Metaanin päästöjä ja ilmastovaikutuksia

Uusien tutkimusten mukaan ihmiskunnalla on saattanut olla vaikutusta ilmakehän metaanipitoisuuteen jo satoja vuosia sitten. Ilmakehän metaanipitoisuus on alkanut taas nousta kymmenen vuoden vakaan jakson jälkeen. Sekä vakaa jakso että uusi nousu näyttäisi johtuvan pääasiassa kosteikkojen olosuhteiden muutoksista. Merten pohjassa olevat metaaniklatraatit saattavat voimistaa tulevaisuudessa ilmaston lämpenemistä, mutta ne eivät ehkä aktivoidu vielä kuluvan vuosisadan aikana. Metaania saattaa tulevaisuudessa alkaa vapautua myös syvästä merestä. Metaanipäästöt sedimenteistä saattavat selittää ainakin osittain eoseenikauden korkean hiilidioksidipitoisuuden ja lämpimän ilmaston. Lisäksi metaanipäästöt saattavat aiheuttaa ilmakehässä kemiallisia reaktioita, joilla on ilmaston lämpenemistä voimistava vaikutus.

Hiilidioksidista puhutaan ilmastonmuutoksen yhteydessä paljon, mutta myös metaaniin liittyy monia kovan tutkimuksen alla olevia kysymyksiä. Metaaniin liittyvää tutkimusta ilmestyykin paljon. Tässä käydään lyhyesti läpi kahdeksan viimeaikaisen tutkimuksen tuloksia. Tutkimukset liittyvät ilmakehän metaanipitoisuuden kehitykseen, päästölähteisiin ja nieluihin sekä ilmastovaikutuksiin menneisyydessä, nykyisyydessä ja tulevaisuudessa.

Ilmakehän metaanipitoisuus

Logan Mitchell kollegoineen on tehnyt uuden rekonstruktion ilmakehän metaanipitoisuudesta vuosien 1000 ja 1800 väliltä. Rekonstruktio, jolla on hyvä ajallinen erottelukyky, perustuu Länsi-Antarktikselta otettuun WAIS Divide -jääkairanäytteeseen. WAIS Dividen jäästä mitatut metaanipitoisuudet vastaavat hyvin Law Domen jääkairanäytteestä aiemmin mitattuja metaanipitoisuuksia. Law Domen metaanipitoisuuden rekonstruktio on aiemmista hyvän ajallisen erottelukyvyn rekonstruktioista ainoa, joka kattaa saman aikajakson.

Uusi metaanirekonstruktio korreloi vain heikosti lämpötilan ja sadannan rekonstruktioiden kanssa. Parhaat korrelaatiot lämpötilan kanssa näyttäisivät olevan pohjoisen pallonpuoliskon korkeiden leveysasteiden lämpötilojen kanssa vuosien 1400 ja 1600 välillä, jolloin niin sanottu pieni jääkausi oli alkamassa. Ihmiskunnan populaatioiden laskut sodista ja ruttoepidemioista johtuen näkyvät metaanipitoisuuden rekonstruktiossa pieninä notkahduksina.

Metaanipitoisuus on lisääntynyt esiteollisesta ajasta lähtien merkittävästi. Nykyinen metaanipitoisuus on noin 150 prosenttia korkeampi kuin esiteollisella ajalla. Metaanipitoisuuden kasvu kuitenkin vakaantui 2000-luvulle tultaessa, mutta viimeaikaisissa tutkimuksissa on havaittu metaanipitoisuuden lähteneen taas nousuun alkaen vuodesta 2007. Schneising ja muut ovat tutkineet ilmakehän metaanipitoisuuden viimeaikaista vaihtelua satelliittimittauksien avulla. Mittaukset ovat peräisin ENVISAT-satelliitin kyydissä olevasta SCIAMACHY-mittalaitteesta. Mittauksia on käytettävissä vuodesta 2003 alkaen.

Tuloksien perusteella metaanipitoisuuden aiempi vakaa tilanne on kääntynyt nousuun viime vuosina. Tulos tukee aiempia maanpinnalta tehtyjä mittauksia sekä satelliittitutkimuksia (katso aiempi uutinen aiheesta). Metaanipitoisuus nousee voimakkaimmin tropiikissa sekä pohjoisen pallonpuoliskon keski- ja korkeilla leveysasteilla. Näillä alueilla nousu vuoden 2007 jälkeen on ollut noin 7,5 miljardisosaa (ppb) vuodessa.

Metaanin nykyiset lähteet ja nielut

Metaanin lähteitä ovat kosteikot, ihmisen toiminta (karjantuotanto, riisinviljely, jätevedet, täyttömaat ja fossiilisten polttoaineiden tuotanto, varastointi, kuljetus sekä jakelu) ja biomassan poltto (sekä luonnollinen että ihmisen toimesta tapahtuva). Metaanipäästöt ovat globaalisti 500 – 600 teragrammaa vuodessa, josta ihmistoiminnan osuus on 60 – 70 prosenttia. Metaani poistuu ilmakehästä pääasiassa reaktioista hydroksyyliradikaalin (OH, sähköisesti neutraali hydroksyyli) kanssa troposfäärissä. Hydroksyyliradikaalin osuus metaanin poistumisesta on noin 90 prosenttia. Loput poistuvasta metaanista menee maaperään, mereen tai kemiallisiin prosesseihin stratosfäärissä.

Ihmiskunnan toiminnasta tuleva metaani lisääntyy melko tasaisesti ajan myötä, joten ilmakehän metaanipitoisuuden lyhytaikainen vaihtelu aiheutuu lähinnä kosteikkojen päästöistä sekä biomassan poltosta. Myös hydroksyyliradikaali voi vaikuttaa asiaan, mutta sen vaikutus lyhytaikaiseen vaihteluun tunnetaan vielä huonosti.

Metaanipitoisuuden 1990-luvulla tapahtuneen vakautumisen syyksi on ehdotettu Neuvostoliiton romahdusta, mikä olisi aiheuttanut metaanipäästöjen vähenemisen. Päästöinventaarioissa näkyykin se, että vuosien 1990 ja 2005 välillä Manner-Euroopassa (mukaan lukien Länsi-Venäjä) metaanipäästöt vähenivät. Pohjois-Amerikassa päästöt pysyivät tuona aikana tasaisena. Samaan aikaan nousevissa talouksissa (erityisesti Kiinassa) metaanipäästöt kasvoivat merkittävästi, minkä takia trooppisten alueiden ja Itä-Aasian päästöt ovat kasvaneet. Kokonaisuudessaan maailman metaanipäästöjen on arvioitu nousseen noin 32 teragrammalla vuoden 1990 jälkeen.

Vakautumisen syyksi on myös ehdotettu kosteikkojen vähenneitä päästöjä. Pohjoisella pallonpuoliskolla olosuhteet muuttuivat kuivemmiksi 1990-luvun ja 2000-luvun taitteessa. Tämä vähentää metaanipäästöjä kosteikoista. Myös metaanipitoisuuden vuodesta 2007 alkaneen uuden nousun oletetaan tulevan kosteikoilta. Vuosina 2007 ja 2008 tärkeimmillä kosteikkoalueilla (esimerkiksi Siperiassa ja tropiikissa) oli hyvin lämmintä ja satoi paljon. Näissä olosuhteissa kosteikot päästävät paljon metaania.

Ilmakehän mittauksien perusteella pystytään sulkemaan biomassan poltto pois viimeaikaisen metaanipitoisuuden nousun aiheuttajana ainakin pohjoisessa, eikä biomassan poltto ole tropiikissakaan ollut kovin merkitsevä tekijä. Myöskään hydroksyyliradikaalit eivät ilmeisesti ole vaikuttaneet asiaan merkittävästi. Uudessa tutkimuksessa Bousquet ja kumppanit ovat käyttäneet ilmastomalleja (paria käänteistä päästömallia ja ekosysteemimallia kosteikkojen päästöjen simulointiin) viimeaikaisten metaanilähteiden selvittelyyn vuosien 2006 ja 2008 välillä.

Käänteisten mallien tulokset täsmäävät toisiinsa globaalisti. Tuloksien mukaan vuonna 2006 metaanipäästöt pienenivät ja vuosina 2007 sekä 2008 suurenivat. Tutkitulla aikavälillä suurin tekijä metaanipäästöjen kasvussa näytti olleen tropiikin kosteikkojen päästöt. Metaanipäästöjen lähteinä näyttäytyvät käänteisissä malleilla sekä ekosysteemimallissa trooppinen Etelä-Amerikka ja pohjoinen Euraasia. Mallituloksien perusteella hydroksyyliradikaalit eivät ole vaikuttaneet merkittävästi metaanipäästöjen nousuun.

Kosteikot ovat tällä hetkellä suurin luonnollinen metaanin lähde varsinkin pohjoisessa. Metaania syntyy pohjoisen kosteikoissa orgaanisen aineksen hajotessa hapettomissa olosuhteissa. Syntyvän metaanin noustessa maan pinnalle se kohtaa happea ja osa metaanista hapettuu. Jäljelle jäävä metaani nousee ilmakehään. Metaanin tuotto riippuu ensisijaisesti maaperän lämpötilasta. Hapettomien olosuhteiden esiintyminen riippuu pohjaveden korkeudesta.

Pickett-Heaps kollegoineen on tutkinut metaanipäästöjä Hudsoninlahden alueen kosteikoista. Alueen kosteikot ovat pinta-alaltaan 320 000 neliökilometriä (10 prosenttia koko pohjoisten kosteikkojen kattamasta pinta-alasta) ja ovat Länsi-Siperian kosteikkojen jälkeen toiseksi suurin pohjoinen kosteikkoalue. Tutkimuksessa käytettiin alueelta lentokoneesta käsin tehtyjä metaanipitoisuuden mittauksia, joita verrattiin tietokonemallin simulaatioihin. Lisäksi käytettiin metaanimittauksia kosteikon ulkopuolelta vertailukohtana, jotta saatiin määritettyä kosteikolle ominaiset metaanipäästöt.

Kosteikon ja kosteikon ulkopuolisten metaanimittausten välillä on huomattava ero, mikä selvästi viittaa kosteikon metaanipääästöihin. Kosteikon metaanipäästöt alkavat toukokuussa ja ovat voimakkaimmillaan heinä-elokuussa. Päästöt lakkaavat syyskuussa. Malli simuloi metaanipäästöjä muuten melko hyvin, mutta aluksi metaanipäästöt alkavat hiukan aiemmin ja loppuvat hiukan myöhemmin kuin havainnoissa. Tämä ilmeisesti johtuu lumipeitteen vaikutuksesta ja kun vaikutus otetaan huomioon mallissa, simulaation tulokset muuttuvat selvästi paremmaksi myös metaanipäästökauden ajoituksen osalta. Tutkijoiden parhaan arvion perusteella Hudsoninlahden alueen kokonaismetaanipäästöt näyttäisivät olevan noin 2,3 teragrammaa vuodessa, mikä on moninkertainen määrä aiempiin arvioihin nähden. Eron arvellaan johtuvan siitä, että aiemmissa tutkimuksissa ei ehkä ole otettu alueen joitakin metaanilähteitä huomioon.

Metaanipäästöt tulevaisuudessa – uinuva jättiläinen?

Saksalaisen Leibniz-instituutin tutkijat Arne Biastochin johdolla ovat tutkineet Jäämeren pohjan veden lämpötilan kehittymistä ilmaston lämmetessä ja metaanipäästöjä Jäämeren pohjassa olevista metaanihydraateista. Jäämeren rannikkovesissä on valtavat määrät metaanihydraatteja varastoituneena pohjan sedimentteihin. Metaanihydraatit pysyvät vakaana ympäristön alhaisen lämpötilan ja korkean paineen ansiosta. Ilmaston lämpeneminen saattaa aiheuttaa epävakautta metaanihydraatteihin, jolloin hydraateista saattaa vapautua metaania mereen ja ehkä myös ilmakehään. Nykytiedon valossa näyttää siltä, että arktiset alueet tulevat lämpenemään huomattavasti ilmastonmuutoksen myötä.

Tutkimuksen tuloksien perusteella Jäämeren pohjavedet lämpenevät epätasaisesti alueesta riippuen. Voimakkain lämpeneminen näyttäisi tapahtuvan Atlantilta virtaavan veden vaikutusalueen matalissa vesissä. Seuraavan sadan vuoden aikana lämpeneminen tulisi vaikuttamaan neljäsosaan matalilla ja puolisyvillä alueilla sijaitsevista metaanihydraatteja sisältävistä alueista. Metaanin vapautuminen näiltä alueilta saattaisi voimistaa meren happamoitumista ja happivajetta. Mallisimulaatioiden perusteella metaanin vapautuminen tutkitun sadan vuoden aikajaksolla ei vielä voimistaisi ilmaston lämpenemistä merkittävästi.

Metaaniklatraattien tulevan käyttäytymisen kannalta on oleellista tietää, miten klatraatit ja merenpohjan metaani yleensä ovat käyttäytyneet menneissä ilmastonmuutoksissa. Cook ja muut ovat tutkineet metaanin käyttäytymistä edellisen jäätiköitymisen aikana Beringinmeren pohjasta otetuista kairanäytteistä. Tutkitut alueet ovat noin 700 ja 1500 metrin syvyisiä.

Kairanäytteiden analyysissä näkyy useita voimakkaan metaanipitoisuuden jaksoja. Radiohiiliajoituksen perusteella jaksot tapahtuvat samanaikaisesti kummassakin kairanäytteessä ja lisäksi jaksot sopivat sekä ajoitukseltaan että kestoltaan yhteen Dansgaard-Oeschgerin tapahtumien kanssa. Näyttää siltä, että metaani on lisääntynyt tuolloin samanaikaisesti koko alueella. Metaani ei kuitenkaan ole peräisin metaaniklatraateista, sillä tutkitut alueet ovat liian syvällä metaaniklatraattien epävakaudelle. Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että tuhansien vuosien kuluessa myös syvän meren sedimenteissä oleva metaani voi alkaa purkautua.

Metaani saattaa voimistaa ilmastonmuutosta

Metaani on voimakas kasvihuonekaasu. Maapallon sedimenteissä on orgaanista hiiltä 10 miljoonaa miljardia tonnia, eli paljon enemmän kuin kivihiiltä, öljyä, maakaasua ja biomassaa yhteensä. Tämän valtavan massan muokkautuessa kemiallisten, fyysisten ja biologisten prosessien toimesta siitä saattaa aiheutua suuret määrät kasvihuonekaasupäästöjä ja sitä kautta sedimenttien hiilivarastot saattavat kontrolloida maapallon ilmastoa.

Kroeger ja kumppanit ovat arvioineet sedimenteistä vapautuvan metaanin roolia menneissä ilmastonmuutoksissa. Toistaiseksi syvältä sedimenttien orgaanisesta hiilestä vapautuvaa metaania ei ole otettu huomioon ilmastomalleissa tai ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden arvioissa. Eoseenikaudella vallitsi hyvin lämmin ilmasto, joka edellyttäisi suurta ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta. Sedimenteistä vapautuva metaani voisi selittää eoseenin suuret hiilidioksidipitoisuudet, jotka olivat jopa 20 kertaa suuremmat kuin esiteollisella ajalla.

Metaania olisi voinut vapautua sedimenteistä litosfäärilaattojen (eli mannerlaattojen) liikkuessa tai magmaan liittyvien prosessien yhteydessä. Tämä olisi voinut aiheuttaa maapallon lämpenemisen. Lämpenemisen jatkuessa pidempään myös sedimentit olisivat lämmenneet, mikä olisi voinut aiheuttaa metaaniklatraattien purkautumista. Tämä olisi voimistanut lämpenemistä.

Esiteollisella ajalla sedimenteistä purkautuva metaani on saattanut aiheuttaa kolmasosan ilmakehän metaanipitoisuudesta. Niinpä sedimenttien metaanipurkausten vaihtelu voi vaikuttaa ilmastoon myös lyhyemmällä kuin miljoonien vuosien aikaskaalalla.

Norjalaiset ja yhdysvaltalaiset tutkijat Ivar Isaksenin johdolla ovat julkaisseet tutkimusartikkelin, jossa esitetään myös toisia tapoja, joilla metaani saattaa voimistaa ilmaston lämpenemistä. Heidän tutkimuksensa tuloksien perusteella ilmakehään vapautuva metaani vaikuttaa ilmakehän kemiaan niin, että siitä aiheutuu huomattavasti enemmän lämpenemistä kuin pelkän metaanin kasvihuonevaikutus. Metaanin purkautuessa nimittäin erilaiset kemialliset prosessit näyttävät pidentävän metaanin elinikää ilmakehässä sekä vaikuttavat otsonin, stratosfäärissä olevan vesihöyryn ja hiilidioksidin määrään ilmakehässä.

Lähteet:

Biastoch, A., et al. (2011), Rising Arctic Ocean temperatures cause gas hydrate destabilization and ocean acidification, Geophys. Res. Lett., 38, L08602, doi:10.1029/2011GL047222. [tiivistelmä]

Bousquet, P., Ringeval, B., Pison, I., Dlugokencky, E. J., Brunke, E.-G., Carouge, C., Chevallier, F., Fortems-Cheiney, A., Frankenberg, C., Hauglustaine, D. A., Krummel, P. B., Langenfelds, R. L., Ramonet, M., Schmidt, M., Steele, L. P., Szopa, S., Yver, C., Viovy, N., and Ciais, P.: Source attribution of the changes in atmospheric methane for 2006–2008, Atmos. Chem. Phys., 11, 3689-3700, doi:10.5194/acp-11-3689-2011, 2011. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Cook, M. S., L. D. Keigwin, D. Birgel, and K.-U. Hinrichs (2011), Repeated pulses of vertical methane flux recorded in glacial sediments from the southeast Bering Sea, Paleoceanography, 26, PA2210, doi:10.1029/2010PA001993. [tiivistelmä]

Isaksen, I. S. A., M. Gauss, G. Myhre, K. M. Walter Anthony, and C. Ruppel (2011), Strong atmospheric chemistry feedback to climate warming from Arctic methane emissions, Global Biogeochem. Cycles, 25, GB2002, doi:10.1029/2010GB003845. [tiivistelmä]

K.F. Kroeger, R. di Primio and B. Horsfield, Atmospheric methane from organic carbon mobilization in sedimentary basins – the sleeping giant?, Earth-Science Reviews, 2011, doi:10.1016/j.earscirev.2011.04.006. [tiivistelmä]

Mitchell, L. E., E. J. Brook, T. Sowers, J. R. McConnell, and K. Taylor (2011), Multidecadal variability of atmospheric methane, 1000–1800 C.E., J. Geophys. Res., 116, G02007, doi:10.1029/2010JG001441. [tiivistelmä]

Pickett-Heaps, C. A., Jacob, D. J., Wecht, K. J., Kort, E. A., Wofsy, S. C., Diskin, G. S., Worthy, D. E. J., Kaplan, J. O., Bey, I., and Drevet, J.: Magnitude and seasonality of wetland methane emissions from the Hudson Bay Lowlands (Canada), Atmos. Chem. Phys., 11, 3773-3779, doi:10.5194/acp-11-3773-2011, 2011. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Schneising, O., Buchwitz, M., Reuter, M., Heymann, J., Bovensmann, H., and Burrows, J. P.: Long-term analysis of carbon dioxide and methane column-averaged mole fractions retrieved from SCIAMACHY, Atmos. Chem. Phys., 11, 2863-2880, doi:10.5194/acp-11-2863-2011, 2011. [tiivistelmä, koko artikkeli]

Lisätietoa:

Tutkimusartikkeleita ilmakehän metaanipitoisuudesta
Tutkimusartikkeleita metaanipäästöistä

4 vastausta to “Metaanin päästöjä ja ilmastovaikutuksia”

  1. Esko Pettay Says:

    ”Mallisimulaatioiden perusteella metaanin vapautuminen tutkitun sadan vuoden aikajaksolla ei vielä voimistaisi ilmaston lämpenemistä merkittävästi”

    Mahdettiinkohan simulatioissa huomioida Jäämeren lämpenemisen nopeus, vai mentiinkö perinteisillä konservatiivisilla ennusteilla, jotka ovat aliarvioineet mm. merijään sulamisvauhtia?

    Hyvä yhteenveto ja nyt vaan toivotaan, että menee tosiaan yli sata vuotta ennen kuin metaanin massiivinen vapautuminen alkaa. Ja sitä ennenhän lämpeneminen on toki saatu kuriin eikä metaanin vapautuminen pääsekään alkamaan😉

  2. Ari Jokimäki Says:

    Valitettavasti en osaa sanoa, minkälainen lämpenemisennuste Biastochilla ja muilla oli tutkimuksessaan.

  3. Boris Winterhalter Says:

    Ilmastoinfo: ”Kosteikot ovat tällä hetkellä suurin luonnollinen metaanin lähde varsinkin pohjoisessa.”

    Havainnot, että ainakin osa metaanipäästöistä liittyy hapettomissa oloissa kosteikkojen orgaanisen aineksen hajoamiseen, on varsin uskottavaa, mutta osuuden suuruus on mielestäni vaikeasti määritettävissä, koska metaania purkautuu myös syvältä kallioperästä. Tietysti myös järvien ja merien pohjista purkautuu metaania, mutta siitäkin vain osa on peräisin pohjalle kerrostuneen orgaanisen hajoamisesta. Toinen osa metaanista on peräisin syvältä kallioperän uumenista. Viimeksi mainittuun liittyy ainakin osaksi myös metaaniklatraattien muodostus.

    Valtamerien pohjassa olevat orgaanista ainesta sisältävät sedimentit voivat tuottaa metaania vain jos pohjan läheinen vesi muuttuu hapettomaksi, mikä sinänsä on epätodennäköistä. Valtamerien murrosalueilla (rift system) ja kuoren ”hot spotien” ympäristössä metaania purkautuu syvältä basalttisesta kallioperästä, mutta tämän ”ravinteen” pyrkivät monet pohjaeliöt hyödyntämään ennen kuin se karkaa kuplina.

    Itämerellä metaanipitoiset sedimentit ovat keskittyneet nimenomaan kallioperän murrosvyöhykkeisiin, mikä näkyy erittäin hyvin akustisissa luotauksissa. Oletan, että murroskohdissa syvältä tihkuva metaani, tunkeutuessaan savikerrostumien läpi, laukaisee metaania tuottavien bakteerien aineenvaihdunnan. Tähän viittaavat havainnot, että kalliomurroksesta kauempana olevissa vastaavissa kerrostumissa ei metaania ole (riittävästi) muodostaakseen kaikuluotauksessa havaittavia mikrokuplia.

    Aivan erilaiset mekanismit toimivat esimerkiksi sellaisissa syvänteissä tai altaissa (esim monet vuonot), joissa vesi kerrostuu tiheyden mukaan jolloin orgaaninen aines kuluttaa pohjan läheiseen veteen liuenneen hapen. Tällöin metaania tuottavat bakteerit käynnistävät orgaanisen aineksen hajoamisen. Tämä on verrattavissa suokaasun (metaanin) purkautumiseen tropiikin kosteikoista ja riisiviljelmiltä. Meriveden läsnä ollessa metaaniin sekoittuu usein myös rikkivetyä (meriveden sulfaatista).

  4. Ari Jokimäki Says:

    Ilmastoinfo: “Kosteikot ovat tällä hetkellä suurin luonnollinen metaanin lähde varsinkin pohjoisessa.”

    Havainnot, että ainakin osa metaanipäästöistä liittyy hapettomissa oloissa kosteikkojen orgaanisen aineksen hajoamiseen, on varsin uskottavaa, mutta osuuden suuruus on mielestäni vaikeasti määritettävissä, koska metaania purkautuu myös syvältä kallioperästä.

    Viittaamasi lause perustuu suoraan Pickett-Heapsin ja muiden tutkimusartikkelissa annettuun tietoon:

    ”Wetlands are the largest natural source of methane and are highly sensitive to changes in climate (Kaplan et al., 2006), especially in the boreal zone (Zhuang et al., 2006; Sitch et al., 2007).”


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: