Infrastruktuurin myötä, maapallon albedo on muutoksessa so. ihmisen aiheuttamaa muutosnopeutta

Toisenlainen tulkinta Maan albedosta (α)

Esiteollisen ajan ja nykyaikaisen ajan vertailu infrastruktuurin muutoksessa liittyy vahvasti maapallon albedoon, eli siihen, kuinka paljon auringon säteilyä maan pinta heijastaa takaisin avaruuteen. Mutta tässä puheenvuorossa ei kiinnitetä huomioita tähän muutokseen, vaan ihmiskunnan aiheuttamaan muutosnopeuteen. 

Esiteollinen aika

Esiteollisella ajalla (noin 1800 -luvun alkuun asti) maapallon albedo on ollut suhteellisen korkea. Tämä johtui pääasiassa seuraavista syistä:

• Luonnolliset pinnat: Suuri osa maan pinnasta oli peitetty metsillä, järvillä ja muilla luonnollisilla muodostelmilla, jotka heijastivat auringonvaloa ja imivät mm. hiilidioksidia. 
• Maatalous: Maatalouden harjoittaminen oli vähemmän intensiivistä, ja maaperä oli usein viljelty perinteisin menetelmin, mikä vaikutti maan pinnan ominaisuuksiin ja albedo-arvoon.

Nykyaika

Nykyaikana (1800-luvun lopulta tähän päivään) on tapahtunut merkittäviä muutoksia infrastruktuurissa, jotka ovat vaikuttaneet maapallon albedoon:

• Kaupungistuminen: Kaupunkien kasvu on johtanut suurten, tummien pintojen (esim. asfaltin ja betonin) lisääntymiseen, mikä yleensä vähentää albedoa, koska nämä pinnat imevät enemmän auringonvaloa.
• Teollisuus ja maatalous: Teollinen maatalous ja teollisuus ovat muuttaneet maan käyttöä ja pinnan ominaisuuksia, mikä on vaikuttanut albedoon. Esimerkiksi intensiivinen maankäyttö, kuten viljelypeltojen muokkaus, vähentää maaperän heijastavuutta.
• Ilmastonmuutos: Ilmastonmuutos vaikuttaa myös albedoon, sillä sulava jää ja lumipeite, jotka heijastavat valoa, muuttuvat, ja tumma meri tai maa voi korvata ne, mikä vähentää albedoa entisestään.

Yhteenveto

Ero esiteollisen ajan ja nykyaikaisen ajan välillä albedon suhteen on merkittävä. Nykyaikaiset infrastruktuurin muutokset, kuten kaupungistuminen ja teollistuminen, ovat johtaneet albedon laskemiseen.

Albedon määrittely

Albedo (α) on määritelty seuraavasti:

α = I_HEIJASTUNUT / I_SAAPUVA

Missä:

• I_HEIJASTUNUT = heijastunut säteily (auringon säteily, joka heijastuu takaksin avaruuteen).
• I_SAAPUVA = saapuva säteily (auringon säteily, joka osuu maapallon pinnalle).

Tätä voimme kuvata yhtälöllä:

dα/dt = f(α, x)

Missä:

• dα / dt = albedon muutos ajan suhteen.
• f (α, x) = funktion, joka kuvaa albedon muutosta. Tämä funktio voi riippua useista muuttujista, kuten ihmistoiminnasta (x), maankäytöstä ja infrastruktuurin muutoksista.

Esimerkki muutoksesta

Yksinkertainen malli voisi olla:

dα/dt = kx

Missä:

• k = positiivinen vakio, joka kuvaa ihmistoiminnan vaikutusta albedoon.
• x = ihmistoimintaan liittyvä muuttuja (esim. kaupunkipinta-alan kasvu, metsien hävittäminen).

Ratkaisun tulkinta

Ratkaisemalla edellinen yhtälö voimme saada albedon aikakehityksen seuraavasti:

α(t) = α₀ – k ∫₀ ^t x dt

Missä α₀ on albedon alkuarvo.

Jos x kasvaa ajan myötä (esimerkiksi lisääntyvän kaupungistumisen ja teollistumisen vuoksi), niin integraali kasvaa, ja näin ollen α (t) vähenee. Tämä osoittaa, että albedo on vähentynyt.

Johtopäätös

Näiden yhtälöiden avulla voimme siis mallintaa albedon muutosta ja arvioida, että infrastruktuurin ja ihmistoiminnan muutosten myötä albedo on vähentynyt.

