1.4. Ilmastonmuutos

Ilmastonmuutos, kuten luontokatokin, on ihmisten aiheuttama, ihmisen ja luonnon hyvinvointia uhkaava ilmiö. Kuten aiemmin opimme, holoseeni, eli viimeisen jäätiköitymiskauden jälkeinen, lähes 12 000 vuotta kestänyt ajanjakso, on ollut ilmastoltaan hyvin vakaa. Nyt fossiilisten energianlähteiden suurimääräinen hyödyntäminen, erityisesti 1950-luvulta eteenpäin, on lisännyt ilmakehän hiilidioksipitoisuutta siten, että maapallon keskilämpötila on noussut. Ilman välittömiä ja jyrkkiä vähennyksiä hiilidioksidipäästöissä ilmaston lämpeneminen tulee jatkumaan nopeana ja aiheuttamaan tuhoisia vaikutuksia sekä luonnolle että ihmisten hyvinvoinnille.

Maailman keskilämpötila ja sen muutokset riippuvat maapallolle tulevan auringon säteilyenergian ja maapallolta poistuvan säteilyenergian tasapainosta. Yksinkertaisesti ilmaistuna, jos maapallolle tulee enemmän säteilyenergiaa kuin maapallolta poistuu säteilyenergiaa, keskilämpötila nousee. Jos taas poistuvan energian määrä on suurempi kuin tulevan energian määrä, lämpötila laskee.

Maapallolle tulevan energian määrä riippuu planeettamme asemasta suhteessa aurinkoon, ja maapallolta poistuvan energian määrä taas riippuu niin kutsuttujen kasvihuonekaasujen pitoisuudesta ilmakehässä. Palaamme pian tarkemmin kasvihuonekaasuihin ja kasvihuoneilmiöön.

Maapallon asema suhteessa aurinkoon vaihtelee, sillä maan kiertorata auringon ympäri ei ole täysin pyöreä, vaan vaihtelee lähes pyöreästä hieman elliptiseen noin 100 000 vuoden jaksoissa, mikä johtuu Jupiterin ja Saturnuksen aiheuttamista vetovoimista. Lisäksi maapallon kiertoakselin kallistuksen määrä vaihtelee muutamalla asteella noin 41 000 vuoden jaksoissa, mikä vaikuttaa erityisesti pohjoisille ja eteläisille leveyspiireille tulevan auringon säteilyn määrään. Näiden vaihtelujen lisäksi maapallo myös huojuu hieman pyörimisakselinsa suhteen. Aiempien jäätiköitymiskausien alkaminen ja loppuminen kytkeytyvät näihin maapallon kiertoradan ja kallistuskulman vaihteluista johtuviin muutoksiin maapallolle tulevan säteilyn määrässä. NASA:n verkkosivuilla voit halutessasi tutustua maapallon kiertoradan muutoksiin tarkemmin. 

Nykyisen ilmaston lämpenemisen syynä on kuitenkin se, että kasvihuonekaasujen kohonnut pitoisuus vähentää maapallolta poistuvan säteilyenergian määrää.

Kasvihuonekaasut päästävät auringon säteet kulkemaan suoraan maan pinnalle lämmittämään maata ja vettä. Maapallo säteilee pidempiaaltoista säteilyä kuin aurinko (tämä johtuu siitä, että maa on aurinkoa kylmempi kappale, ja kappaleen lämpötila määrää säteilyn aallonpituuden). Kasvihuonekaasut eivät päästä tätä maapallolta lähtevää pitkäaaltoista säteilyä avaruuteen vaan sitovat sen itseensä (tämä taas johtuu siitä, että kasvihuonekaasujen molekyylit koostuvat kolmesta tai useammasta atomista). Koska maapallon säteilyn sisältämä energia ei pääse karkaamaan avaruuteen, se jää lämmittämään ilmakehää. Tätä ilmiötä kutsutaan kasvihuoneilmiöksi.

Tärkeimpiä kasvihuonekaasuja ovat hiilidioksidi (CO₂) ja vesihöyry (H₂O), jotka yhdessä vastaavat noin 90 % kasvihuoneilmiöstä. Muita kasvihuonekaasuja ovat metaani (CH₄), typpioksiduuli (N₂O) ja otsoni (O₃). On kuitenkin syytä huomauttaa, että vesihöyry ei ole kohonneen lämpötilan perimmäinen syy, vaan vesihöyry pikemminkin voimistaa muiden kasvihuonekaasujen vaikutuksia. Vesihöyryn määrä ilmakehässä näet riippuu vahvasti lämpötilasta. Se on korkeampi lämpimissä ja matalampi kylmemmissä lämpötiloissa.

Mitä suurempi kasvihuonekaasujen pitoisuus ilmakehässä on, sitä korkeampi on myös maapallon keskilämpötila. Ilman kasvihuonekaasuja – ja kasvihuoneilmiötä – maapallon keskilämpötila olisi noin 30 astetta nykyistä matalampi, mikä tarkoittaa, että maapallolla tuskin olisi nestemäistä vettä tai elämää.

Se, että hiilen ja muiden fossiilisten polttoaineiden käyttö lisää hiilidioksidin määrää ilmakehässä ja johtaa maapallon keskilämpötilan nousuun, on tiedetty jo yli 120 vuotta. Vuonna 1901 ruotsalainen tutkija Nils Ekholm julkaisi tutkimuksen  “On the Variations of the Climate of the Geological and Historical Past and Their Causes”, jossa hän selvitti ilmastonmuutosten fysiikkaa, ja Ekholmin selvitys on edelleen tieteellisesti paikkansapitävä. Hän kirjoitti, että fossiilisten polttoaineiden jatkuva käyttö “epäilemättä johtaa hyvin selvään nousuun maapallon keskilämpötilassa” (käännös kurssin laatijan). Tämän päivän näkökulmasta mielenkiintoista on, että Ekholm pohti mahdollisuutta käytää hallittuja hiilidioksidipäästöjä keinona estää seuraavan jäätiköitymisvaiheen käynnistyminen.

Kuten nyt tiedämme, Ekholm oli oikeassa: kasvihuonekaasujen päästöt, jotka johtuvat pääasiassa fossiilisten polttoaineiden käytöstä ja metsien tuhoamisesta, ovat todellakin katkaisseet viimeisten kahden ja puolen miljoonan vuoden aikana vallinneen säännöllisen jäätiköitymiskausien (glasiaalien) ja lämpimämpien interglasiaalien vaihtelun. Emme ole suuntaamassa kohti seuraavaa kylmää kautta, jota ilmentäisivät laajat mannerjäätiköt ja kymmeniä metriä alentunut merenpinta. Mutta toisin kuin Ekholm visioi, tämä ei ole tapahtunut hallittujen vaan hallitsemattomien hiilidioksipäästöjen kautta.

Ekholmin päivistä, eli 1900-luvun alusta, ilmakehän CO₂-pitoisuus on noussut jyrkästi 295 miljoonasosasta (ppm; parts per million) 410 miljoonasosaan vuonna 2019. Hämmästyttävää on, että pitoisuus on nykyään korkeampi kuin koko mannerjäätiköistä otetuista jäänäytteistä selvitetyn 800 000 vuotisen ilmastohistorian aikana (ks. kuva alla). Edellisen kerran ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli yhtä korkea kuin nyt noin kolme miljoonaa vuotta sitten, jolloin maapallon keskilämpötila oli 2–3 astetta nykyistä lämpimämpi ja merenpinta oli 25 metriä nykyistä korkeammalla. Myös typpioksiduulin ja metaanin, jotka molemmat ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, pitoisuus on noussut voimakkaasti viime vuosikymmeninä, johtuen maatalouden laajenemisesta sekä öljyn ja kaasun tuotannossa tapahtuvista vuodoista.

Kuva. Ilmakehän hiilidioksidin pitoisuus viimeisten reilun 800 000 vuoden aikana.

Hiilidioksidi on tärkeä kasvihuonekaasu myös siksi, että se pysyy ilmakehässä hyvin kauan, jopa satoja vuosia. Tämä tarkoittaa, että jo tehdyt päästöt lämmittävät ilmakehää koko tämän vuosisadan. Jo nyt, vuonna 2021, maapallon keskilämpötila on noussut noin 1,1 astetta esiteolliseen aikaan verrattuna. 

On käytännössä varmaa, että maapallon keskilämpötila jatkaa nousuaan ainakin seuraavat vuosikymmenet, mutta nousun suuruus riippuu etenkin tulevista hiilidioksidipäästöistä. Jos päästöjä leikataan rajusti, lämpötilan nousu voitanee pysäyttää noin 2 asteeseen vuosisadan loppuun mennessä. Lämpötilan nousun rajaaminen 1,5 asteeseen vaatisi rajujen päästövähennysten lisäksi myös hiilidioksidin poistoa ilmakehästä.

Hiilidioksidin poistamiseen vaadittavaa teknologiaa ei kuitenkaan ole käytännössä toteutettu. Suunnitelmat, jotka perustuvat biomassan energiakäyttöön ja siinä tuotetun hiilidioksidin talteenottoon (bioenergy with carbon capture and storage, BECCS), vaatisivat erittäin laajoja maa-aloja tuottamaan pelkkää energiabiomassaa. Massiivisella energiabiomassan tuotannolla olisi epäilemättä kestämättömiä haitallisia vaikutuksia luontoon ja ihmisten hyvinvointiin, sillä se vaatisi viljelysmaiden siirtämistä energiantuotantoon ja ekosysteemien muuntamista energiaviljelmiksi.

Seuraavassa kuviossa näet, kuinka paljon nykyinen lämpötila ylittää esiteollisen ajan lämpötilan (1,2 astetta), ja ennustetut keskilämpötilat vuonna 2100 erilaisissa päästöskenaariossa. Tämänhetkiset voimassa olevat toimenpiteet ("Current policies") johtavat arviolta 2,7 asteen nousuun keskilämpötilassa. Mikäli kansalliset, Pariisin ilmastosopimuksen (näistä lisää myöhemmin kurssilla) puitteissa tehdyt lupaukset ("Pledges & Targets") viedään toteutukseen, lämpötilan ennustetaan nousevan 2,4 astetta. Monet maat ovat myös keskustelleet entistä tiukemmista rajoituksista ("Optimistic scenario"), ja mikäli ne toteutetaan, lämpenemisen ennustetaan jäävän 1,8 asteeseen.

Kuva. Ennustettu lämpötilan nousu vuoteen 2100 mennessä erilaisilla päästävöhennyssuunnitelmilla (lähde).

Käytännön haasteet ilmastonmuutoksen hillinnässä tulevat ilmi, kun tarkastelemme maailman energiankäytön historiaa ja käytettyjä energianlähteitä. Alla oleva kuva näyttää, kuinka energiankulutus on kasvanut jyrkästi 1950-luvulta lähtien ja että kasvu on tullut pääasiassa fossiilisista energianlähteistä: hiilestä, öljystä ja maakaasusta. Uusiutuvien energianlähteiden (vesi-, aurinko- ja tuulienergia) osuus kasvaa hyvin hitaasti ja on pieni suhteessa fossiilisiin energianlähteisiin. Kaiken lisäksi vesivoiman tuotantoa ei voi määrättömästi lisätä, sillä useimmat suuret joet asutuilla seuduilla on jo valjastettu energian tuotantoon, ja vielä vapaana juoksevien jokien patoaminen vahingoittaisi viimeisiäkin vapaita jokiekosysteemejä.

Kuva. Maailman energiankulutuksen muutokset 1800-2019 ja käytetyt energianlähteet.

Jotta lämpeneminen saataisiin rajattua alle kahteen asteeseen, kuten Pariisin ilmastosopimus edellyttää, kasvihuonekaasujen päästöt olisi saatava välittömästi jyrkkään laskuun. Alla olevassa vuorovaikutteisessa kuviossa voit tutkia, kuinka suuria päästövähennyksiä erilaiset tavoitelämpötilat edellyttävät. Huomaathan, että 1,5 asteen kohdalla kasvihuonekaasujen päästöjen olisi oltava voimakkaan negatiivisia vuosisadan loppupuolella, mikä tarkoittaa, että päästöjen vieminen nollaan ei riitä, vaan suuria määriä hiilidioksidia olisi myös aktiivisesti poistettava ilmakehästä. Hiilidioksidin poistoon liittyy suuria teknisiä ja muita riskejä, kuten jo aiemmin mainittiin, eikä realistista ilmastopolitiikkaa mitenkään voi perustaa niiden varaan.

Kuva. Vasemmanpuoleisia laatikoita näpäyttämällä näet, millaiset kasvihuonepäästöjen vähennykset liittyvät ilmastosopimusten tavoitteisiin ja erilaisiin sitoumuksiin. Nykyisillä päästötoimenpiteillä (toukokuu 2021) ilmasto lämpenee lähes kolme astetta vuoteen 2100 mennessä. Data: https://climateactiontracker.org/global/temperatures/

Jotta ilmastotavoitteisiin päästäisiin, olisi siis nopeasti luovuttava fossiilisista polttoaineista ja siirryttävä uusiutuviin energianlähteisiin. Tavoitteisiin pääseminen kuitenkin edellyttää myös huomattavaa energiankulutuksen vähentämistä, koska – kuten edellä näimme – siirtymä uusiutuviiin energianlähteisiin on ollut kovin hidas. Tässä kohdin on syytä huomata, että energian käyttö ja hiilidioksidipäästöt ovat jakautuneet maailmassa äärimmäisen epätasapainoisesti. Rikkain 1 % maailman väestöstä on vastuussa enemmän kuin kaksi kertaa niin suurista päästöistä kuin köyhin 50 % väestöstä (kts. kuva alla). Tämän lisäksi maailman köyhät ovat niitä, jotka eniten kärsivät ilmastonmuutoksen seurauksista. Maailman rikkaiden energiankulutuksen rajoittaminen olisikin monien mielestä helpoin ja reiluin tapa hillitä ilmastonmuutosta



Kuva. Eri tuloluokkien aiheuttamat hiilidioksidipäästöt maailmassa vuonna 2015 (UNEP 2020).