lauantai 23. maaliskuuta 2019

Hiilidioksidi – Ilmastonmuutos osa 2


Elämä maapallollamme alkoi, kun tulivuoret syöksivät maan uumenista gigatonneittain tätä elämällemme tärkeintä kaasua. Maapallon alkuaikoina hiilidioksidipitoisuudet ilmassamme olivat yli 90 %, mutta aikojen saatossa luonnolliset prosessit ja hiilidioksidin kierto sitoivat sen meriin ja esimerkiksi kalkkikiveen. Noin 500 miljoonaa vuotta sitten hiilidioksiditasot olivat vielä 8000 ppm ja niin alhaisia hiilidioksiditasoja kuin meillä on nyt, ei ole ollut kuin kerran aikaisemmin noin 300 miljoonaa vuotta sitten.
Koska kaikki elämä tarvitsee hiilidioksidia, sitä on oltava riittävästi ilmakehässämme. Kun hiilidioksiditaso alittaa 250 ppm, alkavat kasvit kärsiä ja monet lajit menehtyvät (McKay et al. 1991). Näin ollen sellaisia jaksoja tuskin on ollut, joissa näin alhaisia hiilidioksiditasoja on havaittu, koska yhdenkään kasvin ei ole todettu kuolleen sukupuuttoon hiilidioksidivajeen takia.
Hiilidioksidi liukenee veteen ja ilmastokeskustelun kannalta tärkeä kysymys on vedessä ja ilmassa olevan hiilidioksidin suhde. Tätä suhdetta kuvaa nk. Henryn laki, joka koskee kaasun paineen ja sen liukoisuuden suhdetta, ja 25 asteen lämpötilassa suhde on noin 1:50 eli yksi osa on ilmassa ja 50 osaa vedessä. Näin voimme myös todeta, että valtamerissä on noin 50 kertaa enemmän hiilidioksidia kuin ilmakehässä. Vedessä on siis 120 mg vetykarbonaattia (HCO3) litrassa eli saman verran kuin 180 litrassa ilmaa on hiilidioksidia (CO2). Mitä kylmempää vesi on, sitä suurempi osa hiilidioksidista liukenee veteen ja tämä on tuttua kuplavesissä. Mitä lämpimämpi avattu olutpullo on, sitä huonommin hiilidioksidi säilyy avatussa pullossa.

Tilastojen perusteella tiedetään, että hiilidioksiditasot nousevat vasta sen jälkeen, kun lämpötila nousee – ei siis toisin päin. Tätä ilmiötä on selitetty sillä, että merien lämmetessä, niiden kyky sitoa hiilidioksidia pienenee, kuten olutpullossa tapahtuu (Kuo et al. 1990; Segalstad 1990). Ilmiö jossa hiilidioksidi seuraa lämpöä näkyy kaikissa kaavioissa, joissa lämpö- ja hiilidioksiditasoja on verrattu keskenään.

Valtamerissä on valtavat määrät hiilidioksidia, joka koko ajan sitoutuu veteen liuenneen kalsiumin kanssa muodostaen kalsiumkarbonaattia (lähinnä kalkkikiveä) merien pohjalle. Näin kalsiumiin sitoutunut hiilidioksidi poistuu veden ja ilmakehän kierrosta. Tutkimusten mukaan valtamerien pintavesissä aina 200 syvyyteen asti on riittävästi veteen liuennutta kalsiumia sitomaan kaikki ihmiskunnan tuottamat fossiiliset hiilidioksidipäästöt (Jaworowski et al., 1992a).
Maapallon fossiilisten aineiden polttaminen tuottaisi noin 7.000 Gigatonnia hiilidioksidia. Kun tämä jaetaan Henryn lain mukaisesti suhteessa 1:50 veteen ja ilmaan, niin ilman hiilidioksidipitoisuus nousisi 140 Gigatonnia. Tällä hetkellä ilmastossamme on 3.100 Gigatonnia hiilidioksidia, joten muutos olisi vaivaiset 4,5 %. Tutkimalla hiilen pysyviä isotooppeja 12C ja 13C voidaan päätellä, että ihmisen aiheuttama lisäys hiilidioksiditasoihin voi olla enintään 4 % kaikesta ilmakehään tulevasta hiilidioksidista (Segalstad 1996). Näin ollen pilvien aiheuttama lämmön säätely on huomattavasti suurempi kuin ihmisen mahdollisesti aiheuttamat hiilidioksidipäästöt.
Tarkastellaan IR-säteilyä alueella 0,75 µm – 13 µm. Kun IR sitoo osan energiastaan esimerkiksi hiilidioksidimolekyyleihin sen energiamäärä vähenee ja signaali vaimenee. Avaruustutkimus tarkkailee ulkoavaruudesta tulevaa valoa myös IR-alueella ja avaruustutkimuksen perusteella tiedämme, että taajuuksien 7,5 µm ja 9 µm välillä vesi sitoo suuren osan IR-säteilystä. Taajuudella 9,6 µm otsonikerros sitoo hieman IR-säteilyä, mutta muuten taivas on täysin ”kirkas” IR-säteilyn osalta aina 10 µm asti. Alueella 10 µm – 13 µm vesihöyry sitoo taas IR-säteilyä, mutta vasta 13 µm jälkeen hiilidioksidin vaikutus kasvaa. Jos asiaa tarkastellaan astronomian kautta, niin otsonikerrosta lukuun ottamatta ei tapahdu minkäänlaista vaimennusta IR-alueella 7,5 µm ja 13 µm välisellä alueella ja IR-säteilyn suurin vaimennus (95%) johtuu vedestä ja vain 3 % hiilidioksidista.
Auringosta maan ilmakehään saapuvasta lyhytaaltoisesta säteilystä yli puolet on infrapunasäteilyä (53 % kokonaisenergiasta).
On myös väitetty, että nousevat hiilidioksiditasot aiheuttavat merien happamoitumisen. Tyynen valtameren pH-tasot vaihtelevat paikasta riippuen 7,8 ja 8,5 välillä, joten mitään vakiotasoa ei ole olemassa. On myös muistettava, että ennen kuin pH-tasot alkavat muuttua hiilidioksidin takia, täytyy meriin liuennut kalsium kulua loppuun. Tällä hetkellä merien kalsium 200 metrin syvyyteen asti riittää muuttamaan kaikkien tunnettujen fossiilisten polttoaine-esiintymien tuottama hiilidioksidi kalsiumkarbonaatiksi (kalkkikiveksi).
Metaani on vielä pahempi? Metaani, eli CH4 reagoi ilmassa olevan hapen kanssa siten, että yhdessä muodostavat yhden hiilidioksidimolekyylin ja kaksi vesimolekyyliä. Vesi sitoo IR-säteilyä, mutta toisaalta vesi+hiilidioksidi+aurinko tuottaa elämälle tärkeätä kasvua ja happea.

Mutta kun lämpötilat nousevat? Kyllä jos aurinko paistaa! Ja hiilidioksiditasot nousevat? Kyllä koska aurinko lämmittää! Grönlannin jäätiköt sulavat ja tulee vedenpaisumus? Kyllä toki, jos jäät sulaisivat kuten nyt, niin kestäisi 14.000 vuotta ennen kuin Grönlanti olisi paljas ja ennen sitä meillä olisi jo uusi jääkausi meneillään.
Loppujen lopuksi: Meillä ei riitä fossiilisia polttoaineita nostamaan hiilidioksiditasoja kuin 4-5 %.


Lähteitä:


Jaworowski, Z., Segalstad, T.V. and Hisdal, V. (1992a): Atmospheric CO2 and Global Warming: A Critical Rewiev; 2nd revised edition. Norsk Polarinstitutt, Meddelelser 119,76 pp.
Jaworowski, Z., Segalstad, T.V. & Ono, N. (1992b): Do glaciers tell a true atmospheric CO2 story? Science of the Total Environment 114, 227-284.

Kuo, C., Lindberg, C. & Thomson, D.J. (1990): Coherence established between
atmospheric carbon dioxide and global temperature. Nature 343, 709-714.


McKay, CP., Toon, O.B. & Kasting, J.F. (1991): Making Mars habitable. Nature 352,
489-496. 


Segalstad, T.V. (1990): Temperatur og CO2. Teknisk Ukeblad 137 (17; yellow part), 4-5.
Segalstad, T.V. (1996): The distribution of CO2 between atmosphere, hydrosphere, and lithosphere; minimal influence from anthropogenic CO2 on the global "Greenhouse Effect". In: Emsley, J. (Ed.): The Global Warming Debate. The report of the European Science and Environment Forum. Bourne Press, Ltd., Bournemouth, Dorset, UK, 41-50.