Nyt herää kysymys: Kuinka nopeaa tämä albedon muutos olisi, jos ihmiskunta ei olisi muuttanut infrastruktuuria?

Jos ihmiskunta ei olisi muuttanut infrastruktuuria merkittävästi esiteolliselta ajalta tähän päivään, albedon muutos olisi todennäköisesti ollut hyvin hidasta ja pääosin luonnollisten tekijöiden ohjaamaa. Tämä johtuu siitä, että ilman ihmisen vaikutusta albedon muutosta ohjaisivat pääasiassa geologiset ja ilmastolliset prosessit, jotka toimivat paljon hitaammilla aikaskaaloilla kuin ihmisen aikaansaamat muutokset.

Luonnolliset tekijät ilman infrastruktuurin muutosta

Jos infrastruktuuri ja maankäyttö eivät olisi muuttuneet, albedon muutos olisi pääosin riippunut seuraavista tekijöistä:

1. Ilmastolliset muutokset (luonnollinen ilmastonvaihtelu)

• • Luonnollinen ilmastonvaihtelu, kuten jääkaudet ja lämpimät kaudet, voisi vaikuttaa albedoon. Jääkausina lumipeitteet ja jäätiköt lisäävät albedoa, kun taas lämpiminä kausina jäätiköiden sulaminen vähentää sitä.
  • Tämän tyyppiset muutokset tapahtuvat kuitenkin tuhansien tai kymmenien tuhansien vuosien aikaskaaloilla, mikä tarkoittaa, että albedo muuttuisi hitaasti.

2. Kasvillisuuden ja ekosysteemien muutokset:

• • Ilman ihmisen vaikutusta kasvillisuus olisi muuttunut ajan myötä luonnollisten prosessien, kuten metsien palamisen, kasviston leviämisen ja maaperän eroosion vuoksi.
  • Nämä muutokset voivat muuttaa paikallisesti albedoa, mutta vaikutukset olisivat olleet suhteellisen pieniä ja hitaita.

3. Tuhoprosessit, kuten tulivuorenpurkaukset:

• • Suuret tulivuorenpurkaukset voivat heittää ilmakehään tuhkaa ja aerosoleja, jotka heijastavat auringon säteilyä ja vaikuttavat albedoon väliaikaisesti. Näiden vaikutus voi kestää kuukausista muutamaan vuoteen, mutta ne eivät aiheuttaisi pitkäaikaista albedon muutosta ilman jatkuvia purkauksia.

Vertailu ihmisen vaikutuksiin

Ihmisen vaikutus infrastruktuurin muutoksiin – kuten kaupungistuminen, teollistuminen, metsien hävittäminen ja maatalouden tehostuminen – on tapahtunut hyvin nopeasti verrattuna luonnollisiin prosesseihin. Nämä muutokset ovat vaikuttaneet merkittävästi maapallon pintaan, ja näin ollen albedo on muuttunut paljon nopeammin.

Ihmisen vaikutuksen albedon muutoksessa voidaan arvioida tapahtuneen noin 100–200 vuoden aikana (eli teollistumisen ajanjaksolla), mikä on lyhyt aika geologisessa mittakaavassa. Ilman ihmisen infrastruktuurimuutoksia albedon muutos olisi todennäköisesti ollut niin hidasta, että merkittäviä eroja ei olisi havaittu muutamassa sadassa vuodessa.

Yhtälön soveltaminen ilman ihmisen vaikutusta

Voimme edelleen kuvata albedon muutosta differentiaaliyhtälön avulla, mutta ilman ihmisen aiheuttamaa infrastruktuurimuutosta muuttujasta x (ihmistoiminnan vaikutus) tulisi merkityksetön. 

Yksinkertainen yhtälö voisi olla:

dα/dt = (g, luonnolliset tekijät)

Tässä yhtälössä g(α, luonnolliset tekijät) kuvaisi hitaasti tapahtuvia luonnollisia prosesseja, kuten jääkausien ja kasvillisuuden muutosten vaikutuksia. Tämä termi olisi kuitenkin niin pieni, että albedon muutokset olisivat lähes olemattomia ihmisen elinaikana.

Johtopäätös

Jos infrastruktuuria ei olisi muutettu ihmistoiminnan vaikutuksesta, maapallon albedo olisi muuttunut erittäin hitaasti. Suuria muutoksia ei olisi tapahtunut muutamassa sadassa vuodessa, ja albedon kehitys olisi ollut pääosin riippuvainen luonnollisista ilmastollisista ja geologisista prosesseista.

Integraali

Luonnolliset tekijät muuttavat albedoa hitaasti noin vakionopeudella. Tämä voidaan esittää seuraavasti:

g (α, luonnolliset tekijät) = – ε

Missä ε on hyvin pieni vakio, joka kuvaa albedon hidasta laskua luonnollisten tekijöiden vuoksi (esim. jääpeitteiden väheneminen ilmaston lämpenemisen takia).

Integraali ilman ihmisen vaikutusta

Jos ihmisen vaikutusta ei ole, alkuperäinen albedon yhtälö ilman ihmistoiminnan muuttujaa x yksinkertaistuu seuraavaksi:

dα/dt = – ε

Tämän yhtälön ratkaisu on:

α(t) = α₀ – εt

Missä:

• α₀ = albedon alkuarvo (esim. esiteolliselta ajalta).
• εt = kuvaa albedon vähentymistä luonnollisten prosessien kautta ajan myötä.

Koska ε on hyvin pieni, albedon muutos olisi erittäin hidasta. Tämä tarkoittaa, että satojen tai jopa tuhansien vuosien aikana albedo muuttuisi vain hyvin vähän.

Vertailu ihmisen vaikutukseen

Jos otamme huomioon ihmisen vaikutuksen (infrastruktuurin ja maankäytön muutokset), aiemmin esitetty yhtälö, jossa ihmisen vaikutus otetaan huomioon muuttujalla x oli seuraava:

α(t) = α₀ – k ∫ ₀ ^t x dt

Missä k on vakio, joka kuvaa ihmisen infrastruktuurin vaikutusta. Ihmisen vaikutukset, kuten metsäkato, kaupungistuminen ja teollistuminen, kasvattavat muuttujaa x, jolloin albedon lasku kiihtyy. Tämä on paljon nopeampi prosessi kuin luonnollinen albedon muutos.

Jos yhdistämme nämä kaksi vaikutusta – luonnollisen ja ihmisen – albedon kokonaismuutos ajan myötä voisi olla seuraava:

α(t) = α₀ – εt – k ∫₀ ^t x dt

Johtopäätös

1. Ilman ihmisen vaikutusta: Albedo muuttuisi hitaasti luonnollisten tekijöiden, kuten jääkausien ja ilmastonmuutoksen vuoksi. Tämä muutos on kuvattu yhtälöllä α (t) = α₀ – εt, missä ε in hyvin pieni vakio.

2. Ihmisen vaikutuksen kanssa: Albedon muutos kiihtyy infrastruktuurin ja maankäytön muutosten vuoksi, mikä voidaan kuvata integraalina k ∫₀ ^t x dt, joka kuvaa ihmisen vaikutusta. Tämä nopeuttaa albedon laskua paljon verrattuna luonnolliseen kehitykseen.

Yhdistämällä nämä kaksi vaikutusta saadaan tarkempi kuva siitä, kuinka paljon nopeammin albedo on muuttunut ihmisen vaikutuksen vuoksi verrattuna siihen, miten hitaasti se olisi muuttunut ilman ihmistoimintaa.

Lopuksi

Mitä tämä kaikki tarkoittaa käytännössä: Kun albedo pienenee, mm. maahan auringosta saapuva lyhytaaltoinen säteily lisääntyy. Mutta kuten puheenvuoron alussa totesin, tämä ei kuitenkaan ole tämän puheenvuoron viesti, vaan ihmiskunnan aiheuttama muutosnopeus, joka kirkkaasti ylittää luonnollisen muutosnopeuden esiteollisesta ajasta tähän päivään silloin, kun puhutaan ihmiskunnan aiheuttamasta infrastruktuurista tällä planeetalla.

dα/dt ≈ -kx(t)

Tämä yhtälö osoittaa, että ihmisen toiminnan vaikutus on niin suuri, että luonnon hidas muutos – ε jää käytännössä huomiotta. Koska kx(t) on useita kertaluokkia suurempi kuin ε, ihmisen infrastruktuurin ja maankäytön muutokset aiheuttavat nopean albedon muutoksen, johon luonto ei ehdi vastaamaan.

(vrt. albedon kehitystä)