Ilmastonmuutos vuonna 1896

Monilla ihmisillä tuntuu olevan käsitys, että ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos olisi vain jokin viime vuosien moderni ympäristöhapatus, joka pian unohtuu kun hetki odotellaan, eikä asialle siis kannata tehdä mitään. Toiset pitävät ilmastonmuutosta silkkana huijauksena. Nämä ihmiset sitten toitottavat mielipiteitään internetissä uutisten kommenttipalstoilla sen kummemmin tosiasioista piittaamatta. Eräs nimimerkki kirjoitti taannoin HS.fi:n keskustelupalstalla:

”Muistan myös 1980-luvun pankkikuplan, 1990-luvun IT-kuplan. Nyt on ilmasto- ja energiakupla.”

Lienee siis tarvetta hieman tarkastella tämän ”ilmastokuplan” historiaa.

Matemaattisen fysiikan isä, Joseph Fourier (1768-1830), laski 1820-luvulla, että Maan etäisyydellä Aurinkoa kiertävän kappaleen pitäisi olla selvästi kylmempi kuin maapallo itse asiassa on. Fourier pohdiskeli erilaisia mekanismeja, joilla maapallon lämpötila pysyisi teoreettista lämpötilaa korkeampana. Yksi näistä hänen pohtimistaan mekanismeista oli, että näkyvä auringonvalo läpäisee ilmakehän hyvin ja lämmittää maata, mutta maan pinnalta lämpö ei niin vain karkaakaan avaruuteen, vaan ilmakehä absorboi – eli imee itseensä eikä päästä lävitseen – ”näkymättömiä lämpösäteitä”. Näin lämmennyt ilma säteilee myös lämpöä, josta osa palaa takaisin maahan. Ilmakehä siis toimisi jonkinlaisena eristeenä. Tämä hypoteesi, jota myöhemmin alettiin virheellisesti kutsua kasvihuoneilmiöksi, kuitenkin säilyi lähinnä spekulaationa.

John Tyndall (1820-1893) ryhtyi vuonna 1859 kokeellisesti selvittämään, mitkä kaasut absorboivat lämpö- eli infrapunasäteilyä. Näin luonnollisesti selviäisi onko ilmakehässä sellaisia kaasuja ja mitä ne mahtaisivat olla. Tyndall löysi aparaatillaan lukuisia tällaisia kaasuja, joista ilmakehässä tärkeimmäksi osoittautui vesihöyry, mutta hiilidioksidi osoittautui myös tällaiseksi kaasuksi. Sen pitoisuus ilmakehässä oli kuitenkin vain promillen osia.

Näin hän ensimmäisenä onnistui todistamaan kasvihuoneilmiön olemassaolon. Tyndall myös havaitsi, että hyvin pienikin määrä jotakin sopivaa kaasua, esimerkiksi kypsyvissä hedelmissä syntyvää eteeniä, saattaa absorboida suuren osan lämpösäteilystä (eteenistä ei kuitenkaan ole kasvihuonekaasuksi, sillä se hajoaa nopeasti ilmassa).

Tyndall ei jättänyt johtopäätöksiä vetämättä, vaan kirjoitti kasvihuoneilmiöstä seuraavaa:

”De Saussure, Fourier, M. Pouillet, and Mr. Hopkins regard this interception of the terrestrial rays as exercising the most important influence on climate… every variation [in aqueous vapour] must produce a change of climate. Similar remarks would apply to the carbonic acid diffused through the air, while an almost inappreciable admixture of any of the hydrocarbon vapours would produce great effects on the terrestrial rays and produce corresponding changes of climate.”

Tyndall siis totesi, että kasvihuonekaasujen vaikutus ilmastoon on merkittävä, ja jokaisen muutoksen kasvihuonekaasujen määrässä tulisi siten aiheuttaa muutos ilmastossa. Tyndall oli kuitenkin kiinnostunut lähinnä vuorokausittaisesta lämpötilavaihtelusta eikä niinkään ilmastosta pitkällä aikavälillä.

Näin oli rakennettu käsitteellinen pohja kasvihuoneilmiölle tieteen parissa, mutta kuinka paljon kasvihuonekaasujen määrän muutos varsinaisesti vaikuttaisi ilmastoon? Olisiko sillä todellista merkitystä?

Svante Arrhenius oli ruotsalainen tiedemies, fysikaalisen kemian uranuurtaja. 1800-luvun loppuun mennessä oli selvinnyt, että maapallo oli käynyt läpi lukuisia jääkausia historiansa aikana. Tiedepiireissä suurena avoimena kysymyksenä olikin, mikä ihmeellinen mekanismi voisi aiheuttaa näin merkittäviä muutoksia maapallon ilmastossa. Arrhenius astui kuvaan vuonna 1896 julkaisemallaan artikkelilla ’On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground’ (suom. ”Ilmassa olevan hiilihapon vaikutuksesta maanpinnan lämpötilaan”).

Arrhenius toteaa laajassa artikkelissaan, että Tukholman tiedepiireissä oli käyty kiivaitakin keskusteluja jääkausien mahdollisista syistä, eikä mitään uskottavia hypoteeseja ollut tullut esiin. Niinpä Arrhenius oli päättänyt ryhtyä työläisiin laskutoimenpiteisiin selvittääkseen, millaisia muutoksia ilman hiilidioksidipitoisuudessa vaadittaisiin, jotta maapallon keskilämpötila muuttuisi jääkauteen vaadittavan määrän. Ensi silmäyksellä se vaikuttaisi tuon ajan tietojen pohjalta aika vaikealta. Arrheniuksella ei ollut rahaa rakentaa kalliita laitteistoja kokeita varten.

Vuonna 1890 Yhdysvalloissa tähtitieteilijä Samuel Langley ja hänen kollegansa Frank Very olivat kuitenkin spektrometrillään mitanneet Kuusta tulevaa infrapunasäteilyä ja sen spektriä. Arrhenius ryhtyi analysoimaan Langleyn tuloksia sangen nerokkaalla tavalla. Täysikuun lämpötila on tarpeeksi lähellä maanpinnan lämpötilaa, jotta se säteilee lämpöä infrapuna-alueella melko lailla samalla tavalla kuin Maakin. Jos Kuu on suoraan yläpuolellamme, siitä tuleva säteily kulkee kohtisuoraan ilmakehän läpi. Toisaalta, jos Kuu on taivaalla 30 asteen korkeudella horisontista, säteily kulkee kaksi kertaa paksumman ilmamassan läpi. Siispä eri korkeuksilla horisontista olevan Kuun infrapunasäteilyä tarkastelemalla Arrhenius pystyi laskemaan kuinka eri paksuiset kasvihuonekaasukerrokset vaikuttivat säteilyn kulkuun. Tämä ei ollut kuitenkaan kovin suoraviivaista puuhaa, sillä Langleyn tulokset vaihtelivat paljon mittausajankohdasta toiseen, mutta Arrhenius oli vakuuttunut päässeensä systemaattisista virheistä eroon.

Pitkällisen analyysin päätteeksi Arrhenius sai tulokseksi, että puolittamalla hiilidioksidin määrän ilmakehässä lämpötila laskisi noin 4-5 Celsius-astetta – riittävästi aiheuttaakseen jääkauden – ja kaksinkertaistamalla hiilidioksidin lämpötila nousisi 5-6 astetta. Hän myös osoitti aivan oikein, että jos hiilidioksidin määrä muuttuu geometrisena sarjana, lämpötila muuttuu aritmeettisesti. Suomeksi sanottuna siis aina hiilidioksidin määrän kaksinkertaistuessa (tai puolittuessa) lämpötila muuttuu joka kerta suurin piirtein saman verran. Arrhenius korjasi kymmenen vuotta myöhemmin lukujaan alaspäin 1,6 asteeseen, vesihöyryn takaisinkytkennän kanssa 2,1 asteeseen. Nykyään tiedämme (mm. IPCC 2007), että tämä ilmastoherkkyys asettuu todennäköisesti 2-4,5 asteen välille.

Arrhenius ei kuitenkaan tiennyt, olisivatko tällaiset muutokset ilmakehässä todellisuudessa mahdollisia. Pohtiessaan erilaisia mekanismeja, jotka saattaisivat aiheuttaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden muutoksen suhteellisen lyhyellä geologisella aikajaksolla, hän kääntyi geologi Arvid Högbomin puoleen. Högbom oli omissa tutkimuksissaan keskittynyt selvittämään luonnon omaa hiilikiertoa.

Luonnollisten mekanismien (vulkaaninen toiminta, mereen imeytyminen, kivien rapautuminen, kasvillisuus, jne) ohella Högbom esitti hurjan havainnon: ihmiskunta 1890-luvulla poltti kivihiiltä vuosittain noin 500 miljoonaa tonnia, joka kompensoi täydellisesti hiilidioksidin luonnollisen geologisen poistuman ilmakehästä. Högbom kirjoitti seuraavaa (Arrheniuksen käännös englanniksi):

”Even though the number given were on account of inexact or uncertain assumptions erroneous to the extent of 50 per cent. or more, the comparison instituted is of very great interest, as it proves that the most important of all the processes by means of which carbonic acid has been removed from the atmosphere in all times, namely the chemical weathering of siliceous minerals, is of the same order of magnitude as a process of contrary effect, which is caused by the industrial development of our time, and which must be conceived of as being of a temporary nature.”

Högbom kuitenkin totesi, että ilmaan vuosittain päästetty hiilidioksidi vastaa vain tuhannesosaa ilmakehässä jo olevasta hiilidioksidista. Mahdollinen ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos olisi siis hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa. Arrhenius arveli, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus ehkä kaksinkertaistuisi kolmessa tuhannessa vuodessa. Högbom puolestaan epäili, mahtaisiko hiilidioksidipitoisuus nousta koskaan niin korkealle: laskujen mukaan viisi kuudesosaa ylimääräisestä hiilidioksidista imeytyisi mereen (mikä on totta tuhansien vuosien aikavälillä, mutta lyhyemmällä aikaskaalalla meret eivät ehdi pysyä mukana).

Tämä ei kuitenkaan estänyt Arrheniusta spekuloimasta ihmisen aiheuttamalla ilmastonmuutoksella. Kylmässä Pohjoismaassa asuvana ihmisenä Arrhenius ajatteli, että ilmaston lämpeneminen olisi kaikin puolin vain hyvä asia, ja ehkä jopa tarpeen kasvavan ihmiskunnan ruokkimiseksi. Walther Nernst, myöhemmin vuoden 1920 kemian Nobel-palkinnon saanut tiedemies, jopa ehdotti turhien kivihiiliesiintymien sytyttämistä tuleen ilmaston lämmittämiseksi. Ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos pysyi spekulaatioista huolimatta kuitenkin lähinnä mielenkiintoisena teoreettisena konseptina – lähes scifinä – kun varsinainen tieteellinen kiinnostus pysyi jääkausien selittämisessä. Pandoran laatikko oli kuitenkin nyt avattu.

Arrhenius ei radikaaleilla ideoillaan lyönyt läpi tieteen valtavirtaan. Hän oli muun muassa yksinkertaistanut ilmakehän rakennetta liikaa laskuissaan eikä esimerkiksi ottanut huomioon pilvisyyden muutoksia, joita lämpimämpi ja siten kosteampi ilmasto aiheuttaisi. Tuon ajan epätarkoilla spektrometreillä vesihöyryn ja hiilidioksidin absorptiospektrit näyttivät myös sattuvan kovin päällekkäin, mikä lisäsi skeptisyyttä hiilidioksidin ilmastovaikutusta kohtaan. Lopullinen niitti arkkuun tuli vuonna 1900, kun ruotsalainen fyysikko Knut Ångström mittasi hiilidioksidin absorptiota laboratoriossa, ja totesi (assistentin virheestä ja vääristä teoreettisista lähtökohdista johtuen) hiilidioksidipitoisuuden muuttumisen olevan täysin riittämätön tekijä selittämään muutoksia ilmastossa.

Tiedeyhteisössä ajateltiin, että Arrheniuksen teoria oli näin osoitettu vääräksi. Ajatus hiilidioksidista ilmastoon vaikuttavana tekijänä haudattiin lähes unohduksiin vuosikymmeniksi. Se heräisi jälleen eloon uuden tiedon valossa käytännössä vasta 1950-luvulla.

[Edit 30.12.10 klo 9.00: artikkelia on hieman muuteltu julkaisun jälkeen. Ei mitään suurta.]