Ilmasto

Pilvet ja jää paljastavat vuoden 2100 ilmaston

Tuliset 3,5 astetta vai haaleat 0,5 astetta? Tutkijat eivät osaa sanoa, paljonko lämpötila nousee, mutta tekoäly ja satelliittimittauksissa piilevät kaavat tarkentavat kuvaa siitä, millaiseksi ilmasto on muuttumassa.

NASA

Kuljemmeko kohti katastrofia vai pelkäämmekö turhaan? Vaikka tutkimus on tuottanut viime vuosikymmeninä valtavan määrän tietoa ja sen pohjalta on luotu toinen toistaan parempia ilmastomalleja, tulevaisuus näyttää yhä epävarmalta, koska ennusteet vaihtelevat.

Lämpötilan nousu sijoittuu niiden mukaan 0,5:n ja 3,5 asteen haarukkaan ennen vuotta 2100 – ja ääripäät tarkoittavat eri kehitystä.

Jos maapallo lämpenee 0,5 astetta, sään ääri-ilmiöt yleistyvät. Toisin sanoen yhä useammin esimerkiksi sataa rankasti ja tuuli saavuttaa hirmumyrskyn nopeuden. Elinolosuhteet eivät kuitenkaan suuressa mitassa mullistu.

3,5 asteen nousu sen sijaan johtaa ilmastokatastrofiin, joka pakottaa miljoonat ihmiset muuttamaan muun muassa kuivuuden, kuumuuden, tulvien, metsäpalojen ja pyörremyrskyjen vuoksi.

Olipa toteutuva skenaario sitten mikä tahansa, ihmiskunnan on toimittava tavalla tai toisella.

Se, millaisia toimenpiteitä vaaditaan, voidaan selvittää vain ilmastomallien avulla, jotta tiedetään, kuinka ilmasto muuttuu ja missä muutokset ovat suurimpia.

Globaaleja ilmastomalleja pyörittävät saksalaisen Stuttgartin yliopiston Cray XC40:n kaltaiset supertietokoneet. Se voi suorittaa 7,4 tuhatta biljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

© Julian Herzog

Tekoälyn ja satelliittimittauksissa piilevien kaavojen odotetaan auttavan tutkijoita simuloimaan pilvien muodostumista ja paljastamaan jäätiköiden sulamista edistävät tekijät.

Tuloksista piirtyy ensimmäistä kertaa tarkka kuva tulevaisuuden maapallosta.

Supertietokoneet laskevat ilmaston

Parhaat nykyiset ilmastomallit tunnetaan nimellä yleiset virtausmallit. Ne kattavat ilmakehän, meret, jäätiköt ja ekosysteemit.

Mallit ovat yhdistettyjä, mikä tarkoittaa, että ne laskevat, kuinka planeetan ilmastojärjestelmän eri osat vaikuttavat toisiinsa.

Esimerkiksi lämpötilan nousu voimistaa haihtumista merestä, joten ilmakehän kosteus lisääntyy ja samalla sademäärä kasvaa.

Eri tekijöiden vuorovaikutus kuvataan hyvin monimutkaisina koodeina ohjelmointikielellä, ja laskutoimitusten suorittamiseen tarvitaan joukoittain supertietokoneita.

Frontier suorittaa 1 500 tuhatta biljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

Konkreettisesti mallit kuvaavat Maan ilmastojärjestelmän kolmiulotteisena verkostona, joka sisältää ilmakehän, meret ja mantereet kuutioina. Jokaisesta kuutiosta kuvataan kaikki keskeiset ilmastomuuttujat, kuten lämpötila, paine, sademäärä ja pilvisyys, ikään kuin niissä ei olisi vaihtelua kuution sisällä.

Kuutio on yleensä kooltaan 100 x 100 kilometriä vaakatasossa ja yksittäinen ilmakehän tai meren kerros pystysuunnassa. Kerroksen paksuus on noin 11 kilometriä, ja malleihin sisältyy tavallisesti noin 30 ilmakehän ja 20 merien kerrosta.

Verkosto on kuitenkin ylimalkainen, sillä todellisuudessa yksi kuutio voi olla pilvien peitossa ja muissa paistaa aurinko.

Mallit kuutioivat ilmakehän

Ilmastoa jäljitellään tietokonemalleilla, joissa ilmakehä jaetaan kuutioihin ja määritetään muun muassa termodynamiikan kaavojen ja ideaalikaasulain avulla esimerkiksi lämpötila, paine ja kosteus kussakin kuutiossa.

CLAUS LUNAU

Ilmakehä jaetaan tuhansiin kuutioihin, joiden tahkojen sivut ovat yleensä 100 kilometriä pitkiä.

CLAUS LUNAU

Mallit ottavat huomioon, miten paljon auringonvaloa ilmakehään tulee.

CLAUS LUNAU

Ne simuloivat sääilmiöitä, kuten pilviä, sadetta ja tuulta.

CLAUS LUNAU

Ne määrittävät haihdunnan ja säteilyn erilaisista maanpinnan osista.

CLAUS LUNAU

Lisäksi tietokoneet jaksottavat ajan. Virtaus kuutiosta toiseen tuulina ja merivirtoina lasketaan yleensä puolen tunnin välein.

Ihannetapauksessa kuutioiden tilavuus on kuutiokilometri ja ajanjakso pari sekuntia, mutta tähän nykyisten tietokoneiden laskentateho ei riitä.

Siksi päämallia, joka nojautuu fysiikan lakeihin, täydennetään eräänlaisilla nyrkkisäännöillä, jotka ottavat parhaalla mahdollisella tavalla huomioon eri epävarmuustekijät.

Säännöt perustuvat kuitenkin arvioihin, ja erilaisten painotusten vuoksi mallit tuottavat toisistaan suhteellisen paljon poikkeavia ennusteita.

Menneisyys testaa mallit

Tärkeä tehtävä matkalla kohti parempia ilmastomalleja on niiden testaaminen ja tulosten paljastamien virheiden korjaaminen.

Tiede ei voi odottaa puolta vuosisataa ja antaa ajan näyttää, osuvatko ennusteet oikeaan. Siksi malleja kehitetään simuloimalla menneisyydessä vallinnutta ilmastoa.

Tutkijoilla on käytössään lämpötilaa koskevia tietoja viime jääkauden lopusta asti eli 11 700:n viime vuoden ajalta. Ne on saatu analysoimalla Grönlannin jäätiköstä porattuja näytteitä, joista tapahtumasarja tulee esiin kuin puun kasvu vuosirengasajoituksessa.

Historiallinen kehitys ja ilmastomallit vastaavat toisiaan hyvin koko jakson pituudelta.

Kevät kertoo tulevaisuuden

Maapallon keskilämpötilan nousu vähentää pohjoisen pallonpuoliskon lumipeitettä lähivuosikymmeninä. Sama ilmiö esiintyy pienemmässä muodossa keväisin, ja sen avulla ennustetaan tulevaisuuden lumisuutta.

Ilmastomallit eivät ole yhtä mieltä

Lumi heijastaa ison osan Auringon valosta avaruuteen niin, että se ei lämmitä Maata. Tulevaisuudessa lumipeite kutistuu, mutta ilmastomallit antavat erilaisia ennusteita siitä, miten se vaikuttaa auringonvalon heijastumiseen.

Kevät paljastaa yhteyden

Joka keväisten satelliittimittausten avulla voidaan selvittää, miten kohoavat lämpötilat vaikuttavat heijastuvan auringonvalon määrään.

Yhteys valottaa tulevaisuutta

Kevään kohoavat lämpötilat kuvastavat ilmaston lämpenemisetä, ja tutkijat käyttävät tietoa vähentämään tulevaisuuden haarukoimisen epävarmuutta.

Lisäksi eri puolilla maapalloa on mitattu säännöllisesti ilman lämpötilaa 1800-luvun puolivälistä asti.

Ilmastomallit simuloivat säätilastojen mukaista kehitystä tarkasti, mutta vain siinä tapauksessa, että niihin on syötetty ihmiskunnan kasvihuonekaasupäästöt. Jos ne puuttuvat, mallit eivät osoita sitä 1,1 asteen lämpenemistä, joka on tapahtunut vuoden 1880 jälkeen.

Mallit ovat arvioineet alakanttiin monet maapallon keskilämpötilan nousemisen seuraukset. Esimerkiksi Grönlannin ja Etelämantereen jäätiköt ovat huvenneet ennustettua enemmän vuosituhannen vaihteesta asti.

Mallien osumatarkkuus on kuitenkin parantunut sen ansiosta, että ne huomioivat nykyään myös lämpenevän meriveden jäätiköiden pohjaa sulattavan vaikutuksen.

Jäätön napameri lämmittää

Pohjoinen napaseutu on menettänyt merijäätä odotettua enemmän, mutta vuosikymmenien satelliittimittauksista löytynyt ennen tuntematon kaava voi auttaa tutkijoita paljastamaan ilmastomallien virhelähteen.

Merijään häviämisellä on maailmanlaajuinen merkitys, sillä valkoinen jää heijastaa auringonvaloa avaruuteen, kun taas tumma sula meri imee itseensä runsaasti auringonvalon energiaa ja vapauttaa paljon lämpöä ilmakehään.

Laskelmien mukaan jään väheneminen on voimistanut aurinkoenergian imeytymistä jo siinä määrin, että sen lämmittävä vaikutus vastaa neljäsosaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvusta johtuvasta lämpenemisestä.

Siksi on tärkeää, että ennusteet merijään hupenemisesta ovat sekä etenemisnopeuden että häviömäärän suhteen totuudenmukaiset.

Kaikki ilmastomallit osoittavat, että Pohjoinen jäämeri muuttuu jäättömäksi kesäisin, jos hiilidioksidipäästöt eivät pienene nykyisestä.

Osa malleista ennustaa skenaarion toteutuvan jo seuraavien 20 vuoden kuluessa, osa taas tämän vuosisadan loppuun mennessä.

Epävarmuuden vähentämiseksi yhdysvaltalaiset tutkijat ovat analysoineet satelliittimittauksia, joita on tehty jo niin pitkään kuin vuodesta 1979.

2018 hiilidioksidipäästöt olivat 33,1 miljardia tonnia. Se on 1,7 % enemmän kuin 2017.

Syyskuun alussa jääpeite oli vielä 40 vuotta sitten noin kahdeksan miljoonan neliökilometrin laajuinen. Sittemmin pinta-ala on puolittunut, ja sen tilavuus on pienentynyt 75 prosenttia lähinnä siksi, että aina vain suurempi osa on ohutta ensijäätä.

Yhdysvaltalainen ilmastotutkija Alex Hall on yhdessä kollegoidensa kanssa todennut, että uuden jään ja paksumman vanhan jään välisen suhteen muuttuminen voi selittää sulamisen nopeutumisen.

YK:n ilmastopaneeli on käyttänyt tätä tietoa ennusteidensa tarkentamiseen, ja tätä nykyä näyttää siltä, että Pohjoinen jäämeri muuttuu kesäisin jäättömäksi vuoden 2050 tietämillä.

VIDEO: Hiilidioksidi lepää raskaana peittona pohjoisen pallonpuoliskon yllä

Syynä merijään hupenemiseen on jatkuvasti kasvava ilmakehän hiilidioksidimäärä, mutta tutkijat ovat vielä erimielisiä siitä, kuinka paljon hiilidioksidi lämmittää maapalloa.

Kaasu absorboi planeetalta peräisin olevaa infrapunasäteilyä, joka muutoin häviäisi avaruuteen. Säteily koostuu kuitenkin useista eri aallonpituuksista, eikä hiilidioksidi absorboi niitä kaikkia yhtä hyvin.

Nykyiset ilmastomallit laskevat aallonpituuksista absorption painotetun keskiarvon, mutta keskiarvon laskemisessa on mallikohtaisia eroja. Siksi myös ennusteet poikkeavat toisistaan.

Uusissa malleissa lähtökohdaksi otetaan yksittäiset aallonpituudet, mikä vähentää epävarmuutta. Tämä lähestymistapa vaatii kuitenkin tietokoneilta valtavasti laskentatehoa.

Säteily jaetaan nyt osiin

Hiilidioksidi lämmittää maapalloa, kun se absorboi tiettyjä lämpösäteilyn aallonpituuksia ja heijastaa lämpöä takaisin Maahan. Käsitykset lämmitysvaikutuksesta vaihtelevat. Uusien ilmastomallien odotetaan vähentävän epävarmuutta.

Kaikki aallonpituudet summataan

Hiilidioksidin absorboima lämpö määritetään painotetulla keskiarvolla. Aallonpituudet kerrotaan painokertoimilla, tulot lasketaan yhteen ja summa jaetaan painokertoimien määrällä.

Aallonpituudet mitataan erikseen

Malleja voidaan tarkentaa vain määrittämällä hiilidioksidin absorptio aallonpituus aallonpituudelta. Määritys vaatii erittäin paljon laskutehoa, mutta tulos on tarkempi.

Uudet mallit lisäävät luotettavuutta

Vanhoissa malleissa aallonpituuksien painotus aiheuttaa epävarmuutta hiilidioksidin maapalloa lämmittävästä vaikutuksesta. Uudet mallit ovat luotettavampia.

Pilvet härnäävät tutkijoita

Vielä suurempana haasteena pidetään pilvisyyden kehityksen ennustamista. Pilvillä on kuitenkin huomattava vaikutus mallien antamiin tuloksiin, sillä ne voivat sekä viilentää että lämmittää.

Matalalla olevat paksut pilvet jäähdyttävät maapalloa, koska ne heijastavat paljon auringonvaloa avaruuteen. Korkealla olevat ohuet pilvet sen sijaan päästävät valon läpi, mutta ne myös absorboivat maanpinnalta tulevaa lämpöä.

Nykyään matalalla sijaitsevia paksuja pilviä on runsaammin, joten pilvisyyden nettovaikutus on viilentävä. Lämpenevässä ilmakehässä erilaisten pilvien esiintyvyys eri puolilla maapalloa voi muuttua.

Tätä nykyä matala paksu pilvipeite on ominainen etenkin tropiikille, mutta tuulijärjestelmien muutos voi tehdä siitä yleisen päiväntasaajan seudun ulkopuolella.

Lauhkealla vyöhykkeellä auringonsäteily ei ole kuitenkaan yhtä voimakasta, joten tulevaisuudessa pilvisyys voikin edistää lämpenemistä.

Ilmastomallien on vaikea tuottaa tarkkoja ennusteita, koska pilviä muodostuu paljon pienemmässä mitassa kuin ne ilmakehän kuutiot, joilla mallit operoivat. Tästä syystä yhdysvaltalaiset tutkijat yrittävät kehittää tekoälyyn perustuvia malleja, jotka voivat satelliittimittausten pohjalta simuloida pilvien muodostumista todellisuutta vastaavassa muutaman kuutiokilometrin tilavuudessa.

Menetelmällä saatavat tiedot syötetään maailmanlaajuisiin malleihin.

Mallit ennustavat lähivuosia

Vuosi vuodelta kehittyneet mallit ennustavat aina vain paremmin ilmaston muuttumista seuraavien vuosikymmenien ja -satojen kuluessa. Koska ilmastonmuutos on jo käynnissä, eri maiden viranomaiset tarvitsevat käytännön tietoa siitä, mitä niiden alueella on odotettavissa jo lähiaikoina.

Tutkijat pyrkivät vastaamaan tarpeeseen kehittämällä malleja, jotka ennustavat luotettavasti paikallisia olosuhteita ja antavat tarkan kuvan ilmaston kehittymisestä niinkin lyhyellä aikavälillä kuin kymmenen vuotta. Edelläkävijöihin kuuluu Britannia.

Brittitutkijat laativat vuonna 2016 laajan raportin Englannin ja Walesin eri osien tulvariskistä lähivuosina.

Sen mahdollisti pitkäaikaisen sääsatelliittiseurannan aineisto, ja se vihjasi muun muassa, että talvimyrskyihin liittyvät rankkasateet runsastuvat keskimäärin kymmenen prosenttia kymmenessä vuodessa ja että sademäärä voi kasvaa Kaakkois-Englannissa jopa 30 prosenttia. Raportti onkin evästänyt viranomaisia parempaan tulvariskien hallintaan.

Lue myös:

Ilmasto
Ilmastonmuutos

Laske: Tältä näyttää tulevaisuuden ilmasto

3 minuuttia
Ilmastonmuutos

Satelliitit paljastivat maapallon vihertyvän

2 minuuttia
Ilmastolaskuri
Ilmastonmuutos

Pelasta Maa kahdessa minuutissa?

2 minuuttia

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!