Ilmastonmuutos kemian opetuksessa
Ilmastonmuutos vaikuttaa ihmisten toimintaan ja luonnonympäristöihin nyt ja etenkin tulevaisuudessa. Kemian opetuksessa ilmastonmuutosta pohditaan tutustuttaessa ilmakehän rakenteeseen, kasvihuonekaasujen rakenteeseen ja toimintaan sekä pohdittaessa energiantuotantojärjestelmäämme. Kemian opetus onkin merkittävässä roolissa ilmastonmuutos -ilmiön syvällisessä ymmärtämisessä ja ilmastoystävällisen maailman rakentamisessa.

Carbon Visuals
Kemian artikkeli koostuu seuraavista osista:
Ilmakehän kemiaa
Kasvihuonekaasujen määrän kasvu johtaa ilmastonmuutokseen
– Ilmastonmuutos on kasvihuoneilmiön voimistumista
– Kasvihuonekaasut kykenevät imemään lämpösäteilyä itseensä
– Hiilidioksidi on kasvihuonekaasuista merkittävin
– Hiili kiertää luonnossa
– Ilmastojärjestelmässä vaikuttaa muitakin kasvihuonekaasuja
Merten happamoituminen liittyy ilmastonmuutokseen
Kemian osaamista tarvitaan ilmastokysymyksissä
– Energiajärjestelmämme perustuu fossiilisten polttoaineiden palamiseen
– Petrokemian prosesseissa tuotetaan polttoaineita ja kestäviä materiaaleja
– Biopolttoaineiden ilmastohyödyt vaihtelevat
– Aurinkopaneelien toiminta perustuu tulevaisuudessa sähkökemiaan
Ilmastokasvatusta kemian tunnilla
Tehtäviä
Kuvagalleria
Lähteitä ja lisälukemista
Ilmakehän kemiaa

Gerald Patterson
Maapallon ilmakehän ansiosta kotiplaneetallamme voi olla elämää. Ilmakehä on verrattain ohut kerros kaasua maan pinnalla. Sen elämää ylläpitävät aineet ovat ainutlaatuista muihin aurinkokuntamme planeettojen ilmakehiin verrattuna. Ilmakehässä olevat aineet ovat pääosin kaasuja ja ilma onkin siis kaasuseos. Painovoiman vuoksi ilman tiheys pienenee mentäessä ylöspäin ilmakehässä. Lisäksi mm. fotokemiallisten prosessien, eli auringon säteilyenergian vaikutusten, vuoksi ilmakehän aineiden koostumus on erilainen sen eri osissa.
Ilmakehän yleisimmät kaasut ovat typpi (78 %), happi (21 %), argon (1 %) ja hiilidioksidi (noin 0,04 %). Prosenttiosuudet pätevät lähellä maanpintaa. Vähäisestä suhteellisesta osuudestaan huolimatta myös vesihöyry on tärkeä kaasu varsinkin alailmakehässä. Yhteensä ilmakehässä on tuhansia eri kaasuja, mutta useimpien niiden prosenttiosuudet ovat hyvin pieniä.
Ilmakehästä voidaan lämpötilan perusteella erottaa erilaisia kerroksia alhaalta ylöspäin: troposfääri (noin 0-10 km), stratosfääri (noin 10-50 km), mesosfääri (noin 50-100 km) ja termosfääri (100-500 km). Erilaisten lämpötilojen lisäksi myös ilmanpaine ja kaasuseokset ovat erilaisia eri kerroksissa ja kerrosten osissa.
Toinen tapa luokitella ilmakehän ominaisuuksia on jakaa se neutraaliin ilmakehään ja ionosfääriin (ionikehä). Neutraali-ilmakehässä ilman molekyylit ovat pääasiassa sähköisesti varautumattomia, kun taas ionosfäärissä (noin 60 km ylöspäin) merkittävä osa kaasuista on ionisoituneessa tilassa, jossa on vapaita elektroneja. Ionisaation aiheuttaa auringon lyhytaaltoinen säteily. Kerrosta, jossa magneettiset ja sähköiset voimat säätelevät varattujen hiukkasten liikkeitä sanotaan magneettikehäksi, eli magnetosfääriksi (noin 10000 km -).
Kasvihuonekaasujen määrän kasvu johtaa ilmastonmuutokseen
Kasvihuonekaasujen ja niiden erilaisten ominaisuuksien ymmärtäminen, sekä kasvihuoneilmiön käsite ovat ilmastonmuutoksen perusteiden ymmärtämisen keskiössä ja niistä on siksi kerrottu seuraavassa lisää.
Merten happamoituminen liittyy ilmastonmuutokseen

USFWS Headquarters
Ympäristöongelmat ovat useimmiten jollakin tavalla yhteydessä toisiinsa, syineen ja seurauksineen ne muodostavat monimutkaisen ongelmien verkoston. Merten happamoituminen on kemian kannalta olennainen ilmastonmuutokseen liittyvä ympäristöongelma: niillä on yhteinen syy. Merten happamoituminen on seurausta ihmiskunnan tuottaman, ilmakehän “ylimääräisen” hiilidioksidin sitoutumisesta meriin, jolloin veden pH-arvo muuttuu happamammaksi. Siihen vaikuttavat jonkin verran myös muut fossiilisten polttoaineiden käytön myötä vapautuvat aineet, kuten typen ja rikin yhdisteet.
Merten happamoitumisvauhti on kova ja se vaarantaa monien merieliöiden tulevaisuuden. Teollisen vallankumouksen jälkeen meriveden happamuus on kasvanut jo 26 prosentilla. Tutkijoiden mukaan muutoksen nopeus on tällä hetkellä nopeampaa kuin kertaakaan viimeisen 300 miljoonan vuoden aikana. Päästöjen kasvun jatkuessa happamoituminen voi lisääntyä jopa 170 prosentilla tämän vuosisadan loppuun mennessä. Ainoa ongelmanratkaisukeino on hiilidioksidipäästöjen nopea ja laajamittainen vähentäminen.
Liuetessaan meriveteen hiilidioksidi reagoi vesimolekyylien kanssa muodostaen hiilihappoa. Hiilihappo puolestaan reagoi meriveteen liuenneen karbonaatin kanssa. Tästä seuraa se, että ihmiskunnan hiilidioksidipäästöjen liukeneminen meriin vaikeuttaa korallien ja muiden kalsiumkarbonaattikuoristen eliöiden kasvua.
Monet eliölajit eivät ehdi sopeutua nopeaan muutokseen, mistä seuraa niille vaikeuksia ja jopa laajoja sukupuuttoja. Vaikutukset olisivat massiiviset koko ekosysteemille ja myös ihmiskunnan ravinnontuotannolle. Erityisen suuressa vaarassa ovat liikkumiskyvyttömät tai hitaasti liikkuvat kalkkirakenteiset eliöt, kuten korallieläimet, sekä nilviäiset ja kotilot, joissa muutoksia on jo nähtävissä.
https://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/videot-ja-visualisoinnit/-/artikkeli/ee5cea58-58f6-477d-8670-18aff21a1bb2/video-merien-happamoituminen.html
Kemian osaamista tarvitaan ilmastokysymyksissä
Kemian osaamista voidaan käyttää edellä kuvatulla tavalla ilmastonmuutoksen perusteiden ymmärtämiseen, mutta kemialla teollisuudenalana on merkittävä rooli myös sekä ilmastonmuutoksen aiheuttajana, että sen ratkaisujen kehittäjänä.
Ilmastokasvatusta kemian tunnilla

Lower Columbia College
Edellä on kerrottu sekä kemian peruskäsitteiden hyödyntämisestä ilmastonmuutoksen ymmärtämisessä, sekä soveltavan kemian aiheuttamista ongelmista ja ratkaisuista mm. energiantuotannossa. Kemian käsitteitä opeteltaessa saatetaan helposti jäädä kiinni hyvin pieniin yksityiskohtiin tai tekniseen näkökulmaan, mutta samalla on hyvä muistaa, että ilmastonmuutos on mittava yhteiskunnallinen ongelma, jonka seuraukset vaikuttavat ihmisten elämään joka puolella maapalloa jo nyt.
Oppilaiden motivoimiseen voi auttaa isomman kuvan pitäminen yksityiskohtien rinnalla. Ilmastokasvatuksen näkökulmasta on lisäksi syytä muistaa, että pelkkä tiedon lisääminen ei johda käyttäytymisen muutokseen. Opetussuunnitelmien mukaan oppilaista tulisi kasvaa aktiviisia kansalaisia, jotka tiedostavat ilmastonmuutoksen olevan ongelma ja jotka osaavat ja haluavat toimia sen ratkaisemiseksi. Sitä varten on siis opeteltava myös käytännön ilmastovaikuttamisen taitoja, jotka kemian näkökulmasta liittyvät luontevasti esimerkiksi erilaisiin energiapoliittisiin kysymyksiin. Lisäksi opettajan olisi hyvä valmistautua kohtaamaan ja käsittelemään myös aiheeseen liittyviä tunteita ja oppilaiden aiempia kokemuksia.
– Päin helvettiä? Ympäristöahdistus ja toivo. Panu Pihkala. Kirjapaja (2017)
– Kuinka käsitellä maailman ongelmia? Traagisuus ja toivo ympäristökasvatuksessa (Panu Pihkala 2017) https://journal.fi/ainedidaktiikka/article/view/65801/26624
Usein ilmastokeskustelussa korostetaan yksilön valintoja ja kulutuskäyttäytymistä hieman liikaakin, varsinkin kun kyseessä ovat nuoret. Niilläkin on oma merkityksensä, mutta paljon laajempia vaikutuksia saadaan aikaan hankkimalla tietoa, tekemällä aloitteita, pitämällä puheita, kirjoittamalla mielipidekirjoituksia ja artikkeleita, kontaktoimalla päättäjiä ja järjestämällä kokouksia. Vaikuttamisen taitoja on monenlaisia ja mitä enemmän niitä on mahdollista kokeilla, sitä harjaantuneemmin niitä osaa käyttää.
Tehtäviä
Viisi tärkeintä kasvihuonekaasua tai -kaasuryhmää ovat hiilidioksidi, vesihöyry, metaani, dityppioksidi ja halogenoidut hiilivedyt. Etsikää seuraavien lisäkysymysten avulla lisätietoa kaasuista: Mikä on kaasujen kemiallinen kaava? Mistä niitä pääsee ilmakehään? Kuinka kauan niiden ennustetaan säilyvän ilmakehässä? Mikä on kunkin kaasun tai kaasuryhmän osuus lämmitysvaikutuksesta? Millä tavalla vesihöyry on erikoinen kasvihuonekaasu? Miten kaasuja käytetään? Tehtävän vastaukset löytyvät täältä:
http://static.ecome.fi/upload/1498/Ilmasto_jaahylle_opettajanvihko.pdf , s. 8
Ohjeet esimerkiksi täältä:
http://www.helsinki.fi/kemia/opettaja/aineistot/kaasut/soodastakaasua.html
Valmistetaan Grätzel-kenno (aurinkopaneeli) ja kokeillaan sen toimintaa. Ohjeet esim. täältä:
http://www.instructables.com/id/DIY-solar-cell-from-scratch/
Taustatietoa täältä: http://www.nlcpr.com/GratzelSolarCell.pdf
Tehdään koe, joka demonstroi ilmastonmuutos, merten happamoituminen, korallien kato -yhtälöä. Ohjeet löytyvät täältä:
http://www3.epa.gov/climatechange/kids/documents/corals-and-chemistry.pdf
Tutustutaan virtuaalisen hiilipuun hiilensidontaan ja tehdään aiheeseen liittyvä visa osoitteessa: http://hiilipuu.fi/fi
löytyy täältä:
http://www.kcvs.ca/vc3/Lessons/
Kuvagalleria
Kuvaajatiedot ja alkuperäiskuvat löydät kemian Flickr-kuvagalleriasta täältä.
Lähteitä ja lisälukemista
http://ilmatieteenlaitos.fi/ilmakeha-ja-saailmiot
Ilmakehä-ABC (Ilmatieteen laitos) http://ilmatieteenlaitos.fi/ilmakeha-abc
Kaasujen opetus perusopetuksen 7-9 -luokkien kemiassa (Pro gadu, Laine 2005) http://www.helsinki.fi/kemia/opettaja/ont/laine-l-2005.pdf
Kasvihuoneilmiö (Wikipedia) https://fi.wikipedia.org/wiki/Kasvihuoneilmi%C3%B6
Kasvihuonekaasut lämmittävät (Ilmasto-opas)
https://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/ilmio/-/artikkeli/3a576a6e-bec5-44bc-a01d-11497ebdc441/kasvihuonekaasut-lammittavat.html
Hiilidioksidi ja hiilen kiertokulku (Ilmasto-opas)
http://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/ilmio/-/artikkeli/1e92115d-8938-48f2-8687-dc4e3068bdbd/hiilidioksidi-ja-hiilen-kiertokulku.html
Hiilidioksidi (Wikipedia)
https://fi.wikipedia.org/wiki/Hiilidioksidi
Global Warming Potential (Wikipedia)
https://en.wikipedia.org/wiki/Global_warming_potential
Metaani (Ilmasto-opas)
https://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/ilmio/-/artikkeli/dec264e2-6350-418c-a1bc-3ef7c80676aa/metaani.html
Vesihöyry on merkittävin kasvihuonekaasu (Ilmasto-opas)
http://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/ilmio/-/artikkeli/3f4249f8-f39a-4ff6-889a-eaa389b69cb7/vesihoyry.html
Dityppioksidi (Ilmasto-opas)
https://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/ilmio/-/artikkeli/8de2c2ef-71c1-41b4-90d7-d61125c3a3a6/dityppioksidi.html
Otsoni kasvihuonekaasuna (Ilmasto-opas) https://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/ilmio/-/artikkeli/27bd3840-7f0a-40d0-82b7-aac1231bec4e/otsoni.html
Ocean Acidification Summary for Policymakers (International Geosphere-Biosphere Programme 2013) http://www.igbp.net/download/18.30566fc6142425d6c91140a/1385975160621/OA_spm2-FULL-lorez.pdf
Merien happamoituminen jatkuu nopeana (CO2-raportti)
http://www.co2-raportti.fi/index.php?page=ilmastouutisia&news_id=4071
Energialähteet ja energiatarve (Edu.fi)
http://www.edu.fi/yleissivistava_koulutus/aihekokonaisuudet/kestava_kehitys/teemoja/energian_tuotanto_ja_kaytto/energialahteet_ja_energiatarve
Biomassan tuotanto ja polttoaineen käyttö ratkaisevassa roolissa bioenergian ilmastohyötyjä arvioitaessa
https://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/hillinta/-/artikkeli/c14a79cd-d384-41f4-a422-32338ecb35ca/bioenergia.html
Metsien hyödyntämisen ilmastovaikutukset ja hiilinielujen kehittäminen (Seppälä jne., Ilmastopaneeli 2015)
http://www.ilmastopaneeli.fi/uploads/selvitykset_lausunnot/Metsien%20hy%C3%B6dynt%C3%A4misen%20ilmastovaikutukset%20ja%20hiilinielujen%20kehittyminen.pdf
LUMA-viikon tietoiskut: Aurinkokennot (Luova 2010)
http://www.eluova.fi/index.php?id=1050
Kestävä kehitys kemian opetuksessa – pedagogiikka ja oppilaiden omia tutkimuksia (Juntunen, Suomen Luonnonsuojeluliitto 2016)
http://www.sll.fi/mita-me-teemme/ymparistokasvatus/Kestavakehityskemianopetuksessaopas.pdf
Sadan vuoden urakka – Miten ilmaston kanssa eletään (Ville Lähde/ BIOS-tutkimusyksikkö)
http://bios.fi/sadan-vuoden-urakka-miten-ilmaston-kanssa-eletaan/