Kasvihuoneilmiö käsitteenä

Maapallolle tulee energiaa Auringon säteilynä, josta osa heijastuu takaisin avaruuteen, mutta suuri osa absorboituu maapallolle. Auringosta tuleva säteily on suurelta osin nä-kyvää valoa, ja se läpäisee Maan ilmakehän hyvin. Myös maapallo emittoi sähkömag-neettista säteilyä, mutta maapallolta lähtevä säteily on Auringon säteilyä pidempiaaltoi-sempaa infrapunasäteilyä (IR) eli lämpösäteilyä, joka läpäisee ilmakehän huomattavasti huonommin kuin näkyvä valo. Auringon säteily ja lämpösäteily ovat sähkömagneettista säteilyä, mutta niiden aallonpituudet ovat erilaiset. Tämä johtuu siitä, että Auringon pinta on paljon Maan pintaa lämpimämpi. Maapalloa voidaan mallintaa hyvällä tarkkuudella mustana kappaleena. (Ilmastonmuutos – mistä on kyse?) Myös Aurinko säteilee mustan kappaleen tavoin, eli se absorboi kaiken siihen tulevan säteilyn, ja sen säteilyspektri riip-puu ainoastaan sen pintalämpötilasta, joka on noin 5800 K. Spektrin maksimiaallonpi-tuus on kääntäen verrannollinen lämpötilaan, eli mitä lämpimämpi kappale on, sitä lyhyt-aaltoisempaa säteilyä se pääasiassa lähettää. (Tipler, Llewellyn 2008, s. 120-121, 125) Tästä johtuu Maan ja Auringon emittoimien säteilyjen aallonpituuksien ero.

Auringon säteilyä tulee ilmakehän ulkorajalle keskimäärin 340 W/m², josta 29 % heijas-tuu avaruuteen ilmakehästä ja maanpinnasta, ja loput 71 % eli noin 240 W/m² imeytyvät maanpinnalle ja ilmakehään. Ilmasto hakeutuu tasapainotilaan, jossa maanpinnalle ja ilmakehään absorboituneen Auringon säteilyn määrä ja avaruuteen karkaavan läm-pösäteilyn määrä ovat yhtä suuria. (Lindsey 2009). Näin ollen tasapainon vallitessa ava-ruuteen täytyy lähteä noin 240 W/m² säteilyä. Mustan kappaleen säteilylain avulla voi-daan laskea maapallon keskimääräinen pintalämpötila olettaen, että ilmakehää ei olisi ollenkaan ja pinnan lämpösäteily pääsisi suoraan avaruuteen. Keskimääräiseksi lämpö-tilaksi saadaan tällöin -18 °C, vaikka todellisuudessa maapallon pinnan keskilämpötila on noin +14 °C. Ero johtuu ilmakehän aiheuttamasta luonnollisesta kasvihuoneilmiöstä,

joka tarkoittaa sitä, että kaikki maapallon pinnalta lähtevä säteily ei karkaa suoraan ava-ruuteen. (Ilmastonmuutos – mistä on kyse?)

Kuvassa 1 on esitetty malli säteilyn kulusta ja kasvihuoneilmiöstä. Keltaisella kuvataan Auringosta tulevaa säteilyä ja punaisella maanpinnalta ja ilmakehästä lähtevää lämpöä.

Maanpinnalle absorboitunut Auringon säteily poistuu lämpönä ilmakehään haihtumisen ja kulkeutumisen kautta sekä lisäksi maanpinnan emittoimana infrapunasäteilynä, josta vain osa pääsee suoraan avaruuteen. Loput maanpinnalta lähteneestä säteilystä absor-boituu ilmakehään, joka emittoi lämpösäteilyä sekä ylös- että alaspäin eli myös maan-pintaa kohti. Näin ollen maanmaan-pintaa lämmittää Auringon säteilyn lisäksi myös ilmakehän emittoima lämpösäteily, joka vastaa maanpinnalla 100 %:a tulevan Auringon säteilyn energiasta. Vaikka vain pieni osa maanpinnalta lähteneestä säteilystä pääsee suoraan avaruuteen, niin kokonaisuudessaan ilmakehän ja maanpinnan emittoimasta nettomää-räisestä lämpösäteilystä 71 % pääsee avaruuteen, kuten tasapainon vallitessa kuuluukin tapahtua. (Lindsey 2009)

Kuva 1. Malli säteilyn kulusta ja kasvihuoneilmiöstä. (Lindsey 2009)

Matemaattisesti kasvihuoneilmiötä perustellaan harmaan ilmakehän mallilla, jossa Maa toimii mustana kappaleena ja ilmakehä harmaana kappaleena, jonka emissiokyky on nollan ja yhden välillä. Mallin avulla voidaan päätellä, että ilmakehän kasvihuonevaikutus on sitä voimakkaampi, mitä suurempia ovat ilmakehän absorptiokyky sekä pinnan ja

il-makehän välinen lämpötilaero. Nämä riippuvat muun muassa kasvihuonekaasujen mää-rästä. (Ilmastonmuutos – mistä on kyse?) Jotkin ilmakehän kaasut pystyvät absor-boimaan IR-säteilyä fotoneina, mikä aiheuttaa kaasumolekyylien värähtelyä. Molekyylien absorboima säteilyenergia nostaa siis ilmakehän lämpötilaa. (Ratinen 2008)

