Ilmastonmuutos fysiikan opetuksessa

Ilmastonmuutos vaikuttaa ihmisten toimintaan ja luonnonympäristöihin nyt ja etenkin tulevaisuudessa. Fysiikan osaaminen on keskeistä ilmastonmuutos -ilmiön syvällisessä ymmärtämisessä ja ilmastoystävällisen maailman rakentamisessa. Tärkeitä osa-alueita, ovat mm. lämpö- ja sähköoppi ja lisäksi ilmastoon ja sen muuttumiseen liittyvää tietoa esitetään paljon lukujen ja yksiköiden kautta ja fysiikka oppiaineena on avainasemassa näiden opettamisessa. Fysiikan opettajalla onkin tärkeä rooli ilmastokasvattajana.

---

Ilmastonmuutos on kasvihuoneilmiön voimistumista

Kasvihuoneilmiö on ilmakehän alimpien osien lämpenemistä hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen (mm. vesihöyry ja metaani) takia. Luonnollinen kasvihuoneilmiö mahdollistaa elämän planeetallamme ja se syntyy, kun kasvihuonekaasut päästävät auringon tulosäteilyn maanpintaan, mutta hidastavat poissäteilyä infrapuna-alueella. Tämän vuoksi ilmakehän lämpötila lähellä maanpintaa pysyy noin 33 °C korkeampana kuin ilman kasvihuonekaasujen vaikutusta, jolloin se olisi noin -18 °C.

Tällä hetkellä ihmiskunta lämmittää nopeasti maapalloa päästämällä ilmakehään lisää kasvihuonekaasuja. Ilmastonmuutoksella, eli kasvihuoneilmiön voimistumisella tarkoitetaan sitä, että kasvihuonekaasujen lisääntyessä myös niiden ilmakehää lämmittävä vaikutus voimistuu. Hiilidioksidin, metaanin ja dityppioksidin määrät ilmakehässä ovat kasvaneet viimeisten parin vuosisadan aikana ratkaisevasti. Sitä ennen pitoisuudet säilyivät lähes muuttumattomina tuhansia vuosia.

---

Kasvihuonekaasut kykenevät absorboimaan lämpösäteilyä itseensä

Ilmakehän valtakaasut typpi ja happi eivät aiheuta kasvihuoneilmiötä. Tärkeimmät ilmakehässä luonnostaan esiintyvät kasvihuonekaasut ovat vesihöyry (H2O), hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4), dityppioksidi (N2O) ja otsoni (O3). Ilmakehän alimmissa kerroksissa voimakkain kasvihuonekaasu on vesihöyry, joka yksinään selittää luonnollisen kasvihuoneilmiön aiheuttamasta maapallon lämmityksestä yli puolet. Hyvänä kakkosena seuraa hiilidioksidi. Lisäksi ihmiset ovat tuottaneet ilmakehään suuren lisämäärän siellä luonnollisestikin esiintyviä kaasuja, sekä kokonaan uusia, siellä luonnostaan esiintymättömiä kasvihuonekaasuja, kuten halogenoituja hiilivetyjä.

Kasvihuonekaasuilla molekyylin rakenne on sellainen, että ne kykenevät imemään lämpösäteilyä tietyillä aallonpituuksilla. Kasvihuonekaasumolekyyli pystyy muuttamaan saamansa energian uudelleen säteilyksi, jolloin osa säteilyn energiasta palaa takaisin maan pintaa lämmittämään ja osa karkaa avaruuteen.

Kasvihuonekaasujen voimakkuutta kuvaava GWP-indeksi kertoo kuinka paljon voimakkaampi lämmittävä vaikutus tarkasteltavalla kaasulla on verrattuna hiilidioksidiin. GWP-indeksin arvoon vaikuttaa kaasun elinikä ilmakehässä, infrapunasäteilyn absorption vahvuus sekä tarkat absorption aallonpituudet. GWP-indeksi ilmoitetaan tietylle aikajänteelle ja esimerksiksi 20 vuoden aikajänteellä typpidioksidin GWP-indeksi on 298, metaanin 72 ja hiilitetrafluoridin 4950. Merkittävimmät kasvihuonekaasut voimakkuusjärjestyksessä GWP-indeksillä (Global Warming Potential) ovat typpidioksidi, metaani ja hiilidioksidi. Näiden lisäksi fluoripohjaiset yhdisteet (esimerkiksi CF4 hiilitetrafluoridi) ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, mutta niiden määrät ilmakehässä ovat vähäisiä. (IPCC AR4, s. 212)

---

Maapallon termodynaamista tasapainoa voidaan tutkia mustan kappaleen säteilyn avulla

Kasvihuoneilmiötä voidaan tarkastella mustan kappaleen säteilyn mallilla. Termi kuvaa ideaalista kappaletta, joka absorboi kaiken siihen kohdistuvan säteilyn eikä siis heijasta sitä lainkaan. Esimerkiksi Aurinkoa, ja muita tähtiä, voidaan mallintaa varsin hyvällä tarkkuudella mustina kappaleina, ja tämän avulla laskea muun muassa niiden termodynaamista tasapainoa vastaava lämpötila.

