Antroposeeni (ihmisen aikakausi)

Ilmastonmuutos

Antroposeenin ja luonnollisen muutosnopeuden suhde

Antroposeeni (ihmisen aikakausi)

 

Antroposeeni on vakiintumaton, joidenkin tieteilijöiden ehdottama meneillään oleva geologinen epookki. Yleisluontoisen määritelmän mukaan antroposeeni on holoseenin jälkeinen epookki ja se alkoi teollistumisen myötä 1800- tai 1900-luvulla. Antroposeenin aikana niin sanottu kuudes joukkosukupuutto on kiihtynyt voimakkaasti.  Antroposeenin käsitteen kannattajat ovat esittäneet (2011), että uudelle geologiselle epookille on tarvetta, koska ihmisen toiminta on muuttanut luontoa niin monin tavoin ja osa muutoksista on geologian keinoin havaittavissa. 

Käsitteen vastustajat taas ovat katsoneet (2015), että uuden epookin määrittelemiseen ei ainakaan toistaiseksi ole aihetta, etenkin kun ihmisen toiminnan vaikutukset mainitaan jo osana holoseenin määritelmää. Antroposeeni-termin loi amerikkalainen biologi Eugene Stoermer jo 1980-luvulla, mutta Nobel-palkittu kemisti Paul J. Crutzen teki käsitteen yleisesti tunnetuksi vuonna 2000. Anthropocene Working Groupiksi nimetty tutkijaryhmä tekee työtä antroposeenin virallistamiseksi, mihin vaaditaan muun muassa riittävän selvä määritelmä ja alkamisajankohta. Mahdollisen virallisen päätöksen tekee Kansainvälinen stratigrafiakomissio.

Alustus

On kuitenkin selvää, että planeetallamme on käynnissä muutos. Siihen vaikuttaa sekä luonnolliset tekijät, mutta ennen kaikkea ihmisen toiminta. Tätä tulee tarkastella globaalissa mittakaavassa, missä pienet valtiot kuten Suomi on osa kokonaisuutta. Globalisaation myötä on myös kiistaton tosiasia, että olemme vaikuttamassa luonnon moninaisuuden eli biodiversiteetin kehitykseen koko planeetalla. Populaation lisääntyessä, ihmisen on täytynyt muokata luontoa selviytyäkseen ja sopeutuakseen olemassa oleviin olosuhteisiin. Mitä paremmin voimme, sitä enemmän lisäännymme, se on elämän perusta. Samalla kulutus on kuitenkin lisääntynyt, jopa kerskakulutus ja sillä on kääntöpuolensa. Globaali väestö on lisääntynyt voimakkaasti ja samaan aikaan luonnon resurssit ovat vähentyneet. Ihmisen levinneisyys näkyy maan muokkaamisena. Lisääntyvän väestön tyydyttämiseksi, tarvitsemme lisää pinta-alaa sekä asumiseen, että kelvollista maa-ainesta viljelyä varten. Jotta talouden rattaat pyörisivät täydellä teholla, siitä muodostuneiden ongelmien hoitaminen tulisi johtaa myös tasapuoliseen energiankulutukseen ja kestävämpään kehitykseen. Puhtaampi uusiutuva energia on parempi vaihtoehto, muussa tapauksessa kehitys on menossa huonompaan suuntaan. Kun katselee kuvia suurimmista kaupungeista maailmalta voidaan kysyä, että vaikuttaako ihmisen toiminta globaaliin ilmastoon?

