Ilmastonmuutoksen tieteellisestä historiasta

Lähden poikkeuksellisesti liikkeelle Prof. Charles David Keelingin käynnistämistä, reaaliaikaisista ilmakehän hiilidioksidi-mittauksista. Myöhemmin hänen poikansa prof. Ralph Keelingin samoilla metodeilla tehdyt mittaukset ovat osoittaneet hiilidioksidin nousevan trendin aina vuodesta 1958 lähtien. Mittauksia on suoritettu eri puolilla maapalloa mm. Alaskan Barrowssa, -Mauna Loalla Hawailla, -Amerikan Samoalla ja Etelänavalla.

Oheinen graafi esittää mittauksia vuodesta 1970 lähtien.

(ks. artikkelikuva)

Kun graafista tekee havaintoja, eli kaikista neljästä (4) käyrästä voidaan todeta, että jokainen niistä noudattaa samaa nousevaa trendiä riippumatta siitä, missäpäin maapalloa on mittauksia suoritettu. Havaintoja voi tehdä myös vuotuisista vaihteluista, joissa amplitudit ovat eri-suuruiset riippuen siitä, mitä käyrää seuraa. Miten näitä käyriä sitten pitäisi tulkita?

  1. On selvää, että jos käyrien nousukulma on sama, se on selkeä osoitus maailmanlaajuisen hiilidioksi-pitoisuuden noususta.
  2. On myös selvää, että eri puolilla maapallon mittaus-asemia pitoisuuksien vuotuiset amplitudit ovat eri-suuret, riippuen kasvillisuudesta ja hiilen kierrosta. On myös merkille pantavaa, että kussakin mittauspisteessä vuotuiset amplitudit ovat olleet muuttumattomia lähes 50 vuotta. Tämä osoittaa maailmanlaajuisen kasvillisuuden olleen lähes muuttumaton, eli mitään dramaattista vihertymistä ei ole tänä aikana tapahtunut.
  3. Mistä lähteistä hiilidioksidi on sitten peräisin. Siitä kertoo prof. Charles David Keelingin ja prof. Ralph Keelingin tekemät mittaukset. Olen poiminut siitä osan nimeltään:
  4. ”Isotopic fingerprints and the carbon cycle”

”In the late 1970s, Keeling’s group undertook a long-planned expansion of the CO2 program that looked more closely at sources of the CO2 that are present in the atmosphere.

Carbon can be distinguished by its isotopes—carbon atoms with vary­ing numbers of neutrons. Carbon atoms containing six protons and six neutrons (known as carbon-12 or 12C) are the most common isotope and comprise about 99% of all carbon on Earth. Those that contain an additional neutron are carbon-13, 13C, which comprise about 1% of all car­bon. Carbon-14, 14C, with two extra neutrons, makes up only a trace amount. The three isotopes behave very similarly in chemical reactions, so they move through the environ­ment in nearly identical ways.

The isotopes 12C and 13C are stable, meaning they are conserved over time, while 14C is unique among the three for being unstable. This isotope, also called radiocarbon, is created in nature when cosmic rays act upon nitrogen atoms in the atmosphere (atomic tests have also contributed some 14C). It has a con­stant, well-known half-life, meaning that 14C disappears at a predictable rate by turning back into nitrogen.

Because of that regular disintegra­tion, radiocarbon can be used to determine the age of carbon-based objects like fossilized plants and animals. The less 14C an object has, the older it must be. In contrast, the amount of 12C and 13C remains unchanged after many thousands of years. Therefore, modern sources of CO2 such as living organisms have about the same amount of 14C as the atmosphere, whereas ancient sources like fossil fuels have none left.

Scientists use analytical tools to determine the signature ratios of 12C, 13C and 14C found in different reservoirs (the oceans, atmosphere, biosphere, fossil fuels and others). These ratios are sometimes called carbon fingerprints. Using these fin­gerprints, scientists can compare the ratios of carbon isotopes over time to track carbon as it moves from one reservoir to the next. For example, as fossil fuels are burned, they add 12C and 13C to the atmosphere, but no 14C. The result is that the proportion of 14C in the atmosphere goes down.

