Keelingin- aikasarjat (CO2 ja O2)

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 C13/ C12 -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

0
HannuSinivirta
Sitoutumaton Helsinki

(el. vanh. tut. / FMI)

Ilmoita asiaton viesti

Kiitos!

Ilmoitus asiattomasta sisällöstä on vastaanotettu