Navier – Stokes yhtälöt

Ilmasto on erittäin monimutkainen systeemi. Ilmastonmuutosta tutkitaan ilmastomalleilla ja kaikkien ilmasto-mallien taustalla ovat Navier- Stokes yhtälöt:

𝜌 (𝝏v / 𝝏t + v x ∇v) = ∇P + 𝜌g + µ∇2v

Yhtälöt kuvaavat nesteiden ja kaasujen, kuten ilmakehän ja valtamerten liikkumista, missä termi (𝝏v / 𝝏t + v x ∇v) kuvaa kiihtyvyyttä, kuinka hiukkasen kokema nopeus muuttuu ajan myötä. Kirjain (𝜌) ilmaisee massan tiheyttä nesteessä, termi (𝝏v / 𝝏t) nopeuden muutosta suhteessa aikaan. Seuraava termi (v x ∇) kuvaa nopeutta ja suuntaa, jolla neste liikkuu. Termi (∇P) on nesteen sisäinen painegradientti (paineen muutos). (𝜌g) kuvaa nesteeseen vaikuttavia ylimääräisiä voimia (kuten painovoima). Tämä termi (µ∇2v) kuvaa nesteeseen vaikuttavia sisäisiä stressivoimia (ottaen huomioon viskoosit vaikutukset). Viimeisimpänä (∇) eli nabla kuvaa gradienttia:

∇ f(x, y, z) = 𝝏/𝝏x  f(x, y, z) i⃗ + 𝝏/𝝏y f(x, y, z) j⃗ + 𝝏/𝝏z f(x, y, z) k⃗

Missä i⃗, j⃗, k⃗ -komponenttien kertoimet ovat funktion osittaisderivaattoja, muuttujien x, y, z suhteen. Eli gradientti ilmaisee funktion suurimman muutos-nopeuden (gradienttivektorin pituus) ja tämän suurimman muutoksen suunnan.

Ilmasto-järjestelmän salaisuudet, -jos niin voidaan sanoa, ovat lukittuna näihin yhtälöihin, jotka kirjoitettiin ensimmäisen kerran 1800-luvulla, mutta ne ovat liian monimutkaisia ratkaistavaksi suoraan. Sen sijaan ilmaston-mallintajat käyttävät tietokoneita likimääräisten ratkaisujen löytämiseen, ylläpitäen korkea-asteista tarkkuutta. Navier-Stokes yhtälöiden kääntäminen tietokoneiden ymmärtämään muotoon, suorittavat matemaatikot.

Oleellista ovat myös suoriin havaintoihin perustuvat mittaustulokset, aina esiteollisesta ajasta lähtien (n. 1800 – 1900). 

Näillä perusteilla on kyetty tekemään mallinnuksia ja skenaarioita ilmaston muuttumisesta, super-tietokoneajoina.    

Ilmastoherkkyys

Samaan aikaan yhä väitellään fysiikan perusteista, kuten kasvihuoneilmiöstä ja maapallon energia-taseesta, ilmasto-herkkyydestä (kun globaali hiilidioksidi-pitoisuus kaksinkertaistuu, mitä tapahtuu lämpötilalle).

ΔF2 x CO2 = dF / dT x ΔT2 x CO2 = 4σT3 x ΔT2 x CO2

Kuitenkin, näitä asioita on tutkittu jo melkein 200 vuotta ja päästy loppu-tulemaan, että ihmisen vaikutus ilmastoon on pääosin jo selvitetty. 

Ihmisen vaikutus ilmastoon syntyy hyödyntämällä energiaa, joka tähän asti on ollut yli 80% fossiilista. Siinä palamisen tuotteena syntyy hiilidioksidi-päästöjä (CO2), mikä lämmittää ilmakehää. Missä määrin, siitä yhä väitellään jopa 0.1°C:n tarkkuudella, ellei peräti niin, ettei lämpötila-anomaliaa kyetä nollasta erottamaan.

Luonnollinen keskimääräinen muutosnopeus

Entä sitten ilmaston yleinen luonne. Eli kuinka luonnollinen keskimääräinen muutosnopeuden trendi vaikuttaa (aurinko, -tulivuorenpurkaukset, -mannerlaattojen liikehdintä, -planeettojen vaikutus, -avaruuden taustasäteily jne)? 

Paleoklimatologia on tiede, joka tutkii ilmaston yleistä luonnetta maapallolla ja sen eri alueilla ajalta ennen nykyisenlaisia meteorologisia mittaushavaintoja. Se selvittää muinaisen ilmaston vaihteluita analysoimalla fossiilikerrostumia ja jäätikköön kerrostunutta jäätä. 

