Ilmastonmuutos

Ilmastonmuutos on merkittävä pitkän aikavälin muutos globaalissa tai paikallisessa ilmastossa. Muutokset voivat tapahtua esimerkiksi sadannoissa, lämpötiloissa ja tuulikuvioissa. Tarkasteltava aikaväli voi vaihdella kymmenistä vuosista miljooniin vuosiin. Ilmastonmuutos voi aiheutua tapahtumista, jotka liittyvät muun muassa merien lämpömekanismeihin, maapallon rataan, mannerlaattojen liikkeisiin, auringon aktiivisuuteen, vulkaaniseen toimintaan, asteroiditörmäyksiin ja viime aikoina myös ihmisen toimintaan.

Ilmastoon vaikuttavat tekijät

Maan ilmasto voi muuttua maapallon sisäisten prosessien myötä tai reaktiona ulkoisiin tekijöihin (esimerkiksi muutokset auringon aktiivisuudessa, maapallon kiertoradassa tai akselissa). Maapallon sisäiset prosessit voivat olla luontaisia (esimerkiksi vulkaaniset päästöt) tai ihmisen toiminnasta johtuvia (esimerkiksi fossiilisten polttoaineiden käytön synnyttämä ilmakehän kasvihuonekaasujen; CFC, N₂O, CO₂ pitoisuuksien nousu).

Ilmaston sisällä tapahtuvat muutokset

Sää on kaoottinen epälineaarinen dynaaminen järjestelmä. Tämä tarkoittaa, että se on vain osittain ennustettavissa. Ilmasto eli sään keskiarvo on kuitenkin ollut havaintojen valossa suhteellisen vakaa aivan viime aikoihin asti. Ilmastoon lukeutuvat keskilämpötila, sadanta, aurinkoisten päivien määrä ja lukuisat muut mitattavat suureet.
Maan ympäristössä tapahtuu kuitenkin muutoksia, jotka voivat vaikuttaa ilmastoon. Esimerkiksi jäätiköiden kasvu ja pieneneminen aiheuttavat sekä luonnollista vaihtelua, että vahvistavat ulkoisia pakotteita. Toisaalta meri-ilmakehäjärjestelmän muutokset voivat aiheuttaa voimakkaita muutoksia. Merien vaikutus ilmastoon liittyy monilta osin niiden suureen lämpökapasiteettiin ja kykyyn kuljettaa energiaa. Termohaliinikierron merkitys kasvaa pitemmillä aikaväleillä. Toisaalta ilmaston tila ei ole riippuvainen yksin nykytilasta vaan siihen vaikuttavat myös edeltävät tilat, kysymys on siis hystereesi-ilmiöstä.

Ilmaston ulkopuolisetselvennä muutokset

Satojen miljoonien vuosien kuluessa mannerlaattojen liikkeet vaikuttavat merivirtoihin ja vuorten muotoihin muuttaen siten ilmastoa. Auringon aktiivisuudessa sekä pitkällä että lyhyellä aikavälillä tapahtuvat muutokset muuttavat ilmaston säteilypakotetta.
Suhteessa nopeampia muutoksia ovat satojen tuhansien vuosien aikajänteellä tapahtuvat Maan radan säännölliset heilahtelut, jotka johtuvat aurinkokunnan sisäisestä dynamiikasta. Nämä Milankovićin jaksot aiheuttavat niin kutsutun jääkausisyklin.
Voimakkaat tulivuorenpurkaukset voivat vaikuttaa ilmastoon äkillisesti. Suuria purkauksia tapahtuu useita kertoja vuosisadassa. Joidenkin kymmenien miljoonien vuosien välein esiintyy myös erittäin suuria (miljoonien neliökilometrien suuruisia) purkausalueita, jotka vaikuttavat ilmastoon miljoonien vuosien ajan.
Kasvihuoneilmiö on merkittävä maapallon lämpötilaa säätelevä tekijä. Kasvihuoneilmiötä voimistavista kasvihuonekaasuista hiilidioksidin määrän ilmakehässä arvioidaan tällä hetkellä olevan todennäköisesti korkein viimeiseen 15 miljoonaan vuoteen. Paleoklimatologeja kiinnostaakin nyt tutkia keskiplioseenikaudella eli kauan ennen ihmissuvun ilmaantumista maapallolle vallinnutta lämpökautta 3,3–3,0 miljoonaa vuotta sitten, koska tuolloin hiilidioksidipitoisuus oli myös koholla (>350 ppm) ja pintalämpötilat olivat noin 1,9–3,6 °C korkeampia kuin esiteollisena aikana.
Kalkkikiven rapautuminen vaimentaa hiilidioksidipitoisuuden muutoksia. Mitä enemmän hiilidioksidia, sitä enemmän rapautuminen kiihtyy, mikä lisää kalkkikiven syntymistä, joka taas sitoo hiilidioksidia itseensä vähentäen pitoisuuksia. Kestää kuitenkin miljoonia vuosia, ennen kuin ilmakehän hiilidioksidipitoisuus palaa ennalleen edellä kuvatun prosessin avulla.
Maan historiassa tunnetaan useita hetkiä, jolloin kasvihuoneilmiö on riistäytynyt käsistä. Esimerkkinä tästä toimii tilanne permi- ja triaskauden rajalla 250 miljoonaa vuotta sitten, jolloin tapahtui permikauden joukkotuhona tunnettu Maan historian suurin tunnettu lajien sukupuutto.

Ihmisen vaikutus

Nyt käynnissä oleva ilmastonmuutos on seurausta ihmisen omasta toiminnasta. Onkin ehdotettu, että vuoden 1950 jälkeinen aika irrotettaisiin holoseenista omaksi epookikseen (antroposeeni), joka vahvistettaisiin osaksi geologista ajanlaskua. Ihmisperäisen ilmastonmuutoksen myötä maapallolla on alkamassa kokonaan uusi, luontaisesta poikkeava kehityskulku.
Tutkijoiden mukaan maapallon keskilämpötila tulee nousemaan ihmiskunnan toimien johdosta vuoteen 2100 mennessä todennäköisesti usealla celsiusasteella jatkaen nousuaan useita vuosisatoja. Nykyinen konsensusarvio vuodelle 2100 on noin 1,5–6,0 °C. Lämpenemisen voimakkuus riippuu tässä arviossa siitä, lisääntyykö vai väheneekö ihmiskunnan ilmakehään syytämien kasvihuonekaasujen määrä. Nykyisellä kehityksellä ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuus tulisi lähes kolminkertaistumaan nykyisestä.
Jos ilmastonmuutos halutaan pitää aisoissa, teollisuusmaiden päästöjen olisi pudottava tuntuvasti jo lähivuosikymmeninä, ja teollistuvien kehitysmaittenkin olisi hillittävä tehokkaasti päästöjensä kasvuvauhtia. Tämä merkitsisi sitä, että suurin osa fossiilisista polttoaineista jätettäisiin ikiajoiksi maan poveen. Ihmiskunnan päästöjen kehitys riippuu muun muassa poliittisesta tahdosta, tekniikan kehityksestä ja päästöjen rajoittamisyritysten vaikutuksista.
Ilmaston lämpeneminen johtuu ennen kaikkea ilmakehän hiilidioksidi-, metaani- ja typpioksiduulipitoisuuksien sekä troposfäärin otsonipitoisuuksien noususta. Pienhiukkasten eli aerosolien vaikutusta pilvisyyteen on vaikea arvioida tarkasti, mutta nykytiedon valossa pienhiukkasilla olisi voimakas ilmastoa viilentävä nettovaikutus, joka on huomioitu ilmastomalleissa ja -ennusteissa. Pienhiukkasten suhteellinen ilmakehää viilentävä vaikutus vähenee kuitenkin jatkuvasti. Tämä johtuu siitä, että kasvihuonekaasujen pitoisuus ilmakehässä kasvaa voimakkaasti ja näillä kaasuilla on huomattavasti pidempi elinkaari kuin pienhiukkasilla.
Kasvavia hiilidioksidipäästöjä tuottava fossiilisten polttoaineiden jatkuvasti lisääntyvä käyttö on suurin yksittäinen syy antropogeeniseen eli ihmisten toimista johtuvaan ilmastonmuutokseen. Myös maankäytön muutokset kuten metsien hävitys ja soiden kuivatus pelloksi sekä maatalous voimistavat ilmastonmuutosta. Nautakarjan pito ja riisinviljely aiheuttavat ilmastoa lämmittäviä metaanipäästöjä. Ilmakehän metaanipitoisuus onkin noussut lähes kolminkertaiseksi esiteolliseen aikaan verrattuna.
Ilmastoa lämmittävää typpioksiduulia muodostuu viljelysmaassa nitraattien hajotessa ja keinolannoitteiden käyttö lisää typpioksiduulipäästöjä. Typpioksiduulipäästöt kasvavat tällä hetkellä lineaarisesti.
Rakentaminen käyttää maailmanlaajuisesti noin puolet ihmiskunnan käyttämistä materiaaliresursseista, lähes puolet energiasta, 40 % vedestä ja 60 % viljelykelpoisesta maa-alasta. Merenpinnan tuleva nouseminen johtaa entistä suurempiin ongelmiin rakentamisen levitessä maatalousmaalle ja luonnonympäristöihin. Siksi kaupunkisuunnittelun, arkkitehtuurin ja rakennustavan kehittäminen ovat tärkeitä ilmastonmuutoksen torjunnassa ja myös siihen sopeutumisessa.
Viimeisten 20 miljoonan vuoden aikana ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on vaihdellut pääasiassa 200 ja 400 ppm:n välillä, ja viimeiset 800 000 vuotta esiteollisena aikana pitoisuus on vaihdellut välillä 180–300 ppm.
Ihmiskunnan pääenergianlähde on ollut jo pitkään kivihiilikauden metsäjäännösten, fossiilisten polttoaineiden (öljy, kivihiili, maakaasu) esiinkaivaminen ja polttaminen. Näistä kivihiilen varannot riittävät vielä sadoiksi vuosiksi eteenpäin.
Hiilen eri muotojen polttaminen on nostanut ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nykyiseen noin 380 ppm:iin, yli 30 % historiallisesta arvosta (v. 2004 tilanne). Koska fossiilisten polttoaineiden käyttö lisääntyy edelleen, myös ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa ja vieläpä nopeutuen.

Biosfäärin vaikutus

Kasvillisuus menestyy pääsääntöisesti hyvin hiilidioksidipitoisessa ilmassa, koska kasvit tarvitsevat hiilidioksidia yhteyttämiseen. Uusimmat tutkimukset asettavat kuitenkin kyseenalaiseksi kasvillisuuden rehevöitymisen nettovaikutuksen. Tämä johtuu siitä, että ilmaston lämmetessä maaperään varastoitunut hiili alkaa hajota lisäten ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta entisestään.
Lisäksi on merkkejä lämpenevien pohjoisten soiden (Siperia, Alaska, omalta pieneltä osaltaan myös Suomen Lappi) lisääntyvästä hiilidioksidin- ja metaanintuotannosta, josta saattaa muodostua tulevaisuudessa hyvinkin oleellinen ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kohottaja.

Pakotteiden keskinäiset vuorovaikutukset

Nykyisin pidetään todennäköisenä, että ihmisen aikaansaama ilmaston lämpeneminen ei ole tasaisesti etenevä prosessi, vaan että ilmasto tulee muuttumaan hyppäyksenomaisesti kriittisten kynnysarvojen ylittymisen seurauksena.
Kun jokin ilmastopakote, vaikkapa säteily, muuttaa ilmastoa, monet mekanismit voivat joko vahvistaa tai vaimentaa muutosta. Nämä ovat positiivisia ja negatiivisia takaisinkytkentöjä.
On olemassa lukuisia lämpenemistä voimistavia positiivisia takaisinkytkentöjä, joita kaikkia ei ole huomioitu IPCC:n ilmastomalleissa. Näitä takaisinkytkentöjä liittyy esimerkiksi jäätiköiden kiihtyvään sulamiseen, joka nopeuttaa meriveden lämpenemistä.
Muita positiivisia takaisinkytkentöjä ovat ikiroudan sulamisen aikaansaamat hiilidioksidi- ja metaanipäästöt sekä mannerjalusta-alueiden kaasuhydraattien sitoman metaanin vapautuminen ilmakehään, kun merivedet lämpenevät. Näitä kasvihuonekaasujen lähteitä ei ole huomioitu CMIP5-ilmastomallissa, johon IPCC:n uusin arviointiraportti (numero 5) nojaa, koska niiden mallintamiseen liittyy merkittävää epävarmuutta.
Lämpenemisen aikaansaama merenpinnan nousu voi lisätä myös tulivuorenpurkauksia, joiden yhteydessä ilmakehään pääsee lisää metaania ja hiilidioksidia.
Trooppisten kosteikkojen kuivuminen vähentää niiden metaanipäästöjä lisäten kuitenkin samalla niiden palamisriskiä. Kuivuneiden kosteikkojen palot vapauttavat hiiltä ilmakehään.
Myös merivirtojen ja ilmakehän virtausten keskinäiset vuorovaikutukset muodostavat monimutkaisia palautejärjestelmiä. Kaikkia vuorovaikutuksia ei ymmärretä vielä kovin hyvin.

Menneiden ilmaston muutosten tutkiminen

Aiemmin vallinneiden ilmasto-olosuhteiden päättelemistä varten kerätään laajapohjaisesti aineistoa, jonka pohjalta ilmastoja voidaan rakentaa uudelleen esimerkiksi ilmastomallein. Suurin osa todistusaineistosta on epäsuoraa: esimerkiksi kasvillisuudesta, puiden vuosirenkaista, jääkairausnäytteistä, merenpinnan muutoksista sekä jäätiköiden liikkeistä voidaan kerätä tietoa aiemmin vallinneista ilmastoista. Myös järvien ja soiden sedimenttikerroksiin tallentuneet siitepölyn ja kovakuoriaisten jäänteitä on käytetty tähän tarkoitukseen.