Keeling had made isotopic measure­ments previously while conducting experiments in the woodlands of California, and he had planned to continue isotopic measurements of his air samples as part of the Inter­national Geophysical Year program. Difficulties in analysis at that time led him to sideline this research. In 1978, Keeling returned to the isotopic studies, working with a group at the University of Groningen in the Neth­erlands to study the isotopic ratios of carbon present in samples dating back to 1955.

The first paper on isotopic mea­surements from this period was published in 1979. It showed a shift in 13C/12C ratio that matched predictions associated with fossil fuel combustion. Further analysis of 14C was used as evidence that the current accumulation of CO2 in the atmosphere was linked to the libera­tion of long-sequestered banks of carbon—the burning of fossil fuels by mankind.”

Suomennos

Isotooppinen sormenjälki ja hiilen kierto

1970-luvun lopulla, Keelingin ryhmä aloitti pitkään suunnitellun CO2-ohjelman laajentamisen, joka tarkasteli lähemmin ilmakehässä esiintyviä hiilidioksidilähteitä.

Hiili voidaan erottaa sen isotoopeilla – hiiliatomeilla, joilla on vaihteleva määrä neutroneja. Hiiliatomit, jotka sisältävät kuusi protonia ja kuusi neutronia, tunnetaan nimellä 12C. Tämä on yleisin isotooppi, joka on noin 99% koko hiilestä. Ne, jotka sisältävät ylimääräisen neutronin, ovat 13C, jotka käsittävät noin 1% kaikesta hiilestä. 14C, jossa on kaksi ylimääräistä neutronia, muodostaa vain pienen määrän. Kolme isotooppia käyttäytyvät hyvin samankaltaisesti kemiallisissa reaktioissa, joten ne liikkuvat ympäristön läpi lähes samalla tavalla.

Isotoopit 12C ja 13C ovat stabiileja mikä tarkoittaa, että ne säilyvät ajan mittaan, kun taas 14C näistä kolmesta on epävakaa. Tämä isotooppi, jota kutsutaan myös radiohiileksi, muodostuu luonnossa, kun kosmiset säteet vaikuttavat ilmakehän typpiatomeihin (atomikokeet ovat myös vaikuttaneet 14C: en). 14C:llä on hyvin tunnettu puoliintumisaika mikä tarkoittaa, että 14C häviää ennustettavissa olevalla nopeudella kääntymällä takaisin typpeen.

Tämän säännöllisen hajoamisen takia, radiohiilivetyä voidaan käyttää määrittämään hiilipohjaisten kohteiden, kuten fossiilisten kasvien ja eläinten ikä. Mitä vähemmän 14C:tä objektilla on, sitä vanhempi sen täytyy olla. Sitä vastoin 12C:n ja 13C:n määrä pysyy ennallaan monien tuhansien vuosien jälkeen. Sen vuoksi nykyaikaisilla CO2-lähteillä, kuten elävillä organismeilla, on noin sama määrä 14C: tä kuin ilmakehässä, kun taas antiikin lähteistä, kuten fossiilisista polttoaineista, ei ole jäljellä.

Tutkijat ovat tehneet analyyseja 12C:n, 13C:n ja 14C:n suhteiden määrittämiseen eri lähteistä, eli valtameristä, -ilmakehästä, -biosfääristä, -fossiilisista polttoaineista ym. Näitä suhteita kutsutaan hiili- sormenjäljiksi. Näiden sormenjälkien avulla tutkijat voivat verrata hiilen isotooppien suhteita ajan suhteen hiilen seuraamiseksi, kun se siirtyy lähteestä toiseen. Esimerkiksi fossiilisten polttoaineiden poltossa ne lisäävät ilmakehään 12C:tä ja 13C:tä, mutta ei 14C:tä. Tuloksena on, että 14C: n osuus ilmakehässä laskee.

