Mitkä ovat ihmiskunnan CO2 -päästöt suhteessa luonnollisiin – lämpötilan nousu

Perusasioiden toistoa 

Tämän teeman ympäriltä näyttäisi edelleen syntyvän valtava määrä polemiikkia, epätietoisuutta ja spekulointia, että onko se IPCC oikeassa vai väärässä ja kuka vetää sen pidemmän tikun voidakseen kaataa tämän kansainvälisen ilmastopaneelin. On kuitenkin hyvä muistaa, ettei IPCC tee varsinaista tutkimusta, joten aikomukset sen kaatamiseen ovat turhia. Tämän sijaan pitäisi kaataa koko tiedeyhteisö, joka niitä tutkimuksia tekee, ja sekin on turha yritys.

Todellisuudessa ihmiskunnan CO₂ -päästöt ovat merkittävä osa kokonaispäästöistä, mutta niitä on tärkeää suhteuttaa luonnollisiin CO₂ -päästöihin, jotta ymmärretään niiden vaikutusta ilmastonmuutokseen.

Luonnolliset CO₂ -päästöt

• Maanpäälliset ekosysteemit ja meret vapauttavat CO₂:ta ilmakehään luonnollisissa prosesseissa, kuten kasvien hengityksessä ja merien kaasun vaihdossa.
• Vulkaaninen toiminta on myös vähäinen mutta jatkuva luonnollinen hiilen lähde ilmakehään.

Hiilen luonnollinen kierto

• Luonnolliset CO₂ -päästöt ovat suuria, ja niitä arvioidaan olevan noin 750 miljardia tonnia (Gt) CO₂:ta vuodessa, kun otetaan huomioon kaikki luonnolliset prosessit (esim. maaperän ja kasvien hengitys, valtamerten päästöt).
• Hiilen imeytymisprosessi (esim. fotosynteesi ja valtameret) poistaa käytännössä saman määrän CO₂:ta ilmakehästä vuosittain, joten luonnollinen kierto on tasapainossa ilman ihmisen vaikutusta.

Ihmisen aiheuttamat CO₂ -päästöt

• Ihmisen toiminta, erityisesti fossiilisten polttoaineiden käyttö (öljy, hiili, kaasu), metsien hakkuu ja maankäytön muutokset, lisäävät ilmakehään ylimääräistä CO₂:ta.
• Esim. vuonna 2022 ihmiskunnan CO₂ -päästöt olivat noin 36–37 miljardia tonnia (Gt) CO₂ :ta vuodessa.

Suhde

• Luonnolliset päästöt ovat noin 750 Gt CO₂ :ta vuodessa.
• Ihmisen aiheuttamat päästöt ovat n. 36–37 Gt CO₂ :ta vuodessa, mikä on n. 4.8 % luonnollisista päästöistä.

Miksi ihmiskunnan päästöt ovat merkittäviä?

• Vaikka ihmiskunnan päästöt ovat suhteellisen pieni osa kokonaispäästöistä, ne aiheuttavat ylijäämän ilmakehään, koska luonnolliset prosessit eivät pysty poistamaan tätä ylimääräistä CO₂ :ta.
• Luonnollinen kierto oli tasapainossa ennen ihmiskunnan vaikutusta, mutta nyt tämä ylimääräinen 36–37 Gt CO₂:ta vuodessa kertyy ilmakehään, mikä johtaa ilmakehän CO₂ -pitoisuuden kasvuun ja siten ilmaston lämpenemiseen.

Ilmastonmuutoksen vaikutus

• Ihmisen tuottama ylimääräinen CO₂ on johtanut siihen, että ilmakehän CO₂ -pitoisuus on noussut n. 50 % esiteollisesta ajasta lähtien, mikä on merkittävä syy ilmaston lämpenemiseen.

Näin ollen ihmisen aiheuttamat päästöt ovat keskeisiä ilmastonmuutoksen kannalta, vaikka ne ovat vain murto-osa luonnollisista päästöistä.

Ilmaston lämpeneminen

CO₂ -pitoisuuden lisääntyminen ilmakehässä ja sen vaikutus ilmaston lämpenemiseen voidaan kohtuullisen helposti osoittaa seuraavilla yhtälöillä, jotka kuvaavat CO₂:n kertymistä ilmakehään ja sen vaikutusta lämpötilaan.

Vaihe 1

CO₂:n kertyminen ilmakehään

Merkitään, että CO₂:n C(t) kasvu ajan funktiona t voidaan luvata yhtälöllä, jossa ihmisen aiheuttamat päästöt lisäävät CO₂ -pitoisuutta ja luonnolliset prosessit (hiilinielut) poistavat CO₂ :ta ilmakehästä. Yhtälö näyttää tältä:

dC(t)/dt = E – αC(t)

• C(t) = CO₂ -pitoisuus ilmakehässä ajanhetkellä t (ppm)
• E = ihmisen tuottama CO -päästönopeus (Gtn vuodessa)
• α = luonnollisten hiilinielujen tehokkuus, eli kuinka nopeasti CO₂ poistuu ilmakehästä.

Tämä on yksinkertainen ensimmäisen asteen lineaarinen differentiaaliyhtälö, joka kuvaa, miten ihmisen päästämä CO₂ kertyy ilmakehään ja miten luonnolliset nielut poistavat sitä ajan kuluessa.

Ratkaisu C(t) yhtälölle

dC(t)/dt + αC(t) = E

Yleinen ratkaisu on muotoa:

C(t) = E/α + (C₀ – E/α) e^-αt

• C₀ = CO₂ -pitoisuus ajanhetkellä t = 0

Tämä ratkaisu kertoo, että CO₂ -pitoisuus C(t) lähestyy asymptoottisesti vakioarvoa E/α, joka riippuu ihmisen aiheuttamista päästöistä ja luonnollisten prosessien tehokkuudesta.

Vaihe 2

CO₂:n vaikutus lämpötilaan

CO₂ -pitoisuuden vaikutus maapallon lämpötilaan voidaan kuvata säteilypakotteella. Säteilypakotteella F(C) on suora yhteys CO₂ -pitoisuuden ja lämpösäteilyn absorboitumisen välillä. Se on suunnilleen logaritminen suhteessa CO₂ -pitoisuuteen:

F(C)= F₀ + β ln (C(t)/C₀)

• F(C)= säteilypakote (Wm^-2)
• F₀ = säteilypakote esiteollisella tasolla
• C₀ = esiteollinen CO₂ -pitoisuus
• β = vakio, joka liittyy CO₂:n lämmitysvaikutukseen (arvioitu arvo on n. 5.35Wm^-2)

Tämän säteilypakotteen muutoksen vaikutus maapallon keskilämpötilaan voidaan arvioida käyttämällä ilmastoherkkyyttä λ, joka kertoo, kuinka paljon lämpötila muuttuu per wattia säteilypakotteen muutosta kohden:

ΔT(t) = λF(C)

Missä ΔΤ(t) on lämpötilan muutos ajan fuktiona

Vaihe 3

Yhdistäminen lämpötilamuutoksen yhtälöksi

Voimme nyt yhdistää CO₂ -pitoisuuden ja lämpötilan muutoksen. Laitetaan C(t) ratkaisumme säteilypakotteen yhtälöön ja näin saadaan lämpötilan muutoksen kaava:

ΔΤ(t) = λ (F₀ + β ln (C(t)/C₀))

Sijoittamalla C(t) -ratkaisun aiemmasta yhtälöstä:

ΔT(t) = λ (F₀ + β ln (E/αC₀ + (1 – E/αC₀) e^-αt))

Tämä yhtälö kuvaa lämpötilan muutosta ajan funktiona sen perusteella, kuinka CO₂ kertyy ilmakehään ja vaikuttaa säteilypakotteeseen.

Yhteenveto

1. CO₂ kertyy ilmakehään, koska ihmisen aiheuttamat päästöt ylittävät luonnollisten nielujen kapasiteetin poistaa CO₂:ta ilmakehästä. Tätä kuvaa yhtälö dC(t)/dt = E – αC(t).

2. Lisääntyvä CO₂ -pitoisuus voimistaa kasvihuoneilmiötä, koska se lisää säteilypakotetta logaritmisesti: F(C) = F₀ + β ln (C(t)/C₀)

3. Lämpötilan muutos on suoraan verrannollinen säteilypakotteen muutokseen : ΔT(t) = λF(C)

Nämä yhtälöt osoittavat, kuinka ihmisen aiheuttamat CO₂ -päästöt johtavat lämpenemiseen lisäämällä ilmakehän CO₂ -pitoisuutta, mikä puolestaan lisää säteilypakotetta ja nostaa maapallon keskilämpötilaa.