Ilmastonmuutos ruususen unessa 1900-1957

(Jatkoa edellisestä)

Hypoteesi hiilidioksidin ilmastovaikutuksesta hylättiin pian Arrheniuksen mullistavan idean jälkeen oikeastaan kahdella argumentilla: ilmassa olevan hiilidioksidin määrällä ei olisi niinkään väliä, koska sen vaikutus infrapunasäteilyyn on kyllästynyt (pieni määrä hoitaisi käytännössä saman homman kuin suurempikin määrä hiilidioksidia), ja toisekseen vesihöyry näytti muutenkin jo pysäyttävän ne aallonpituudet, joihin hiilidioksidi vaikuttaisi. Jälkimmäinen argumentti johtui tuon ajan epätarkoista spektrografeista, joissa vesihöyryn ja hiilidioksidin absorptiospektrit näyttivät kovin päällekkäisiltä, mutta se jäi elämään pitkäksi ajaksi.

Ensimmäinen argumentti – jolla jotkut saattavat edelleen käsittämättömästi perustella ilmastonmuutoksen mahdottomuutta – perustui pääasiassa fyysikko Knut Ångströmin kokeeseen vuonna 1900. Ångström pyysi assistenttiaan, josta ei historian kirjoihin ole muuta nimeä jäänyt kuin ”Herr J. Koch”, suorittamaan laboratoriossa yksinkertaisen kokeen, jonka tarkoituksena oli mitata hiilidioksidin määrän vaikutus sen läpi kulkevaan infrapunasäteilyyn. Herra Koch tarkasteli infrapunasäteilyn kulkua hiilidioksidilla täytetyn 30 senttimetrin putken läpi. 10 prosenttia säteilystä jäi matkan varrelle. Koch mittasi muutoksen, kun hiilidioksidin paine putkessa laskettiin kahteen kolmasosaan aiemmasta, ja tuloksena oli vain 0,4 prosenttiyksikön ero (9,6% säteilystä ei päässyt läpi).

Knut Ångström ojentaa värttinän myrkytetyn neulan ilmastonmuutosteorialle.

Tuolloin ei tiedetty, että kaasun paine vaikuttaa sen absorptiospektriin, joten koe olisi täytynyt tehdä muuttamalla putken pituutta eikä kaasun painetta – oikea tulos olisi ollut noin yhden prosenttiyksikön ero. Oikea tulos olisi tuskin sekään Ångströmin mieltä muuttanut: hiilidioksidin määrällä ei näyttänyt olevan juuri mitään merkitystä.

Tulokset tappoivat tieteellisen kiinnostuksen Arrheniuksen ideaan, eikä kukaan uhrannut enää aikaansa kasvihuoneilmiön syvemmälle pohdiskelulle. Jos näin ei olisi käynyt, ehkäpä joku olisi pian ymmärtänyt Ångströmin ja muiden hänen aikalaistensa suurimman virheen: kasvihuoneilmiötä ilmakehässä ei voi ajatella yksinkertaisesti tuubina hiilidioksidia, tai kasvihuoneen lasipaneelina, jonka läpi maasta tuleva lämpösäteily kulkee. Vaikka hiilidioksidi ei päästäisi lainkaan infrapunasäteilyä lävitseen alailmakehässä, sen lisääminen nostaisi siinäkin tapauksessa lämpötilaa: kasvihuoneilmiö voimistuisi korkeammalla ilmakehässä, missä ilma on ohuempaa ja säteily pääsee kulkemaan vapaammin. Ilmakehää tuleekin tarkastella lukuisina keskenään vuorovaikuttavina kerroksina, jotta kasvihuoneilmiön todellisen luonteen voi ymmärtää.

Arrheniuksen ajatukset eivät kuitenkaan hävinneet kokonaan, olihan hän ja jotkut idean vakavasti ottaneet ihmiset, kuten geologi T.C. Chamberlin, hyvin merkittäviä tiedemiehiä. Niinpä hiilidioksiditeoria mainittiin usein oppikirjoissa ja tieteellisissä julkaisuissa, vaikka sitä ei yleisesti oikeana pidettykään. Ilmastonmuutos nukkui tiedepiireissä ruususen unta, samalla kun tietämys ilmakehästä jatkoi hidasta kasvuaan.

1930-luku: Hulburt ja Callendar

Ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos ei sopinut ajan tieteelliseen maailmankuvaan. Yleisesti ajateltiin, että on olemassa luonnollinen tasapaino, jota ihmisen on mahdoton järkyttää. Merissä on viisikymmentä kertaa enemmän hiilidioksidia kuin ilmakehässä, joten miten meidän pienet päästömme voisivat vaikuttaa luonnon kiertokulkuun? Meret varmasti määrittäisivät ilmakehän hiilidioksiditasapainon. Tai jos meret eivät siihen kykenisi, varmasti kasvillisuus sen tekisi; kasvit käyttäisivät ylimääräisen hiilidioksidin ilmakehästä kasvaessaan vauhdikkaammin. Biosfäärin hiilivarastoihin varmasti mahtuisi. Niinpä ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta ihminen tuskin pystyisi merkittävästi heiluttamaan, tai näin ajateltiin.

