Ihminen muuttaa ilmastoa (päivitys 25.1.2023)

Ihminen muuttaa ilmastoa (päivitys 25.1.2023)

Tämä kirjoitus on kaksiosainen. Ensimmäisessä teoreettisessa osiossa käsittelen ihmistoiminnan aiheuttamaa muutosnopeutta, suhteessa luonnon korjaavaan dynamiikkaan. Toinen osio käsittelee kahta perusmuuttujaa 1. Aurinko ja 2. Luonnollinen kasvihuoneilmiö, jotka mielestäni ovat ne perus-muuttujat, jotka ilmastoa lämmittävät ja jäähdyttävät.

Osa 1

Teoria  

Kesällä 2014 ryhdyin selvittämään ilmastonmuutoksen dynamiikkaa. Koska ilmasto ja sen täydellinen mallintaminen on lähes mahdoton tehtävä, tärkeimpänä ajatuksena pidin aikaan sidottuja tapahtumia, vertailukohtana ihmisen toiminta vs. luonnon dynamiikka. Eli ajan suhteellisella kestolla on merkitystä. Planetaarisissa mittasuhteissa, luonnon dynamiikka on hidas prosessi. Näin ollen ihmisen vaikutus luontoon on paljon nopeampaa.

Tässä esityksessä käyn läpi osittaisderivointia ja päädyin ratkaisuun, että ihmistoiminnan aiheuttama muutosnopeus on suurempi, kuin luonnon korjaava dynamiikka.

Esitän myös perusteluja paitsi ihmistoiminnan aiheuttamalle muutosnopeudelle, myös postulaatin, sekä hieman dynamiikkaan (dΦ, dΦx, dΦy) liittyvää johdatusta.

Johdan myös pythagoraan lauseesta yhtälön, joka kuvaa osittaisderivoinnin summaa, missä (xn) saa periaatteessa rajattoman määrän dimensioita. Eli käytännössä yhtälö kertoo ihmisen aiheuttamaa muutosnopeutta suhteessa luonnon korjaavaan dynamiikkaan. Käyn läpi myös havaintoja.

Ja lopuksi huomioita ilmastomallinnuksista ja johdan siitä fluidin integraalin ja lyhyen selvityksen tavasta, miten tämä esitys syntyi vuonna 2014.

Alla olevasta kaaviosta, (joka kuvaa ihmistoiminnan aiheuttamaa muutosnopeutta, suhteessa luonnon korjaavaan dynamiikkaan), osittaisderivoin kahden muuttujan funktiona [z = f (x, y)], eli mihin suuntaan gradientti ∇f eniten kasvaa.

z = f(x, y) => ∂f / ∂x ja ∂f / ∂y => ∇f = (fx, fy)

∂f / ∂x (i) + ∂f / ∂y (j) <=>

∇fI = (∂fI / ∂xI) , (∂f I / ∂yI) <=> ∇fL = (∂fL / ∂xL , (∂fL / ∂yL)

(∂fI / ∂xI, (∂fI / ∂yI) / (∂fL / ∂xL, (∂fL / ∂yL) = ∇fI / ∇fL >> 1

I = ihmistoiminnan aiheuttama muutosnopeus

L = luonnon korjaava dynamiikka

Perusteluja

Dynamiikkaa

Luonnon korjaava dynamiikka pyrkii hidastamaan ihmistoiminnan aiheuttamaa muutosnopeutta, kunnes tasapaino saavutetaan. Ihmistoiminnan aiheuttamia muutoksia ovat maan käytöstä (fossiilinen energia) vapautuneet kasvihuonekaasut, jotka ovat alkaneet lämmittämään ilmakehää. Luonnolliset kasvihuonekaasut eivät lisäänny silloin, kun luonnon dynamiikka on tasapainossa. Luonnolliset kasvihuonekaasut pitävät maapallon keskilämpötilan tasaisena.

Postulaatti

Ihmistoiminnan aiheuttama muutosnopeus on suurempi, kuin luonnon korjaava dynamiikka. 

Luonnon korjaava dynamiikka on pienempi kuin 100%, kunnes se lähestyy arvoa 100%.

dΦ = (dΦ / dx) dx

dΦx = (dΦ / dx) dy

dΦy = (dΦ / dy) dy 

(dx = luonnon korjaava dynamiikka)

(dy = ihmistoiminnan aiheuttama muutosnopeus)

ds2 = dx2 + dy2

ds̄ = dx̄ + dȳ

dΦs = dΦx + dΦy

dΦs = (dΦ / dx) dx + (dΦ / dy) dy

x => x1

y => x2

…

dΦ = (∂Φ / ∂x1) dx1 + (∂Φ / ∂x2) dx2 + …

dΦ = ∑_n (∂Φ / ∂xn) dxn

Huomioita ilmastomallinnuksista

Jotta kyettäisiin konstruoimaan lähes täydellinen ilmastomalli, mielestäni siihen vaadittaisiin koko ilmakehän läpi muodostettu hila, joka kattaisi jokaisen vähintään kuutiometrin kokoisen tilavuuden ja aikaan sidotun fluidin. Fluidin tulisi sisältää kaikki ilmastoon liittyvät parametrit, mukaan lukien spektrianalyysit. Pelkästään ilmakehän tilavuus on ~5.18 x 10^19 m^3. Siihen tarvittaisiin:

~50000000000000000000 hila-pistettä

Eli se tekisi tehtävästä äärimmäisen haasteellisen. Vaikka se tulisi joskus onnistumaan, tämän kaiken integrointi tuottaisi sellaisen määrään dataa, josta riittäisi materiaalia myös tuleville sukupolville hyvin pitkäksi aikaa.

Ohessa fluidin integraali

dF (t) = ∫(∂F / ∂xn) dxn

Tähänastiset viralliset ilmastomallinnukset tuottavat kyllä mielestäni laadukasta dataa, joka on toistaiseksi riittänyt luomaan suhteellisen tarkkoja skenaarioita.

Huomioita tästä esityksestä

Tämä esitys on puhtaasti matemaattinen ja teoreettinen analyysi (yksinkertaistettu). En pyri tässä esityksessä eksakteihin muutosnopeuksien numeerisiin arvoihin, sillä ne on havainnoista todennettavissa (ks. viitteeni BAS = British Antarctic Survey rekonstruktio).

Väittämäni siis on, että viimeisten n. 200 vuoden aikana, ihmiskunnan aiheuttama muutosnopeus on suurempi, kuin luonnon korjaava dynamiikka.

 df (x) I / dxI >> df (x) L / dfL

Osa 2

Aurinko ja luonnollinen kasvihuoneilmiö

Muutoksista ja hajonnasta

Muutos on pysyvää. Muutosten välinen suhde on myös muuttuva. Sitten on joukko ns. luonnon vakioita, joiden suhteen muutoksia voidaan analysoida. Teoreettisesta näkökulmasta, ei itse asiassa muuta tarvita. Loppu syntyy käytännön havainnoista, eli kehittyvän teknologian mittaustarkkuuksina. Jos teknologinen kehitys olisi yhdenmukainen, silloin myös havainnoista saadut tulokset olisivat yhdenmukaisia. Käytäntö on kuitenkin osoittanut, että tämä ei ole aina mahdollista ja tästä syntyvä hajonta voi olla suuri. Toisaalta vain yhtä riittävän luotettavaa havaintomenetelmää ei ole olemassa, siksi niitä tarvitaan useita erilaisia. Lopputulos syntyy approksimaationa.

On tietenkin luonnollista, että ilmaston lämpenemiseen vaikuttaa kaksi tekijää: 1. Aurinko ja 2. luonnollinen kasvihuoneilmiö, joka sieppaa osan auringosta tulevasta lämmöstä ja nostaa maapallon lämpötilaa. Jos tätä ilmiötä ei olisi, maapallolla vallitsisi samanlaiset olosuhteet kuin pakastimessa.

Auringon tuottama lämpötilamuutos termillä:

±ΔTA / Δt ≉ 0

Termi tarkoittaa, että auringon tuottama lämpö (±ΔTA) vaihtelee joko kasvaen (+) tai vähentyen  (-) jollakin aikavälillä (Δt), ja joka poikkeaa nollasta (≉ 0). Tämä osoittaa, että maapallo on asettumassa tiettyyn lämpötilavaihteluun.

Luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottama lämpötilamuutos termillä:

ΔTG / Δt > 1

Tässä termi tarkoittaa, että luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottama lämpötilamuutos (ΔTG) on lisääntymässä samalla aikavälillä (Δt) ja on > 1.

Entä sitten tilanne, missä auringon tuottama lämpötila alkaa kasvamaan tuosta ± arvosta. Mitä tapahtuu kasvihuoneilmiön tuottamalle lämpötilamuutokselle?

ΔTA / Δt > 1 ja ΔTG / Δt > 1

Tässä yksinkertaisesti käy niin, että lämpötilamuutokset summautuvat keskenään:

(ΔTA + ΔTG) / Δt >>1

Eli yksinkertainen summaus kertoo, että jos auringon ja luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottamat lämpötilat ovat kasvussa, kokonaislämpötila nousee. Vastaava tilanne toiseen suuntaan, missä auringon tuottama lämpötilamuutos on laskeva:

-ΔTA / Δt < 1

Kun luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottama lämpötilamuutos on edelleen kasvava:

ΔTG / Δt > 1

Huomataan, että kokonaislämpötilan nousu loivenee:

(-ΔTA + ΔTG) / Δt ≤ 1

Kuinka paljon maapallon kokonaislämpötila loivenee: se luonnollisesti riippuu auringon tuottaman lämpötilan laskusta, sillä luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottama lämpeneminen on edelleen nousussa. Toisaalta, koska auringon tuottama lämpö on luonnollista vaihtelua ja valtameret pyrkivät hidastamaan maapallon lämpenemistä (suuri lämpökapasiteetti), myös pilvien nettovaikutuksen tulisi olla luonnollista lämpenemistä hidastava. Havainnot kuitenkin osoittavat, että luonnolliseen lämpötilavaihteluun on summautuneena nouseva lämpötilatrendi ja se ei selitä luonnollista lämpötilan nousua.

Päätelmä

Luonnollinen kasvihuoneilmiö voimistuu edelleen ja nostaa maapallon lämpötilaa. Miksi näin tapahtuu, se johtuu ilmakehän lisääntyvistä kasvihuonekaasuista ja muista pienhiukkasista, jotka sitovat lämpöä. Itse asiassa ainoa varma tieto ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuuksista aina vuodesta 1958 lähtien on saatu Keelingin mittauksista. Ja se myös tiedetään varmuudella, että viimeaikaiset ilmakehässä olevat kasvihuonekaasupitoisuudet johtuvat ihmisen toiminnasta.

Liite:

Keelingin – aikasarjat (CO₂ ja O₂)

Varhainen Keeling- aikasarja (C. D. Keeling)

1900- luvun alkupuolella epäiltiin, että ilmakehän CO2 -pitoisuudet voisivat nousta ilmakehässä fossiilisten polttoaineiden palamisen seurauksena. Tästä kaasusta tehtiin kuitenkin suhteellisen vähän mittauksia ja mittaukset vaihtelivat suuresti.

Vuonna 1953 Charles (Dave) David Keeling aloitti tohtorintutkinnon Caltechissa, Pasadenassa, Kaliforniassa professori Harrison Brownin johdolla. Hänen alkuperäinen projektinsa oli uraanin uuttaminen graniittikivestä ydinvoimateollisuuden sovelluksilla. Hän ei koskaan aloittanut tätä projektia, mutta professori Brownin rohkaisemana hän osallistui toiseen projektiin, jossa tutkittiin pintavesien karbonaattien, kalkkikiven ja ilmakehän hiilidioksidin välistä tasapainoa. Tähän sisältyi tarkkuuskaasumanometrin rakentaminen ilmasta erotetun CO2:n sekä happamoituneiden vesinäytteiden mittaamiseksi.

Dave Keeling havaitsi merkittäviä vaihteluita CO₂ -pitoisuudessa Pasadenassa, luultavasti teollisuudesta johtuen, ja vei myöhemmin näytteenottolaitteistonsa Big Suriin Montereyn lähellä. Siellä hän alkoi ottaa ilmanäytteitä pitkin päivää ja yötä ja havaitsi pian kiehtovan vuorokauden kuvion. Ilmassa oli yöllä enemmän CO₂ :ta kuin päivällä ja vesihöyryn vaikutusten korjauksen jälkeen hiilidioksidia oli joka iltapäivä suunnilleen sama määrä 310 ppm. Hän käytti stabiilin isotooppisuhteen massaspektrometri-mittauksia hänen uutetusta CO₂ :sta osoittaakseen, että ¹³C  / ¹²C -suhde CO₂ :ssa yöllä oli pienempi kuin päivällä kasvin hengityksen funktiona.

Hän toisti nämä mittaukset Olympicin niemimaan sademetsissä ja Arizonan vuoristometsissä. Kaikkialla tiedot olivat samat – vahva vuorokausikäyttäytyminen ja tasaiset arvot noin 310 ppm iltapäivällä. Selitys tuloksiin tuli meteorologiasta, joka kuvaa ilmakehän turbulenssin vuorokauden malleja. Iltapäivällä Dave Keeling mittasi ”vapaata ilmakehää” edustavia CO₂ -pitoisuuksia, jotka vallitsivat suuressa osassa pohjoista pallonpuoliskoa. Yöaikaan, kun rajakerros oli alempi, CO₂ -pitoisuuteen vaikutti voimakkaasti paikallisten kasvien ja maaperän hengitys.

Dave Keeling ei silloin tiennyt, että hän oli luonut perustan merkittävälle uralleen, joka tutkii ilmakehän CO₂ :n maailmanlaajuista käyttäytymistä.

Vuonna 1956 Dave Keelingin mittaukset tulivat Harry Wexlerin tietoon Yhdysvaltain säätoimistosta ja Roger Revellestä Scripps Institution of Oceanographysta. Molemmille organisaatioille hän ehdotti maailmanlaajuista ohjelmaa, joka perustuu infrapunakaasuanalysaattoreihin ilmakehän CO₂ -pitoisuuden mittaamiseksi useissa syrjäisissä paikoissa ympäri maailmaa, mukaan lukien Etelänapa-asema ja Mauna Loa Havaijilla. Ehdotusta tuki heinäkuussa 1957 alkavan ja joulukuuhun 1958 päättyvän kansainvälisen geofysikaalisen vuoden IGY (International Geophysical Year) projekti.

Dave Keeling osti Weather Bureaun IGY- varoilla neljä infrapunakaasuanalysaattoria Applied Physics Corporationilta. Yksi niistä asennettiin Mauna Loaan maaliskuussa 1958, ja ensimmäisenä käyttöpäivänä ilmakehän CO₂ -pitoisuudeksi kirjattiin 313 ppm.

Dave Keelingin yllätykseksi CO₂ -pitoisuus Mauna Loassa oli kuitenkin noussut 1 ppm:n huhtikuussa 1958 toukokuussa maksimissaan, kun se alkoi laskea saavuttaen minimin lokakuussa. Tämän jälkeen pitoisuus nousi uudelleen ja toisti saman kausiluonteisen kuvion vuonna 1959. Dave Keelingin sanoin: ”Todisimme ensimmäistä kertaa, kuinka luonto veti ilmasta hiilidioksidia kasvien kasvua varten kesällä ja palauttaa sen jokaisena seuraavana talvena”.

Dave Keelingin analyyttinen taito ja omistautuminen olivat tuottaneet tulosta kahdella dramaattisella löydöllä:

Ensinnäkin planeetan luonnollisella kausiluontoisella ”hengityksellä” ja toiseksi ilmakehän hiilidioksidin nousulla, joka johtuu teollisuuden fossiilisten polttoaineiden polttamisesta ja maankäytön muutoksista.

Vuoden 1960 Telluksen artikkelissa ”Hiilidioksidin pitoisuus ja isotooppimäärät ilmakehässä” (pdf) julkaisun merkittävät löydöt merkitsivät alkua nyt maailmankuululle ”Keeling- aikasarjalle”, joka ulottuu nyt yli 60:n vuoden päähän ja edustaa yhtä tärkeimmistä koskaan tehdyistä geofysikaalisista löydöistä.

”Nämä isotooppimittaukset vahvistavat sen, että mistä lähteistä CO₂ on peräisin, kuten esimerkiksi autojen pakokaasuista, kasvillisuudesta ja valtamerestä.”

– R. F. Keeling

Ohessa video, jossa esiintyy C. D. Keeling ja kuinka kaikki lähti liikkeelle

https://www.youtube.com/watch?v=K0Z7RRKzrdg

 Nykyinen Keeling- aikasarja (R. F. Keeling)

Useimmat ymmärtävät Keeling- aikasarjan ilmakehän hiilidioksidin nousutrendiksi C. D. Keelingin Mauna Loa -mittauksilla mitattuna. Mutta on olemassa kaksi Keeling- aikasarjaa ja ne liittyvät toisiinsa useammalla kuin yhdellä tavalla. Kun CO₂ lisääntyy on selvää, että O₂ vähenee (C + O₂ = CO₂). Molemmilla aikasarjoilla on siis selvä suhde.

Mauna Loan CO₂– mittauksiin perustuva Keeling-aikasarja, -jonka C. D. Keeling aloitti vuonna 1958-, on osoittautunut merkittäväksi ilmakehän hiilidioksidin lisääntymisnopeuden merkkipaaluksi.

Se oli ensimmäinen laatuaan oleva aikasarja, joka todisti ihmisen toiminnan suoran vaikutuksen ilmakehään.

R. F. Keeling (Scripps Institute of Oceanographyn CO₂– ohjelman johtaja) on C. D. Keelingin poika. Isä ja Poika keskustelivat 1980- luvulla hiilidioksidin nousun ja hapen vähenemisen välisen suhteen todennäköisyydestä.

Kahden Keeling- aikasarjan yhteensopivuus on jälleen yksi tapa vahvistaa yhteys ihmisen teollisuuden CO₂ -tuotannon ja ilmakehän koostumuksen muutosten välillä, yhdistettynä viimeaikaiseen globaaliin keskilämpötilan nousuun.

R. F. Keeling- aikasarja

Yksinkertainen selitys on, että 100:n menetys megaa kohden (100 per meg) vastaa 100:n O₂– molekyylin häviämistä jokaisesta miljoonasta ilmakehän O₂– molekyylistä.  Asteikko heijastaa hapen muutoksia 1980- luvun puolivälin jälkeen, siksi negatiiviset arvot.

”Vaikka hapen väheneminen saattaa kuulostaa jopa pelottavalta, tosiasia on, että se on vain hyvin pieni osa ilmakehän kokonaishapesta, mutta se on tärkeä havainto. Hapen väheneminen auttaa vahvistamaan CO₂:n lisääntymiseen liittyvän inhimillisen tekijän. Myös kaikki muutokset muissa järjestelmissä, jotka liittyvät ilmakehän happeen, voidaan nähdä tai vahvistaa ilmakehän happitasoissa.”

-R. F. Keeling

Happitasot

Happitasolla tarkoitetaan ilmakehässä tai vedessä olevan hapen määrää. Happea tuottavat fotosyntetisoivat organismit, jotka elävät meressä, makeassa vedessä ja maalla. Näitä organismeja ovat bakteerit, levät ja kasvit. Valtameren fotosyntetisoivat levät tuottavat n. 70 % ilmakehän hapesta. Ilmakehässä tai valtamerissä oli hyvin vähän happea ennen happea tuottavien fotosyntetisoivien bakteerien kehittymistä. 

Hapen nousu ohjasi uudelleen elämän evoluutiota maapallolla, ja nykyään suurin osa maa-, makean veden ja valtameren eliöistä tarvitsee happea hengitykseen , biokemialliseen prosessiin, joka tuottaa energiaa. Sitä vastoin ennen hapen nousua noin 2.5 miljardia vuotta sitten happi oli myrkyllistä melkein kaikille maan varhaisille elämänmuodoille.

Ilmakehän happitasot laskevat nykyään hyvin hitaasti, mikä johtuu fossiilisten polttoaineiden poltosta, joka kuluttaa happea, ja  metsäkadosta, joka vähentää hapen tuotantoa, mutta ei tarpeeksi muuttamaan biologisia prosesseja. Kuitenkin vesiympäristössä veden happipitoisuuden lasku, joka voi johtua ihmisen syöttämästä ylimääräisiä ravinteita, voi vähentää lajipopulaatioita ja muuttaa ekosysteemejä.

Ilmakehän happi vaihtelee korkeuden mukaan, mutta muuten jakautuu tasaisesti. Happitasot voivat kuitenkin vaihdella merkittävästi meri- ja makean veden elinympäristöissä, ja siihen voivat vaikuttaa erilaiset ihmisen toimet ja ympäristöilmiöt:

• Suurin osa valtameren hapesta tulee ilmakehästä tai syntyy pintavesissä, missä se sitten kulkeutuu syvemmälle veteen. Siksi valtameren veden täytyy kiertää tuodakseen happea syvyyksissä eläville organismeille. Tästä syystä esimerkiksi ilmastonmuutoksen aiheuttamat muutokset valtamerten kiertokuluissa voivat vaikuttaa siihen, kuinka paljon happea saapuu syviin vesiin, mikä puolestaan voi muuttaa syvän veden ekosysteemejä.
• Lämpötila vaikuttaa hapen määrään vedessä, koska lämmin vesi sisältää vähemmän happea kuin kylmä vesi. Näin ollen ilmaston lämpeneminen voi vähentää happea valtamerissä, järvissä, joissa ja puroissa, mikä johtaa muutoksiin lajipopulaatioissa .
• Veden ravinteiden, erityisesti typen ja fosforin määrän lisääntyminen voi johtaa happipitoisuuden laskuun. Ravinteet huuhtoutuvat tyypillisesti maasta, ja ne voivat vapautua eroosiosta tai olla peräisin maataloustoiminnassa käytetyistä lannoitteista. Nämä ravinteet lisäävät tuottavuutta erityisesti levien kasvun kautta. Kun levät kuolevat, niitä kuluttavat bakteerit, jotka voivat kuluttaa suurimman osan hapesta, jos levien biomassa on riittävän suuri, tappaen kaloja ja muita lajeja. Tämä prosessi tunnetaan rehevöitymisenä.

CO₂ ja O₂ aikasarjat 1990 – 2022

Scripps Institute of Oceanographyn dataa

https://scrippso2.ucsd.edu/osub2sub-data.html

Lopuksi

Tavoitteita hiilidioksidi-päästöjen ja nielujen tasapainottamiseen

Koronavuosi 2020 antoi viitteitä siitä, miten ilmakehässä oleva hiilidioksidi-pitoisuuden lasku, joka oli ~8%, vaikutti globaaleihin lukemiin Mauna Loalla ym. mittausasemilla. Vaikutusta ei juurikaan havaittu. Mutta miksi näin kävi? Yksinkertaisella matematiikalla, ihmiskunta syöttää ilmakehään ~ 40GtCO2:ta joka vuosi ja siitä ~50% päätyy nieluihin. Jos 40GtCO2:sta vähennetään tuo 8%, se vastaa ~3GtCO2:ta ja nielut ~20GtCO2:ta. Eli ilmakehässä olevan hiilidioksidi-pitoisuuden kasvua on vielä ~17%. Eli päästöjä on vähennettävä puoleen tai nieluja on lisättävä, jotta päästäisiin tilanteeseen, että nielut ovat suuremmat kuin päästöt. Toisaalta jos päästöt vähenisi ~2% joka vuosi ja nielut lisääntyisi vastaavat 2%, silloin menisi aikaa ~20 vuotta, jolloin tilanne tasoittuisi. Tämän jälkeen pitoisuudet alkaisivat taittumaan. Eli ei aivan mahdoton tehtävä.

Referenssi

Mielestäni paras mahdollinen referenssi ihmiskunnan aiheuttaman muutosnopeuden ja luonnon korjaavan dynamiikan väliseen suhteeseen on BAS:n (British Antarctic Survey / Natural Environment Research Council) rekonstruktio ja Godwinlab. He ovat erikoistuneet mittaamaan jääytimistä kasvihuonekaasujen pitoisuuden ja isotooppisen koostumuksen.

Lähteet: British Antarctic Survey ja Godwinlab

https://www.bas.ac.uk/polar-operations/sites-and-facilities/facility/cambridge-hq/ice-chemistry-laboratories/ice-core-gas-lab/

https://godwinlab.esc.cam.ac.uk/