Hiilidioksidi ja hiilen kiertokulku

Hiilidioksidi on ihmiskunnan tuottamista kasvihuonekaasuista ylivoimaisesti merkittävin. Kaasun pitoisuutta on mitattu suoraan ilmakehästä 1950-luvulta lähtien (kuva 1). Sitä varhaisempien aikojen pitoisuudet on saatu selville analysoimalla napajäätikköjen sisälle loukkuun jääneitä kaasukuplia.

Hiilidioksidipitoisuus kasvaa koko ajan

Hiilidioksidin (CO2) pitoisuus on noussut teollistumista edeltävän ajan suunnilleen 280 ppm:stä (ppm = tilavuuden miljoonasosa) jo noin 390 ppm:ään. Nousua on siis lähes 40 %. Hiilidioksidipitoisuuden kasvu jatkuu edelleen koko ajan, keskimäärin noin 2 ppm:n verran vuodessa (kuva 1).

Ihmiskunnan vaikutus hiilidioksidipitoisuuksiin pääosin fossiilisista polttoaineista

Valtaosa ihmiskunnan tuottamasta hiilidioksidista on peräisin fossiilisten polttoaineitten (mm. öljyn, kivihiilen ja maakaasun) käytöstä. Toinen tärkeä päästölähde on trooppisten metsien hävittäminen ja muu maankäytön muuttuminen. Fossiilisista polttoaineista peräisin olevat hiilidioksidipäästöt olivat vuosina 2000-2005 hiileksi muutettuina 7,2 gigatonnia (7 200 000 000 tonnia) vuodessa. Metsien hävityksestä syntyneet päästöt tunnetaan huonommin. 1990-luvulla siitä arvioidaan vapautuneen 0,5-2,7 gigatonnia hiiltä vuodessa.[1]

Ilmakehän CO2 © Scripps Instiution of Oceanography and NOAA Earth System Research Laboratory

Kuva 1. Havaijilla sijaitsevan Mauna Loan havaintoaseman mittaamia ilmakehän hiilidioksidipitoisuuksia vuosina 1958-2011[2]. Kuvassa on pystyakselilla hiilidioksidin pitoisuus tilavuuden miljoonasosina (ppm) ja vaaka-akselilla aika vuosina. Ihmiskunnan tuottamat päästöt ovat lisänneet hiilidioksidin määrää jatkuvasti vuodesta toiseen. Kesällä hiilidioksidipitoisuus tosin aina tilapäisesti hieman putoaa, kun pohjoisen pallonpuoliskon maa-alueitten kasvit käyttävät suuria määriä hiilidioksidia yhteyttämiseensä. Syksyllä ja talvella kasveista ja maaperästä vapautuu hiilidioksidia takaisin ilmakehään. - Hiilidioksidin elinikä ilmakehässä on niin pitkä, että kaasu ehtii sekoittua varsin tasaisesti ilmakehään. Täten yksittäisen aseman tiedot edustavat aika hyvin myös ilmakehää kokonaisuudessaan.

Hiili kiertää ilmastojärjestelmän eri osien välillä

Luonnossa hiili kiertää koko ajan eri varastojen välillä (kuva 2). Yhteyttäessään kasvit sitovat hiilidioksidia ilmakehästä. Ravintoketjuun näin sitoutunut hiili vapautuu jälleen ilmakehään kasvisolujen ja eläinten hengityksessä tai kuolleitten eliöiden maatuessa. Suuria määriä hiilidioksidia liukenee vuosittain meriveden ylimpiin kerroksiin, mutta lähes yhtä paljon vapautuu meristä takaisin ilmakehään. Hiilen kiertokulku on niin nopeaa, että yksittäinen hiilidioksidimolekyyli viipyy ilmakehässä keskimäärin vain noin viisi vuotta. Valtaosa kasvipeitteen ja meren pintakerroksen sitomasta hiilidioksidista kuitenkin palautuu aikaa myöten takaisin ilmakehään. Siksi ihmisten hiilidioksidipäästöjen vaikutusaika ilmakehässä on paljon pitempi, jopa satoja vuosia.

 

Hiilen kiertokulku maapallolla

Kuva 2. Hiilen kiertokulku maapallolla (yksikkö = gigatonnia hiiltä). Fossiilisten polttoaineitten käytöstä ja metsien hävittämisestä vapautunut hiilen määrä on 1990-luvun keskiarvo; vuosina 2000-2005 fossiilisten polttoaineitten käytöstä vapautui hiiltä noin 12 % enemmän. Ilmakehän hiilidioksidin määrä, 2900 Gt hiilidioksidia tai pelkän hiilen massana ilmaistuna 780 Gt, kertoo tilanteen v. 2000.

Kun ilmaan tuotetaan uutta hiilidioksidia, hiilen luonnollinen kiertokulku jakaa tämän lisän ilmakehän, kasvipeitteen ja merien kesken. IPCC:n laskelmien mukaan ilmakehään on jäänyt arviolta 45 % kaikesta siitä hiilidioksidista, jonka ihmiskunta on tuprutellut ilmaan 1700-luvulta nykypäivään. Noin 30 % hiilidioksidista on päätynyt valtameriin ja loput 25 % kasveihin ja maaperään. Valtameret, kasvillisuus ja maaperä toimivat ilmakehän kannalta hiiltä sitovina hiilinieluina. Vaikuttaa kuitenkin siltä, että näitten nielujen tehokkuus on heikkenemässä.

Merien biologinen hiilipumppu heikkenee ilmaston lämmetessä

Hiilidioksidin kiertoon valtamerissä vaikuttavat yksisoluiset leväkasvit. Yhteyttäessään nämä kasvit ottavat merivedestä hiilidioksidia. Kun levä aikanaan kuolee, se vajoaa syvemmälle mereen. Soluun varastoitunut hiili hapettuu nyt takaisin hiilidioksidiksi, mutta tämä tapahtuu siis osittain vasta syvällä meressä. Näin levät toimivat eräänlaisena biologisena hiilipumppuna: ne sitovat hiilidioksidia meren pintakerroksista ja vapauttavat sitä syvemmällä meressä. Nämä syvemmät vesikerrokset eivät ole kosketuksissa ilmakehän kanssa, joten sieltä hiilidioksidi ei pysty siirtymään suoraan ilmaan. Biologinen pumppu selittää, miksi niinkin suuri osa hiilidioksidista on maapallolla varastoitunut meriin.

Monet tutkimukset viittaavat siihen, että ilmaston lämmetessä meriveden virtaukset ja lämpötilat muuttuvat, jolloin levien kasvu ja hiilidioksidipumpun teho heikkenisivät. Tällöin meret eivät enää kykenisi sitomaan hiilidioksidia entisellä teholla.

Maaperän ja kasvillisuuden kyky varastoida hiiltä heikkenee tulevaisuudessa

Lämpimämmässä ilmastossa maaperän pieneliöt hajottavat kuolleita kasvijäänteitä entistä vauhdikkaammin, jolloin kasvien yhteyttäessään sitoma hiilidioksidi palautuu takaisin ilmakehään nopeammin. Lisäksi ilmaston muuttuminen todennäköisesti parantaa kasvien kasvuedellytyksiä joillakin alueilla, toisaalla taas huonontaa. Esimerkiksi brittiläisen Hadley-keskuksen ilmastomalli ennustaa sademäärien putoavan Amazon-joen alueella roimasti. Tällöin sademetsät korvautuisivat savanneilla, jotka eivät kykene sitomaan hiilidioksidia alkuunkaan yhtä tehokkaasti kuin metsät. Toisaalta joillakin muilla alueilla kasvipeite vastaavasti sitoisi tulevaisuudessa hiilidioksidia entistä enemmän, esimerkiksi metsittyvillä tundra-alueilla.

Koko maapallon mitassa näyttäisi siltä, että tulevina aikoina hiiltä varastoituisi sekä meriin että kasvipeitteeseen nykyistä vähemmän. Näin varastointikyvyn (hiilinielujen) heikkeneminen toimisi kasvihuoneilmiötä vahvistavana palauteilmiönä.[3]

Hiilidioksidipäästöt häviävät ilmakehästä hitaasti

Tehdään ajatuskoe: päästetään ilmaan 100 uutta hiilidioksidimolekyyliä. Mitä niille tapahtuu?

  • Noin 30 vuoden kuluttua ilmakehässä on tämän päästön seurauksena vielä 50 ylimääräistä CO2-molekyyliä. Suurin osa niistä ei kylläkään enää ole alkuperäisiä molekyyliyksilöitä, sillä hiili kiertää eri varastojen välillä.
  • Muutaman sadan vuoden päästä ylimääräisiä molekyylejä on jäljellä vielä noin 20.
  • Pieni osa tarkasteltavasta CO2-päästöstä vaikuttaa ilmassa hiilidioksidipitoisuutta lisäävästi jopa tuhansia vuosia, kunnes ylimääräinen hiilidioksidi lopulta päätyy valtamerien syvyyksiin.

Lähteet

  1. Nevanlinna, H. (toim.), Muutamme ilmastoa. Karttakeskus, 2008. s. 45-50.
  2. NOAA Earth System Research Laboratory - Trends in Atmospheric Carbon Dioxide http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/
  3. Frank et al, 2010: Ensemble reconstruction constraints on the global carbon cycle sensitivity to climate. Nature 463, 527-530. http://www.nature.com/nature/journal/v463/n7280/full/nature08769.html

Tuottajatahot