Tieteen piiristä löytyy kuitenkin aina vastarannan kiiskiä ja toisinajattelijoita, niin tässäkin tapauksessa. Eräs amerikkalainen fyysikko, Yhdysvaltain merivoimien tutkimuslaboratoriossa työskennellyt Edward Hulburt, joka oli tutkimuksissaan varsinaisesti keskittynyt radioaaltojen etenemiseen yläilmakehässä, rakensi vuonna 1931 ilmakehästä alkeellisen, yksiulotteisen matemaattisen mallin, jonka avulla hän tarkasteli kasvihuoneilmiötä ja lämmön siirtymistä eri korkeuksissa. Aluksi hän tarkasteli mallissaan ainoastaan säteilemällä siirtyvää lämpöä, mutta sai tulokseksi aivan liian korkeita lämpötiloja maanpinnan läheisyydessä. Kun hän otti karkealla tavalla konvektion huomioon – maan lähellä lämpiävä ilmahan lähtee nousemaan – saatiin mallista ulos paremmin havaintoja vastaavia lämpötiloja. Hulburtin laskelmat antoivat hiilidioksidin kaksinkertaistamiselle (tai puolittamiselle) 4°C muutoksen lämpötilassa, saman verran kuin Arrheniuksen laskut 35 vuotta aikaisemmin. Sama tulos oli erilaisten lähestymistapojen vuoksi kuitenkin lähinnä sattumaa, molempien mallit kun olivat aivan liian puutteellisia. Hulburtin malli oli kuitenkin mullistava siinä mielessä, että hän ymmärsi ensimmäisenä kasvihuoneilmiön todellisen luonteen. Hän ajatteli hiilidioksidin mahdollisesti selittävän jääkaudet – ihmisen vaikutusta hän ei ajatellut.

Kukaan ei noteerannut tuntemattoman Hulburtin tutkimusta.

Guy Callendar vuonna 1934.

Brittiläistä, vapaa-ajallaan meteorologiaa harrastanutta höyrykoneinsinööri Guy Callendaria alkoi puolestaan vuonna 1938 askarruttamaan ihmisten tarinat entisaikojen kylmemmistä säistä. Callendar keräsi säätilastoja, jotka puhuivat samaa kieltä: ilmasto oli lämmennyt. Callendar kaivoi arkistoista vanhoja mittauksia ilmakehän hiilidioksidipitoisuuksista ja niitä tutkimalla selvitti, että vuonna 1938 hiilidioksidia oli ilmassa ehkä 10% enemmän kuin aiemmin. Callendarin mielestä tämä selittäisi lämmenneen ilmaston.

Hän myös ymmärsi kasvihuoneilmiön luonteen Hulburtin tavoin, vaikka ei todennäköisesti aluksi tiennytkään Hulburtin tutkimuksista. Hän jakoi ilmakehän 12 eri laskennalliseen kerrokseen, ja tarkasteli kuinka lämpö säteili eri kerroksista takaisin maata kohti. Callendar laski melko hataralta pohjalta, että hiilidioksidin kaksinkertaistaminen nostaisi lämpötilaa pitkällä aikavälillä noin kahdella asteella. Ihmiskunta pystyisi Callendarin mukaan nostamaan maapallon lämpötilaa vuosisatojen kuluessa ehkä asteella, joka voisi riittää estämään seuraavan jääkauden. Haittaa siitä edelleen tuskin olisi.

Tiedemaailma pysyi skeptisenä. Kriitikot osoittivat historiallisten hiilidioksidimittausten olevan hyvin epätarkkoja ja vaihtelevan paljon tilanteesta toiseen: jo 1800-luvulla oli esimerkiksi huomattu, että lomapäivinä Lontoon ilman hiilidioksidipitoisuus laski arkipäiviin verrattuna. Naapuritilan lammaslauma ja tutkijan hengitysilma vaikutti tuloksiin merkittävästi. Sanottiin, että mahdollisen muutoksen havaitsemiseen tarvittaisiin jopa vuosikymmeniä kestävä ja säntillisesti suunniteltu tutkimusohjelma, jollaista kukaan ei – vielä – ollut kiinnostunut aloittamaan. Tärkeimpänä puutteena kriitikot kuitenkin osoittivat Callendarin simppelin ilmakehämallin jättävän monia tosimaailman ilmiöitä kokonaan huomiotta. Kuten Arrhenius, mutta toisin kuin Hulburt, Callendar ei ottanut ilman konvektiota huomioon. Kuten Hulburt, toisin kuin Arrhenius, Callendar ei ottanut huomioon, että vesihöyryn määrä ilmassa kasvaisi ilmaston lämmetessä näin voimistaen kasvihuoneilmiötä. Pilvisyyden muutosten vaikutuksia kukaan heistä ei ollut ottanut huomioon.

