tapauksessa on epävarmaa, johtuuko vaikutus sittenkään kosmisten säteiden muutoksista, vai samaan aikaan tapahtuneista muutoksista Auringon säteilyn voimakkuudessa. Kosmisten säteiden vuon ja Auringon säteilyn voimakkuuden muutokset tapahtuvat usein samoihin aikoihin, koska Auringon säteilyn voimakkuuden muutokset myös muuttavat maapallolle saapuvien kosmisten säteiden määrää. Siksi on usein vaikea päätellä, kummasta pilvien muutokset johtuvat (jos johtuvat kummastakaan).

Näiden nopeiden havaittujen muutoksien tapauksessa kosmisten säteiden vaikutusta vastaan on se, että muutokset pilvissä ja kosmisten säteiden vuossa tapahtuivat eri nopeudella. Toisaalta myös Auringon vaikutus on ongelmallinen, koska suurin osa Auringon ultraviolettivalosta pysähtyy jo stratosfäärissä, eikä näin ollen vaikuttaisi suurimpaan osaan pilvipeitteestä (havainnot edellyttäisivät ultraviolettisäteilyn läsnäoloa). Paras selitys saattaakin olla se, että Auringon säteilyn muutokset aiheuttavat muutoksia maapallon pintalämpötilassa, mikä sitten aiheuttaa muutoksia pilvisyydessä.

Kosmisten säteiden korrelaatio pilvipeitteen kanssa

Pilvipeitteen korrelaatiota analysoitaessa kosmisten säteiden ja ultraviolettisäteilyn kanssa havaitaan, että korrelaatio on merkitsevä vain seuraavissa tapauksissa: alapilville kosmisten säteiden kanssa (positiivinen korrelaatio) ja ultraviolettisäteilyn kanssa (negatiivinen), keskipilville ultraviolettisäteilyn kanssa (positiivinen) ja yläpilville kosmisten säteiden kanssa (negatiivinen). Ultraviolettisäteilyn tapauksessa alapilvien ja keskipilvien erimerkkinen korrelaatio selittynee sillä, että osa alapilvistä ja keskipilvistä muuttuvat toisikseen pintalämpötilan vaihtelun mukaan.

Kosmisten säteiden korrelaatio alapilvien kanssa on se paljon puhuttu korrelaatio, jonka on jopa väitetty aiheuttaneen ilmastonmuutoksen. Korrelaation alueellinen vaihtelu ei kuitenkaan ole sellainen, jonka kosmisten säteiden voisi olettaa aiheuttavan. Korrelaatio on voimakas keskileveysasteilla, mutta heikko sekä päiväntasaajalla että napa-alueilla. Keskileveysasteiden korrelaatio on noin kahdeksankertainen verrattuna päiväntasaajan ja napojen alueisiin. Tästä korrelaation jakaumasta saadaan mahdollinen vaikutus pilvipeitteeseen, joka globaalisti on pienempi kuin yksi prosentti.

Stratosfääristä on paljon todisteita kosmisten säteiden vaikutuksesta, jotka liittyvät yleensä Auringon purkauksiin. Näyttää siltä, että kosmiset säteet voimistavat stratosfäärissä olevia aerosoleja, vaikuttavat otsoniin, tuuleen, lämpötilaan sekä paineeseen ja aiheuttavat yleisesti ionisointia. On myös olemassa havaintoja kosmisten säteiden mahdollisesta vaikutuksesta stratosfäärin pilviin Forbush-vähenemien ja muiden kosmisten säteiden vuon muutosten aikana. Kosmisten säteiden vaikutuksen suuruus stratosfäärin pilviin on kuitenkin vielä epäselvä.

Kosmisten säteiden vaikutus pilvipeitteeseen näyttäisi jäävän siis noin yhteen prosenttiin ja tämä koskee pääasiassa pilvisyyttä alle 6,5 kilometrin korkeudessa. Jos huomioidaan koko pilvipeite (siis myös ylemmät pilvet), niin vaikutus jää vieläkin pienemmäksi, sillä yläpilvien korrelaatio kosmisten säteiden kanssa on erimerkkinen kuin alapilvien. Yläpilvien negatiivinen korrelaatio kosmisten säteiden kanssa on odottamaton, eikä näyttäisi sopivan yhteen kosmisten säteiden oletetun pilvien tiivistymisydinten ionisointimekanismin kanssa.

On mahdollista arvioida, paljonko kosmisten säteiden muutos voisi tämän tutkimuksen perusteella vaikuttaa globaaliin lämpötilaan, jos oletetaan kosmisten säteiden vaikutus mahdollisimman suureksi tutkimuksen sallimissa rajoissa. Viimeisen 50 vuoden aikana kosmisten säteiden vuo on vähentynyt noin 0,6 prosenttia. Tästä seuraa mahdollinen muutos globaalissa lämpötilassa, joka on suuruudeltaan kaksi celsiusasteen tuhannesosaa (0,002 °C). Tämä arvo on mitätön verrattuna viimeisen 50 vuoden aikana tapahtuneeseen ilmaston lämpenemiseen. Johtopäätös on siis se, että vaikka kosmiset säteet selvästi vaikuttavatkin ilmakehässä joihinkin asioihin jonkin verran, ilmaston lämpenemisen kanssa niillä ei näytä olleen oikeastaan mitään tekemistä.

Lähde: A.D. Erlykin, B.A. Laken and A.W. Wolfendale, Cosmic ray effects on cloud cover and their relevance to climate change, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, doi:10.1016/j.jastp.2011.03.001. [tiivistelmä]

Pohjoisen luonnon reaktioita ilmastonmuutokseen

Ilmastonmuutoksen odotetaan vaikuttavan suureen osaan eliölajeista haitallisesti. On kuitenkin joitakin lajeja, joilla vaikutukset näkyvät myöhemmin. Joillakin lajeilla vaikutukset ovat jopa positiivisia ainakin aluksi. Tällaisia tilanteita esiintyy erityisesti pohjoisessa, koska siellä elinolosuhteet muuttuvat ainakin paikoittain suotuisammaksi monille lajeille. Tosin tämä usein tarkoittaa sitä, että pohjoisen aiemmin ankariin olosuhteisiin sopeutuneet lajit joutuvat väistymään lauhemmassa ilmastossa viihtyvien lajien tieltä. Kahdessa uudessa tutkimuksessa esitetään esimerkit lajeista, jotka näyttävät selviävän hyvin ilmaston lämmetessä ja yhdestä lajista, jolle olosuhteet ovat saattaneet muuttua paremmiksi.

Pohjoisen maaperän ekosysteemit kykenevät vastustamaan ilmastonmuutosta?

Eric Lamb kollegoineen raportoi Global Change Biology -lehdessä maaperän ekosysteemeille tehdyistä kokeista arktisen tundran pensasmaastossa. Tutkimusalue sijaitsee Ellesmerensaarella Kanadassa. Maastoa lämmitettiin ja lannoitettiin 16 vuoden ajan ja ekosysteemin reaktiota seurattiin mittauksilla sekä maanpinnan päällä että alla. Mittauksissa seurattiin biologista toimintaa, mutta myös kasvihuonekaasujen (hiilidioksidi, metaani ja ilokaasu eli dityppioksidi) päästöjä maaperästä.

Maanpinnan päällä lämmitys ja lannoitus saivat kasvillisuuden kasvamaan voimakkaasti. Kasvihuonekaasujen päästöt maaperästä eivät sen sijaan muuttuneet merkittävästi. Samoin maaperän kemiallinen ja biokemiallinen toiminta säilyi melko muuttumattomana. Maaperän mikrobeissa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia.

Pinnan kasvillisuus reagoi siis voimakkaasti, mutta pinnanalaisessa ekosysteemissä ei havaittu reaktiota. Maanalaisen ekosysteemin reagoimattomuus myös aiheutti sen, että maaperän kasvihuonekaasujen päästöt pysyivät muuttumattomina.

Hömötiaisella asiat paremmin ilmaston lämmetessä?

Global Change Biology -lehdessä odottaa julkaisua myös suomalaistutkijoiden artikkeli hömötiaisesta ja ilmastonmuutoksesta. Emma Vatka, Markku Orell ja Seppo Rytkönen Oulun yliopiston biologian laitokselta ovat tutkineet hömötiaisen lisääntymisen ajoitusta ja hömötiaisen käyttämän toukkaravinnon esiintymisen ajoitusta keväiden lämmetessä. Tutkimuksessa mitattiin hömötiaisen pesimisen onnistumista poikasmäärällä ja poikasten keskimääräisellä painolla.

Hömötiaisten pesiminen aikaistui keväiden lämmetessä viime vuosikymmenien aikana. Samanaikaisesti myös hömötiaisten ravintona käyttämien toukkien esiintyminen aikaistui. Toisin kuin monilla muilla varpuslinnuilla, hömötiaisella on käynyt niin, että pesimisen ja ravinnon esiintymisen ajoitus on parantunut keväiden lämmetessä. Tällä oli heikko, mutta tilastollisesti merkitsevä positiivinen vaikutus hömötiaisen pesimisen onnistumiseen. Näyttää siltä, että hömötiaiset eivät käytä kevätlämpötiloja vihjeenä toukkaravinnon esiintymisestä.

Ilmaston lämpenemiseen reagoiminen näyttää riippuvan populaatiosta, lajista ja elinympäristöstä. Tämän takia ilmastonmuutoksen vaikutusta on tutkittava suurella lajimäärällä ja erilaisilla ilmastoalueilla.

