Vesihöyryn positiivinen takaisinkytkentä – fysikaalinen, matemaattinen ja havaintoihin perustuva tarkastelu

Kertaus syventää osaamista

1. Johdanto

Vesihöyryn positiivinen takaisinkytkentä on yksi maapallon ilmastojärjestelmän tärkeimmistä lämpenemistä vahvistavista mekanismeista. Sen perusperiaate on, että maapallon lämpötilan nousu lisää ilmakehän vesihöyryn määrää, mikä voimistaa kasvihuoneilmiötä ja aiheuttaa lisää lämpenemistä.

Ilmiötä voidaan perustella fysikaalisesti tarkastelemalla kasvihuonekaasujen vaikutusta Maan lämpösäteilyyn, matemaattisesti kuvaamalla energiatasapainoa ja takaisinkytkennän vahvistavaa vaikutusta sekä havaintojen avulla tutkimalla ilmakehän kosteuden, lämpötilan ja säteilyn välisiä yhteyksiä.

2. Miksi maapallon lämpötila nousee?

Maapallon lämpötilan nykyinen nousu johtuu ennen kaikkea ihmisen toiminnan aiheuttamasta kasvihuonekaasupitoisuuksien kasvusta. Erityisen merkittävä kasvihuonekaasu on hiilidioksidi, jota vapautuu muun muassa fossiilisten polttoaineiden käytöstä ja metsien hävittämisestä.

Maapallo vastaanottaa Auringosta lyhytaaltoista säteilyä ja luovuttaa energiaa avaruuteen pääasiassa pitkäaaltoisena infrapunasäteilynä. Kasvihuonekaasut, kuten hiilidioksidi ja vesihöyry, absorboivat osan Maan lähettämästä infrapunasäteilystä ja emittoivat sitä uudelleen eri suuntiin.

Kun ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa, avaruuteen poistuva lämpösäteily vähenee aluksi suhteessa tulevaan aurinkoenergiaan. Maapallon energiatasapaino häiriintyy, minkä seurauksena energiaa kertyy ilmastojärjestelmään ja erityisesti valtameriin. Maapallon pinta ja ilmakehä lämpenevät, kunnes avaruuteen poistuva säteily kasvaa jälleen vastaamaan tulevaa energiaa.

Tätä alkuperäistä kasvihuonekaasujen aiheuttamaa muutosta kutsutaan säteilypakotteeksi. Vesihöyry vahvistaa sen käynnistämää lämpenemistä.

3. Vesihöyryn positiivisen takaisinkytkennän fysikaalinen perustelu

3.1 Lämpeneminen lisää ilmakehän vesihöyryä

Kun veden lämpötila nousee, vesimolekyylien keskimääräinen liike-energia kasvaa. Tällöin useampi molekyyli pystyy siirtymään nestemäisestä vedestä kaasumaiseen olomuotoon, jos muut olosuhteet pysyvät samoina. Haihtuminen voi siten lisääntyä.

Lisäksi lämpimässä ilmassa voi olla enemmän vesihöyryä ilman, että suhteellinen kosteus kasvaa. Ilmakehän kosteuden ja lämpötilan välinen yhteys voidaan siis selittää fysikaalisesti ilman kylläisen höyrynpaineen Clausius–Clapeyronin yhtälöä.

On kuitenkin huomattava, että ilmakehän todellinen vesihöyrypitoisuus riippuu myös ilmavirtauksista, sateista, tiivistymisestä ja veden saatavuudesta. Siksi kosteus ei kasva samalla tavalla kaikkialla.

3.2 Vesihöyry voimistaa kasvihuoneilmiötä

Vesihöyrymolekyylit absorboivat tehokkaasti Maan pinnan lähettämää infrapunasäteilyä. Kun ilmakehän vesihöyryn määrä kasvaa, säteily absorboituu tehokkaammin tietyillä aallonpituuksilla.

Absorboitunut energia emittoituu uudelleen eri suuntiin. Osa säteilystä kulkee takaisin kohti maanpintaa, ja osa suuntautuu avaruuteen. Vesihöyryn lisääntyminen siirtää monilla aallonpituuksilla avaruuteen pääsevän säteilyn efektiivistä lähtötasoa korkeammalle ilmakehään. Koska troposfäärin lämpötila yleensä laskee korkeuden kasvaessa, tämä vähentää avaruuteen poistuvaa säteilyä suhteessa tilanteeseen, jossa vesihöyry ei olisi lisääntynyt.

