14/15 Maapallon säteilytasapaino, kasvihuoneilmiö ja ilmastonmuutos

FY02 Fysiikka, ympäristö ja yhteiskunta

Lähde: Wikipedia

Lähde: Wikipedia

Lähde: Wikipedia

Lähde: Wikipedia

Lähde: NASA

Fysikaalista taustaa

• Kaikki (ympäristöään lämpimämmät) kappaleet lähettävät sähkömagneettista säteilyä
  • Säteilylaji (säteilyn aallonpituus) ja voimakkuus (intensiteetti) riippuvat kappaleen lämpötilasta
• Lämpötilaeroilla on pyrkimys tasoittua
  • Maapallo on avaruutta lämpimämpi, joten Maan lähettämää lämpösäteilyä karkaa avaruuteen            viilentää maapalloa
  • Maapallo ei jäähdy avaruuden lämpötilaan asti, koska se imee itseensä Auringon säteilyenergiaa (näkyvää valoa)

• Ilmakehä absorboi (imee) ja emittoi (lähettää) säteilyä tietyillä aallonpituuksilla
  • Ilmakehä on lähes läpinäkyvä auringonsäteilylle, mutta ei maapallon lähettämälle lämpösäteilylle

Säteilyn aallonpituusjakaumat

Ilmakehän säteilytase

• Maapallo saa energiaa absorboimalla Auringosta tulevaa näkyvää valoa
• Maapallo menettää energiaa emittoimalla infrapunasäteilyä avaruuteen    

• Tasapainotilanne (lämpötila ei muutu): absorboitunut säteily = emittoitunut säteily
• Todellisuus on monimutkainen
  • Näkyvän valon heijastuminen
  • Ilmakehän vastasäteily
  • Olomuodonmuutokset
• Avaruuteen kaikkiaan karkaava säteilymäärä on vain 60 % pinnalta lähtevästä infrapunasäteilystä

Lähde: NASA

Kasvihuoneilmiö

• Jos maapallolla ei olisi ilmakehää, pinnan lämpösäteily pääsisi suoraan avaruuteen
  • Tällöin maapallon keskilämpötila olisi noin –18 °C
• Havaittu keskilämpötila maapallon pinnalla on kuitenkin +15 °C (14,97 °C v. 2025)
  • Ilmakehän vaikutus on siis noin +33 astetta!
• Kasvihuoneilmiö pähkinänkuoressa: absorboitunut auringonsäteily ≠ emittoitunut lämpösäteily        uusi tasapainotila​
  • Tästä pitävät huolen kasvihuonekaasut!
  • Maapallon lähettämää infrapunasäteilyä absorboituu ilmakehään
• Kaasumolekyylit alkavat värähdellä tietyillä säteilyn aallonpituuksilla
  • Värähtely lisää kaasun lämpöliikettä eli nostaa kaasun lämpötilaa
  • Ilmakehä vastasäteilee kohti Maan pintaa        pintalämpötila korkeampi kuin ilman kasvihuonekaasuja

Kasvihuonekaasut

• Merkittävimmät kasvihuonekaasut ovat
  • Vesihöyry (määrä 0,4 %, kasvihuonevaikutus 60 %)
  • Hiilidioksidi (määrä 0,04 %, kasvihuonevaikutus 26 %)
  • Metaani (määrä 0,000 2 %) ja ilokaasu (määrä 0,000 03 %, kasvihuonevaikutus yht. 6 %)
  • Otsoni (määrä 0,000 04 %, kasvihuonevaikutus 8 %)
• Ihmisen toiminta lisää pääasiassa hiilidioksidin, metaanin ja otsonin määriä
  • Vesihöyryn määrä riippuu toisaalta ilmakehän keskilämpötilasta (positiivinen takaisinkytkentä)

Säteilyn absorptio kasvihuonekaasuihin

Säteilyn absorptio kasvihuonekaasuihin

Lähde: University of Wisconsin-Madison

Kuvat: Annu Oikkonen

Keltainen nuoli kuvastaa Auringon lähettämää säteilyä (näkyvä valo)

Punainen nuoli kuvastaa Maan tai ilmakehän lähettämää säteilyä (infrapunasäteily)

Havaittu ilmastonmuutos

Säteilypakote

• Kuvaa ilmaston tasapainoon vaikuttavaa säteilyenergian muutosta (yksikössä W/m²)
  • Positiivinen säteilypakote: lämmittävä vaikutus
  • Negatiivinen säteilypakote: viilentävä vaikutus
• Tärkeimmät ihmiskunnan ilmastojärjestelmälle aiheuttamat häiriöt:
  • Hiilidioksidin lisääntyminen (+)
  • Muiden kasvihuonekaasujen lisääntyminen (+)
  • Otsonin muutokset (+/–)
  • Pienhiukkasten suora vaikutus (–)
  • Pienhiukkasten epäsuora vaikutus (–)
• Janat kuvaavat epävarmuutta säteilypakotteen suuruudessa
  • ​Pienhiukkasten vaikutus tunnetaan heikoiten
• Kokonaispakote positiivinen eli lämmittävä

Lähde: Ilmasto-opas

Palauteilmiöt

• Jos maapallon keskilämpötilaan vaikuttaisi vain kasvihuonekaasupäästöjen määrä, olisi ilmastonmuutosten ennustaminen helppoa
  • Tilanteesta tekevät monimutkaisen ilmastojärjestelmän monet palauteilmiöt ja takaisinkytkennät
• Lämpenemistä voimistava palauteilmiö:
  • Ilmakehä lämpenee           lämpimään ilmaan mahtuu enemmän vesihöyryä kuin kylmään           vesihöyry on voimakas kasvihuonekaasu           voimistaa ilmastonmuutosta
• Lämpenemistä hillitsevä palauteilmiö:
  • Ilman hiilidioksidipitoisuuden nousu helpottaa kasvien fotosynteesiä           maaekosysteemit voivat sitoa enemmän hiiltä          hillitsee ilmastonmuutosta

Tulevaisuuden ilmasto

• Hiilidioksidin määrä on lisääntynyt 30 % verrattuna esiteolliseen aikaan (100–150 vuotta)
• Maapallon keskilämpötila on noussut 1,1 °C tänä aikana
  • Suomessa 2,3 °C
• Kasvihuonepäästöt määräävät lämpötilan nousun tulevaisuudessa

Ilmastonmuutoksen tutkimus

• Ilmastotutkimuksen keskeiset tukipilarit
  • Havainnot historiasta ja nykytilasta
  • Tulevaisuutta ennustavat matemaattiset mallit
• Fysiikka tieteenä
  • Tarjoaa välineitä mittaamiseen
  • Selvittää lainalaisuuksia, joita käytetään mallien muodostamiseen
• Fysiikan avulla pystytään ennustamaan, miten paljon hiilidioksidin lisääntyminen nostaa lämpötilaa
• Fysiikka selittää, miten lämpötilan muutos vaikuttaa mm. ilmakehän kiertoliikkeeseen ja merivirtoihin
  • Sään ääri-ilmiöt
  • Keskimääräinen ilmasto