Paleoklimatologinen tutkimus on selvästi osoittanut, että globaali CO2 -pitoisuus ja lämpötila °C korreloivat keskenään. CO2 -pitoisuus on vaihdellut 800 000 :n vuoden aikana keskimäärin 180ppm – 280ppm välillä. Lämpötila vastaavana aikana on vaihdellut keskimäärin (-9°C) – (3°C) välillä.

(ks. liitteet kuva 1 ja 2)

Viimeisin geologinen epookki on ollut holoseeni ja sen loppupuolella, globaali keskimääräinen lämpötilan laskeva trendi on ollut  luokkaa n. -0.25°C / 2000 vuotta.

Lähde: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2000%2B_year_global_temperature_including_Medieval_Warm_Period_and_Little_Ice_Age_-_Ed_Hawkins.svg

(ks. liitteet kuva 3)

Lisäksi ohessa hyvin laaja paleo-tutkimus (University of Bern / 80 kontribuutio).

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1401-2

Kun vertailee holoseenin lämpötila-anomalian trendin keskimääräistä muutosnopeutta,  (ΔΤ2 / Δt2) holoseenin loppupuolella olevaan trendin keskimääräiseen muutosnopeuteen (ΔT1 / Δt1), niiden suhde saadaan ratkaistua seuraavasti:

ΔΤ1 / Δt1 = 1.2°C / 150v = 0.008°C/v

ΔT2 / Δt2 = 0.25°C/2000v = 0.000125°C/v

(ΔT1 / Δt1)/ (ΔT2 / Δt2) >> 1 = (0.008°C / v) / (0.000125°C/v) = 64

Holoseenin loppuvaiheessa, keskimääräinen trendin muutosnopeus on n. 64 kertainen viimeisten 2000 vuoden periodilla. Mikä tätä nopeaa keskimääräistä trendin muutosnopeutta voisi selittää?

Pohjoisen pallonpuoliskon lämpötila-anomalia 1880 – 2019

Esiteollisesta ajasta näihin päiviin (1880 – 2019), keskimääräisen lämpötila-anomalian trendi pohjoisella pallonpuoliskolla (60°N, 25°E / Etelä-Suomi) on ollut huomattavasti korkeampi, eli n. 1.7°C / 139 vuotta. Keskimääräisen trendin muutosnopeus on luokkaa 0.012°C/v.

Lähde: https://www.ncdc.noaa.gov/cag/global/time-series/60,25/land_ocean/ytd/12/1880-2019

(ks. liitteet kuva 4)

Prof. Keeling & Keeling

Prof. Charles David Keeling ja myöhemmin hänen poikansa prof. Ralph Keeling / Scripps (Geosciences Research Division of Scripps Institution of Oceanography) ovat tehneet vuodesta 1958 yhtäjaksoisia, reaaliaikaisia ilmakehän CO2 -pitoisuuden mittauksia. Ohessa kuva 5. Mauna Loan tutkimusasemalta Hawaii:lta.

(ks. liitteet kuva 5)

CO2 -pitoisuus vuonna 1958 oli n. 318ppm ja vuonna 2019 n. 415ppm. Nousua on peräti 318ppm Δ% 415ppm = 30.5% / 61v. Kuvasta on myös nähtävissä CO2 -pitoisuuden luonnollisen vaihtelun maksimi (toukokuu) ja minimi (lokakuu). CO2 -pitoisuuden keskimääräinen muutosnopeus välillä [a, b] saadaan:

 Δy / Δx = f(b) – f(a) / b – a

Δy / Δ x = 97ppm / 61v = 1.59ppm / v

Lähde: http://doi.org/10.6075/J08W3BHW / Download file

(ks liitteet kuva 6.)

Kun asettaa vertailuun pohjoisen pallonpuoliskon lämpötila-trendin ja CO2 -pitoisuuden trendin vuodesta 1958 vuoteen 2019, selvä korrelaatio on nähtävissä.

