3.1. Maa järjestelmänä

Kuten kurssin alkupuoliskolla todettiin, maapalloa voi pitää materian suhteen suljettuna järjestelmänä, joka käsittää lukemattoman määrän erilaisia, toisistaan riippuvia ja toisiinsa vaikuttavia järjestelmiä.

Maapallolla tapahtuvia kaikkein suurimman mittakaavan prosesseja tutkivaa tiedettä kutsutaan englanniksi nimellä “Earth System Science”, joka kääntyy suomeksi kömpelösti maapallojärjestelmätieteeksi.

Maapallojärjestelmätiede tutkii materian ja energian kiertoon liittyviä prosesseja koko maapallon mittakaavassa - mukaan lukien maapallolle tulevan auringon säteilyenergian muutokset (tätä käsiteltiin “Johdatus planetaariseen hyvinvointiin” -kurssilla) - ja näistä prosesseista johtuvia ilmiöitä. Erityisen oleellisia ilmiöitä ovat muutokset ilmakehän koostumuksessa ja maapallon energiataseessa, joiden seurauksena maapallon lämpötila on vaihdellut suuresti pitkällä aikavälillä.

Maapallojärjestelmän osat

Se, kuinka maapallojärjestelmää mallinnetaan, riippuu tutkittavasta ilmiöstä tai prosessista. Ei ole olemassa yhtä “oikeaa” maapallojärjestelmän mallia, vaan malli kannattaa valita niin, että se sisältää kyseiselle ilmiölle tai prosessille olennaiset tekijät/osat ja niiden väliset vuorovaikutukset. Tästä huolimatta maapallojärjestelmän pääkomponenteiksi luetaan yleensä kivikehä (litosfääri), vesikehä (hydrosfääri), elonkehä (biosfääri) ja ilmakehä (atmosfääri). Näiden lisäksi malleissa voi olla mukana myös muun muassa kryosfääri (jäätynyt vesi) ja antroposfääri/teknosfääri (ihmisen rakentama ja muokkaama osa ympäristöä). 

Kivikehällä (litosfääri) tarkoitetaan maapallon ulointa kiinteää kehää, joka muodostuu maankuoresta ja sen alla olevasta vaipan ylimmästä osasta. Valtamerien kohdalla kivikehän paksuus on noin 50-140 km ja mannerten kohdalla 40-280 km. Kivikehän alla on osittain sula maankuoren vaippa. Vaipan sulan kiviaineksen liikkeet saavat mannerlaatat hitaaseen liikkeeseen, joka pitkien aikojen kuluessa vaikuttaa mantereiden ja valtamerien sijoittumiseen maapallolla. Mannerlaattojen liikkeet aiheuttavat myös maanjäristyksiä ja tulivuorenpurkauksia. 

Kivikehässä on suuria määriä mineraaleihin sitoutunutta hiiltä mutta myös fossiilisia hiilivarastoja (kivihiiltä, öljyä ja maakaasua). Kivikehän prosessit ovat yleensä hyvin hitaita, mutta fossiilisten polttoaineiden käyttö on monikymmenkertaistanut maankuoresta ilmakehään vuosittain siirtyvän hiilen määrän. (Koukeroisesti tämän voisi ilmaista sanomalla, että antroposfäärin prosessit ovat lisänneet hiilen virtausta litosfääristä atmosfääriin).

Vesikehä (hydrosfääri) koostuu kaikesta nestemäisestä vedestä maapallolla, mukaan lukien valtameret, järvet, joet ja pohjavesi. Veden ominaislämpökapasiteetti on suuri, joten vesikehä voi varastoida suuren määrän lämpöenergiaa. Kuten alla olevasta kuviosta ilmenee, valtameret ovat absorboineet noin 90% ihmisen viimeisten vuosikymmenten aikana aiheuttamasta maapallon lämpöenergian kasvusta. Merien lämpölaajeneminen vaikuttaa merkittävästi merenpinnan nousuun.

Kuva. Kasvihuonekaasujen lisääntynyt pitoisuus ilmakehässä on kasvattanut maapallon lämpöenergiaa 358 tsettajoulea 1971-2018. Tästä lämpöenergiasta 89% on siirtynyt valtameriin (52% 0-700 m syvyyteen, 28% 700-2000 m syvyyteen ja 9% yli 2 km syvyyteen), 6% maaperään ja 4% jäätiköiden sulamiseen. Yksi prosentti on jäänyt ilmakehään. Jotta maapallon energiabudjetti olisi tasapainossa (eli tulevan ja poistuvan energian määrä olisi yhtä suuri), pitäisi ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden vähentyä 57 miljoonasosaa (v. 2020 ilmakehän hiilidioksidipitoisuus oli 410 miljoonasosaa). Lähde Von Schuckmann ym (2020).

Kryosfäärillä viitataan maapallolla esiintyvään jäähän ja lumeen, eli veden kiinteään olomuotoon. Kryosfääri käsittää merien, jokien ja järvien jäät, manner- ja vuoristojäätiköt, lumen, roudan ja ikiroudan. Valtaosa maapallon makeasta vedestä on jäätiköissä, ja jäätiköiden täydellinen sulaminen nostaisi valtamerien pintaa noin 80 metriä. Viimeisten vuosikymmenten aikana tapahtuneesta maapallon lämpöenergian kasvusta 3-4% on kulunut jäätiköiden sulamiseen (kts. kuva ylhäällä). Jäätiköillä ja pohjoisen pallonpuoliskon kausittaisella lumipeitteellä on myös merkittävä vaikutus maapallon energiataseeseen, sillä jää ja lumi heijastavat auringon säteilyä tehokkaasti takaisin avaruuteen.

Elonkehä (biosfääri) käsittää kaikki elävät organismit ja niiden vuorovaikutukset elottoman luonnon kanssa. Elonkehä on levittäytynyt kaikkialle maapallolla: elämää on valtamerien syvänteissä, korkealla ilmakehässä, maaperässä, jopa jäässä ja kallioperässä. Elävät oliot vaikuttavat merkittävästi monien alkuaineiden kiertoon maapallolla, ja elämä on esimerkiksi muokannut ilmakehän koostumusta todella merkittävästi maapallon historian aikana. Maaperää, joka koostuu kiviaineksesta, kuolleesta eloperäisestä materiaalista, vedestä, kaasuista ja elävistä organismeista, voitaneen myös pitää osana biosfääriä. 

Vaikka ihminen on elävä olento ja siten osa biosfääriä, ihmisen vaikutus muuhun biosfääriin ja koko maapallojärjestelmään on niin valtava, että on perusteltua myös puhua antroposfääristä, joka käsittää ihmisen rakennelmat ja vaikutukset muuhun planeettaan. Kuten “Johdatus planetaariseen hyvinvointiin” -kurssilla nähtiin, ihmisen luomat rakennelmat ovat massaltaan jo suurempia kuin koko biosfääri ja ihmisen vaikutukset planeetan materian ja energian kiertokulkuihin niin valtavia, että puhutaan jo uudesta geologisesta ajanjaksosta, antroposeenista.

Ilmakehä (atmosfääri) on maapalloa ympäröivä kaasukehä, joka koostuu typestä (78%), hapesta (21%), argonista (0,9%), hiilidioksidista (0,04%) ja muista kaasuista. Ilmakehässä on myös vesihöyryä (n. 0,4%), mutta vesihöyryn määrä vaihtelee suuresti ajasta ja paikasta riippuen. Ilmakehän ylemmät kerrokset suojaavat Maata haitalliselta ultraviolettisäteilyltä. Ilmakehässä olevat kasvihuonekaasut (mm. hiilidioksidi, metaani ja typpioksiduuli) lämmittävät maapallon pintaa pidättämällä Maan lämpösäteilyn energiaa. Ilmakehän happi ja hiilidioksidi ovat välttämättömiä maapallon nykyisille elämänmuodoille. 

Hiili maapallojärjestelmässä

Jos maapallojärjestelmän toimintaa pitää esimerkinomaisesti kuvata yhden aineen kiertojen ja varantojen kautta, se aine on hiili. (Muitakin erittäin tärkeitä aineiden kiertoja tietenkin on, kuten vesi, typpi ja fosfori, mutta tällä kurssilla emme perehdy niihin.) Hiili on kaikkien elävien organismien tärkein rakennusaine, sillä kaikki orgaaniset molekyylit sisältävät hiiltä. Ilmakehän hiilidioksidi lämmittää maapalloa - ilman hiilidioksidia maapallon keskilämpötila olisi noin 30 astetta nykyistä matalampi. Hiilidioksidi on myös kasvien fotosynteesin tärkein raaka-aine ja siten välttämätön koko elonkehän olemassaololle. Fossiiliset hiilivarannot ovat ihmiskunnan tärkein energialähde; ilman fossiilisten energialähteiden käyttöönottoa teollista vallankumousta ei olisi tapahtunut ja yhteiskunnat olisivat hyvin erilaisia kuin ne ovat tänä päivänä.

Alla oleva kuva näyttää hiilen varannot ja virrat maapallojärjestelmässä 2011-2020. Valtaosa kaikesta planeetan hiilestä on sitoutuneena maaperän ja merenpohjan sedimenttikiviin. Sedimenttikiviin sitoutuneen hiilen kierto on hyvin hidasta, eikä sen varantoa tai kiertoa ole sisällytetty kuvaan (sementin valmistuksessa vapautuva ja betonin sitoma hiilidioksidi on kuitenkin huomioitu). Seuraavaksi suurin hiilen varanto ovat meriin liuenneet epäorgaaniset hiiliyhdisteet kuten karbonaatti (CO₃^2-) ja bikarbonaatti (HCO₃^-). Muiden hiilivarantojen suuruudet ovat kahta tai kolmea mittaluokkaa pienemmät - niiden suuruus ilmenee kuvasta.

Kuva. Globaali vuosittainen keskiarvoistettu hiilen kierto 2011-2020. Pallot kuvastavat hiilivarantojen kokoa. Paksut nuolet kuvastavat ihmisperäisiä vaikutuksia hiilen kiertoon ja ohuet nuolet kiertoa luonnon prosesseissa. Fossiilisten energialähteiden käytöstä aiheutuneet päästöt olivat 9,5 Gt (gigatonnia) ja maankäytöstä aiheutuneet päästöt 1,1 Gt. Näistä päästöistä 3,1 Gt sitoutui maaekosysteemeihin ja 2,8 Gt valtameriin. Ilmakehän hiilivaranto kasvoi keskimäärin 5,1 Gt vuodessa. Lähde Friedlingstein ym (2021).

Jäikö tästä osiosta jotain mieleen, mitä haluaisit kommentoida? Vapaaehtoinen.