Maapallon on tällöin lämmettävä lisää, jotta se kykenee säteilemään avaruuteen jälleen yhtä paljon energiaa kuin se vastaanottaa.

3.3 Takaisinkytkennän muodostuminen

Fysikaalinen syy-seurausketju voidaan esittää seuraavasti:

Kasvihuonekaasujen lisääntyminen ⇒ Maapallon lämpötila nousee ⇒ Ilmakehän vesihöyrymäärä kasvaa ⇒ Vesihöyryn kasvihuonevaikutus voimistuu ⇒ Lämpeneminen vahvistuu edelleen..

Kyseessä on positiivinen takaisinkytkentä, koska alkuperäinen lämpötilamuutos käynnistää prosessin, joka voimistaa samaa muutosta.

4. Matemaattinen perustelu

4.1 Maapallon energiatasapaino

Maapallon lämpötilan muutosta voidaan kuvata yksinkertaistetulla energiatasapainon yhtälöllä:

C x dT/dt = F – λ₀T + F_{w v}

Missä:

• C on ilmastojärjestelmän tehollinen lämpökapasiteetti
• T on lämpötilan muutos
• F on alkuperäinen säteilypakote
• λ₀ on lämpenemistä vastustavan säteilyvasteen voimakkuus
• F_{w v} on vesihöyrytakaisinkytkennän aiheuttama lisäys säteilypakotteeseen

Yhtälö ilmaisee, että lämpötilan muutos riippuu alkuperäisestä säteilypakotteesta, lämpenemisen aiheuttamasta vakauttavasta säteilyvasteesta ja vesihöyryn vahvistavasta vaikutuksesta.

4.2 Takaisinkytkennän vaikutus tasapainolämpötilaan

Oletetaan, että vesihöyryn takaisinkytkentä voidaan pienissä lämpötilamuutoksissa kuvata lineaarisesti:

F_{w v} = gT

Missä g > 0 on vesihöyrytakaisinkytkennän voimakkuutta kuvaava kerroin

Tasapainossa lämpötila ei enää muutu, joten:

dT/dt = 0

Energiatasapainon yhtälö muuttuu muotoon:

0 = F – λ₀T + gT

Tästä saadaan:

F = (λ₀ – g) T

Tasapainon lämpötilamuutos on siten:

T = F/λ₀ – g

Ilman vesihöyrytakaisinkytkentää tasapainon lämpötilamuutos olisi:

T₀ = F/λ₀

Koska g > 0, saadaan ehdolla λ₀  > g

F/λ₀ – g > F/λ₀

Kun F > 0

Tästä seuraa:

F > T₀

Matemaattisesti tämä osoittaa, että positiivinen vesihöyrytakaisinkytkentä kasvattaa alkuperäistä lämpötilavastetta.

Tulos ei tarkoita, että lämpötila kasvaisi rajattomasti. Kun λ₀ > g, järjestelmällä on tässä yksinkertaistetussa mallissa vakaa tasapainotila. Todellinen ilmastojärjestelmä sisältää useita samanaikaisia takaisinkytkentöjä, joten yhtälö kuvaa perusperiaatetta eikä koko ilmastojärjestelmää täydellisesti.

5. Havaintoihin perustuva perustelu

Vesihöyryn positiivista takaisinkytkentää tukevat useat toisistaan riippumattomat havaintotyypit.

5.1 Ilmakehän vesihöyrypitoisuus

Satelliitit, radiosondit ja maanpinnan mittausasemat osoittavat, että ilmakehän vesihöyrypitoisuus kasvaa ilmaston lämmetessä. Tämä on yhdenmukaista sen kanssa, että lämpimämpi ilmakehä voi sisältää enemmän kosteutta.

Havainto tukee takaisinkytkennän ensimmäistä vaihetta:

ΔT > 0 ⇒ Δq > 0

Missä q tarkoittaa ilmakehän vesihöyryn sekoitussuhdetta

Pelkkä kosteuden ja lämpötilan samanaikainen kasvu ei kuitenkaan yksin todista koko takaisinkytkentää. Lisäksi on osoitettava vesihöyryn säteilyvaikutus.

5.2 Satelliittien säteilymittaukset

Satelliitit mittaavat Maan avaruuteen lähettämää infrapunasäteilyä eri aallonpituuksilla. Kun mittauksia verrataan ilmakehän lämpötila- ja kosteusprofiileihin, voidaan arvioida vesihöyryn vaikutusta säteilytaseeseen.

Havainnot tukevat sitä, että vesihöyry absorboi Maan lämpösäteilyä ja että vesihöyryn lisääntyminen vahvistaa kasvihuonevaikutusta.

Tämä tukee takaisinkytkennän toista vaihetta:

Δq > 0 ⇒ ΔF_{w v} > 0

Missä ΔF_{w v} kuvaa vesihöyryn muutoksen aiheuttamaa säteilyvaikutusta

5.3 Tutkimusten ja ilmastomallien tulokset

Sodenin ja Heldin jo vuonna 2006 julkaisema tutkimus tarkasteli ilmastomallien takaisinkytkentöjä ja osoitti vesihöyryn olevan merkittävä positiivinen takaisinkytkentä. Gettelmanin ja Fun vuonna 2008 julkaisema tutkimus puolestaan tarkasteli ylä-troposfäärin vesihöyryn ja lämpötilan yhteyttä satelliittihavaintojen avulla. Tulokset tukivat fysikaalista käsitystä kosteuden lämpötilariippuvuudesta.

Myös IPCC:n kuudennen arviointiraportin mukaan vesihöyryyn ja ilmakehän lämpötilaprofiiliin liittyvät muutokset ovat keskeisiä ilmaston lämpenemistä vahvistavia mekanismeja.

Havaintojen, fysikaalisen teorian ja ilmastomallien välinen yhdenmukaisuus vahvistaa käsitystä siitä, että vesihöyryn positiivinen takaisinkytkentä on todellinen ilmastojärjestelmän ominaisuus.

6. Mitä positiivinen takaisinkytkentä ei tarkoita?

Vesihöyryn positiivinen takaisinkytkentä ei tarkoita, että vesihöyry olisi nykyisen ilmastonmuutoksen alkuperäinen tai ainoa syy. Vesihöyry poistuu troposfääristä sateena suhteellisen nopeasti, kun taas hiilidioksidin vaikutus kestää paljon pidempään. Ihmisen lisäämät pitkäikäiset kasvihuonekaasut käynnistävät siksi pitkäkestoisen lämpenemisen, jota vesihöyry vahvistaa.

Positiivinen takaisinkytkentä ei myöskään tarkoita rajatonta lämpenemistä. Maapallon lämpösäteily kasvaa lämpötilan noustessa, mikä vastustaa lämpenemistä. Lisäksi pilvien, lumen, jään ja ilmakehän kierron muutokset vaikuttavat ilmaston kokonaisvasteeseen.

On myös erotettava kaasumaisen vesihöyryn takaisinkytkentä pilvien vaikutuksesta. Pilvet voivat sekä heijastaa Auringon säteilyä että vähentää lämpösäteilyn poistumista avaruuteen, joten niiden nettovaikutus on erillinen kysymys.

7. Johtopäätös

Vesihöyryn positiivinen takaisinkytkentä voidaan perustella fysikaalisesti, matemaattisesti ja havaintojen perusteella ilman Clausius–Clapeyronin yhtälöä.

Fysikaalisesti lämpeneminen lisää yleensä ilmakehän vesihöyrymäärää, ja vesihöyry absorboi tehokkaasti Maan infrapunasäteilyä. Matemaattisesti vesihöyryn vahvistava vaikutus kasvattaa lämpötilavastetta pienentämällä lämpenemistä vastustavaa nettosäteilyvastetta. Havaintojen perusteella ilmakehän vesihöyrypitoisuus kasvaa lämpimämmässä ilmastossa, ja säteilymittaukset tukevat vesihöyryn kasvihuonevaikutusta.

Vesihöyryn positiivisen takaisinkytkennän ydin on seuraava: ihmisen lisäämät pitkäikäiset kasvihuonekaasut käynnistävät lämpenemisen, lämpeneminen lisää ilmakehän vesihöyryä ja vesihöyryn kasvihuonevaikutus vahvistaa alkuperäistä lämpenemistä.

Lopuksi

Keskeisiä lisä-lähteitä ei enää tässä vaiheessa kaiketi tarvita. Uskoisin, että asiaan vakavasti perehtyneet ne jo varmasti tietävät ja osaavat. Toisaalta joillekin toisinajatteleville tämä ongelma on tuottanut harmaita hiuksia, ja oliko se Mr. X joka tähän säteilynsiirto-laskelmissaan aikoinaan kompastui.