Auringon säteilyintensiteetti yläilmakehässä vaihtelee etäisyydestä riippuen välillä 1413 W/m2 – 1321 W/m2. Auringon energian lämmittävä vaikutus ja maapallon poissäteilemä energia muodostavat tasapainon, joka määrittää maapallon pintalämpötilan. Maapallon absorboima energiamäärä riippuu albedosta, joka kuvaa heijastuneen säteilyn määrää. Jos albedo on nolla, niin kappale absorboi kaiken tulevan säteilyn (ideaali musta kappale), ja jos se heijastaa kaiken tulevan säteilyn, kappaleen albedo on yksi. Jos ei oteta huomioon ilmakehän vaikutusta, ja ajatellaan maapallon olevan musta kappale, jonka albedo on 0,306, saadaan Stefan-Boltzmanin laista maapallon pintalämpötilaksi -18,8 °C. Jos ajateltaisiin maapallon absorboivan kaiken tulevan säteilyn, niin pintalämpötila olisi 5,3 °C. Maapallon todellinen pintalämpötila on kuitenkin huomattavasti korkeampi, 14 °C. Kasvihuoneilmiö siis nostaa maan pintalämpötilaa merkittävästi.

Ilmakehän absorboima säteily riippuu säteilyn aallonpituudesta. Auringon säteilyspektri painottuu infrapunan, näkyvän valon ja UV-säteilyn aallonpituuksiin, joista ilmakehä absorboi tehokkaasti infrapuna-aallonpituuksia. Lämmenneen maan lämpösäteilyn aallonpituus on infrapuna-alueella, jolloin ilmakehä absorboi myös maan pinnan säteilyn. Ilmakehän lämpötila määräytyy tasapainosta Auringon säteilystä absorboituneen lämmön, maan pinnan säteilemän lämmön ja ilmakehän poissäteilemän lämmön välillä. Energian siirtyminen maan ja ilmakehän välillä perustuu olomuodonmuutosprosesseihin ja tavanomaiseen kappaleiden lämpenemiseen Q = cm(delta)t.

---

Ilmastonmuutoksen fysikaaliset seuraukset

Ilmaston lämmetessä lämpöenergiaa varastoituu ilmastojärjestelmän eri osiin, pääosin valtameriin. Esimerkiksi vuodesta 1961 vuoteen 2003 lämpöenergian kokonaismäärän arvioitu lisääntyminen oli 15,9 x 1022 joulea, mistä määrästä noin 90 % eli 14,2 x 1022 joulea on päätynyt meriin.

Vaikka ilmaston lämpeneminen vaikuttaa ensisijaisesti fyysiseen ympäristöön maapallolla, on näillä muutoksilla valtavasti erilaisia vaikutuksia elämälle. Ilmastonmuutos muuttaa ekosysteemejä, eliölajien esiintymistä, ruoantuotantoa ja kaikenlaista ihmisten toimintaa. Seuraavassa käsitellään juuri ilmastonmuutoksen fysikaalisia seurauksia ja sen vaikutuksista luonnolle ja ihmistoiminnalle voit lukea Open ilmasto-oppaan eri oppiaineiden teksteistä.

---

Lämpötilat, sademäärät ja ilmakehän kaasukoostumus muuttuvat

Ilmastonmuutos vaikuttaa ennen kaikkea maapallon lämpötiloihin ja sademääriin. Seuraavassa kerrotaan lyhyesti näiden muutosten merkittävimmistä sovelluksista: veden kiertokulun muutoksesta, hirmumyrskyjen voimistumisesta, lumen ja jään määrän vähenemisestä ja valtamerten pinnan noususta.

Maapallolla on vettä merien, järvien ja jokien lisäksi pohjavetenä, ilmakehässä vesihöyrynä, sekä sitoutuneena kasvillisuuteen ja jäätiköihin. Vesi on jatkuvassa liikkeessä näiden paikkojen välillä ja ilmastonmuutoksen myötä veden kiertokulku nopeutuu, sillä ilman lämpeneminen lisää haihduntaa koko maapallon mittakaavassa. Keskimäärin sademäärät lisääntyvät ja lämmenneeseen ilmakehään voi sitoutua vesihöyryä nykyistä enemmän.

Sademäärät vaihtelevat alueittain eri puolilla maapalloa. Pääsääntöisesti sateiden odotetaan muuttuvan nykyistä vaihtelevammiksi ja odotettavissa on myös äärevöitymistä: Kovia satunnaisia rankkasateita saattaa siis esiintyä tulevaisuudessa nykyistä useammin sielläkin, missä keskimääräinen sademäärä ei lisäänny. Vastaavasti myös kuivuuskaudet pitenevät.

Hirmumyrskyjen ensisijainen energianlähde on lämmin merivesi. Koska merivedet lämpenevät ilmastonmuutoksen vaikutuksesta, tällä on arvioitu olevan vaikutusta myös hirmumyrskyjen esiintymistiheyteen ja voimakkuuteen. Meriveden lämpötila ei ole ainut trooppisen myrskyn voimakkuutta ennustava tekijä, mutta lämpötilojen kasvaessa myrskyillä on entistä pidemmän ajan mahdollisuus muuntua hirmumyrskyksi vuorovaikutuksessa ilmakehässä vallitsevien meteorologisten tekijöiden kanssa.

Tällä hetkellä ilmastotutkimuksessa mallisimulaatioiden perusteella arvioidaan, että kaikkein voimakkaimmat trooppiset myrskyt tulevaisuudessa voimistuvat, mutta ei ole varmuutta siitä, millä aikataululla ja millä alueilla näin voi käydä. Voi myös olla, että myrskyjen muuttuessa ankarammiksi, niiden määrä vähenee.

Jään ja lumen määrä vähenee maapallolla. Ilmaston lämpeneminen lyhentää lumipeitteistä aikaa pohjoisilla alueilla ja vuoristoissa. Jäätiköiden käyttäytymisen ennustaminen on haastavampaa, mutta ainakin merijään odotetaan vähenevän.

Maapallon merkittävimmät jääesiintymät ovat nykyään Etelämantereella ja Grönlannissa sijaitsevat suuret mannerjäätiköt, sekä napa-alueiden merijäätiköt. Mannerjäätiköt ja merijää poikkeavat tilavuudeltaan ja ominaisuuksiltaan huomattavasti. Nykyisen tietämyksen perusteella mannerjäätikön käyttäytymistä ilmaston lämmetessä on vaikea ennustaa. Etelämantereen jäätikön tilavuus pysyy tällä hetkellä vuodesta toiseen lähes muuttumattomana, sillä lumisateet tuovat sinne suunnilleen yhtä paljon massaa kuin mitä sen reunoilta jäävuorten lohjetessa katoaa. Tilanteen odotetaan pysyvän lähivuosikymmeninä samana. Grönlannissa ilmaston odotetaan lämpenevän huomattavasti enemmän kuin Etelämantereella. Viimeksi kuluneiden 15 vuoden aikana Grönlannin jäätikön tilavuus on pienentynyt ja jään virtaus on monin paikoin nopeutunut. Syytä virtausten lisääntymiselle ei tiedetä, mutta voi olla että ilmaston lämpeneminen on tähän yksi syy ja jos näin on, saattaisi jäätikkö sulaa ennakoitua herkemmin.

Pinnalla kelluvan merijään sulaminen ei Arkhimedeen lain perusteella itsessään aiheuta merenpinnan nousua. Merijään sulaminen kuitenkin kiihdyttää ilmaston lämpenemistä ja siksi pitemmän päälle epäsuorasti nostaa myös meren pintaa. Tällä hetkellä näyttää ilmeiseltä, että Pohjoinen jäämeri on tulevaisuudessa kesällä kokonaan sula. Myös Eteläisellä jäämerellä jään ennustetaan vähenevän lähimmän sadan vuoden aikana, mutta selvästi hitaammin kuin pohjoisilla merillä.

Valtamerten pinta nousee ilmaston muuttumisen seurauksena kahdesta syystä: jäätiköiden sulamisen vuoksi sulan veden määrä kasvaa ja toisaalta myös veden tilavuus kasvaa meriveden lämpölaajenemisen myötä. Nousuvauhti on tällä hetkellä noin 3 millimetriä vuodessa. Nousuvauhtiin vaikuttaa muun muassa lämmön siirtymisnopeus syvempiin vesikerroksiin virtausten mukana. Merenpinnan korkeuden tulevia muutoksia on paljon vaikeampi ennustaa kuin koko maapallon keskilämpötilan kehitystä, mutta eri arvioista ja päästöskenaarioista riippuen merenpinnan ennustetaan nousevaan tämän vuosisadan loppuun mennessä metristä useisiin metreihin.

Merenpinnan nousu on epätasaista eri puolilla maailmaa. Nousuvauhtiin vaikuttavat muun muassa merivirtaukset, veden suolapitoisuus ja vaihteleva lämpötila sekä maankuoren muodot ja muodonmuutokset. Myös jäätiköiden sulamisvedet jakautuvat epätasaisesti maailman merille. Lämpölaajenemisen vaikutukset ovat suurimmat lämpimimmillä merialueilla.

Suuren jäämassan painovoimavaikutus vetää merivettä puoleensa. Kun massa sulaa pois, vetovoima heikkenee ja merivesi pakenee pois sulavan jäämassan ympäriltä. Siksi Grönlannin mannerjäätiköstä vapautuva sulamisvesi ei mallitulosten mukaan juurikaan nosta merenpintaa esimerkiksi Itämeren lähialueilla, mutta toisaalta Etelämantereen jäätikön mahdollinen sulaminen tuntuisi täälläkin.

---

Palautekytkennät voimistavat seurausten vaikutuksia

Ilmastojärjestelmän osat ilmakehä, vesikehä, lumen ja jään kehä, kivikehä sekä elonkehä ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa  toistensa kanssa. Yhden tekijän, esimerkiksi kasvihuonekaasujen määrän muuttaessa lämpötiloja, tapahtuu järjestelmässä samalla muitakin muutoksia. Usein nämä muutokset joko vahvistavat tai heikentävät alkuperäisen tapahtuman vaikutuksia, jolloin puhutaan ilmastojärjestelmän palauteilmiöistä tai -kytkennöistä.

Ilmastojärjestelmän monimutkaisuus asettaa haasteita ilmaston tulevien muutosten ennustamiselle: palautekytkennät tekevät ilmastonmuutoksen kehityksen epälineaariseksi ja vaikeaksi ennustaa. Palauteilmiöt määräävät pitkälti sen, miten paljon lämpenemistä alun perin aiheuttavat tekijät, eli säteilypakote muuttaa maapallon lämpötilaa.

Tällä hetkellä arvioidaan, että jokainen neliömetriä kohti laskettu pakotewatti nostaisi maapallon lämpötilaa arviolta 0,75°C. Joissakin ilmastomallinnuksissa lämpötilan muutos on kuitenkin ollut lähempänä puolta astetta, toisissa yhden asteen luokkaa. Lämpötilan nousu maapallolla seuraa säteilypakotteen voimistumista useamman vuosikymmenen ja -sadankin viiveellä. Lämpötilan välitöntä muuttumista hidastavat valtameret, jotka toimivat ilmastojärjestelmässä valtavana lämpöpuskurina.

Viimeksi kuluneitten sadan vuoden aikana maapallo on havaintojen mukaan ehtinyt lämmetä n. 0,7°C. Karkean arvion mukaan ihmiskunnan tähän mennessä tuottama 1,6 watin lämmittävä säteilypakote lämmittäisi maapalloa teoriassa noin 1,2 asteella pitkän ajan kuluessa. Arvion tarkkuuteen vaikuttaa ainakin kaksi tekijää:

1. kokonaispakotteen arvo tunnetaan varsin epätarkasti ja
2. eri mallien käsitys ilmaston reagointiherkkyydestä vaihtelee huomattavasti

Seuraavassa on hyvin kuvattu hyvin tiiviisti neljän erilaisen palautekytkennän mekanismit:

• Vesihöyry voimistaa lämpenemistä. Lämmennyt ilmakehä kykenee pitämään sisällään entistä enemmän vesihöyryä. Vesihöyry on tehokas kasvihuonekaasu, sen määrän lisääntyminen vähentää lämpösäteilyn karkaamista avaruuteen. Vaikka ihmisen aiheuttamien vesihöyryn ”päästöjen” suora vaikutus on vähäinen, pyrkii vesihöyryyn liittyvä palautekytkentä voimistamaan lämpenemistä, joka on saanut alkunsa hiilidioksidin määrän lisääntymisestä. Vesihöyryn palautevaikutuksen on arvioitu olevan jopa kaksinkertainen muihin tekijöihin verrattuna.
• Lumi- ja jääpeite vaikuttavat auringon säteilyn heijastumiseen. Kun jokin tekijä lämmittää maapalloa, lumi ja jää sulavat ja niiden peittämä pinta-ala maapallolla pienenee. Sula maa tai merenpinta heijastaa paljon vähemmän auringon säteilyä kuin lumen tai jään peittämä, jolloin enemmän auringon säteilyä absorboituu lämmittämään pintaa, ja näin ilmaston lämpeneminen voimistuu. Tämä palaute ei koko maapallon mitassa ole yhtä merkittävä kuin vesihöyryn määrään liittyvä, mutta kylmillä ilmastovyöhykkeillä se on paikallisesti varsin tärkeä.
• Pilvisyys muuttuu. Pilvisyyden muutoksiin liittyvä palauteilmiö on monimutkaisempi ja siitä on saatu ilmastomallinnusten avulla ristiriitaisia tuloksia. Kaiken kaikkiaan pilvet viilentävät maapallon ilmastoa, koska pilvettömällä planeetalla auringon säteily pääsisi lähes esteettä maanpinnalle lämmittämään. Näyttää siltä, että ilmaston lämmetessä pilvisyyden jakauma maapallolla muuttuu ja useimmissa malleissa pilviin liittyvä palauteilmiö on ilmastonmuutosta vahvistava, mutta eri mallien tulokset poikkeavat toisistaan varsin paljon.
• Hiilinielujen heikkeneminen voimistaa lämpenemistä. Kun ilmakehään pääsee lisää hiilidioksidia, hiilen luonnollinen kiertokulku jakaa tämän lisän ilmakehän, kasvipeitteen ja merien kesken. Koko maapallon mitassa näyttäisi siltä, että tulevina aikoina hiiltä varastoituisi sekä meriin että kasvipeitteeseen tähänastista vähemmän, jolloin entistä suurempi osa hiilidioksidin päästöistä jäisi ilmakehään maapalloa lämmittämään. Hiilen varastointikyvyn, eli hiilinielujen heikkeneminen toimii siten kasvihuoneilmiötä vahvistavana palauteilmiönä.

Yleensä palautemekanismit toimivat myös toisin päin: ilmaston jostain syystä kylmetessä vesihöyryn määrän väheneminen ilmakehässä viilentää ilmastoa lisää ja samoin lumi- ja jääpinta-ala kasvaa ja voimistaa kylmenemistä.

---

Ihminen muuttaa ilmastoa

Nykyisen ilmastonmuutoksen syyt ovat pääosin ihmisen ilmakehään päästämien kasvihuonekaasujen suuressa määrässä ja ilmastoa lämmittävässä vaikutuksessa. Nykyinen elämäntapamme perustuu hyvin voimakkaasti fossiilisten polttoaineiden kulutukselle ja ilmastopäästöjä syntyykin lähes kaikesta ihmistoiminnasta: asumisesta, liikkumisesta, ruoasta, kulutustavaroiden valmistamisesta ja käytöstä, sekä teollisuuden prosesseista ja energiankäytöstä näiden kaikkien taustalla.

Ilmastoa lämmittävien kasvihuonekaasupäästöjen lisäksi ihmistoiminta aiheuttaa myös muita saasteita, kuten pienhiukkaspäästöjä, jotka vastaavasti viilentävät ilmastoa. Toisaalta ihminen voi toiminnallaan myös vaikuttaa aiheuttamiensa päästöjen määrään: tuotetaanko käytetty sähkö fossiilisella vai uusiutuvalla energialla, perustuuko maantieliikenne maaöljyn käyttöön vai kenties biokaasuun tai sähköenergiaan ja minkälaista ja millä tavoin tuotettua ruokaa syömme.

Energiantuotantojärjestelmäämme liittyvistä kysymyksistä on kerrottu enemmän seuraavassa luvussa. Asumiseen ja ruokaan liittyvistä teemoista voit lukea lisää Open ilmasto-oppaan kotitalouden tekstistä ja sähköajoneuvoista teknisen työn tekstistä.

---

Säteilypakote kuvaa energiaepätasapainoa ilmastojärjestelmässä

Ihmiskunta aiheuttaa ilmaston lämpenemistä päästäessään ilmakehään kasvihuonekaasuja, mutta toisaalta ihmisten tuottamat pienhiukkaset myös jäähdyttävät maapalloa. Näiden vastakkaisten ilmiöiden vaikutuksia voidaan havainnollisesti vertailla säteilypakotteen käsitteen avulla, arvioimalla eri tekijöiden aiheuttaman säteilypakotteen suuruutta. Säteilypakotetta mitataan tehona pinta-alaa kohden, eli säteilytehon määrää neliömetriä kohden (W/m2).

Säteilypakote kuvaa saapuvan ja poistuvan säteilyn välistä eroa. Auringolla on aina maata lämmittävä positiivinen pakotevaikutus. Maan ilmakehä ja pinta absorboivat eli imevät itseensä osan säteilystä ja osa heijastuu takaisin avaruuteen. Absorboidun ja heijastuneen säteilyenergian välinen tasapaino määrittää keskimääräisen lämpötilan maan pinnalla ja ihmisen toimet tuovat muutoksia tähän keskilämpötilaan. Maapallon absorboimaan energiamäärään vaikuttavat heikentävästi pilvisyys, jäätiköiden heijastavuus (albedo) ja pienhiukkaset, jotka heijastavat auringon säteilyä pois. Auringon säteilystä n. 30 % heijastuu takaisin ja 70 % jää lämmittämään planeettaamme. Tämän lisäksi säteilypakotteeseen vaikuttavat muutokset maanpinnan heijastavuudessa, vulkaanisissa päästöissä, maan kiertoradassa ja kasvihuonekaasujen pitoisuuksissa.

Ihmisen toiminta aiheuttaa säteilypakotteeseen muutoksia, eli energiaepätasapainoa ilmastojärjestelmässä. Kasvihuonekaasujen määrän lisääntyminen vähentää maapallolta avaruuteen poistuvan lämpösäteilyn määrää, mistä aiheutuu lämmittävä eli positiivinen säteilypakote. Pienhiukkaset taas vähentävät auringonsäteilyn lämmittävää vaikutusta ja aiheuttavat siksi osittain maapallolla jäähdyttävää eli negatiivista säteilypakotetta.

Pienhiukkasilla tarkoitetaan halkaisijaltaan 100 mikrometristä 100 nanometriin olevia hiukkasia, joita syntyy ihmisen tuottamana liikenteestä ja hiilen poltosta, sekä jonkin verran myös luonnostaan. Pääosin ilmakehän pienhiukkasilla on ilmastoa viilentävä vaikutus, mutta niiden elinikä ei ole kovin pitkä ja niiden määrä tulee todennäköisesti pienenemään tulevaisuudessa, joten myös niiden merkitys ilmaston viilentäjänä tulee vielä vähenemään. Pienhiukkasilla on seuraavanlaisia viillentäviä (V) ja lämmittäviä (L) vaikutuksia ilmakehän lämpötilaan:

• ne sirottavat auringon valoa, jolloin pienempi osa siitä absorboituu maahan (V)
• ne edistävät pilvien syntyä ja näin pienetävät säteilypakotetta (V)
• ne absorboivat säteilyä lämmittäen niitä ilmakerroksia, joissa pienhiukkasia esiintyy (L)

Auringon lämpösäteilyn imeytymistä maapallolle vahvistavat vesihöyryn ja kasvihuonekaasujen määrän lisääntyminen ilmakehässä, sekä maankäytön muutoksesta aiheutuvat muutokset maan pinnan heijastavuudessa eli albedossa. Albedo pienenee esimerkiksi jäätikön sulaessa ja hakkuuaukean tai pellon metsittyessä. Jäätiköiden albedo on suuri eli ne heijastavat suurimman osan niihin osuvasta säteilystä pois. Jäätikön sulaessa paljastuu kuivaa maata, jonka albedo on pienempi ja näin säteilyn imeytyy maahan enemmän. Metsien albedo taas on pienempi kuin avointen maiden, eli tämä tuo metsille ilmastoa lämmittävän vaikutuksen. Albedo pienentää erityisesti boreaalisten metsien hiilinielun vaikutusta.

---

Ilmastonmuokkaukseen liittyy monenlaisia riskejä

Ihmistoiminnan aiheuttamien kasvihuonekaasupäästöjen jatkuva kasvu on saanut ilmastotutkijat pohtimaan erilaisia teknisiä hätäratkaisuja, joilla ilmastonmuutoksen vaikutuksia voitaisiin lieventää. Yksinkertaistettuna ilmastonmuokkauksen idea perustuu maapallon säteilytaseen eli säteilytasapainon muuttamiseen siten, että eri menetelmillä joko heijastettaisiin (H) auringon säteilyä takaisin avaruuteen tai voimistettaisiin (V) maapallon avaruuteen lähettämää lämpösäteilyä sitomalla ilmakehästä hiilidioksidia. Pohdittuja vaihtoehtoisia tapoja viilentää ilmastoa ovat esimerkiksi seuraavat:

• suurten tulivuorenpurkausten vaikutusten jäljittely lähettämällä yläilmakehään pienhiukkasia (H)
• maanpinnan tai pilvien heijastuskyvyn lisääminen (pilvien valkaisu) (H)
• avaruuteen sijoitettavat peilit (H)
• hiilidioksidin sitominen lisäämällä leväntuotantoa merien lannoittamisen avulla (V)
• eloperäisen aineksen muuntaminen kivihiiltä jäljitteleväksi biohiileksi ja sen varastoiminen maaperään (V)
• rakentamalla ns. keinopuita, jotka sitovat hiiltä ilmasta erilaisten kemiallisten ja teollisten prosessien avulla (V)
• muokkaamalla cirrus- eli untuvapilvien koostumusta (V)

Monet tutkimukset viittaavat siihen, että ilmastoon voitaisiin vaikuttaa merkittävästi, mikäli ilmastonmuokkaukseen liittyvät valtavat tekniset ongelmat saataisiin ratkaistua. Jos ilmastoa ryhdyttäisiin muokkaamaan suuressa mittakaavassa, voitaisiin maapallon keskilämpötilan nousu ja napajäätiköiden sulaminen luultavasti estää ja  ilmastonmuutoksen vaikutuksia sademäärän muutoksiin voitaisiin vähentää ehkäisten sitä kautta kuivuutta ja nälänhätää joillakin alueilla.

Siitä huolimatta ilmastonmuokkauksen tutkijat ovat lähes yksimielisiä siitä, että ilmastonmuokkaus ei tarjoa vaihtoehtoa kiireellisille kasvihuonekaasujen päästövähennyksille. Ilmastonmuokkauksella mahdollisesti voitaisiin ainoastaan auttaa ehkäisemään katastrofaalista ilmastonmuutosta samalla, kun päästöjä vähennetään. Auringon säteilyn heijastumisen lisääminen yhdistettynä jatkuvasti kasvaviin kasvihuonekaasupäästöihin johtaisi todennäköisesti entistäkin arvaamattomampaan ilmastoon. Ilmastojärjestelmän laajamittainen tarkoituksellinen peukalointi sisältää myös monia suuria ja hankalasti ennustettavia riskejä:

• Vaikka ilmaston toiminta tunnettaisiin nykyistä huomattavasti paremmin, jotkin alueet saattaisivat kärsiä ilmastonmuutoksesta maapallon heijastuskyvyn muokkauksen takia entistäkin pahemmin
• sulfaattihiukkasten levittäminen stratosfääriin voimistaisi otsonikatoa, minkä seurauksena maan pinnalle pääsisi entistä enemmän auringon haitallista ultraviolettisäteilyä
• sademäärät voivat muuttua joillakin alueilla odottamatta ja voimakkaasti, esimerkiksi Amazonin sademetsän sademäärät saattaisivat laskea merkittävästi ja myös monsuunikierto saattaisi heikentyä Aasiassa, mikä uhkaisi miljardien ihmisten ruoan ja veden saantia
• jos ilmastonmuokkaus jouduttaisiin jostain syystä äkillisesti keskeyttämään ja maapallon lämpötila nousisi sen vuoksi nopeasti entiselle tasolleen, olisi tällainen äkkinäinen ilmastonmuutos olisi todennäköisesti kohtalokas monille ekosysteemeille ja asettaisi suuria haasteita ihmiskunnan sopeutumiselle.

---

Ilmastonmuutos ja energiajärjestelmämme

Energiatekniikka on tekniikan ala, johon luetaan kuuluvaksi kaikki yhteiskunnassa käytettävät energiantuotannon, -siirron ja -käytön laitteet, koneet ja järjestelmät. Energiaintensiivisen teollisen yhteiskuntamme perusta on laajamittainen primäärienergian hyödyntäminen.

Energiaa tarvitaan lähes kaikkeen ihmisen toimintaan: lämmitykseen, liikkumiseen, valaistukseen, sekä tavaroiden valmistukseen ja -käyttöön.

Ennen teollista aikaa puiden poltto, vesirattaat ja tuulimyllyt olivat keskeisiä ihmiskunnan energialähteitä. Kivihiilen hyödyntäminen energiantuotannossa, höyrykoneen keksiminen ja niiden kautta syntynyt teollinen vallankumous avasi täysin uudenlaisia mahdollisuuksia erilaisten tuotteiden valmistamiseen nopeammin ja halvemmalla ja mahdollisti samalla nykyisen materiaalisen elintasomme.

Energiajärjestelmämme ja ihmiskunnan kasvava energiatarve ovat kuitenkin myös ilmastonmuutoksen keskeisiä moottoreita. Huomionarvoista päästöintensiivisyyden lisäksi on fossiilisen energiankulutuksen heikko hyötysuhde, jolloin energiantarpeen tyydyttämiseksi tarvitaan merkittävästi enemmän primäärienergiaa.

Fysiikan opetuksessa energiajärjestelmän tarkastelu tuo konkretiaa monien fysiikan peruskäsitteiden opetukseen. Mitä on energia ja sen erilaiset ilmenemismuodot? Miten niitä hyödynnetään erilaisissa tavoissa tuottaa energiaa ihmisen käyttöön? Mitä ovat energian säilymislait ja miten ne liittyvät energian varastointiin? Mitä on teho ja miten sitä voi käyttää erilaisten energiantuotantomuotojen vertailuun?

---

Energiajärjestelmämme perustuu fossiilisten polttoaineiden palamisen tuottamaan lämpöenergiaan

Fossiiliset polttoaineet ovat syntyneet luonnon prosesseissa, kun miljoonia vuosia sitten elänyt plankton ja muu eloperäinen aines alkoi hajota hapettomissa oloissa esimerkiksi veden alla. Vuosituhansien kuluessa ainesta kerrostui paksuiksi patjoiksi ja sekoittui mutaan ja muuhun mineraaliainekseen. Kerrosten hautautuessa painavien sedimenttikerrosten alle, alkoi eloperäinen aines kovassa paineessa muuttua kemiallisesti toiseen muotoon.

Tällä hetkellä maailman primäärienergiankulutuksesta 31,4 % on öljyä, 29,0 % hiiltä ja 21,3 % maakaasua eli yhteensä 81,7 % käyttämästämme energiasta tulee fossiilisista lähteistä (IEA, 2014). Fossiiliset polttoaineet koostuvat erilaisten hiilivetyjen seoksista ja seoksen laatu saa aikaan aineiden erilaiset ominaisuudet, kuten sulamislämpötilan ja hiilen määrän. Koska fossiiliset polttoaineet ovat alunperin eloperäistä ainetta, on niissä kaikissa suhteellisen paljon hiiltä. Kuten muidenkin eloperäisten yhdisteiden palaessa (hapettuessa), myös fossiilisia polttoaineita poltettaessa niiden molekyyleissä olevat atomit, etenkin hiili- ja vetyatomit irtoavat toisistaan ennen yhtymistä ilmasta tulevan hapen kanssa hiilidioksidi- ja vesimolekyyleiksi. Aineen palaessa vapautuu kemiallista energiaa, jonka voi havaita lämpönä ja yleensä myös valona. Energiantuotantojärjestelmämme perustuu vielä nykyään pitkälti tähän mekanismiin.

Teollisen vallankumouksen myötä maailman energian käyttö yli kymmenkertaistui 1900-luvulla 911 miljoonasta öljyekvivalenttitonnista 9 645 miljoonaan tonniin, kun väestön määrä samaan aikaan lisääntyi 1 miljardista 6 miljardiin. Tällä hetkellä tärkeimmät uusiutumattomat energialähteet ovat kivihiili, öljy ja maakaasu. Ydinvoiman osuus on maapallon laajuisesti niihin verrattuna pieni. Uusiutuvien energialähteiden tuotekehitystä tehdään kuitenkin jatkuvasti eri puolilla maailmaa ja tuulen, auringon, maalämmön ja veden energian hyödyntämisessä on otettu viime aikoina suuria harppauksia.

Fossiilisten polttoaineiden käyttöönotto ja teollinen energiantuotanto ovat länsimaissa mahdollistaneet teollisen tuotannon laajentumisen ja nykyisen materiaalisen elintasomme. Markkinoille tuotetaan tavaroita ja palveluita yhä enemmän, yhä tehokkaammin ja yhä halvemmalla ja niitä kuljetetaan maapallon ympäri. Fossiilisten polttoaineiden polttamiseen perustuva elämäntapamme kuitenkin samalla aiheuttanut ilmastonmuutoksen kaltaisia maailmanlaajuisia ongelmia.

---

Energiatekniikka voi olla myös kestävää

Uusiutumattomat energianlähteet tulevat jossakin vaiheessa loppumaan, ja niistä koituvat haitat rasittavat ympäristöä. Jotta energiantuotanto olisi kestävää, sen on perustuttava uusiutuviin energianlähteisiin. Useimmissa uusiutuvan energian muodoissa hyödynnetään oikeastaan Auringon Maahan säteilemää energiaa.  Jotta vettä voitaisiin hyödyntää vesivoimaksi, on veden täytynyt haihtua meristä auringon säteilyenergian vaikutuksesta ja kulkeutua tuulten mukana maalle. Myös tuulet saavat energiansa auringosta samoin kuten puun, pahvijätteen tai vaikka biodieselin poltossa vapautetaan auringosta peräisin olevaa, kasvien yhteyttämällä sitomaa energiaa. Ainoat uusiutuvan energian muodot, joissa energia ei ole peräisin auringosta, ovat vuorovesivoima ja geoterminen energia.

Vesivoima on uusiutuvista energianlähteistä merkittävin Suomen sähköntuotannossa. Vielä 1960-luvulla se vastasi 90 %:sta maamme sähköntuotannosta, mutta sähkönkulutuksen kasvun myötä sen osuus on viime vuosina vaihdellut 10 – 15 %:n välillä. Vesivoimalan toimintaperiaate on hyvin yksinkertainen: virtaava vesi pyörittää turbiinia, joka puolestaan pyörittää sähkögeneraattoria.

Vesivoima on toimintavarma energianlähde ja sillä tuotettu energia on uusiutuvaa, saasteetonta ja kotimaista. Vesivoiman haittapuolena on se, että sitä hyödyntääkseen on rakennettava vesiekosysteemejä pilaavia patoja ja säännöstelyaltaita. Ongelmana on myös saatavuuden vaihtelu. Sateiden määrä vaikuttaa saatavuuteen ja jokien virtaama on pienimmällään talvella, kun sähkön tarve on suurimmillaan. Suomessa ne joet, joita voidaan hyödyntää vesivoiman tuotannossa, on suurelta osin jo padottu. Näin ollen vesivoiman osuutta kokonaisenergiantuotannossa ei voida juurikaan lisätä

Biomassaa syntyy, kun kasvillisuus sitoo auringon säteilemää energiaa yhteyttämällä. Kasvien sitoma energia voidaan vapauttaa polttamalla. Suomessa käytetystä energiasta noin viidennes on tuotettu erilaisten biopolttoaineiden, kuten puun, sellutehtaiden jäteliemien, kotitalousjätteen, kaatopaikkojen metaanikaasun, kasviöljyistä jalostetun biodieselin sekä sokerista tehdyn etanolin avulla. Suomessa erityisesti metsät tarjoavat varsin suuret mahdollisuudet bioenergian hyödyntämiseen.

Biopolttoaineet ovat uusiutuvia ja usein jopa hiilineutraaleja. Lisäksi niiden tuotanto synnyttää työpaikkoja Suomeen ja parantaa maamme energiaomavaraisuutta. Ongelmia syntyy, jos puulla aletaan korvata fossiilisia polttoaineita laajassa mittakaavassa, mikä merkitsisi lisää hakkuita ja sen myötä metsien hiilivarastojen pienenemistä. Lisäksi ruokapulasta kärsivissä maissa pellot, joilla tuotetaan energianlähteeksi käytettäviä kasveja, ovat poissa ravinnontuotannosta. Suomessa nurmipeltojen biomassan ja lannan hyödyntäminen myös biokaasureaktoreiden raaka-aineena voisi tuoda monia ilmasto-, energiaomavaraisuus- ja ravinnekierrätyshyötyjä. Tällä hetkellä monet biopolttoaineet tulevat ulkomailta, jossa niiden tuotanto saattaa olla ympäristölle haitallista (esim. palmuöljy).

Tuulivoima on tuulen liike-energian muuntamista sähköksi, yleensä tuuliturbiinien pyörivien lapojen välityksellä. Vuonna 2016 tuulivoimalla katettiin vajaa 4 prosenttia Suomen sähkönkulutuksesta. Potentiaalia on paljon, sillä Suomen rannikot, merialueet ja tunturit sopivat hyvin tuulivoiman tuotantoon. Kehittyneen tuulivoimateknologian ansiosta myös sisämaa-alueet ovat otollisia tuulivoimaloiden sijaintipaikkoja. Uusia voimaloita pystytetäänkin jatkuvasti. Tuulivoimala tuottaa sen rakentamiseen, käyttöön ja kunnossapitoon sekä purkamiseen tarvittavan energiamäärän 3–9 kuukaudessa. Voimalat ovat yksinkertaisia, toimintavarmoja ja melko edullisia. Tuulivoimalakomponenttien valmistus, voimaloiden rakentaminen sekä niiden käyttö ja kunnossapito tuovat Suomeen työpaikkoja. Tuulivoima on sään mukaan vaihtelevaa, mutta tuotanto pystytään kuitenkin ennustamaan sähkömarkkinoiden vaatimalla tavalla. Tarkan mallinnuksen ja suunnittelun avulla tuulivoimaloiden haittavaikutukset maisemaan ja muuhun luonnonympäristöön, kuten linnustoon voidaan minimoida. Joissakin tapauksissa tuulivoimaloiden ääni on koettu häiritseväksi, mutta tutkimuksissa äänelle ja terveysvaikutuksille ei ole löydetty yhteyttä.

Aurinkoenergia on auringon säteilemän energian hyödyntämistä sähkö- tai lämpöenergiana. Yleensä termillä tarkoitetaan erityisesti suoraa säteilyenergian hyödyntämistä aurinkosähköpaneelien tai aurinkolämpökeräimien avulla. Epäsuoria aurinkoenergia muotoja ovat muiden muassa vesivoima, tuulivoima, aaltovoima ja bioenergia. Koko maapallon energiantuotannossa aurinkoenergia on nopeimmin kasvava uusiutuvan energian muoto. Suomessakin aurinkoenergiassa on vielä paljon hyödyntämättömiä mahdollisuuksia. Erityisen kannattavia aurinkoenergiaratkaisut ovat alueilla, joille sähköverkko ei ulotu. Jo nyt on yleistä, että aurinkoenergian keräysjärjestelmiä liitetään rakennusten muiden energianlähteiden rinnalle.

Maalämpö on hyvin toimiva energianlähde pientalojen koko lämmitystarpeeseen. Sitä saadaan keräämällä auringon säteilyenergiaa maan pinnalta. Energia kerätään maan pintaosiin tai porakaivoon asennetun keruuputkiston avulla ja se siirretään lämmitys- tai käyttöveteen lämpöpumpun avulla. Lämpöpumppu on käänteinen lämpövoimakone; se siis siirtää sähköenergiaa käyttäen lämpöä matalamman lämpötilan keruuputkistosta talon lämmitys- ja käyttöveteen, jossa lämpötila on korkeampi. Putkiston lämpöaine jäähtyy ja luovuttaa lämpönsä käyttövedelle, jolloin se johdetaan uudestaan lämmönkeruuputkistoon. Maalämpö on ympäristöystävällinen energiantuotantotapa, mutta ongelmana voi olla sitä varten tarvittava suurehko alkuinvestointi.

Lämpöpumput ovat yleistyneet Suomessa niin voimakkaasti, että niillä tuotetaan energiaa jo yhden Loviisan ydinvoimalayksikön verran. Lämpöpumpuilla siirretään lämpöä maasta, vedestä, ulkoilmasta tai talojen poistoilmasta veteen tai rakennusten sisäilmaan. Toimintaperiaate on samantapainen kuin jääkaapilla, joka ottaa lämpöä jääkaapin sisältä ja siirtää sen huoneilmaan. Lämpöpumppujen etuna on, että energiantuotanto niiden avulla on edullista, ja esimerkiksi ilmalämpöpumppujen avulla rakennusten energialaskuja voidaan pienentää merkittävästi.

Ydinvoima on poikkeus vähäpäästöisten energiantuotantomuotojen paletissa, sillä sen tuotanto perustuu uraaniin joka on luonnossa esiintyvä alkuaine, eikä siis uusiutuva energiantuotantomuoto. Ydinvoimassa energiantuotanto perustuu uraanin atomiytimien sidosenergian vapautumiseen fissioreaktiossa. Osa polttoaineen atomien massasta muuttuu reaktiossa energiaksi, joten ydinpolttoaineen energiasisältö on tavanomaisiin polttoaineisiin verrattuna suuri. IPCC:n mukaan ydinvoima on erittäin vähäpäästöinen ja vakiintunut sähköntuotannon muoto. Sen sen osuus globaalista sähköntuotannosta on laskemassa johtuen useista sen taloudellisuutta heikentävistä epävarmuustekijöistä (mm. ratkaisemattomat ydinjätteen käsittelyyn liittyvät ongelmat ja ydinaseiden leviämiseen liittyvät riskit). IPCC:n viimeisimmässä nk. 1,5 asteen erikoisraportissa ydinvoima kuitenkin nostetaan merkittävään asemaan uusiutuvien energiantuotantomuotojen rinnalle, jotta maailman energiantuotantojärjestelmä voidaan saada vähäpäästöiseksi riittävän nopeasti.

---

Tehtäviä

---

Kuvagalleria

---

Lähteitä ja lisälukemista