Keeling oli aikaisemmin suorittanut isotooppimittauksia Kalifornian metsäalueilla kokeiden aikana, ja hän oli suunnitellut jatkaa ilmassa olevien näytteiden isotooppimittauksia osana kansainvälistä geofysikaalista vuotta. Tällöin analyysin vaikeudet johtivat siihen, että hän ohitti tämän tutkimuksen. Vuonna 1978 Keeling palasi isotooppitutkimuksiin ja työskenteli yhdessä Groningenin yliopiston ryhmän kanssa Alankomaissa tutkimalla 1955-luvulta peräisin olevien näytteiden hiilen isotooppisuhteita.

Ensimmäinen paperi tämän jakson isotooppimittauksista julkaistiin vuonna 1979. Se osoitti 13C / 12C-suhteen muutosta, joka vastasi fossiilisten polttoaineiden polttamiseen liittyviä ennusteita. 14C:n lisäanalyysiä käytettiin todisteena siitä, että hiilidioksidin nykyinen kertyminen ilmakehään liittyi pitkäkestoisten hiilivarastojen vapautumiseen, eli ihmiskunnan aiheuttamien fossiilisten polttoaineiden polttamisena.

https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/keeling-curve.html

  1. Ilmastotieteen historiaa, eli mistä kaikki lähti liikkeelle

Ranskalainen fyysikko ja matemaatikko Joseph Fourier (1768 – 1830)

Ilmastotieteen perusteet on ymmärretty lähes 200:n vuoden ajan. Yksi ensimmäisistä tiedemiehistä, joka tutki planeetan energiatasapainoa, oli ranskalainen fyysikko ja matemaatikko Joseph Fourier 1820-luvulla. Koska maa oli kaukana auringosta, hän oli utelias tietämään, miksi sen lämpötila ei ollut viileämpi. Fourier katsoi, että jokin muu kuin saapuva auringon säteily piti planeettaa lämpimänä ja oletti, että ilmakehä toimi jonkinlaisena eristyspeitteenä.  Työskentelemällä rajoitetulla tekniikalla hän ei kuitenkaan pystynyt tekemään yksityiskohtaisia ​​mittauksia, joita tarvittiin hänen ajatuksiensa varmistamiseen.

Irlantilainen fyysikko John Dyndall (1820 – 1893)

Vuosikymmeniä myöhemmin 1860-luvulla, irlantilainen fyysikko John Tyndall otti vastaan ​​Fourierin haasteen. Paitsi Alppien seikkailijana, hän oli kiinnostunut jäätiköistä ja siihen aikaan jääkausista, mitkä siihen aikaan olivat kiistanalaisia. Hän halusi tietää enemmän siitä, miten ne muodostuivat ja suunnitteli testin jossa nähtiin, toimiiko Maa termostaatin tavoin. Tätä varten hän rakensi spektrofotometrin joka mittaa lämpöä, jonka kaasut voidaan absorboida. Hänen testinsä osoittivat, että vesihöyry (H2O), hiilidioksidi (CO2) ja metaani (CH4) olivat kaikki erittäin tehokkaita lämmön absorboijia. Tämä osoitti olennaisesti Fourierin ajatuksen kasvihuoneilmiöstä.

Ruotsalainen fyysiikko ja kemisti Svante Arrhenius (1859 – 1927)

1890-luvulla ruotsalainen fyysikko Svante Arrhenius seurasi Tyndallin ajatusta ilmakehän termostaatista ja ryhtyi tutkimaan asiaa. Vesihöyry oli liian muuttuva, eli väliaikainen, jolloin hän keskittyi hiilidioksidiin, jonka viipymisaika oli ilmakehässä pidempi. Hänen laskelmansa osoittivat, että hiilidioksidin määrän kaksinkertaistaminen ilmakehässä nostaisi keskimääräisen globaalin lämpötilan ≈ 5°C.