Samat argumentit, joita oli käytetty jo Arrheniusta vastaan, nousivat yhä uudelleen esiin: meret imisivät kaiken ylimääräisen hiiidioksidin ilmasta, ja vesihöyryn ja hiilidioksidin absorptio näytti menevän päällekkäin. Callendar vastasi, että merien ohut pintavesikerros kyllästyisi nopeasti uudesta hiilidioksidista ja kestäisi hyvin kauan ennen kuin pintavedet ja meren syvyyksien vesimassat sekoittuisivat. Kukaan ei kuitenkaan tiennyt kauanko siinä varsinaisesti kestäisi. Callendar myös huomautti tietämyksen vesihöyryn ja hiilidioksidin absorptiosta olevan kovin puutteellista.

Jälkiviisaana voidaan ajatella, että kriitikot olivat osin oikeassa skeptisen asenteensa kanssa. Nykyään tiedetään, että ilmaston lämpeneminen 1930-luvulle tultaessa johtui suurelta osin luonnollisista tekijöistä, eikä hiilidioksidin ilmastovaikutus ollut vielä tuolloin kovin merkittävässä osassa. Callendar kuitenkin toi ihmisen aiheuttaman ilmastonmuutoksen takaisin tieteen ajatusten markkinoille, ja ymmärryksen epävarmuus loi jo itsessään lisää tieteellistä mielenkiintoa aiheeseen, kunhan hieman kepillä tökittiin.

Kylmä sota ja ilmastonmuutosteorian herääminen

Toinen maailmansota ja kylmän sodan alkaminen mullisti luonnontieteiden arvostuksen ja rahoituksen täysin: Yhdysvalloissa alettiin ajatella, ehkäpä ydinpommin hyvin onnistuneen kehitysprojektin jäljiltä, että kovat luonnontieteet ovat kansallisen turvallisuuden ja kansakunnan tulevaisuuden kannalta erittäin kannattava sijoitus. Kilpailu Neuvostoliiton kanssa oli kovaa. Rahaa valui hieman myös ilmaston tutkimiseen. Tietokoneiden kehittyminen auttoi taas laskemaan ilmastoon ja säähän liittyviä monimutkaisia numeerisia laskutoimituksia, jotka olivat olleet aiemmin käsityönä äärimmäisen työläitä tai mahdottomia.

40- ja 50-luvun aikana alkoi syntyä tarkempi ymmärrys hiilidioksidin ja vesihöyryn absorptiosta. Huomattiin, että ylemmän ilmakehän kaltaisessa pienessä paineessa hiilidioksidin absorptioalueet erottuivat suureksi määräksi kapeita absorptioviivoja, jolloin suurempi määrä kaasua todella kasvattaisi kokonaisabsorptiota. Parantuneen tekniikan avulla huomattiin myös, että hiilidioksidin tärkein absorptioalue ei osukaan samoille aallonpituuksille kuin vesihöyryllä, aivan kuten Hulburt ja Callendar olivat aiemmin väittäneet. Yläilmakehässä oli muutenkin hyvin vähän vesihöyryä.

Samoin tiedemaailmassa alettiin yleisesti ymmärtää, että kasvihuoneilmiötä ei todella pysty tarkastelemaan tasaisena kerroksena – tai yksiulotteisena, tasapaksuisena kaasupylväänä – vaan kerroksittain, niiden välisiä vuorovaikutuksia tarkastellen. Hulburt oli tämän tajunnut jo pari vuosikymmentä aiemmin, mutta tiedeyhteisö tuli vasta nyt perässä. Tarpeeksi monimutkaiset ilmakehämallit tarvitsivat hyvin paljon laskutoimituksia, jotka digitaaliset tietokoneet vihdoin mahdollistivat. Teoreettinen fyysikko Lewis D. Kaplan uhrasi muilta töiltään hieman aikaa vuonna 1952 rouskuttaakseen numeroita asian tiimoilta. Hänen mallinsa, joka vihdoin otti huomioon hiilidioksidin ja vesihöyryn absorption tarkan luonteen, osoitti selvästi, että hiilidioksidin lisääminen muuttaa yläilmakehän säteilytasapainoa ja lämpötilarakennetta.

Jotta voitaisiin selvittää hiilidioksidin vaikutus maanpinnan lämpötiloihin vaadittiin kuitenkin vielä sellaisen ilmakehämallin luomista, jossa säteilyn siirtyminen ilmakehässä laskettaisiin kerros kerrokselta koko ilmakehän ja infrapunaspektrin läpi. Infrapunasäteilyn kulkua ilmakehässä oli toisen maailmansodan jälkeen tutkittu runsaasti armeijan tarpeisiin, esimerkiksi lämpöhakuisia ilmatorjuntaohjuksia varten. Fyysikko Gilbert Plass, joka töikseen teki infrapunasäteilyyn liittyviä laskutoimituksia aseteknologian insinööreille Lockheedillä, rakensi vapaa-ajallaan puhtaasta mielenkiinnosta tällaisen tietokonemallin vuonna 1956. Plassin laskujen mukaan hiilidioksidimäärän kaksinkertaistaminen johtaisi 3-4 asteen muutokseen maanpinnan lämpötiloissa: sen aikaisilla hiilidioksidipäästöillä ihmiskunta aiheuttaisi noin 1,1 asteen lämpenemisen vuosisadassa. Plass varoitti, että ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos saattaisi olla todellinen uhka tuleville sukupolville.

Kriitikot jälleen kerran osoittivat Plassin mallin olevan liian yksinkertainen. Lämpenemisen aiheuttamia vesihöyryn ja pilvisyyden muutoksia ei otettu edelleenkään huomioon. Plass oli kuitenkin vihdoin osoittanut vedenpitävästi, että spektroskooppisilla, yli 50 vuotta sitkeästi eläneillä argumenteilla ei ilmastonmuutoksen mahdollisuutta voinut enää kieltää. Hiilidioksidin ilmastovaikutus on tosiasia. Jäljellä oli kysymys siitä, jäisivätkö ihmisen hiilidioksidipäästöt ilmakehään pitkäksi aikaa, ja olisiko luonnolla keinonsa pitää tasapaino yllä. Plass arvioi hiilidioksidin jäävän ilmakehään tuhanneksi vuodeksi. Toiset sinänsä aivan yhtä uskottavat arviot osoittivat hiilidioksidin imeytyvän meriin lähes välittömästi. Aihe vaati lisää tutkimuksia.

Fossiilisista polttoaineista peräisin oleva hiilidioksidi ja ilmakehässä luonnollisesti oleva hiilidioksidi voidaan kuitenkin erottaa toisistaan. Ilmakehän yläosissa kosmiset säteet pommittavat hiiliatomeita, jolloin syntyy radioaktiivista hiilen isotooppi hiili-14:ää, joka sitten hajoaa vuosituhansien saatossa. Fossiilisissa polttoaineissa tätä hiilen isotooppia ei ole enää lainkaan jäljellä.

Revelle & Suess herättävät ilmastonmuutosteorian henkiin.

Vuonna 1955 kemisti Hans Suess havaitsi, että tuoreissa puunrungoissa hiili-14 -isotooppia oli hieman vähemmän kuin pitäisi, mikä antoi viitteitä siitä, että fossiilinen hiilidioksidi saattaisi elää odotettua kauemmin ilmakehässä. Suess ryhtyi yhteistyöhön meritieteen asiantuntija Roger Revellen kanssa selvittääkseen hiilidioksidin keskimääräistä elinikää ilmakehässä. Vuonna 1957 Revelle ja Suess julkaisivat mullistavan tutkimuksensa: meret siivoavat ilmakehästä hiilidioksidia paljon hitaammin kuin ajateltiin. Myös muut meritieteen tutkijat päätyivät samanlaisiin johtopäätöksiin.

Revelle totesi tutkimuksensa johtopäätöksissä ennakkoluulottomasti:

”Human beings are now carrying out a large scale geophysical experiment of a kind that could not have happened in the past nor be reproduced in the future.”

Idea ihmisen aiheuttamasta ilmastonmuutoksesta oli jälleen herännyt. Tämän jälkeen kysymys hiilidioksidista vaihtui muutoksen nopeuden ja suuruuden selvittämiseen. Sitä varten pitäisi mitata ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta säännöllisesti ja tarkasti. Revelle ja Suess palkkasivat nuoren ja lupaavan kemistin Charles Keelingin suorittamaan näitä mittauksia, jotka alkoivat vuonna 1958.

Lopuksi varoituksen sana samalta vuodelta:

Mainokset
Kategoria(t): historia, ilmasto, tiede. Lisää kestolinkki kirjanmerkkeihisi.

Yksi vastaus artikkeliin: Ilmastonmuutos ruususen unessa 1900-1957

  1. Paluuviite: “Ilmastonmuutos vuonna 1896″ « Gaia

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s