Kuin etsisi hiusta uima-altaasta: kuinka paljon päästöjen on pienennyttävä, että muutos näkyy ilmakehässä?

On this page:

Werner Kutsch, Alex Vermeulen and Ute Karstens (suom. Elisa Vainio ja Annalea Lohila)

Fossiilisten polttoaineiden käytöstä aiheutuvat hiilidioksidi (CO2)-päästöt sekoittuvat ja leviävät tuulten mukana lopulta kaikkialle ilmakehään. Yhdellä pallonpuoliskolla sekoittuminen kestää muutaman kuukauden, mutta koska pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon ilmamassat sekoittuvat keskenään hyvin hitaasti, kestää päästöjen täydellinen sekoittuminen kaikkialle ilmakehään yli vuoden. Ilmakehä sisältää jo valmiiksi CO2:a, jota monet eri luonnon prosessit sitovat ja vapauttavat. Esimerkiksi kasvit tarvitsevat sitä kasvuunsa. Kaikki tämä aiheuttaa ajallisia ja paikallisia muutoksia ilmakehän CO2-pitoisuuteen.

Voimme tarkastella päästöjen vaikutuksia ilmakehän CO2-pitoisuuteen yksinkertaisen analogian avulla: kuvitelkaamme uima-allas, jossa vesi edustaa ilmakehän CO2:a ja vedenpinnan korkeus kuvaa CO2-pitoisuutta ilmakehässä. Uima-altaaseen lankeava sade edustaa luonnon CO2-päästöjä ilmakehään ja haihdunta altaasta puolestaan kasvien yhteytyksessä sitomaa CO2:a. Lisäksi altaan pohjassa on vuoto, joka edustaa tässä merien CO2-nielua. Fossiilisista polttoaineista peräisin olevia CO2-päästöjä puolestaan edustaa ylimääräinen hana, josta valuu jatkuvasti lisää vettä altaaseen.

Jos yksi petagramma (1015 g = 1 000 000 000 000 000 g) hiiltä vastaa yhtä kuutiometriä (1 m3) vettä, on kuvittelemamme uima-allas 25 metriä pitkä ja 15 metriä leveä, ja veden syvyys altaassa on 1,57 metriä. Sadanta tuo altaaseen joka vuosi noin 110 m3 uutta vettä, ja suunnilleen sama määrä vettä poistuu pohjassa olevan reiän ja haihdunnan kautta yhteensä. Sadannan ja haihdunnan hetkellisestä vaihtelusta huolimatta vedenpinta pysyy keskimäärin samalla tasolla. Koska altaaseen tulevan ja sieltä lähtevän veden määrä kuitenkin vaihtelee eri tahdissa, on vedenpinta talvella hieman korkeammalla kuin kesällä. Vaihtelua voi olla noin puoli senttimetriä kumpaankin suuntaan, joten voimme todeta vedenpinnan olevan kesällä 1,565 metrissä ja talvella 1,575 metrissä. Näin ollen vedenpinnan korkeuden päivittäinen muutos voi olla keväällä enintään −0,1 millimetriä (100 µm) ja syksyllä +0,1 millimetriä.

A model of "atmospheric swimming pool" without human influence.
Kuva 1. Ilmakehää kuvaavan uima-altaan vedenkorkeuden vaihtelu näyttäisi ilman ihmisen vaikutusta tältä: kuvaajassa näkyy teoreettinen 5 vuoden aikasarja, jossa vedenpinta on korkeimmalla tasolla tammi–helmikuussa ja matalimmillaan heinä–elokuussa. Syynä tähän on se, että valtaosin pohjoisella pallonpuoliskolla sijaitsevat maaekosysteemit poistavat ilmakehästä hiilidioksidia kesällä ja vapauttavat sitä talvella.

 

Suunnilleen 200 vuotta sitten ihminen asensi altaalle ylimääräisen hanan, jota on ajan kuluessa vielä käännetty kovemmalle niin että nykyään hanasta valuu noin 10 m3 vuodessa ylimääräistä vettä altaaseen. Kyseessä on tietenkin ihmisen toiminnasta johtuvat CO2-päästöt. Tämä on kasvattanut myös ulosvirtausta ja niinpä ylimääräisestä vedestä noin 5,7 m3 valuu pois, mutta 4,3 m3 jää altaaseen. Lisääntynyt vesimäärä on tähän mennessä nostanut vedenpintaa 64 senttimetrillä 2,21 metriin. Joka vuosi vedenkorkeus nousee 11 millimetriä, mikä tarkoittaa päivässä keskimäärin 30 mikrometriä (µm). Tämä vastaa hyvin ohuen hiuksen läpimittaa.

Figure 2. The model of how human influence is changing the "atmospheric swimming pool".
Kuva 2. Ihmisen toiminta nostaa vedenkorkeutta ilmakehää kuvaavassa uima-altaassa. Vuodenaikaisvaihtelu ja ylimääräinen vedenlisäys yhdessä muodostavat käyrän, jossa vuodenaikaisvaihtelu edelleen näkyy nousuina ja laskuina, mutta vedenpinta nousee vuodesta toiseen. Kuvaajasta nähdään noin 6 cm nousu 5 vuodessa.

 

COVID-19-poikkeustilanteen vaikutusta on lähes mahdotonta havaita

COVID-19-koronavirukseen ja sen aiheuttamaan pandemiaan liittyvät rajoitus- ja sulkutoimet ovat pienentäneet ylimääräisestä hanasta altaaseen tulevan veden määrän 4,3 kuutiometristä 3,8 kuutiometriin vuodessa, mikä johtaa päivittäiseen 28 µm vedenpinnan nousuun aiemman 32 µm sijaan. Kyse on hyvin ohuen ja vielä sitäkin ohuemman hiuksen välisestä kokoerosta. Tämä vaikutus toki kertautuu ajan kuluessa ja ero kasvaa poikkeusolojen jatkuessa.

Model: The influence of the Covid-19 shutdown distributed equally over 6 months.
Kuva 3. COVID-19-rajoitus- ja sulkutoimien vaikutus (CO2-päästövähennys 2000 megatonnia jaettuna tasaisesti 6 kuukauden ajalle) ilmakehään: vedenkorkeus ilmakehää kuvaavassa uima-altaassa muuttuu erittäin vähän verrattuna tilanteeseen, jossa asiat olisivat jatkuneet ennallaan. Sininen viiva: tilanne jatkuu kuten ennenkin; Punainen viiva: päästöt pienenevät poikkeustilanteen seurauksena.

 

Figure 4: Difference between the "business as usual" and the "lower emissions during the shutdown" models.
Kuva 4. Kun tarkastellaan kuvasta 3 erotettua yhden vuoden aikajaksoa, havaitaan, että käyrien ero kasvaa ajan kuluessa. Huhtikuun lopussa ero on noin puoli millimetriä, mutta kesäkuun loppuun mennessä ero on kasvanut jo 0,8 millimetriin. Sininen viiva: tilanne jatkuu kuten ennenkin; Punainen viiva: päästöt pienenevät poikkeustilanteen seurauksena.

 

Tämän ajatusharjoituksen opetus on tärkeä: COVID-19-viruksesta johtuvalla poikkeustilanteella ei ole juurikaan vaikutusta CO2-pitoisuuden nousuun ilmakehässä. Tilanne on siis ilmakehän kannalta vähän vähemmän huono kuin ennen poikkeusoloja, mutta on edelleen huono – tästä lisää tämän artikkelin lopussa. Tärkeä kysymys, joka on kuultu useasti tämän pandemian aikana: Voidaanko rajoitus- ja sulkutoimien vaikutus havaita ilmakehässä?
Vastaus kuuluu, kuten niin usein tieteessä: ”kyllä, mutta vain teoriassa”. Vaikutuksen voisi havaita yksinkertaisesti käyrien välisessä erossa, ja mittauslaitteemme ovat tarpeeksi tarkkoja havaitsemaan sen. Kuitenkin tietyt seikat tekevät sen käytännössä monimutkaiseksi ja vaikeaksi.

1. Mittaamme vain yhtä käyrää. Meillä ei ole kontrolloitua koeasetelmaa kahdella eri planeetalla – poikkeustilanteen kanssa ja ilman. Tästä johtuen meillä on vain kuvaajan 4 punainen käyrä, jota voimme verrata joko keinotekoiseen (mallinnettuun) käyrään tai aiempiin vuosiin. Molemmissa vaihtoehdoissa on omat ongelmansa. Keinotekoinen sininen käyrä siirtää huomiota pois suorista mittauksista ja on siten altis kritiikille. Aiempiin vuosiin vertaaminen taas johtaa seuraavaan ongelmaan.

2. Globaali hiilenkierto ei toimi kuin seinäkello. Todellisuudessa nousut ja laskut eivät ole niin säännöllisiä kuin kuvaajassa 1, koska sääolot vaihtelevat vuosien välillä. Yhtenä vuonna saattaa olla lämmin talvi ja aikainen kevät, seuraavana vuonna puolestaan myöhäinen kevät. Kesä saattaa olla märkä tai kuiva, syksy lämmin tai kylmä.

 

sp5
Kuva 5. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden luonnollinen vuodenaikaisvaihtelu ei todellisuudessa ole vuodesta toiseen tismalleen samanlaista vaan ”ilmakehä-altaan” vedenkorkeudessa on jonkin verran sääolojen vaihtelusta johtuvaa vuosien välistä vaihtelua. Tammi–helmikuun vedenpinta on joinain vuosina korkeampi ja heinä–elokuussa matalampi kuin muina vuosina.

 

sp6
Kuva 6. Ihmistoiminnan vaikutus muuttaa ilmakehää kuvaavan uima-altaan vedenkorkeutta. Vuosittainen vaihtelu ja ihmistoiminnan päästöt yhdessä johtavat nyt hieman epäsäännöllisempään käyrään, jossa edelleen näkyy vuodenaikaisvaihtelu mutta myös selvä nouseva trendi (vedenpinnan nousu on edelleen noin 6 cm viidessä vuodessa).

 

sp7
Kuva 7. Sama käyrä kuin kuvassa 6, mutta viimeisenä vuonna on otettu huomioon COVID-19-poikkeustilanteen aiheuttama päästöjen pieneneminen (punainen osa käyrästä). Poikkeustilanteen aiheuttama ero normaaliin on hiuksenhieno.

 

sp8
Kuva 8. Normaali- ja poikkeustilannetta kuvaavien käyrien ero pysyy samana kuin kuvassa 4. Ero kasvaa ensimmäiset 6 kuukautta. Huhtikuun lopussa ero on noin 1 mm, ja kesäkuun lopussa noin 1,5 mm.

 

Kun yhdistetään edellä kuvatut kaksi ongelmaa (1. meillä ei ole sinisen käyrän aineistoa ja 2. ”ilmakehä-altaan” sisään- ja ulosvirtauksissa on vuosien välistä vaihtelua), päädymme siihen, että selkein tapa havaita rajoitus- ja sulkutoimien aiheuttama muutos on verrata poikkeusvuotta (kuvaajissa 5. vuosi) neljään aiempaan vuoteen.

sp9
Kuva 9. Vedenpinnan kuukausittainen taso ilmakehää kuvaavassa uima-altaassa viitenä peräkkäisenä vuotena. Vuodesta toiseen havaittava nousu johtuu ihmistoiminnan päästöistä.

 

sp10
Kuva 10. Vuodet saadaan vertailukelpoisiksi pakottamalla ne keinotekoisesti alkamaan samasta vedenpinnan tasosta aina tammikuussa eli poistamalla signaalista vuodesta toiseen havaittava nousu. Paksumpi sininen viiva osoittaa 5. vuoden (tämä vuosi) tilannetta ilman COVID-19-pandemiaa ja paksu punainen viiva pandemian kanssa. Lähestymistavassa on kuitenkin ilmeinen ongelma: poikkeustilanteen vaikutus on pienempi kuin vuosien välinen vaihtelu, ja on siten vaikeaa osoittaa pitoisuuden pandemiavuonna poikkeavan tilastollisesti merkitsevästi normaalivuosista.

 

Edellä käsiteltyjen kahden ongelman lisäksi on kolmaskin ongelma: tuuli.

3. Kuvittelemamme allas on ulkona, joten tuuli aiheuttaa aaltoja altaaseen. Nämä aallot saattavat aiheuttaa vedenpintaan useiden senttimetrien vaihtelua ja aiheuttaa virhettä vedenkorkeuden mittaukseen.

Yhteenvetona: on mahdoton tehtävä löytää ohutta hiusta suuresta uima-altaasta, jossa on aaltoja ja jonka vedenkorkeus vaihtelee.

Vastaus on aallokossa

Koska olemme tutkijoita, emme kuitenkaan luovuta vielä. On olemassa parempikin ratkaisu kuin katsoa vain pitoisuuksia – vastaus piilee aalloissa. Tämän selittämiseksi meidän täytyy siirtää katseemme hetkeksi pois vedenkorkeudesta vertauskuvallisessa uima-altaassamme kohti todellisia ilmakehän CO2-mittauksia, joita ICOS (Integrated Carbon Observation System) tuottaa. Pysytään kuitenkin vielä tovi uima-altaalla ja kuvitellaan, että ylimääräinen vesi ei tule vain yhdestä hanasta, vaan lukuisista hanoista ympäri allasta. Tällöin aallot voivat kuljettaa tietoa läheisistä hanoista tulevista virroista, mutta voidaksemme tulkita tätä tietoa tarvitsemme jatkuvia ja pitkäaikaisia aallokon mittauksia.

Nyt siirrymme ilmakehämittauksiin. Kuva 11 esittää ilmakehän CO2-pitoisuuksia ICOS-mittausasemaltamme Gartowista, Saksasta. Kuten kaikilla ICOS-verkoston asemilla, ilmakehämittaukset ovat onneksi käynnissä myös pandemiaan liittyvän poikkeustilanteen aikana. Ilmakehän CO2-pitoisuutta mitataan suhteellisessa yksikössä tilavuuden miljoonasosina (ppm, parts per million). Voimme havaita pitoisuuden nousut ja laskut, kun tuuli tuo ilmamassoja säästä riippuen eri suunnista mittausmaston lähialueilta. Voimme myös havaita, miten CO2-pitoisuus yleisesti ottaen laskee keväällä ja kesällä ja nousee taas syksyllä ja talvella. Lisäksi näemme vaihtelua tuulen tuomien ilmamassojen pitoisuuksissa riippuen siitä, kuinka paljon päästöjä on siellä, mistä ilmamassat tulevat. Tätä aluetta, jolta pitoisuusmittauksen ilmamassa on peräisin ja joka siis vaikuttaa CO2-pitoisuuteen, kutsutaan lähdealueeksi (eng. ’footprint’). Lähdealue voidaan laskea erikseen jokaiselle mittaushetkelle. Kuvaa katsoessa vaihtelu näyttäisi pienentyneen viime viikkoina. Tämä voi johtua kahdesta syystä: joko tuuli tuo ilmamassoja vain alueilta joilla vaihtelu ja päästöt ovat luontaisesti pienempiä, tai päästöt ovat vähentyneet. Tarkan syyn selvittäminen edellyttää huolellista tilastollista analyysiä ja sitä ei ole vielä tehty. Olemme kuitenkin varmoja, että COVID-19-poikkeustilanteen vaikutus voidaan havaita ilmakehän CO2-pitoisuuden vaihteluissa.

sp11
Kuva 11. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus Gartowin ICOS-asemalla Saksassa noin viimeisen vuoden ajalta. Pitoisuuden lyhytaikainen vaihtelu on seurausta ilmakehän kuljetusprosesseista, jotka tuovat ilmamassoja pienempien ja suurempien päästöjen alueilta. Vaihtelu on ollut pienempää viimeisen kahden kuukauden aikana (punainen suorakulmio).

 

sp12
Kuva 12. Helsingin Kumpulassa näkyy sama hiilidioksidipitoisuuden vaihtelun pieneneminen kuin Gartowissa, mutta ei yhtä selvästi, koska sää on ollut hyvin tuulinen koko alkuvuoden 2020, jolloin päästöt sekoittuvat nopeasti. Kuvaaja ja aineisto: Ilmatieteen laitos / Tuomas Laurila.

Liity kisaan ja löydä hius ilmakehän uima-altaasta!

ICOS-mittausaineistot ovat saatavilla avoimesti ja lähes reaaliaikaisesti 22 ilmakehän mittausasemalta ympäri Eurooppaa. Kannustamme tutkijoita ympäri maailmaa analysoimaan näitä aineistoja ja etsimään ”hiusta ilmakehä-uima-altaasta”. Palkintona on paikka kasvihuonekaasututkijoiden kunniagalleriassa, erittäin arvostettu tutkimusjulkaisu, sekä avauspuheenvuoro seuraavassa ICOSin tiedekonferenssissa (ICOS Science Conference). Tuemme aiheeseen liittyvää tutkimusta myös tarjoamalla käyttöön laskentakapasiteettia ICOS Carbon Portalin kautta, sekä edistämällä perusteellista tieteellistä keskustelua tiedeyhteisössä ja sen ulkopuolella. Kisa on avoinna – yhteydenotot ja lisätietoja: covid19.co2study@icos-ri.eu. Toivomme näkevämme kiinnostavia tilastotieteellisiä lähestymistapoja sekä kuulevamme innovatiivisia uusia ajatuksia aineiston analysointiin liittyen.


Tämän artikkelin lopuksi haluamme vielä palata uima-allas-analogiaan, sillä meillä on unelma: toivomme, että talouden tukemiseen käytettävät miljardit eurot ja dollarit tullaan käyttämään viisaasti, niin että ne ohjaavat kehitystä kohti hiilineutraaleja yhteiskuntia.

Testataksemme kuinka unelma voisi reaalimaailmassa käydä toteen, muutamme edellä kuvattua vertailua siten, että tämä COVID-19-poikkeustilateen vuosi on 5-vuotisen tarkastelujakson ensimmäinen vuosi. Seuraavina neljänä vuotena ihmisperäiset CO2-päästöt pienenevät asteittain. Aina kolmen kuukauden välein päivittäinen vedenpinnan nousu altaassamme pienenee 1 µm. Hius ohenee ja ohenee, kunnes 5 vuoden tarkastelujakson lopussa se on enää 12 µm aiemman 32 µm sijaan, sillä ihmistoiminnan päästöt ovat enää puolet vuoden 2019 päästöistä. Yhteiskunnilta löytyy jo muutokseen vaadittavat teknologiat ja toimeenpanoon tarvittavat rahat. Talouden tukemiseen ohjattavien varojen viisaan käytön tulokset näyttäisivät seuraavalta (kuva 13):

sp12
Kuva 13. Ihmistoiminnan hiilidioksidipäästöjen hypoteettinen väheneminen, jos COVID-19-kriisin taloudellinen tuki ohjataan hiilineutraaliuden kehittämiseen. Sininen viiva: tilanne jatkuu kuten ennenkin; Punainen viiva: päästöt pienenevät poikkeustilanteen ja ilmastoviisaan taloudellisen tuen seurauksena.

 

Ilmakehää kuvaavan uima-altaan vedenkorkeuden (eli ilmakehän CO2-pitoisuuden) nousu loivenisi huomattavasti ja voisi jopa kääntyä laskuun vuosisadan toisella puoliskolla. Tarjolla on historiallinen tilaisuus ja mahdollisuus, joka on erittäin tärkeä paitsi meille, myös tuleville sukupolville. Tulevina vuosikymmeninä historian kirjat tulevat arvioimaan poliitikkoja ja yritysten toimitusjohtajia sekä COVID-19- että ilmastokriisin hoidon onnistumisen perusteella: johtivatko heidän päätöksensä yhden, vai peräti molempien käyrien kasvun taittamiseen.