Ilmakehän kaasuista noin 99 % on samaytimisiä kaksiatomista typpeä (N2) ja happea (O2), jotka eivät pysty absorboimaan infrapunasäteilyä (Ilmastonmuutos – mistä on kyse?). Molekyylin absorptiokykyyn vaikuttaa sen rakenne. Kun molekyyli absorboi inf-rapunasäteilyä, säteilyn energia menee molekyylin rotaatio- tai vibraatioenergiaksi. Mo-lekyylien pyörimisenergiat ovat kvantittuneet, eli molekyylillä voi olla vain tiettyjä rotaa-tioenergiatiloja. Molekyylit, jotka ovat pysyvästi polaarisia, voivat absorboida sähkömag-neettista säteilyä rotaatiotilojen välisinä energioina, jolloin molekyyli siirtyy korkeammalle rotaatioenergiatilalle. Näin ollen esimerkiksi vesimolekyylillä (H2O) on puhdas rotaatio-spektri, kun taas poolittomat typpi ja happi eivät voi muodostaa rotaatiospektriä. Rotaa-tiosiirtymät sijaitsevat yleensä mikroaaltoalueella, eli absorboitunut säteily on hieman inf-rapunasäteilyä pidempiaaltoista. (Shriver, Atkins 1999, s. 500–504)

Myös molekyylien vibraatio- eli värähdysenergiatilat ovat kvantittuneet. Moniatomisilla molekyyleillä on useita värähdystyyppejä eli perusvärähdystiloja, jotka voivat virittyä il-man, että muut perusvärähdystilat virittyvät. Esimerkiksi vesimolekyylillä on kolme pe-rusvärähdystilaa. Kaikkien värähdystyyppien ei ole kuitenkaan mahdollista virittyä infra-punasäteilyn vaikutuksesta: vain ne värähdykset, joissa molekyylin dipolimomentti muut-tuu, voivat virittyä. Näin ollen vesimolekyylin kolmesta perusvärähdystilasta voi virittyä kaksi, kun taas samanytimisten typpi- ja happimolekyylien vibraatiotilat eivät voi virittyä, koska niiden dipolimomentit pysyvät nollassa. Vaikka hiilidioksidi (CO2) on pooliton mo-lekyyli, pystyy sen neljästä perusvärähdystilasta virittymään kolme dipolimomentin muut-tuessa. Vibraatioenergiatilojen siirtymät vastaavat infrapunasäteilyn energiaa, eli väräh-dystilojen virittymiseen tarvitaan enemmän energiaa kuin rotaatiotilojen virittymiseen.

(Shriver, Atkins 1999, s. 512–523) Kuvassa 2 on esitetty veden ja hiilidioksidin ab-sorptiokaistat aallonpituuden funktiona välillä 1–30 μm. Kuvasta nähdään, että erityisesti vesihöyry absorboi tehokkaasti infrapunasäteilyä eri aallonpituuksilla. Ilmakehän kaasut, jotka pystyvät absorboimaan infrapunasäteilyä, ovat kasvihuonekaasuja.

Kuva 2. Vesihöyryn ja hiilidioksidin absorptiokaistat aallonpituuden funktiona. (Lind-sey 2009)

Tärkein kasvihuonekaasu on vesihöyry, ja se aiheuttaa luonnollisen kasvihuoneilmiön lämmittävästä vaikutuksesta noin 60 %. Sen määrä ilmakehässä vaihtelee, mutta keski-määrin sen tilavuusosuus ilmakehän kaasuista on noin 0,4 %. Hiilidioksidi on toiseksi tärkein kasvihuonekaasu aiheuttaen noin 25 % luonnollisen kasvihuoneilmiön lämmittä-västä vaikutuksesta, vaikka sen tilavuusosuus ilmakehän kaasuista on vain noin 0,04 %.

(Ilmastonmuutos – mistä on kyse?) Hiilidioksidin merkitystä kasvihuonekaasuna lisää se, että se pystyy absorboimaan joitain sellaisia aallonpituuksia, joita vesihöyry ei absor-boi (Lindsey 2009), kuten kuvasta 2 nähdään. Muita luonnollista kasvihuoneilmiötä ai-heuttavia kaasuja ovat metaani (CH4), ilokaasu eli dityppioksidi tai typpioksiduuli (N2O) ja otsoni (O3), joiden pitoisuudet ilmakehässä ovat paljon hiilidioksidinkin pitoisuutta pie-nemmät. Näiden kaasujen lisäksi ihmistoiminnan seurauksena ilmakehään on muodos-tunut myös muita kasvihuonekaasuja, kuten halogenoituja hiilivetyjä. (Ilmastonmuutos – mistä on kyse?) Esimerkiksi freonit eli CFC-yhdisteet (chlorofluorocarbon) ovat täysin ihmisen aiheuttamia kaasuja, joiden pitoisuudet ilmakehässä on kuitenkin saatu jo las-kuun. Halogenoitujen hiilivetyjen määrät ilmakehässä ovat pieniä, mutta osa niistä on hyvin voimakkaita kasvihuonekaasuja, jolloin pienikin määrä yhdistettä aiheuttaa merkit-tävän kasvihuonevaikutuksen. Samoin metaani ja ilokaasu ovat paljon voimakkaampia kasvihuonekaasuja kuin hiilidioksidi. (IPCC 2007, s. 28, 33)