(ks. liitteet kuvat 6 ja 7)

Antroposeeniyhtälöt 

(Steffen et al.)

Lähde: https://arxiv.org/pdf/1802.05709.pdf

dE / dt = f (A, G, I) viimeiset 4 miljardia vuotta

dE / dt = f (H)A, G, I 0, viimeiset 40 vuotta

E = Maasysteemi

A = tähtitieteelliset voimat

G = geofysikaaliset voimat

I = sisäinen dynamiikka

H = teollistuneet yhteiskunnat

AE:n (Anthropocene Equation) täytyy johtua ES:n (The Earth System) tilan termodynaamisesta kuvauksesta, yllä olevien yhtälöiden suhteen. 

Nämä voimat kuvaavat järjestelmän termeodynaamista tilaa, Helmholzin vapaan energian f (A, G, I, H) perusteella. Tämä on luonnollinen valinta, koska vapaasta energiasta voidaan saada kaikki merkitykselliset termodynaamiset muuttujat. 

Luonnolliset muuttujat merkitään yhdessä, nimellä:

𝛈 = (A, G, I). F (𝛈, H) ajan muutos-nopeus annetaan sitten luvulla:

dF / dt = 𝝏F / 𝝏t + (𝝏F / 𝝏𝛈)H d𝛈 / dt + (𝝏F / 𝝏H)𝛈 dH / dt

AE on syntynyt havaintoina viimeisten vuosisatojen aikana, missä muutokset ES:ään ovat olleet pääosin ihmisten vaikutteiden ohjaamia, jolloin siitä seuraa: 

(𝝏F / 𝝏H)𝛈 >> (𝝏F / 𝝏𝛈)H

Oletetaan, että vapaalla energialla ei ole nimenomaista riippuvuutta ajasta, saadaan AE muotoon:

dF / dt ≈ (𝝏F / 𝝏H)𝛈 dH / dt

:= f (H),𝛈= vakio, missä:

f (H) on H:n funktio vakioituna arvo 𝛈.

Nähdään, että AE: stä voidaan saada suuri kiihtyvyys ihmisen pakotteiden vuoksi. Tästä voidaan muodostaa fyysinen kehys, joka kuvaa siirtymistä holoseenista – antroposeeniin vaihesiirtymänä Landau-Ginzburgin teorian (LGT) mukaisesti.

Loppupäätelmäni

(𝝏Τ(A) / (𝝏t )/ (𝝏T(L) / 𝝏t ) >> 1

(𝝏Τ(A) / (𝝏t ) = antroposeeniset eli ihmisen aikaansaamat kasvihuonepäästöistä aiheutuvat lämpötilamuutokset ajan funktiona

(𝝏T(L) / 𝝏t ) = luonnollista kautta (planetaariset) kasvihuonekaasujen lämpötilamuutokset ajan funktiona

Loppukaneetti: Näin ollen, paitsi että loppupäätelmäni perustuu Navier-Stokes yhtälöihin ja niistä tehtyihin mallinnuksiin, -myös havaintoihin ja kokemukseen, sekä antroposeeni-yhtälöihin (Helmholzin vapaa energia ja Landau-Gintzburgin vaihesiirtymä), antroposeenisten ja luonnollisten muutosnopeuksien suhteeseen, missä tällä hetkellä dominoiva tekijä on antroposeeni.

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 kenttäyhtälöä. Olen tutkinut ilmastonmuutosta n. 5 vuotta ja päätynyt arvioon, että muutos tapahtuu sekä antropogeenisten eli ihmislajin toiminnan seurauksena (A) että luonnollisten eli planetaaristen (L) vaikutusten muutos-vauhdin suhteessa, missä antropogeeninen dominoi (𝝏A / 𝝏t) / (𝝏L / 𝝏t) = paljon suurempi kuin 1. Tutkimukseni ei perustu perinteisiin julkaisu-periaatteisiin, mutta henkilökohtaiseen kokemukseen, havaintoihin ja puhtaaseen matemaattiseen tulkintaan.

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu