Hiilenkierron perustietoa kevyellä otteella

Tiedettä helposti – popularisoitua asiaa hiilen kierron faktoista

Johdanto

Koska Puheenvuorossa on julkaistu hiilenkierrosta useitakin kirjoituksia, joissa esiintyy alkeellisia virheitä, päätin kirjoittaa kaksi blogia esittääkseni ensin hiilenkierron perusasiat ja sitten erot IPCC:n hiilenkiertomallin ja oman hiilenkiertomallini välillä. Olen tehnyt hiilenkierrosta oman hiilenkiertomallini, josta olen tehnyt kaksi julkaisua ja lisäksi on kolmas julkaisu, jossa vertaan mallini tuloksia IPCC:n mallin tuloksiin ja analysoin eroavuuksien syitä.

Hiilidioksidin kierto ilmakehän, meren ja kasvillisuuden välillä

Tässä blogissa kuvaan vain hiilenkiertoa puuttumatta hiilenkierrossa olevaan koostumukseen, johon palaan myöhemmin mallien yhteydessä. Yleensä puhutaan hiilenkierrosta, vaikka hiili esiintyy ilmakehässä hiilidioksidina. Tästä syystä käytän yleisemmin käytössä olevaa mittayksikköä GtC eli gigatonnia hiiltä. Ilmakehän hiilidioksidi kiertää jatkuvasti meren ja kasvillisuuden välillä, kuva 1.

Kuva 1. Hiilen kierto ilmakehän, meren ja kasvillisuuden välillä

Oleellista on huomata, että ilmakehän hiilidioksidista (CO2) vaihtuu vuosittain n. 25 %. Ilmakehän CO2-mittaukset osoittavat, että vuosittain CO2-pitoisuus nousee nykyisin keskimäärin n. 2,3 ppm, joka vastaa absoluuttisena määränä noin 5 GtC (=2,1313*2,3). Ilmakehästä poistuvan hiilen määrä voitaisiin laskea teoriassa yksinkertaisesti merenkierron ja kasvillisuuskierron epätasapainosta eli vähennetään esimerkiksi mereen menevästä määrästä merestä takaisintuleva määrä. Siinä on sellainen pieni ongelma, että noita kiertomääriä ei pystytä mittaamaan tarkasti eikä myöskään niiden koostumusta. Sen vuoksi tarvitaan hiilenkiertomalli, jotta asiaa voidaan jollakin tarkkuudella arvioida. Malleja pystytään validoimaan eli vertaamaan niiden oleellisimpia tuloksia mitattuihin suureisiin. Palaan siihenkin toisessa osiossa.

Ilmakehä-meri

Kuva 2. Hiilidioksidin imeytyminen veteen.

Hiilidioksidi imeytyy eli absorboituu mereen Henryn lain mukaan ja sitä kutsutaan nimellä liukoisuuspumppu. Meriveteen liukeneminen riippuu lämpötilasta ja sen suuruus on eri kuin liukeneminen puhtaaseen veteen. Olen käyttänyt mallissani ruotsalaisen Holmenin empiirisiä kaavoja liukoisuuden laskemisessa. Oleellista kuitenkin on, että kylmät merialueet absorboivat hiilidioksidia meriveteen, josta se kulkeutuu kylmien merivirtojen mukana trooppiselle merialueelle. Lämmennyt merivesi joutuu vapauttamaan hiilidioksidin ihan samalla tavalla kuin lämmin limsapullo purskauttaa hiilidioksidin ulos, koska se on pullotettu kylmänä.

Kuva 3. Maapallon eteläisen meren lämpötilan ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden muutokset

Kuvasta 3 näkyy suoraan silmällä (englanniksi eyeballing method), että eteläisen meren lämpötilan ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden välillä on selvä riippuvuussuhde eli siinä on korkea korrelaatio n. 0,8. Yksi poikkeama saattaa osua silmään vuosilta 1991-1995. Vuonna 1991 tapahtui Pintatubo-tulivuoren purkaus, joka levitti tuhkaa stratosfääriin ja aiheutti n. 0,5 asteen globaalin jäähtymisen. Äkkiseltään tuntuisi, että alempi lämpötila hidastaa kasvien yhteyttämistä ja auringon valon pienempi määrä hidastaa sitä myös. Kuka sitten söi ilmakehän hiilidioksidin? Kyllä sen söi maanpäälliset kasvit ja ennen kaikkea puut. Selitys on, että tulivuoren purkauksen partikkelit aiheuttavat auringonvalon sironnan eli valoa tulee monesta suunnasta, joka johtaa pahimmillaan siihen, että esimerkiksi puusta ei jää selvää varjoa. Monesta suunnasta tuleva valo antaakin puulle paljon enemmän valoa kuin suora auringon valoa ja niin kokonaisyhteyttäminen kasvaa huomattavasti. Yllätys, yllätys.

Merten karbonaattipumppu ja biologinen pumppu


Kuva 4. Hiilenkierto ilmakehän ja meren välillä.

Meressä hiili on useammassa muodossa, kuva 4. Karbonaattipumppu käsittelee liuennutta epäorgaanista hiilidioksidia, jota on yhteensä n. 900 GtC meren pintavesissä eli ns. sekoittumiskerroksessa. Tämä muistuttaa ilmakehän tilannetta sikäli, että siinä on suunnilleen yhtä paljon hiilidioksidia, se hyvin sekoittunutta ja sen hiilidioksidi on tasapainossa ilmakehän hiilidioksidin kanssa Henryn lain mukaisesti. Pintavesien hiilidioksidi reagoi veden kanssa kuvan 5 mukaisesti.

Kuva 5. Hiilidioksidin reaktiot veden kanssa hiilihapoksi sekä hiilihapon, bikarbonaatin ja karbonaatin osuudet ph:n funktiona

Hiilidioksidi siis reagoi ensin veden kanssa muodostaen hiilihappoa, joka hajoaa sitten bikarbonaatiksi ja karbonaatiksi ph:n mukaisesti. Tämä karbonaattipumppu toimii merissä ja sen suuruudeksi on arvioitu luokkaa 90-100 GtC vuodessa. Karbonaattipumppu on mekanismi, joka vie hiiltä syvempään mereen ja sillä on merkitystä hiilenkierrossa, mutta se toimii toiseenkin suuntaan.

Meressä on suhteellisen pieniä, mutta erittäin aktiivisia yksisoluisia kasveja, jotka tunnetaan nimellä kasviplankton. Vesieliöt käyttävät hiilidioksidia fotosynteesiin avulla auringonvalon kanssa, aivan kuten kasvit. Eläinplankton käyttää kasviplanktonia ravintonaan. Näiden prosessien avulla hiilidioksidi muuttuu orgaanisiksi hiiliyhdisteiksi, jotka lepäävät planktonissa. Uppoavien hiukkasten kautta, jotka koostuvat suurelta osin eläinplanktonin ulosteesta ja levien jätöksistä, valtameren yläosan orgaaninen hiili siirtyy syvempiin kerroksiin alla. Tätä prosessia kutsutaan nimellä ”biologinen pumppu”. Kuvasta 4 näkyy, että planktonin määrä on vain n. 3-4 GtC, mutta se kierrättää hiiltä 40-50 GtC vuodessa ja täten n. 10 GtC saostuu lopulta meren pohjalle.

Merivesien väri on indikaattori kasviplanktonin biomassan tyypistä ja sen koostumuksesta. Esimerkiksi vihreä valtamerivesi tarkoittaa, että kyseisellä alueella on todennäköisesti paljon kasviplanktonia. Sininen vesi voi tarkoittaa, että siinä osassa merta on vähemmän kasviplanktonia. Tätä näkemystä käytetään tekemään laajamittaisia arvioita biologisesta pumpun tehokkuudesta satelliittikuvien avulla jopa maailmanlaajuisesti.

Olen justeerannut kuvan 3 hiilenkierron numeroarvot IPCC:n esityksen mukaisiksi raportissa AR6. IPCC:n mukaan meret absorboivat vuonna 2019 yhteensä 2,5 GtC antropogeenista hiiltä. Kokonaishiilimäärän absorptiosta meriin AR6:ssa ei kirjoiteta mitään, mutta raportit on kirjoitettu niin, että siinä samaistetaan kokonaishiilidioksidi ja antropogeeninen hiilidioksidi meren imeytymisen osalta. Kuva 6 on eräs esitys, minkä verran antropogeenista hiiltä on löytynyt merestä.


Kuva 6. Antropogeenisen hiilen konsentraatio meressä.

Mereen absorboituneen hiilen määrää on selvitetty useassakin tutkimuksessa, mutta niiden mittaustulokset perustuvat samaan laajaan tutkimusselvitykseen maailman merissä. Määrän on arvioitu olleen 118-140 GtC vuonna 1994. Absorboituneen kokonaishiilen määrää on mahdoton mitata, ja siksi on tyydytty antropogeeniseen hiileen, joka rupesi muuttamaan merten permille-arvoa vuoden 1750 jälkeen.

Ilmakehä-kasvillisuus

Maanpäällinen kasvillisuus on merkittävin hiilidioksidin käyttäjä, joka näkyy siinä, että arvioidaan kasvillisuuden kautta kiertävän vuosittain n. 120 GtC hiiltä, kun merten kautta kiertää n. 90 GtC hiiltä. Yhteytetty hiili ei jää pysyvästi kasviin, vaan ennen pitkää suurin osa siitä vapautuu takaisin ilmakehään, kuva 7.

Kuva 7. Hiilidioksidin kiertoajat kasvillisuudessa.

Kuvassa 7 on eräs arvio siitä, minkä ajan kuluessa hiilidioksidi vähitellen vapautuu takaisin. Noin puolet tapahtuu jo vuoden sisällä kasvien hengityksen muodossa. Loput vapautuu hitaammin ja yleinen arvio on, että pysyvästi maaperään sitoutuu alkuperäisestä kasvin yhteyttämästä hiilidioksidista n. 5 %.

Hiilenkierron kannalta on tietysti erittäin oleellista tietää, miten kasvillisuuden määrä ylipäänsä muuttuu ajan kuluessa. IPCC:n käsityksen mukaan kasvillisuus on ollut 1750 jälkeen merkittävä hiilidioksidin lähde maankäytön muutoksen eli metsien hävittämisen kautta. Vuonna 2019 kumulatiivisesti oltiin tasapainotilanteessa ja vuonna 2019 kasvillisuus sitoi IPCC:n mukaan 1,8 GtC hiiltä vuodessa. Tämä luku on yhtäpitävä sen kanssa, että maapallo on vihertynyt useiden tutkimusten mukaan. Arviot kasvillisuuden sitoman hiilidioksidin määrästä vaihtelevat suuresti, mutta yhteinen piirre on, että se on huomattavasti kasvanut.

******

Taustatietoa. Olen koulutukseltani prosessi-insinööri Oulun yliopistosta, jossa opetus perustui yksikköprosesseihin, jotka esiintyvät kaikilla teollisuuden aloilla. Näitä ovat mekaaniset ja kemialliset prosessit sekä aineen- ja lämmönsiirto. Lisäksi opiskelin automaatiota ja prosessidynamiikka, josta tein DI- ja lisensiaattityöt ja se tieto on ollut kaikkein hyödyllisintä ilmastotutkimuksissani. Väittelin laatutekniikasta TKK:ssa 1995. Olen pystynyt hyödyntämään näitä asioita tutkiessani maapallon energiatasetta, hiilenkiertoa, kasvihuonekaasujen osuutta kasvihuoneilmiössä ja lämpenemisessä, dynaamisia viiveitä pilvisyyden muutoksissa, ja ilmastonmuutoksen lämpötilavaikutuksia lyhyen ja pitkän ajan dynaamisissa simuloinneissa. Näistä aiheista olen julkaissut 20 vertaisarvioitua tutkimusta vuoden 2011 jälkeen. Kasvihuonekaasujen vahvuustutkimus on julkaistu englantilaisessa Energy & Environment-lehdessä 2012 ja Pariisin ilmastosopimuksen perusteiden analysointi 2018 englantilaisen Emerald Publishing Limited – lehdessä ”International Journal of Climate Change and Management”. Tutkimustulokseni poikkeavat IPCC:n tuloksista mm. seuraavissa kohdissa, joilla on ratkaiseva vaikutus ihmisen osuuteen lämpenemisessä: kasvihuoneilmiön suuruus, veden takaisinkytkennän puuttuminen, hiilidioksidin vahvuus kasvihuonekaasuna, fossiilisen hiilidioksidin kierto ja viipymäaika ilmakehässä. Tärkein tulos on ilmastoherkkyysarvoni 0,6 °C. En ole samaa mieltä IPCC:n kanssa ilmastonmuutoksen syistä ja sen vuoksi minut voidaan luokitella toisinajattelijaksi (contrarian). Kirjoitukseni Puheenvuorossa ovat tieteen popularisointia pyrkien osoittamaan IPCC:n ja valtamedian virheet sekä ilmastopaniikin perusteettomuuden. Pyrin välttämään matemaattisia esityksiä ja suosimaan graafisia kuvia. Laajoja esityksiä näistä aiheista on omalla nettisivustollani: https://www.climatexam.com/home

+9
aveollila
Porvoo

TkT, dosentti emeritus (Aalto-yliopisto)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu