Ilmastonmuutos kemian opetuksessa

Ilmastonmuutos vaikuttaa ihmisten toimintaan ja luonnonympäristöihin jo nyt. Elämme parhaillaan monenlaisten toisiinsa kytkeytyvien kriisien aikaa. Ilmaston kuumeneminen on niistä yksi keskeisin, sillä se voimistaa monia muita kriisejä. Kaikilla oppiaineilla on annettavaa ilmastokriisin ymmärtämisessä ja ratkaisemisessa. Tällä sivulla käsitellään ilmastonmuutosta kemian opetuksen näkökulmasta.

Kemian opetuksessa ilmastonmuutosta pohditaan mm. silloin, kun tutustutaan ilmakehän rakenteeseen ja kasvihuonekaasujen rakenteeseen ja toimintaan sekä silloin, kun pohditaan energiantuotantojärjestelmää. Kemian opetus onkin merkittävässä roolissa ilmastonmuutos -ilmiön syvällisessä ymmärtämisessä ja ilmastoystävällisen maailman rakentamisessa.

---

Ilmakehän kemiaa

Maapallon ilmakehän ansiosta kotiplaneetallamme voi olla elämää. Ilmakehä on verrattain ohut kerros kaasua maan pinnalla. Ilmakehämme elämää ylläpitävät aineet ovat ainutlaatuista verrattuna muiden aurinkokuntamme planeettojen ilmakehiin. Ilmakehässä olevat aineet ovat pääosin kaasuja. 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 ilmakehän 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 aiheuttaa ilmastonmuutoksen

Kasvihuonekaasujen ja niiden erilaisten ominaisuuksien ymmärtäminen, sekä kasvihuoneilmiön käsite ovat ilmastonmuutoksen perusteiden ymmärtämisen keskiössä. Siksi niistä on kerrottu seuraavassa lisää.

Ilmastonmuutos on kasvihuoneilmiön voimistumista

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

Yksityiskohtaisemmin kasvihuoneilmiön toimintamekanismi voidaan selittää seuraavasti: Kasvihuoneilmiö on ilmiö, jossa useista eri aallonpituuksista muodostuvan sähkömagneettisen säteilyn tietyt aallonpituusalueet lämmittävät absorption kautta väliainetta, esimerkiksi maapallon kaasukehää ja -pintaa. Lämmennyt materiaali (väliaine) puolestaan emittoi, eli säteilee lämpöenergiaansa ulospäin ainoastaan infrapunasäteilyn aallonpituusalueella. Infrapunasäteilyn eli lämpösäteilyn läpäisykyky on melko huono, minkä vuoksi se läpäisemisen sijaan absorboituu tai heijastuu esimerkiksi kaasumaisiin väliaineisiin (kasvihuoneilmiön tapauksessa kasvihuonekaasut) helpommin kuin muut säteilyn aallonpituusalueet. Kasvihuoneilmiössä auringon sähkömagneettinen säteily siis pääsee sisälle systeemiin (ilmakehä) melko helposti, mutta säteilee ulos systeemistä huonommin. Tämä nostaa systeemin peruslämpötilaa.

Tällä hetkellä ihmiskunta lämmittää maapalloa nopeasti päästämällä ilmakehään lisää kasvihuonekaasuja. Ilmastonmuutoksella, eli kasvihuoneilmiön voimistumisella tarkoitetaan sitä, että kasvihuonekaasujen lisääntyessä niiden ilmakehää lämmittävä vaikutus voimistuu. Hiilidioksidin, metaanin ja dityppioksidin määrät ilmakehässä ovat kasvaneet viimeisten parin vuosisadan aikana ratkaisevasti, kun ne sitä ennen säilyivät lähes muuttumattomina tuhansia vuosia. Eniten päästöjä syntyy asumisesta, liikkumisesta ja ruoasta, sekä niiden taustalla olevien teollisuudenalojen toiminnasta.

---

Kasvihuonekaasut kykenevät imemään lämpösäteilyä itseensä

Ilmakehän valtakaasut typpi ja happi eivät rakenteensa vuoksi aiheuta kasvihuoneilmiötä. Tärkeimmät ilmakehässä luonnostaan esiintyvät kasvihuonekaasut ovat vesihöyry (H2O), hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4), dityppioksidi (N2O) ja otsoni (O3). Kasvihuonekaasuille yhteistä on, että niiden molekyyleissä on vähintään kolme atomia, jotka alkavat lämpösäteilyn vaikutuksesta värähdellä toistensa suhteen tietyllä tavalla. 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.

Kasvihuonekaasujen molekyylien 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.

---

Hiilidioksidi on kasvihuonekaasuista merkittävin

Kasvit tarvitsevat hiilidioksidia fotosynteesiin. Perustuotannon kautta hiilidioksidi ja muut hiiliyhdisteet ovatkin tärkeitä elämää ylläpitäviä kemiallisia yhdisteitä. Normaaliolosuhteissa hiilidioksidi on ominaisuuksiltaan väritön, hajuton, pieninä määrinä myrkytön, ilmaa raskaampi ja huonosti reagoiva kaasu, jota esiintyy ilman aineosana sekä liuenneena veteen. Hiilidioksidimolekyyli (CO2) koostuu hiilestä ja hapesta. Se on rakenteeltaan lineaarinen (O=C=O) ja siinä on kaksi kaksoissidosta. Hiilidioksidi on merkittävä ilmastoa lämmittävä kasvihuonekaasu, koska se muiden kasvihuonekaasujen tapaan päästää näkyvän valon lävitseen, mutta absorboi voimakkaasti infrapuna- eli lämpösäteilyä. Infrapunasäteily saa CO2-molekyylin värähtelemään ja jälleen säteilemään, eli emittoimaan absorboimansa lämpösäteilyn.

Luonnossa hiilidioksidia syntyy hiilipitoisten aineiden palamistuotteena, eli esimerkiksi elollisten organismien soluhengityksessä sekä niiden hajotessa ja maatuessa. Valtaosa ihmiskunnan tuottamasta hiilidioksidista on peräisin fossiilisten polttoaineiden, kuten öljyn, kivihiilen ja maakaasun käytöstä. Toinen tärkeä päästölähde on trooppisten metsien hävittäminen.

Hiilidioksidi ei ole ihmiskunnan tuottamista kasvihuonekaasuista voimakkain, mutta sen suuren määrän ja pitkähkön eliniän vuoksi sen merkitys ilmastonmuutoksen voimistajana on ylivoimaisesti merkittävin. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on vaihdellut luontaisesti eri aikakausina. Ennen teollistumista se oli noin 0,028 %, eli 280 miljoonasosaa (ppm) ilmakehän kaasuista. Tällä hetkellä pitoisuus on jo reilusti yli 420 ppm, eli selvästi korkeampi kuin koskaan noin 800 000 vuoden aikana. Pitoisuuden kasvu jatkuu edelleen, ajankohtaisen luvun voit tarkistaa täältä.

Kasvihuonekaasupitoisuuksia ja -päästöjä mitattaessa puhutaan hiilidioksiditonniekvivalenteista. Muidenkin kasvihuonekaasujen päästövaikutus muutetaan silloin hiilidioksidipäästöjen kanssa vertailukelpoiseen muotoon, jotta kasvihuonekaasujen päästöjä voidaan mitata yhteismitallisesti.

Toinen tapa vertailla kasvihuonekaasuja keskenään, on lämmityspotentiaalin, eli Global Warming Potential (GWP) indeksin käyttäminen. Se on suhteellinen mittayksikkö, joka kertoo kuinka paljon lämpöä kaasu pystyy vangitsemaan ilmakehään, eli kuinka paljon se vaikuttaa ilmaston lämpenemiseen. Muiden aineiden arvot verrataan hiilidioksidiin, jonka GWP-arvo on 1.0. Arvo lasketaan tietyltä aikajaksolta, joka on yleensä 20, 50 tai 100 vuotta. Esimerkiksi metaanin GWP-arvo on 86 (20v.) ja 34 (100v.).

---

Hiili kiertää luonnossa

Hiili kiertää luonnossa jatkuvasti eri varastojen (ilmakehä, valtameret, kasvillisuus, eläimet ja maaperä) välillä. Hiilen kiertokulku on niin nopeaa, että ilmakehässä yksittäinen hiilidioksidimolekyyli viipyy keskimäärin vain noin viisi vuotta. Valtaosa kasvipeitteen ja meren pintakerroksen sitomasta hiilidioksidista palautuu kuitenkin ennen pitkää takaisin ilmakehään.

Kasvit sitovat fotosynteesissä, eli yhteyttäessään ilmakehän hiiltä (hiilidioksidia, O=C=O) itseensä, ja prosessin myötä ilmakehään vapautuu happea. Hiilidioksidi toimii fotosynteesissä sokerin (glukoosi eli monosakkaridi) rakennusaineena. Vapautuva happi on peräisin vesimolekyyleistä, jotka hajoavat valon vaikutuksesta. Kuolleiden kasvien ja eliöiden maatuessa osa niihin sitoutuneesta hiilestä vapautuu jälleen ilmakehään hajottajaeliöiden soluhengityksen kautta. Soluhengitys on solujen aineenvaihdunnallinen reaktio, jonka avulla solut vapauttavat ravinnon sisältämää energiaa käyttöönsä. Yksinkertaistetusti soluhengitystä varten tarvitaan glukoosia ja happea, ja lopputuotteena syntyy ilmaan vapautuvaa hiilidioksidia ja vettä.

Suuri osa hiilidioksidista on maapallolla varastoitunut meriin. Meriveden ylimpiin kerroksiin liukenee ilmakehästä jatkuvasti suuria määriä hiilidioksidia. Samaan aikaan hiilidioksidia myös vapautuu pintavedestä takaisin ilmakehään lähes yhtä paljon. Yksisoluisten levien avulla hiilidioksidi kuitenkin kiertää valtamerissä. Yhteyttäessään levät sitovat hiilidioksidia meren pintakerroksista ja painuessaan pohjaan kuollessaan ne vapauttavat hiilidioksidin syvemmällä mereen. Syvemmät vesikerrokset eivät ole kosketuksissa ilmakehän kanssa, joten sieltä hiilidioksidi ei voi siirtyä suoraan ilmaan.

Ilmaston lämpenemisen seurauksena maaperän, kasvien ja merien hiilensidontakyky on heikkenemässä. Lämpenevässä ilmastossa maaperän pieneliöt hajottavat kasvijäänteitä entistä nopeammin, jolloin kasvien sitoma CO2 myös palautuu nopeammin takaisin ilmakehään. Lisäksi ilmastonmuutos todennäköisesti heikentää kasvuolosuhteita joillakin alueilla, jolloin esimerkiksi sademetsät voivat korvautua vähemmän hiiltä sitovilla savanneilla. Vaikka joillakin muilla alueilla kasvipeite saattaa tulevaisuudessa vastaavasti sitoa hiiltä entistä enemmän, esimerkiksi metsittyvillä tundra-alueilla,  näyttäisi siltä että koko maapallon mitassa hiiltä varastoituu tulevaisuudessa kasvipeitteeseen nykyistä vähemmän. Hiilinielujen heikentyminen toimisi tällöin kasvihuoneilmiötä vahvistavana palauteilmiönä. Monien tutkimusten mukaan myös merien hiilidioksidipumpun teho heikkenee ilmaston lämmetessä, jolloin meretkään eivät enää kykenisi sitomaan hiilidioksidia entisellä tahdilla.

---

Ilmastojärjestelmässä vaikuttaa muitakin kasvihuonekaasuja

Hiilidioksidin ohella myös muut kasvihuonekaasut vaikuttavat ilmastojärjestelmässä eri tavoin ja erilaisten mekanismien kautta. Seuraavassa kerrotaan lyhyesti joistakin hiilidioksidin ohella merkittävistä kasvihuonekaasuista.

Metaani on kasvihuonekaasuna selvästi hiilidioksidia voimakkaampi, mutta sen määrä ilmakehässä on paljon pienempi ja elinikä lyhyt, joten se on ihmisten tuottamista kasvihuonekaasuista vasta toiseksi tärkein ilmaston lämmittäjä. Metaanimolekyyli koostuu yhdestä hiiliatomista ja neljästä vetyatomista (CH4).

Metaania syntyy eloperäisen aineksen hajotessa hapettomissa oloissa: riisipelloilla, lehmien ja muiden märehtijöiden suolistossa ja kaatopaikoilla, sekä kosteikoilla, soilla ja vesistöjen pohjakerroksissa. Metaania karkaa ilmakehään myös hiilikaivoksista ja maakaasuputkien vuotaessa. Noin 2/3 metaanin päästöistä arvellaan olevan ihmiskunnan aikaansaannosta.

Auringonvalon vaikutuksesta vaikutuksesta metaani hajoaa ilmakehässä kemiallisissa reaktioissa monen vaiheen kautta vedeksi ja hiilidioksidiksi noin 12 vuodessa. Ilmakehän metaanipitoisuus on tätä nykyä kuitenkin reilusti yli kaksinkertainen teollistumisen aikaa edeltävään tasoon verrattuna.

Merien pohjakerroksissa ja ikirouta-alueiden maaperässä on suuria määriä metaania sitoutuneena kiinteään olomuotoon, ns. metaanihydraatteina. Mikäli ilmakehän lämpötila nousee riittävästi, voivat hydraatit hajota. Tällöin metaania vapautuisi ilmakehään. Jos metaania pääsisi ilmakehään todella suuria määriä, maapallon ilmasto lämpenisi varsin paljon ja nopeasti. Ilmiö olisi eräs ilmastonmuutokseen liittyvistä palautekytkennöistä, jotka vahvistavat ilmastonmuutoksen seurauksia. On epätodennäköistä, että hydraateista vapautuisi merkittäviä määriä metaania vielä tämän vuosisadan aikana, mutta kauempana tulevaisuudessa vaara on syytä ottaa huomioon.

Vesihöyry on ilmakehän alimmissa kerroksissa kasvihuonekaasuista voimakkain, selittäen yli puolet luonnollisen kasvihuoneilmiön aiheuttamasta ilmaston lämpenemisestä. Ihmiskuntakin tuottaa vesihöyryä ilmakehään monin tavoin. Veden kierto luonnossa on kuitenkin niin massiivinen tapahtuma, että ihmisten tuottaman vesihöyryn osuus on siihen verrattuna mitätön. Ilmaston lämmetessä myös vesihöyryn määrä ilmakehässä vääjäämättä kasvaa, sillä lämmin ilma voi sisältää paljon enemmän vesihöyryä kuin kylmä. Voidaankin ajatella, että muiden kasvihuonekaasujen päästöt lisäävät vesihöyryn määrää ilmakehässä epäsuorasti. Tässäkin on kyseessä eräs ilmastonmuutoksen palautekytkentämekanismeista (voit lukea niistä lisää fysiikan artikkelista).

Dityppioksidia eli typpioksiduulia tai ilokaasua (N2O) muodostuu maaperässä nitraattien hajotessa mikrobien toiminnan seurauksena . Se on merkittävä kasvihuonekaasu, jonka pitoisuuksia ihmiskunnan päästöt ovat lisänneet. Sen pitoisuus ilmakehässä on hyvin pieni, mutta sillä on voimakas lämmittävä vaikutus, ja sen elinikä esimerkiksi metaaniin verrattuna on pitkä, n. 110 vuotta.  Ihmiskunnan toimista aiheutuu kolmasosa kaikista dityppioksidin päästöistä, erityisesti maatalouden typpilannoitteiden hajoamisen seurauksena. Loput 2/3 dityppioksidista on syntyy maaperän ja merien mikrobitoiminnan seurauksena. Dityppioksidimolekyylit hajoavat ilmakehän ylemmissä kerroksissa auringon ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta.

Otsoni (O3 ) yhtäältä suojelee maapalloa auringon vaaralliselta ultraviolettisäteilyltä ja toisaalta se on suurina pitoisuuksina kasveille ja eläimille myrkyllistä. Valtaosa ilmakehän otsonista sijaitsee varsin korkealla keski-ilmakehässä, stratosfäärissä. Siellä otsonin määrä on vähentynyt lähinnä halogenoitujen hiilivetyjen aiheuttaman otsonikadon seurauksena. Tämä on vaikuttanut aavistuksen verran kasvihuoneilmiötä heikentävästi eli ilmastoa viilentävästi. Alailmakehässä, eli troposfäärissä otsoni on kuitenkin merkittävä kasvihuonekaasu. Otsonia syntyy, kun mm. autojen pakokaasujen typen oksidit, hiilimonoksidi ja hiilivedyt reagoivat auringon valossa ilman hapen kanssa. Lisäksi sitä syntyy kasveista peräisin olevien hiilivetyjen reaktioissa ja metaanin hapettuessa. Otsoni on kaasuna lyhytikäinen, joten sen pitoisuuksia ilmakehässä ei juuri tunneta ennen autoistumisen aikaa. Myöskään ei siis osata tarkasti sanoa, kuinka paljon sen pitoisuus alailmakehässä on luonnolliseen tasoon verrattuna lisääntynyt.

Halogenoidut hiilivedyt ovat hyvin voimakkaita kasvihuonekaasuja: niiden kyky imeä lämpösäteilyä on jopa tuhansia kertoja suurempi kuin hiilidioksidilla. Niitä on kuitenkin ilmakehässä sen verran vähän, että niiden kokonaisvaikutus kasvihuoneilmiön voimistajana jää paljon hiilidioksidia vähäisemmäksi. Halogenoituja hiilivetyjä on olemassa kymmeniä erilaisia. Molekyylirakenteeltaan ne muistuttavat kevyitä hiilivetyjä, mutta niissä vetyatomeista osa tai kaikki on korvattu fluorilla ja/tai kloorilla. Molekyylityypistä riippuen kaasujen elinikä vaihtelee noin vuodesta jopa 50 000 vuoteen saakka. Pisin on sellaisten kaasumolekyylien elinikä, joissa fluorin osuus on suurin, kuten esim. hiilitetrafluoridilla (CF4).

Useimpia halogenoitujen hiilivetyjen ryhmään kuuluvista kaasuista ei esiinny ilmakehässä luontaisesti lainkaan, vaan ne ovat kokonaan ihmiskunnan tuotantoa. Niitä käytetään mm. kylmälaitteissa. Niiden päästöjä syntyy myös teollisuudessa. Kasvihuoneilmiön voimistamisen ohella tähän ryhmään kuuluvat CFC-kaasut eli freonit tuhoavat otsonikerrosta.

---

Merten happamoituminen liittyy ilmastonmuutokseen

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.

---

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.

Energiajärjestelmämme perustuu fossiilisten polttoaineiden palamiseen

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.

Öljy, hiili ja maakaasu ovat fossiilisten polttoaineiden yleisimpiä muotoja. Ne 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.

Ennen teollista aikaa puiden poltto, vesirattaat ja tuulimyllyt olivat keskeisiä ihmiskunnan energialähteitä. 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 pitkiä matkoja. Tämä on lisännyt energian, eli sähkön ja lämmön kulutusta valtavasti. Yhä useamman on varaa ostaa enemmän kulutustavaroita ja kulutuksen “tarvetta” on myös lisätty tehokkaalla markkinoinnilla. Fossiilisten polttoaineiden polttamiseen elämäntapamme kuitenkin samalla aiheuttanut ilmastonmuutoksen kaltaisia maailmanlaajuisia ongelmia.

---

Petrokemian prosesseissa tuotetaan polttoaineita ja kestäviä materiaaleja

Petrokemia, eli öljynjalostus on kemianteollisuuden ala, joka on merkittävässä roolissa ilmastonmuutoksen aiheuttajana. Nykyään sen sovellusten avulla myös ratkaistaan ilmastonmuutokseen liittyviä ongelmia.

Petrokemian prosesseja hyödynnetään öljynjalostamoissa valmistettaessa raakaöljystä erilaisia fossiilisia polttoaineita, kuten raskasöljyä, kevyttä polttoöljyä, petrolia ja bensiiniä sekä kaasumaisia osia, joita käytetään mm. nestekaasussa. Raakaöljystä valmistetaan polttoaineiden lisäksi myös monenlaisia muoveja ja muita materiaaleja, kuten synteettisiä kangaskuituja (mm. polyesteri) ja synteettistä kumia. Öljyteollisuus on merkittävimpiä ilmastonmuutoksen aiheuttajia.

Petrokemian keinoin voidaan nykyään myös mm. parantaa liikennevälineiden polttoaineenkulutuksen tehokkuutta ja tuulivoimaloiden säänkestävyyttä sekä tuottaa uusia materiaaleja. Seuraavassa on listattu joitakin ilmastoystävällisiä petrokemian ratkaisuja:

• Eristeet: tehokkaammat eristysmateriaalit mahdollistavat energiataloudellisemmat rakennukset;
• Kevyet komposiittimuovit auttavat vähentämään autojen ja lentokoneiden polttoaineenkulutusta;
• Polttoainekennot: vetykennot tuottavat autoissa ja moottoripyörissä vesihöyryä pakokaasujen sijaan;
• Uusi valaistustekniikka (kuten orgaaniset valoa tuottavat diodit – OLEDS) tuottavat enemmän valoa vähemmällä energialla;
• Tuulivoimalat ja aurinkopaneelit: molemmissa tarvitaan kemianteollisuuden tuottamia materiaaleja. Tuulivoimaloiden metallilavat on suureksi osaksi korvattu lasikuituvahvisteisella polyesterillä, jotta ne kestävät ankariakin sääoloja.

---

Biopolttoaineiden ilmastohyödyt vaihtelevat

Bioenergialla tarkoitetaan biopolttoaineista saatavaa energiaa. Biopolttoaineiksi taas kutsutaan biomassasta eli kasviperäisistä massoista valmistettuja polttoaineita, joita voidaan tuottaa metsäbiomassan lisäksi peltobiomassasta, biojätteestä, lannasta ja jätevedestä. Jätettä voidaan polttaa jätevoimaloissa tai siitä voidaan valmistaa kierrätyspolttoainetta, kuten yhdyskuntien ja yritysten polttokelpoisista jätteistä valmistettu polttoaine tai kierrätyspuu. Lisäksi polttoaine on mahdollista jalostaa edelleen biokaasuksi tai nestemäisiksi liikenteen polttoaineiksi, kuten etanoliksi ja dieseliksi.

Suomessa biopolttoaineita (puuta ja turvetta) käytetään ensisijaisesti yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa, eli CHP-tuotannossa. Liikenteessä puhtaita biopolttoaineita käytetään Suomessa toistaiseksi melko vähän, vaikka bensiinin ja etanolin seokset ovatkin yleisessä käytössä. Toiveet bioenergian käytön lisäämisestä ovat korkealla ja aiheesta käydään tällä hetkellä kovaa poliittista vääntöä. Arvioiden mukaan Suomen suurin bioenergiapotentiaali sisältyy maatalouden ja metsätalouden energiatuotteiden hyödyntämisestä. Sellu- ja paperiteollisuuden jäteliemiä hyödynnetään jo nyt tehokkaasti energiantuotannossa.

Kasvihuonekaasupäästöjen väheneminen on yksi tärkeimpiä bioenergiaa puoltavia tekijöitä. Bioenergian elinkaariketjuilla on kuitenkin monia ympäristövaikutuksia. Yhtäältä biopolttoaineet vähentävät päästöjä verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin, mutta toisaalta ne saattavat myös lisätä kuormitusta. Bioenenergia ei ole automaattisesti ilmasto- ja ympäristöystävällistä, vaan sen hyödyt ja haitat vaihtelevat käytetyn materiaalin mukaan.

Ilmastonmuutos-, ja energiatehokkuus-näkökohtien lisäksi bioenergian elinkaarivaikutuksia arvioitaessa on otettava huomioon myös tuotannon taloudellinen ja sosiaalinen kestävyys, sekä vaikutukset luonnon monimuotoisuuteen. Luonnonvaroja tulisi käyttää kestävästi ja niitä tulevillekin sukupolville säästäen. Biopolttoaineiden tuotantovaihtoehtoja arvioitaessa tuleekin ottaa huomioon myös raaka-aineiden vaihtoehtoiset käyttötavat, kuten ruoka, kemikaalit ja metsäteollisuuden tuotteet.

Tällä hetkellä kovinta vääntöä käydään siitä, kuinka suuret metsien hakkuumäärät mahdollistavat puun ja metsäteollisuuden sivuvirtojen käytön bioenergian tuotannossa. Kasvavan puun kaataminen energiakäyttöön voi tuottaa jopa kaksi kertaa puulla korvattavan fossiilienergiayksikön aiheuttamia päästöjä suuremman nieluhäviön. Energian tuottamista tällaisesta puusta ei siten voi pitää keinona torjua ilmastonmuutosta. Lisäksi sivuvirtoja ei uudenaikaisissa biotuotetehtaissa synny samaan malliin kuin sellutehtaissa, sillä puuraaka-aine pystytään niissä hyödyntämään monipuolisesti erilaisiin tuotteisiin. Jos ennusteet puun kasvun kiihtymisestä eivät toteudu, voivat lisääntyneet hakkuutasot ylittää jopa puuntuotannollisen kestävyyden. 

---

Aurinkopaneelien toiminta perustuu tulevaisuudessa sähkökemiaan

Auringon säteily koostuu fotoneista, joiden liikkeeseen aurinkosähköteknologiat eri tavoin perustuvat. Teknologiat voidaan jakaa kolmeen sukupolveen. Kaupallisessa käytössä olevat yksi- ja monikiteiset piikennot ovat ensimmäisen sukupolven aurinkokennoja. Toisen sukupolven aurinkokennoja ovat ohutkalvoaurinkokennot. Kaikkien näiden teknologia perustuu valosähköiseen ilmiöön ja puolijohteiden pn-liitoksen aikaansaamaan sähkökenttään.

Kolmannen sukupolven aurinkokennot ovat vielä tutkimusasteella. Esimerkkinä niistä voidaan mainita nanokidekennot, joita kutsutaan myös väriaineherkistetyiksi aurinkokennoiksi tai Grätzel-kennoiksi. Kennot valmistetaan silkkipainotekniikalla titaanikalvoille. Valo sitoutuu kalvon pinnalle painettuihin väriainemolekyyleihin. Nanokidekennoissa ei siis ole pn-liitoksen aikaansaamaa sähkökenttää, vaan elektronien liike perustuu kemiallisiin reaktioihin. Toisin sanoen toisin kuin fysiikkaan perustuvissa piikennoissa, nanokidekennon toimintaperiaatteet ovat sähkökemiallisia.

Nanokidekennojen lisäksi tutkimus- ja kehitysvaiheessa on useita muita aurinkokennotyyppejä. Näistä esimerkkejä ovat keskittäviin järjestelmiin kehitetyt aurinkokennot sekä joustavat aurinkokennot, joista on jo sovelluksia käytössä maailmalla.

---

Ilmastokasvatusta kemian tunnilla

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 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 aktiivisia 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.

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.

Suomen akatemian rahoittamassa ClimComp -hankkeessa tutkittiin Ilmastonmuutoksen hillinnän ja sopeutumisen kompetenssien oppimista koulutusjärjestelmässä. Hankkeen yhtenä pääviestinä oli, että nuoret elävät ilmastonmuutoksen maailmassa halusivat tai eivät. Siksi he tulevat tarvitsemaan monipuolista ilmasto-osaamista, johon kuuluu niin tietoja, taitoja, arvoja kuin asenteitakin. Tutkimushankkeen suositusten mukaan myös luonnontieteiden opetuksessa ja oppimisessa tulisi käsitellä ilmastotietojen ja –taitojen lisäksi myös arvoja ja asenteita nykyistä monipuolisemmin.  

Seuraavat tehtävät tukevat ilmasto-opetusta monenlaisista kemian opetukseen soveltuvista näkökulmista.

---

Tehtäviä opetukseen

---

Lähteitä ja lisälukemista

Huom! Lähdelista on koottu pääosin Open ilmasto-oppaan toteutusvaiheessa vuonna 2016 ja moni linkeistä ei enää toimi. Siksi linkkilistan linkit on muutettu epäaktiivisiksi. Jos jokin lähteistä kiinnostaa sinua erityisesti, voit tarkistaa copy-paste -toiminnolla toimiiko linkki vielä!