Lähteet:

Eric G. Lamb, Sukkyun Han, Brian D. Lanoil, Greg H. R. Henry, Martin E. Brummell, Samiran Banerjee, Steven D. Siciliano, A high arctic soil ecosystem resists long-term environmental manipulations, Global Change Biology, DOI: 10.1111/j.1365-2486.2011.02431.x. [tiivistelmä]

Emma Vatka, Markku Orell, Seppo Rytkönen, Warming climate advances breeding and improves synchrony of food demand and food availability in a boreal passerine, Global Change Biology, DOI: 10.1111/j.1365-2486.2011.02430.x. [tiivistelmä]

Keinotekoinen fotosynteesi lähestyy käytännön sovelluksia

Tutkijat esittivät American Chemical Societyn 241. kansallisessa kokouksessa mahdollisen merkkipaalun pyrkimyksissä kohti uusiutuvaa energiaa – ensimmäisen käytännöllisen keinotekoisen lehden (eli kasvinlehteä matkivan laitteen). Kokouksessa he kertoivat kehittyneestä pelikortin kokoisesta aurinkokennosta, joka jäljittelee fotosynteesin (tai yhteyttämisen) nimellä tunnettua prosessia, jota vihreät kasvit käyttävät muuntaakseen auringonvalon ja veden energiaksi.

”Käytännöllinen keinotekoinen lehti on vuosikymmenien ajan ollut yksi tieteen Graalin maljoista”, sanoi tohtori Daniel Nocera, joka johti tutkimusryhmää. ”Uskomme, että olemme tehneet sen. Keinotekoinen lehti on erityisen lupaava edullisena sähkönlähteenä köyhien kehitysmaiden kodeissa. Tavoitteenamme on tehdä jokaisesta kodista oma voimalaitoksensa”, hän sanoi. ”Voidaan hyvin kuvitella kylien Intiassa ja Afrikassa lähitulevaisuudessa ostavan edullisen perusvoimajärjestelmän, joka perustuu tähän teknologiaan.”

Laite ei muistuta luonnossa esiintyviä vastineitansa tammissa, vaahteroissa ja muissa viherkasveissa, joita tutkijat ovat käyttäneet malleina pyrkiessään kehittämään uuden sukupolven aurinkokennoja. Laite on suunnilleen pelikortin muotoinen, mutta ohuempi. Se koostuu piistä, elektroniikasta ja katalyyteistä, eli aineista, jotka kiihdyttävät kemiallisia reaktioita, jotka muuten eivät joko tapahtuisi ollenkaan tai tapahtuisivat hitaasti.

Laite sijoitetaan muutamaan litraan vettä kirkkaaseen auringonvaloon, jolloin laite voisi tuottaa tarpeeksi sähköä kehitysmaiden talon yhden päivän tarpeiksi, Nocera sanoi. Sähkön raaka-aineita se tekee jakamalla vettä sen perusosiin, eli vedyksi ja hapeksi. Tuotettu vety ja happi otettaisiin talteen polttokennoon, joka käyttää näitä kahta ainetta sähkön tuottamiseen. Laite sijoitettaisiin joko talon katolle tai ulkoseinälle.

Nocera, joka työskentelee Massachusetts Institute of Technologyssa, huomauttaa, että keinotekoinen lehti ei ole uusi käsite. Ensimmäisen keinotekoisen lehden kehitti yli kymmenen vuotta sitten John Turner, joka työskentelee Coloradon Boulderissa sijaitsevassa U.S. National Renewable Energy Laboratoryssa (Yhdysvaltain kansallinen uusiutuvan energian laboratorio). Turnerin laite yhteytti tehokkaasti, mutta se ei ollut käytännöllinen, sillä se koostui harvinaisista, kalliista metalleista ja oli lisäksi erittäin epävakaa – se ei tahtonut kestää edes yhtä päivää.

Noceran uusi lehti voittaa nämä ongelmat. Se on valmistettu edullisista materiaaleista, jotka ovat yleisesti saatavilla. Se toimii yksinkertaisissa olosuhteissa ja on erittäin vakaa. Laboratoriokokeissa keinotekoisen lehden prototyyppi saattoi toimia toimia yhtäjaksoisesti vähintään 45 tuntia tehon kärsimättä tippaakaan.

Tämän läpimurron tekivät mahdolliseksi Noceran äskettäin löytämät voimakkaat ja edulliset katalyytit, jotka on tehty nikkelistä ja koboltista, ja jotka pystyvät jakamaan vettä tehokkaasti vedyksi ja hapeksi yksinkertaisissa olosuhteissa. Tällä hetkellä Noceran lehti on noin 10 kertaa tehokkaampi yhteyttäjä kuin luonnolliset kasvien lehdet. Hän on kuitenkin toivekas, että voi parantaa keinotekoisten lehtien tehokkuutta vielä paljon suuremmaksi tulevaisuudessa.

”Luonto saa käyttövoimansa yhteyttämisestä ja uskon, että tulevaisuuden maailma saa myös käyttövoimansa yhteyttämisestä tämän keinotekoisen lehden muodossa”, Nocera sanoi.

Lähde: Debut of the first practical “artificial leaf” – American Chemical Societyn tiedote

%d bloggers like this: