Kasvihuoneilmiö: Ilmakehän lämpenemisilmiö

Auringon tulosäteily pääsee maanpintaan kasvihuonekaasujen läpi, mutta ne hidastavat säteilyä pois maapallolta. Kasvihuoneilmiössä useista eri aallonpituuksista muodostuvan sähkömagneettisen säteilyn (säteilyspektrin) tietyt aallonpituusalueet lämmittävät väliainetta (ks. absorptio), esimerkiksi maapallon kaasukehää ja pintaa. Lämmennyt väliaine/materiaali puolestaan säteilee (emittoi) lämpöenergiaansa ainoastaan infrapunasäteilyn aallonpituusalueella ulospäin. Infrapunasäteilyn eli lämpösäteilyn läpäisykyky on verraten huono, mistä syystä se (läpäisemisen sijaan) absorboituu tai heijastuu mm. kaasumaisiin väliaineisiin muita aallonpituusalueita intensiivisemmin. Täten siis systeemiin sisälle tuleva sähkömagneettinen säteily pääsee huonommin säteilemään ulos systeemistä, mikä nostaa systeemin peruslämpötilaa jonkin verran.

Ilmiö on saanut nimensä kasvihuoneista, joissa paikallaan seisova ilma lämpenee lasin läpi tulevan auringonsäteilyn vaikutuksesta. Nimitys on kuitenkin jonkin verran harhaanjohtava, sillä ilmakehässä lämpenemisen perimmäinen syy ei ole ilman seisominen paikallaan vaan kasvihuonekaasujen lähettämä lämpösäteily, joka suuntautuu planeetan pintaa kohti.

Joseph Fourier havaitsi kasvihuoneilmiön vuonna 1824, ja kvantitatiivisesti sitä tutki ensimmäisenä Svante Arrhenius 1896.

Kasvihuonekaasut luovat luonnollisen kasvihuoneilmiön, jota ilman maan keskilämpötila olisi 20–30 °C kylmempi. Ilman kasvihuoneilmiötä maa olisi elinkelvoton. Maan pintalämpötila olisi liian alhainen, jotta vettä voisi esiintyä laajalti nestemäisenä ja vesihöyrynä. Maan keskilämpötila on nykyisin noin +14,7 °C, mutta ilmasto lämpenee kasvihuoneilmiön voimistuessa ihmisen aiheuttamien kasvihuonekaasupäästöjen seurauksena. Maan lisäksi Marsissa ja Venuksessa on kasvihuoneilmiö.

Pääartikkeli: Kasvihuonekaasu

 

Kasvihuonekaasujen vaikutuksesta ilmakehän lämpötila on korkeampi kuin se muuten olisi. Kasvihuonekaasut päästävät lähes täydellisesti lävitseen auringosta tulevan säteilyn, varsinkin näkyvän valon, mutta absorboivat eli imevät huomattavan osan planeetan pinnalta lähtevästä pitkäaaltoisemmasta lämpösäteilystä (infrapunasäteilystä). Kasvihuonekaasumolekyyli kykenee rakenteestaan johtuen muuttamaan absorboimansa lämpöenergian uudelleen säteilyenergiaksi, jolloin osa energiasta palaa takaisin lämmittämään maan pintaa.

Kasvihuonekaasuille on yhteistä, että niiden molekyyleissä on vähintään kolme atomia. Näissä kaasuissa lämpösäteily saa molekyylin atomit värähtelemään toistensa suhteen tavalla, joka ei kaksiatomisissa molekyyleissä ole mahdollista. Siksi esimerkiksi typpi (N₂) ja happi (O₂) eivät toimi kasvihuonekaasuina, eivät myöskään yksiatomiset jalokaasut.

Maassa merkittävimmät kasvihuonekaasut ovat vesihöyry, joka aiheuttaa noin 36–70 % kasvihuoneilmiöstä (pilvet eivät sisälly lukuun); hiilidioksidi (CO₂), joka aiheuttaa 9–26 %; metaani (CH₄), joka aiheuttaa 4–9 %, sekä otsoni, joka aiheuttaa 3–7 %.

Typpioksiduuli (N₂O) on ilmastovaikutuksella mitattuna Suomen toiseksi yleisin ihmistoiminnasta syntyvä kasvihuonekaasu.

Kasvihuonekaasujen viipymisaika ilmakehässä vaihtelee muutamasta päivästä (vesihöyry) satoihin vuosiin (hiilidioksidi).

Hiilidioksidipitoisuudet ilmakehässä ovat lisääntyneet 31 % ja metaanipitoisuudet 149 % esiteollisiin tasoihin nähden vuoden 1750 jälkeen. Nämä lukemat ovat merkittävästi korkeampia kuin kertaakaan aiemmin 650 000 vuoteen, mikä on pääteltävissä luotettavasti jäätiköiltä syväkairatuista näytteistä. Epäsuorien geologisten todisteiden perusteella uskotaan, että hiilidioksidipitoisuudet ovat olleet nykytasolla viimeksi 20 miljoonaa vuotta sitten. Merenpohjan sedimenteistä ja kasvien fossiileista tehtyjen mittausten perusteella on voitu arvioida, että esimerkiksi 150–200 miljoonaa vuotta sitten hiilidioksidin pitoisuus oli kuitenkin ilmeisesti paljon nykyistä korkeampi, yli 2 000 ppm, ja 400–600 miljoonaa vuotta sitten ajoittain jopa yli 5 000 ppm. Noin kolme neljäsosaa ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä viimeisten 20 vuoden aikana johtuu fossiilisten polttoaineiden käytöstä. Muut ihmisperäiset päästöt ovat pääasiassa seurausta maankäytöstä, erityisesti metsähakkuista.

Pääartikkeli: Ilmaston lämpeneminen

Maapallon keskilämpötila nousi 1900-luvulla 0,74 ± 0,18 °C. Hallitustenvälisen ilmastopaneelin IPCC:n mukaan viimeaikainen ilmaston lämpeneminen johtuu erittäin todennäköisesti (yli 90 % todennäköisyydellä) ihmiskunnan aiheuttamista kasvihuonekaasupäästöistä, jotka ovat nostaneet ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuuksia. Tiedemiehet eivät ”usko” kasvihuoneilmiöön tai ”vastusta” sitä sinänsä, vaan pikemminkin käynnissä oleva ilmastonmuutoskeskustelu koskee kasvihuonekaasupitoisuuksien kasvamisen vaikutuksia lämpenemiseen ja muihin ilmiöihin. IPCC:n raporteissa on myös ollut puutteita, ja esimerkiksi vuonna 2007 paneeli ennusti virheellisesti, että Himalajan vuoriston jäätiköt saattaisivat sulaa vuoteen 2035 mennessä.

Ilmakehän tämänhetkinen CO₂-pitoisuus on noin 411 molekyyliä CO₂:ta miljoonaa ilmamolekyyliä kohti (ppm), kun vuonna 2000 se oli noin 370 ppm. Pitoisuuden odotetaan nousevan jatkossakin fossiilisten polttoaineiden käytön ja maankäytön muutosten myötä. Kasvuvauhti on riippuvainen taloudellisesta, sosiologisesta, teknologisesta ja luonnollisesta kehityksestä, joskin fossiilisten polttoaineiden saatavuus voi rajoittaa kasvua. IPCC:n erikoisraportti päästöskenaarioista ennustaa CO₂-pitoisuuden nousevan tasolle 541–970 ppm vuoteen 2100 mennessä.

Positiiviset palautekytkennät, kuten Siperian turvesoiden ikiroudan sulamisesta aiheutuvat mahdollisesti jopa 70 000 miljoonan tonnin metaanipäästöt, voivat johtaa merkittäviin lisäyksiin sellaisten kasvihuonepäästöjen lähteissä, joita ei ole otettu huomioon IPCC:n ilmastomalleissa.

Kasvihuoneilmiötä voidaan tarkastella niin sanotun mustan kappaleen säteilylain pohjalta. Lain mukaan täysin musta kappale vastaanottaa energiaa ympäristöstään ja säteilee energiaa ympäristöönsä maksimaalisella teholla. Tätä tehoa kuvaa Stefan-Boltzmannin säteilylaki. Säteilyteho riippuu kappaleen lämpötilasta. Kasvihuoneilmiö syntyy, kun kappale on mustan kappaleen säteilyä noudattavan kappaleen (esimerkiksi Aurinko) ympäristössä. Jos kappale on säteilevän kappaleen lämpötilan edustamilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla ”mustempi”, kuin omaa lämpötilaansa vastaavilla aallonpituuksilla, niin kappaleen lämpötila nousee korkeammaksi, kuin kahden täysin mustan kappaleen säteilytasapainotila edellyttäisi. Esimerkki tällaisesta aurinkokunnan kappaleesta on Venus.

Myös päinvastainen ilmiö on mahdollinen. Jos kappale on oman lämpötilansa aallonpituusalueilla mustempi kuin säteilevän kappaleen lämpötilaa vastaavilla aallonpituuksilla, sen lämpötila voi asettua alemmalle tasolle kuin kahden täysin mustan kappaleen säteilytasapainotila edellyttäisi. Esimerkkejä tällaisesta aurinkokunnan kappaleista ovat Saturnuksen kuu Titan ja kääpiöplaneetta Pluto.

Venuksen kaasukehä on niin tiheä, että paine pinnalla on 92 kertaa korkeampi kuin Maassa. Kaasukehä koostuu lähes yksinomaan hiilidioksidista (96,5 %). Kasvihuoneilmiö on pääsyynä siihen, että lämpötila planeetan pinnalla ylittää lyijyn sulamispisteen^lähde?. Kaasukehä pidättää niin hyvin lämpöä, että planeetan lämpötila ei juurikaan vaihtele päivän ja yön puolella. Merkuriuksessa, jossa kaasukehää ei ole ja vuorokausi on liki kaksi kuukautta, päivän lämpötila nousee 530 °C yölämpötilaa korkeammaksi. Kuukauden kestävän yön aikana Merkuriuksen pinta säteilee lämmön avaruuteen kaasukehän estämättä.

Maassa kasvihuone-ilmiö nostaa pinnan lämpötilaa teoreettisesta albedon mukaan lasketusta -18:sta noin +15 asteeseen. Kasvihuonevaikutus Maassa on näin ollen 33 °C. Vesihöyry nostaa Maan keskilämpötilaa 21 °C, hiilidioksidi 7 °C ja muut kaasut 5 °C.

• Ilmastonmuutos
• Karkaava kasvihuoneilmiö
• Maan säteilytasapaino

 

Wiki Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kasvihuoneilmiö.

• Ilmasto.org
• Ilmastotieto