Hiilidioksidi seuraa lämpötilaa - mitä se tarkoittaa?

Mitä tiede sanoo...

Viimeisen puolen miljoonan vuoden aikana ilmastomme on kokenut pitkiä jääkausia, joiden välillä on säännöllisesti ollut lyhyitä interglasiaaleiksi kutsuttuja lämpimiä kausia. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus noudattaa tiiviisti tätä rytmiä kasvaen noin 80-100 ppm samalla kuin Etelämantereen lämpötila nousee kymmenellä asteella. Kun tilannetta tarkastellaan lähemmin, huomataan hiilidioksidipitoisuuden todellakin laahaavan lämpötilan perässä noin tuhat vuotta. Vaikka tämä tulos ennustettiin jo kaksi vuosikymmentä sitten (Lorius 1990), se silti yllättää ja hämmentää monia. Lisääkö lämpeneminen hiilidioksidipitoisuutta vai päin vastoin? Todellisuudessa molemmat tavat ovat oikein.

Kuva 1: Vostokin jääpeitteen näyttämät hiilidioksidipitoisuudesta (Petit 2000) ja lämpötilan muutoksista (Barnola 2003).

Interglasiaalit toistuvat suunnilleen sadan tuhannen vuoden välein. Tätä kutsutaan Milankovićin jaksoksi, joka johtuu Maan kiertoradan vaihteluista. Maan kiertorata vaihtelee kolmella tavalla. Radan muoto Auringon ympäri vaihtelee ellipsin ja lähes ympyrän välillä (eksentrisyys). Maapallon akseli on noin 23° kallellaan suhteessa Aurinkoon. Tämä kallistuskulma vaihtelee välillä 22,5° ja 24,5° (nutaatio). Koska maa pyörii akselinsa ympäri, akseli kieppuu osoittaen välillä Pohjantähteä ja välillä Vega-tähteä (prekessio). 

Kuva 2: Kolme tärkeintä kiertoradan vaihtelua. Eksentrisyys (eccentricity): vaihtelut radan muodossa. Nutaatio (obliquity): vaihtelut Maan pyörimisakselin kallistuskulmassa. Prekessio (precession): Maan pyörimisakselin kieppuminen.

Näiden kiertorataan liittyvien vaihteluiden pitkän aikavälin yhteisvaikutuksena Maahan osuvan Auringon säteilyn määrä eri vuodenaikoina vaihtelee, etenkin korkeilla leveysasteilla. Esimerkiksi noin 18000 vuotta sitten eteläiselle pallonpuoliskolle keväällä osuvan säteilyn määrä lisääntyi. Tämä johti Eteläisen jäämeren merijään vetäytymiseen ja eteläisen pallonpuoliskon mannerjäätiköiden sulamiseen (Shemesh 2002). Tästä seurasi lämpenemistä vahvistava positiivinen palauteilmiö, koska valoa takaisin avaruuteen heijastavan jään määrä väheni (vähentynyt albedo).

Kun Eteläinen jäämeri lämpenee, hiilidioksidin liukoisuus veteen vähenee (Martin 2005). Sen seurauksena meristä vapautuu enemmän hiilidioksidia ilmakehään. Tarkkaa mekanismia, miten hiilidioksidi vapautuu meren syvyyksistä, ei täysin tunneta, mutta sen uskotaan liittyvän meriveden sekoittumiseen pystysuuntaisten merivirtojen kautta (Toggweiler 1999). Ilmiö kestää noin 800-1000 vuotta, joten hiilidioksiditason on havaittu kasvavan noin tuhat vuotta lämpenemisen perässä (Monnin 2001, Mudelsee 2001). 

Hiilidioksidin vapautumisella merestä on useita vaikutuksia. Lisääntynyt ilmakehän hiilidioksidipitoisuus vahvistaa alkuperäistä lämpenemistä. Suhteellisen heikko Milankovićin jakson pakote ei riitä lämmittämään ilmastoa riittävästi jääkauden lopettamiseksi (tämä jakso on nimeltään deglasiaatio). Hiilidioksidin vahvistava vaikutus vastaa kuitenkin hyvin havaittua lämpenemistä.

Eteläiseltä jäämereltä vapautunut hiilidioksidi myös sekoittuu koko ilmakehään levittäen lämpenemistä kohti pohjoista (Cuffey 2001). Tropiikin merisedimentit osoittavat lämpenevää noin tuhat vuotta Antarktiksen lämpenemisen jälkeen, samoihin aikoihin kuin hiilidioksidipitoisuus on noussut (Stott 2007). Grönlannin jääkairauksista todetaan pohjoisen pallonpuoliskon lämpenemisen seuraavan viipeellä Antarktiksen hiilidioksidin kasvua (Caillon 2003). 

Väitteet, joiden mukaan hiilidioksidiviive osoittaa hiilidioksidin lämmittävän vaikutuksen vääräksi, osoittavat Milankovićin jaksojen puutteellista ymmärtämistä. Vertaisarvioitujen tutkimusten tarkastelu kertoo meille monia asioita:

• Deglasiaatio ei käynnisty hiilidioksidin, vaan kiertoratavaihteluiden vaikutuksesta
• Hiilidioksidi vahvistaa lämpenemistä, jota ei voida selittää pelkästään orbitaalisilla tekijöillä
• Hiilidioksidi levittää lämpenemisen koko planeetalle