Ymmärtääkseen, oliko tällainen laajamittainen muutos ilmakehän hiilidioksidissa ollut mahdollista, hän kääntyi kollegan Arvid Hogbomin puoleen, joka tutki maailmanlaajuista hiilen kiertoa. Hiilenkierto on luonnollinen geokemiallinen prosessi, jossa tulivuorenpurkaukset ja kivien kemiallinen sään kestävyys vapauttavat hiilidioksidia, kun taas kasvit ja valtameret imevät sen.

Hogbom vahvisti, että hiilidioksiditasot voivat muuttua dramaattisesti pitkällä aikavälillä. Hän kuitenkin totesi myös, että teolliset prosessit vapauttivat huomattavan määrän hiilidioksidia suhteellisen nopeasti. Tätä tietoa käyttäen Arrhenius on laskenut, että ihmisen toiminta, kuten fossiilisten polttoaineiden polttaminen, voi muuttaa ilmakehän koostumusta ja lisätä maailmanlaajuista lämpötilaa. 1890-luvulla fossiilisten polttoaineiden käyttö oli kuitenkin vain murto-osan siitä, mitä se on tänään, ja hän uskoi, että ilmakehän CO2-taso kaksinkertaistuisi yli 1000:ssa vuodessa.

Yhdysvaltalainen prof. Charles David Keeling (1928 – 2005)

Menemällä eteenpäin 1950-luvulle, prof. Charles David Keeling, Kalifornian Scripps-instituutin tutkija, löysi keinon seurata suoraan ilmakehän hiilidioksiditasoja. Hän suunnitteli ja rakensi instrumentin, jota kutsutaan kaasukromatografiksi ja asensi sen Mauna Loa vuorelle Havaijille. Yli 11 000 metrin korkeudessa Tyynenmeren keskellä, se oli erillään suorista hiilidioksidilähteistä kuten tehtaista ja nieluista sekä metsistä, jotka voisivat häiritä tuloksia. Tällä hetkellä käytössä oleva tieto tunnetaan Keeling-käyränä. Se osoittaa ilmakehän CO2-tasojen jatkuvan kasvun vuodesta 1958 alkaen.

Keelingin mittaukset osoittivat, että CO2-tasot nousivat ja vahvistivat Tyndallin ja Arrheniuksen teoriat. Viime aikoina tutkijat ovat pystyneet laajentamaan käyriä ajassa taaksepäin analysoimalla Grönlannin ja Etelämantereen jäänäytteistä jääneitä menneisyyden ilmakuplia. Nämä tutkimukset ovat osoittaneet, että esiteolliset CO2-pitoisuudet ilmakehässä olivat noin 280 ppm, nykyään ne ovat yli 400 ppm. Näin korkeat ne eivät ole olleet yli 800 000:een vuoteen.

Kanadalainen fyysikko Gilbert Norman Plass (1920 – 2004)

Vuonna 1955 Gilbert Norman Plass osoitti, että hiilidioksidin vähäinenkin lisäys voimistaa kasvihuoneilmiötä. Tämä johtuu siitä, että vesihöyry estää vain heikosti aallonpituusaluetta, jolla hiilidioksidi vaikuttaa. Vesihöyry on siis lähes läpinäkyvä tällä alueella, joka sattuu myös vastaamaan maapallon lähettämän säteilyn huippua.

Saksalainen paleontologi prof. Hans-Dieter Suess (1956)

Samana vuonna Hans-Dieter Suess ilmoitti havainneensa ilmakehässä ihmisen tuottamaa hiilidioksidia. Menetelmänä oli sama radiohiiliajoitus, jolla mm. egyptiläisten muumioiden ikä pystyttiin mittaamaan. Meret eivät siis pysty nielemään lisäystä ainakaan välittömästi.

Yhdysvaltalainen prof. Roger Revelle (1909 – 1991)

Roger Revelle esitti vuonna 1957 yleisesti hyväksytyn teorian, jonka mukaan meret nielevät lisähiilidioksidia niin hitaasti, että päästöjen aiheuttamien molekyylien elinikä ilmakehässä on sadan vuoden luokkaa.

6. Ilmastonmuutos johtuu luonnollisen kasvihuoneilmiön voimistumisesta

Ilmakehän kasvihuoneilmiö ei siis ole ongelma vaan nykyisen kaltaisen elämän elinehto. Ongelma on ihmisen aiheuttamat muutokset ilmakehän koostumuksessa ja kasvihuoneilmiön voimistuminen.

Kasvihuonekaasujen pitoisuudet ilmakehässä ovat kasvaneet, mikä voimistaa kasvihuoneilmiötä ja lämmittää ilmastoa. On kuitenkin huomattava, että vaikka maapallon keskilämpötila kohoaisi, alueellisesti ilmasto saattaa jopa viiletä.

Ilmastonmuutoksen voimistumista osoittaa se, että 15 lämpimintä mitattua vuotta on eletty viimeisten 20 vuoden aikana, 11 niistä vuoden 1995 jälkeen. Satelliittimittaukset vahvistavat lämpenemisen. Se kuinka paljon maapallon lämpötila nousee tai laskee vuoteen 2050 tai 2100 mennessä, siitä ei varmuudella tiedä vielä kukaan. Jos nykyinen kasvihuonekaasujen lisääntymisen kehitys jatkuu, ilmakehässä olevan hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen vaikutus globaaliin lämpötilaan noudattaa suhteellisen yksinkertaista yhtälöä:

 

εσ (Ts^4 – Ta4^)

 

ε = ilmakehän absorbtiokyky

σ = Stefan Bolzmann vakio (5.67 x 10^-8 W/m^2 K^4)

Ts^4 = maapallon pintalämpötila

Ta^4 = ilmakehän lämpötila

 

Avaruuteen karkaa vähemmän lämpösäteilyä kuin pinnalta lähtee, jos:

 

  1. Ilmakehä absorboi lämpösäteilyä (ε > 0) ja
  2. Ilmakehä on pintaa kylmempi (Ta < Ts)

 

Ilmakehä vähentää avaruuteen karkaavaa lämpösäteilyä sitä enemmän, mitä suurempia ovat:

 

a) ilmakehän absorbtiokyky (ε)

b) pinnan ja lämpösäteilyä avaruuteen säteilevien ilmakerrosten välinen lämpötilaero

 

Sekä a) että b) riippuvat kasvihuonekaasujen määrästä

 

Tiede korjaa itseään jatkuvasti. Mutta kuten edellä, ilmastotieteen perusteet on tunnettu jo lähes 200:n vuoden ajan.

****************************************************************************************************************************************************************************************

Tiede ei ole denialismia, tiede ei ole myöskään alarmismia ja kaikkein vähiten se on kreationismia tai scientologiaa. Intersubjektiivisuus on eräs tieteen tunnusmerkki. Intersubjektiivisuuteen riittää, että jokainen tutkija voi päätyä samaan lopputulokseen tiedeyhteisössä hyväksytyillä metodeilla (objektiivisuus intersubjektiivisuutena). Tieteellisissä teorioissa subjektiiviset tekijät on pyritty poistamaan luomalla yhtenäinen mittaus- ja analyysijärjestelmä. Tutkijoiden välisten näkemyserojen vähentyminen merkitsee tässä mielessä sitä, että ollaan lähempänä totuutta ja tämä lopulta johtaa tieteelliseen konsensukseen.

****************************************************************************************************************************************************************************************

HannuSinivirta

Työura: (el. vanh. tut. / 2016) FMI / avaruusteknologia ja havaintopalvelut 1990 - 2016 (26v). Eflab Oy - Labsystems Oy / lääketieteellinen teknologia / tutkimus ja tuotekehitys 1980 - 1990v (10v). Nokia Oy / atomivoimalaitostekniikka ja militaaritekniikka 1975 - 1980 (5v). Planar Ky / tietoliikennetekniikka / tutkimus ja tuotekehitys 1968 - 1975 (7v). Kantavia voimia mm. Albert Einsteinin 10 - 12 kenttäyhtälöä.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu