Hiili kiertää – sitoutuu, varastoituu ja vapautuu

Aineiden kierrot ympäristössä mahdollistavat elämän tällä yhdellä pallolla, jota asutamme. Yksi näistä elämälle välttämättömistä alkuaineista on hiili (kemiallinen merkki C, engl. carbon), joka kiertää jatkuvasti maalla, meressä ja ilmakehässä. Hiiltä löytyy kaikkialta luonnosta, muun muassa elävien eliöiden biomassasta sekä perimäaineksesta, eli DNA:sta. Reagoidessaan muiden alkuaineiden kanssa hiili muodostaa elintärkeitä yhdisteitä, kuten hiilidioksidia ja sokeria.

Vihreät kasvit sitovat auringon valoenergian avulla hiilidioksidia ja muuttavat sitä energianlähteekseen sokeriksi vapauttaen samalla happea. Tätä prosessia kutsutaan yhteyttämiseksi. Toisenvaraiset, yhteyttämiseen kykenemättömät eliöt saavat energiansa syömällä kasveja tai muita eliöitä, joiden hiiliyhdisteisiin energiaa on sitoutunut. Eliöihin sitoutunut hiili vapautuu hiilidioksidina takaisin ilmakehään kasvien ja eläinten soluhengityksessä sekä eliöiden kuollessa ja mikrobien hajottaessa niiden jäänteet orgaaniseksi ainekseksi.

Hiiltä liukenee jatkuvasti ilmakehästä meriin, ja merten yhteyttävät eliöt sitovat sitä itseensä. Kuollessaan kasviplanktonit vajoavat merten syvempiin vesikerroksiin kuljettaen mukanaan sitomansa orgaanisen hiilen, jonka vedessä olevat mikrobit sitten hajottavat takaisin hiilidioksidiksi. Tätä syvemmälle vesipatsaassa hiiltä kuljettavaa mekanismia nimitetään merten biologiseksi hiilipumpuksi. Samaan tapaan kuin maaekosysteemeissä, myös merissä ja vesistöissä hiili kiertää omavaraisten, yhteyttävien eliöiden ja toisenvaraisten eliöiden välillä. Meri-ilmakehä-rajapinnan kaasujen vaihto on jatkuvaa, eli hiilidioksidia paitsi sitoutuu meriin, sitä myös vapautuu takaisin ilmakehään.

Luontaisessa kiertokulussa sitoutuvan ja vapautuvan hiilidioksidin määrä on ollut keskimäärin yhtä suuri. Arktisesta jäästä tehtyjen mittausten perusteella ilmakehän hiilidioksidipitoisuus pysyi lähes vakiona yli 400 000 vuoden ajan ennen yhteiskuntien teollistumisen alkua.

Kuva. Havainnollistus ihmisen vaikutuksesta hiilen luontaiseen kiertoon. Kuvan tekijä: Tussitaikurit.


Ilmakehän lisäksi kasvillisuus, maaperä, meret ja maapallon kivikehä toimivat hiilen varastoina. Näiden hiilivarastojen pysyvyyteen ihmisellä on merkittävä vaikutus sekä suoraan että välillisesti. Syvällä maapallon kivikehässä hiiltä on sitoutuneena fossiilisiin polttoaineisiin, joiden arvon energiarikkaana polttoaineena ihminen keksi jo kauan ennen teollista vallankumousta. Fossiilisiin polttoaineisiin lukeutuvat kivihiili, öljy ja maakaasu. Niiden käyttö kääntyi jyrkkään nousuun 1950-luvulla, mistä seuranneen vaurastumisen ansiosta nyky-yhteiskunnat on pystytty rakentamaan. Tieteessä ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden yhteys maapallon lämpöolosuhteisiin (esim. Arrhenius 1896) ja fossiilisten polttoaineiden ilmastoa lämmittävä vaikutus tunnistettiin jo samoihin aikoihin, kun fossiilisten polttoaineiden käyttö alkoi yleistyä reilut sata vuotta sitten.

Kasvihuoneilmiö pähkinänkuoressa

Maapallon ilmakehä toimii kasvihuoneen tavoin päästäen auringon lyhytaaltoista säteilyä lävitseen, mutta pidättäen suurimman osan maanpinnalta takaisin heijastuvasta, pitkäaaltoisesta lämpösäteilystä alailmakehään. Ilmakehässä olevat kasvihuonekaasut imevät lämpösäteilyä tehokkaasti itseensä ja estävät sitä poistumasta takaisin avaruuteen. Sopivina pitoisuuksina ilmakehän kasvihuonekaasut, etenkin vesihöyry (H₂O) ja hiilidioksidi (CO₂), nostavat maapallon keskilämpötilaa ja tekevät maapallon lämpötiloista suotuisat sen lajeille ja ekosysteemeille. Kasvihuoneilmiö itsessään onkin tarpeellinen osa maapallon ilmastojärjestelmää, mutta ihmisen voimistamana sen lämmittävä vaikutus on ylittänyt monimuotoiselle elämälle optimaalisen tason.

Kasvihuonekaasuja esiintyy maapallon ilmakehässä luontaisten prosessien vuoksi, ja niillä on merkittävä rooli planeettamme lämpötalouden kannalta. Ongelmaksi on muodostunut se, että ihmisen toiminta lisää ennennäkemättömän nopeasti näiden maa- ja merialueita lämmittävien kaasujen pitoisuuksia ilmakehässä, eikä tavoitteita kyseisen kehityksen taittamiseksi ole saavutettu. WMO:n (2023) mukaan 2000-luvun vaihteesta nykyhetkeen ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on kasvanut yli 10 % ihmisen toiminnan vuoksi, ja olemme saavuttaneet voimakkaimman kasvupiikin, joka hiilidioksidipitoisuuden historiallisessa vaihtelussa tunnetaan. Samaisessa raportissa kerrotaan, että noin puolet ihmisperäisistä hiilidioksidipäästöistä jää ilmakehään lämmittämään ilmastoa, noin 25 %:n sitoutuessa meriin ja noin 30 %:n maaekosysteemeihin. Hiilidioksidin pitkäikäisyys ilmakehässä tulee aiheuttamaan ilmaston lämpenemistä vielä pitkälle tulevaisuuteen, vaikka onnistuisimme saamaan päästöt nopeasti kuriin.

Infograafi. Ihmistoiminta on kiihdyttänyt ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvua tasolle, joka on aimmin tuntematon maapallon historiassa. Graafissa on esitetty arktisen jään ilmanäytteistä mitatut maapallon ilmakehän hiilidioksidipitoisuudet miljoonasosina (ppm).  Lähde: Our World in Data. Löydettävissä täältä.


Ensimmäisen sysäyksen kasvihuonekaasupäästöjen kasvulle antoivat ihmisen aiheuttamat maankäytön muutokset, esimerkiksi metsien raivaaminen pelloiksi, jo ennen 1900-lukua. Fossiilisten polttoaineiden käyttö teollistuvien yhteiskuntien energiantarpeen tyydyttämiseksi käänsi päästöt jyrkkään nousuun, ja niistä tulikin nopeasti pääasiallinen syy ihmisen aiheuttaman ilmastonmuutoksen etenemiseen. Maankäytön muutosten ja kestämättömien energiantuotantotapojen lisäksi maankäyttö, kuten tehomaa- ja metsätalous, sekä tuotteiden ja palveluiden ylikulutus ja tuotanto ovat lisänneet päästöjä globaalisti. Väestönkasvu ja talouskasvu kiihdyttävät kulutusta edelleen ja siten myös ilmakehään ihmisen toimesta vapautuvien kasvihuonekaasujen määrää.

Vuonna 2023 maapallon keskilämpötila oli tähänastisen mittaushistorian korkein, eikä kyseessä ole tilastollinen poikkeama. Keskilämpötila on kasvanut vuosikymmenestä toiseen ja edellisen vuosikymmenen aikana se nousi hälyttävät 1,1 celsiusastetta. Teoriassa ilmaston lämpenemisen pysäyttäminen alle 2 asteeseen on mahdollista, kunhan ihmistoiminnasta syntyviä hiilidioksidipäästöjä vähennetään rajusti. Tämä ei tule tapahtumaan ilman järeitä muutoksia yhteiskunnallisissa rakenteissa, toimintatavoissa ja katsantokannoissa, eli yhteiskuntien kestävyysmurrosta.

Maapallon keskilämpötilan nousun rajoittaminen alle 1,5 asteeseen Pariisin ilmastosopimuksen mukaisesti vaatisi päästövähennysten lisäksi kasvihuonekaasujen poistamista ilmakehästä, sillä muuten niiden vuosikymmenistä vuosisatoihin ulottuva, lämmittävä vaikutus verottaa päästöjen leikkaamisesta syntyviä hyötyjä. Hiilidioksidin luontaisen poistuman lisääminen vaatisi muun muassa puustoisten ekosysteemien ennallistamista ja yleisesti ekosysteemien tilan parantamista. Lisäksi on mahdollista käyttää niin kutsuttuja teknisiä nieluja, jotka ovat ihmisen kehittämiä keinoja sitoa hiilidioksidia muihin kuin biologisiin pitkäaikaisvarastoihin. Teknisten nielujen lisääminen ei kuitenkaan ole ympäristövaikutuksiltaan ongelmatonta, sillä useat esitetyt ratkaisut nojaavat bioenergian tuotannon kasvuun, joka puolestaan vaatisi maankäytön muutoksia ja energiaviljelyn lisäämistä.

Ekosysteemin eheys ja ilmastonmuutos ovat keskiössä planetaaristen rajojen tarkastelussa

Kuten edellä opimme, maapallon luontainen hiilitasapaino on järkkynyt ihmisen toimien seurauksena. Tämä on kuitenkin vain yksi prosessi sarjassa negatiivisia kehityskulkuja, jotka ihminen on maapallolla aiheuttanut. Planeettamme systeemit kokonaisuutena ovat kovilla ihmisen aiheuttamien paineiden ja ympäristövaikutusten vuoksi, ja eräs tapa niiden havainnollistamiseen ovat Rockströmin ym. (2009) kehittämät planetaariset rajat (engl. planetary boundaries).

Planetaarisia rajoja on tähän mennessä tunnistettu yhdeksän kappaletta. Niiden sisällä pysyminen tarkoittaisi vakaita elinolosuhteita ja maapallon systeemien sietokyvyn säilymistä ympäristönmuutoksia vastaan. Richardson ym. (2023) pitävät ilmastonmuutosta ja biosfäärin eheyttä, eli luonnon geneettistä monimuotoisuutta ja sen systeemien kykyä toimia niille luontaisella tavalla, planetaarisista rajoista keskeisimpinä, sillä elollisen ja elottoman luonnon vuorovaikutukset ovat kautta historian määrittäneet maapallolla vallitsevaa tilaa.

Kuva. Planetaarisiin rajoihin lukeutuvat stratosfäärin otsonikato (stratospheric ozone depletion), ilmakehän aerosolikuormitus (atmospheric aerosol loading), merten happamoituminen (ocean acidification), biogeokemialliset, eli typen ja fosforin, virrat (biogeochemical flows), makean veden muutos (freshwater change), maaekosysteemien muutos (land-system change), biosfäärin geneettinen ja toiminnallinen eheys (biosphere integrity), ilmastonmuutos (climate change), jonka osalta huomioitu ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ja säteilypakote sekä uudet kokonaisuudet (novel entities). Näistä yhdeksästä planetaarisesta rajasta jo kuusi on ylitetty. Kuvalähde: Azote for Stockholm Resilience Centre, perustuen Richardsonin ym. (2023) tutkimukseen. Lisensoitu CC BY-NC-ND 3.0 -lisenssillä.

Valitettavasti olemme jo horjuttaneet maapallon prosesseja tavalla, jollaista ei olla vielä koettu ihmiskunnan historiassa. Richardsonin ym. (2023) tutkimuksen mukaan yhdeksästä planetaarisesta rajasta kuusi on ylitetty, mukaan lukien ilmastonmuutos ja biosfäärin eheys, mikä tarkoittaa, että maapallon ilmasto ja ekosysteemit ovat jatkuvasti ja nopeasti kasvavan muutospaineen alla.

Lajeja häviää maapallolta arviolta kymmenistä satoihin kertaa nopeammin kuin sukupuuttoja tapahtuisi ilman ihmisen vaikutusta. Hallitustenvälisen luontopaneeli IPBES:n mukaan maapallon yli 8 miljoonasta lajista arviolta miljoona on vaarassa hävitä kokonaan, toisin sanoen joka kahdeksas laji. Ihminen kuluttaa luonnonvaroja niiden luontaista uusiutumistahtia nopeammin ja ottaa luonnontilaisia maa-alueita pysyvästi omaan käyttöönsä välittämättä luonnontilaisen luonnon dramaattisesta vähentymisestä. Tämä ei ole oikeudenmukaista muunlajista elämää kohtaan. Toisaalta ihmiskunnan ruoka, raaka-aineet ja materiaalit ovat kaikki peräisin luonnosta, joten luonnon rakenteellisesta ja toiminnallisesta eheydestä huolehtiminen takaa sen, että niitä riittää ihmisten tarpeisiin tulevaisuudessakin.

Maankäyttö ja sen muutokset ovat lisääntyneet väestön ja kulutuksen kasvun myötä jo vuosikymmenten ajan. Useat terrestriset hiilinielut, jotka poistavat hiilidioksidia ilmakehästä ja edistävät sen varastoitumista, ovat muuttuneet tai vaarassa muuttua kasvihuonekaasujen päästölähteiksi – maaekosysteemeistä erityisesti metsät. Amazonin sademetsien vuosikymmeniä jatkunut tuhoaminen ja käyttöönotto esimerkiksi karjankasvatukseen, maanviljelyyn tai kaivoksiksi vapauttaa valtavat määrät hiiltä ilmakehään ja supistaa tuntuvasti maapallon kokonaiskapasiteettia hiilensidontaan. Lisäksi tämä laaja sademetsäalue on maapallon ekosysteemeistä monimuotoisin, pitäen sisällään arviolta kymmenesosan kaikista ihmisen tuntemista lajeista. Tästä syystä hävitys näissä ekosysteemeissä on erityisen vakavaa ja peruuttamatonta, sillä kun jokin laji hävitetään, sitä ei saada koskaan takaisin. Myös boreaalisen kasvillisuusvyöhykkeen metsät kärsivät ilmastonmuutoksen etenemisestä ja metsien käytön vaikutuksista. Niiden käytön kestävyyttä kuitenkin suunnitellaan ja edistetään yhteiskunnissa, joissa on globaaliin etelään verrattuna hyvin erilaiset lähtökohdat tilanteen parantamiseen.

Merten monimuotoisuus hupenee yhtälailla ihmisen toiminnan seurauksena. Ihminen käyttää merten lajeja suoraan hyödykseen, esimerkiksi ravintona. Tämän lisäksi ihmistoiminta tuhoaa niiden elinympäristöjä sekä suoraan, mistä esimerkkeinä toimivat vesirakentaminen ja pohjatroolaus, että välillisesti, esimerkiksi ilmastonmuutoksen aiheuttaman merten happamoitumisen välityksellä. Ilmastonmuutoksen lämmittäessä merivettä ja orgaanisen hiilen hajotuksen kiihtyessä merten pintakerroksissa, niissä olevan hiilidioksidin määrä lisääntyy ja vedestä tulee happamampaa. Happamoituminen estää kalkkikuoristen eliöiden, kuten korallien, suojakuoren muodostamista ja tekee useiden muidenkin, ympäristönmuutoksille herkkien lajien elin- ja lisääntymisolosuhteista haastavat. Lisäksi hiilidioksidin lisääntymisestä merten päällysvesikerroksissa seuraa merten hiilensidonnan vähentymistä meriveden kyllästyessä hiilidioksidilla. Orgaanisen hiilen hajoaminen hiilidioksidiksi jo merten päällysvesikerroksissa heikentää myös biologisen hiilipumpun toimintaa ja siten hiilen varastoitumista merten pitkäaikaisvarastoihin.

Vuonna 2023 ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden arvioitiin olevan noin 417 miljoonasosaa. Richardsonin ym. (2023) mukaan ilmastonmuutoksen planetaarinen raja rikottiin kuitenkin jo ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden ylittäessä 350 miljoonasosaa. Kyseisen planetaarisen rajan ylittyminen tarkoittaa, ettemme ole matkalla kohti enintään 1,5 astetta lämpimämpää maailmaa, vaan tämänhetkisillä toimenpiteillä globaali vuotuinen keskilämpötila voi nousta pahimmillaan jopa 3 astetta vuosisadan loppuun mennessä. Jo 1,5 asteen lämpeneminen tarkoittaisi huomattavia muutoksia säätiloissa ja niihin linkittyvien häiriöiden, kuten kuivuuden ja äärimmäisten hellejaksojen, lisääntymistä, mutta riskit ovat sitä suuremmat mitä kauemmaksi tuosta rajasta liikutaan.

Ihmisen haitallisia ympäristövaikutuksia on aiemmin tarkasteltu toisistaan erillisinä ongelmina, mutta planetaaristen rajojen ylittyminen ja riski ylittyä lähitulevaisuudessa on korostanut tarvetta ymmärtää luonnon ilmiöiden, erityisesti luontokadon ja ilmastonmuutoksen, välisiä yhteyksiä ja optimoida toimenpiteitä tämän ymmärryksen pohjalta. Jyväskylän yliopiston tutkijat ovatkin esittäneet planetaarisen hyvinvoinnin asettamista yhdeksi ihmiskunnan keskeisimmistä tavoitteista, jotta materiaaliseen hyvinvointiin pohjaavista ajatusmalleista voitaisiin siirtyä visioimaan kestävämpää huomista maapallon kaikille lajeille. Kortetmäen ym. (2021) määritelmässä planetaarinen hyvinvointi on ”tila, jossa maapallon järjestelmien ja ekosysteemiprosessien eheys säilyy siinä määrin, että lajit ja populaatiot voivat säilyä tulevaisuudessakin luontaisissa elinympäristöissään”. Planetaarisesta hyvinvoinnista on tehty neljä maksutonta verkkokurssia, joihin pääset tutustumaan tästä linkistä.

On tärkeää tiedostaa, että luontokato ja ilmastonmuutos ruokkivat toinen toisiaan, ja jommankumman mennessä huonompaan suuntaan myös toiseen liittyvät riskit kasvavat. Toisaalta hiili- ja luontoarvojen yhteisoptimoinnilla, esimerkiksi suojelemalla eniten ilmasto- ja luontohyötyjä tuottavat maa- ja vesialueet, voidaan parantaa lajien ja ekosysteemien mahdollisuuksia sopeutua väistämättömiin ympäristönmuutoksiin ja toisaalta välttyä häiriöiden, kuten sään ääri-ilmiöiden ja metsäpalojen, lisääntymiseltä.