Ilmastonmuokkaus merisuolainjektioilla: vaikutukset merellisiin kumpukerrospilviin ja maapallon säteilytaseeseen

ILMASTONMUOKKAUS MERISUOLAINJEKTIOILLA:

VAIKUTUKSET MERELLISIIN KUMPUKERROSPILVIIN

JA MAAPALLON SÄTEILYTASEESEEN

Diplomityö

Tarkastaja: Jyrki Mäkelä

Tarkastaja jaaihe hyväksytty

Luonnontieteiden ja ympäristötekniikan

tiedekuntaneuvoston

kokouksessa 09.12.2009

TIIVISTELMÄ

TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknis-luonnontieteellinen koulutusohjelma

ANTTI-ILARI PARTANEN: Ilmastonmuokkaus merisuolainjektioilla: vaiku-

tukset merellisiin kumpukerrospilviin ja maapallon säteilytaseeseen

Diplomityö,90 sivua, 7liitesivua

Toukokuu 2010

Pääaine: Teknillinenfysiikka

Tarkastaja: Jyrki Mäkelä

Rahoittaja: Maj ja Tor NesslinginSäätiö

Avainsanat: Ilmastonmuokkaus, Kumpukerrospilvet, Aerosolien ilmastovaikutukset

Ilmastonmuutoksen ehkäisemiseksi tai hidastamiseksi on ehdotettu lukuisia suuren

mittakaavan teknisiä ratkaisuja, joista käytetään termiä ilmastonmuokkaus. Yksi

ehdotettukeinoonsuihkuttaamerivettäilmaanlaajoillamerialueilla. Ideaperustuu

merivesipärskeiden haihtuessa ilmaan jäävien suolahiukkasten kykyyn toimia pil-

vientiivistymisytiminä,mikänostaapilvipisarapitoisuuksiaja sitenheijastuskykyä.

TehokkaamminAuringon valoaheijastavatpilvetviilentäisivätilmastoa.

Työn tavoitteena on tutkia tekniikan vaikutuksia merellisiin pilviin ja maapal-

lon säteilytaseeseen. Työssä tehtiin mallikokeita aerosoli-ilmastomalli ECHAM5-

HAM:lla,jokasisältääsekäaerosolihiukkastenettäpilvipisaroidenmikrofysiikanku-

vauksen. Työtä varten tehtiin kontrollisimulaatio, jossa oli ainoastaan luonnolliset

merisuolapäästöt, ja viisi ilmastonmuokkaussimulaatiota,joissakäytettiin kussakin

eriarvoakeinotekoiselle merisuolavuolle. Merisuolainjektiotlisättiinmalliinneljälle

erimerialueelle, joitapidetään sopivina tehokkaan ilmastonmuokkauksen kannalta.

Pilvipisarapitoisuudetnousivatverrattainvähän. Muokatuillamerialueillakeski-

määräinen pilven yläpinnan pilvipisarapitoisuuden kasvu oli pienimmällämerisuo-

lavuon arvollavain noin

10

^{% eikä edes tähän} perusvuohon nähden nelinkertainen vuoriittänyt pitoisuudenkeskiarvon kaksinkertaistamiseen.

Pilvien heijastuskyvyn nostamisen aiheuttama säteilypakote laskettiin ensim-

mäistä kertaa mallilla, joka sisältää kuvauksen aerosolihiukkasten ja pilvien vuo-

rovaikutuksesta. Perusvuon luoma negatiivinen säteilypakote riittäisi kumoamaan

noin neljäsosan ihmiskunnan aiheuttamasta lämmittävästä vaikutuksesta. Tämän

ilmastonmuokkausskenaarionsäteilyvaikutusten onaikaisemminarvioitukoostuvan

pääosinkeinotekoistenmerisuolahiukkastenvaikutuksistapilviin,muttatässätyössä

saatujentuloksien mukaan merisuolahiukkasten suoravaikutus,eliniiden kykyhei-

jastaaja absorboida säteilyä, vastaa noin puolta syntyvästä säteilypakotteesta.

Saatujentulostenvalossaaikaisemmatarviotpilvipisarapitoisuuksienkasvustaja

tekniikanpotentiaalistatorjua ilmastonmuutostanäyttävätylioptimistisilta.

ABSTRACT

TAMPERE UNIVERSITY OFTECHNOLOGY

Master's DegreeProgramme in Siene and Engineering

ANTTI-ILARI PARTANEN : Geoengineering by sea salt injetions: eets

on marine stratoumulus louds and Earth's radiative balane

Master of Siene Thesis, 90 pages,7 Appendixpages

May 2010

Major: TehnialPhysis

Examiner: Jyrki Mäkelä

Funding: Maj and Tor Nessling Foundation

Keywords: Geoengineering,Stratoumulus louds, Aerosol limate eets

Numerous large-sale tehniques have been proposed in order to prevent or slow

downanthropogenilimatehange. Thesetehniquesareknown asgeoengineering.

One ofthese geoengineeringideas istouse artiialsea spray emissionstoemit sea

salt partiles into air. The idea is based on the ability of sea salt partiles to at

asloud ondensating nulei (CCN). AdditionalCCN would inrease loud droplet

numberonentration(CDNC)andthusenhaneloudalbedo. Higherloudalbedo

would lead to oolingof the limate.

Aerosol-limate model ECHAM5-HAM was used to make model studies of the

eets of this tehnique on maritime louds and Earth's radiative balane. The

modelhasexpliitdesriptionofbothaerosolandloudmirophysis. Foursuitable

marineregions were seleted for loud modiation. Global geoengineeringsimula-

tions with ve dierent sea salt uxes and a ontrol simulation with only natural

sea saltemissions were onduted.

Inrease inCDNC wasrelatively low. On average CDNCinrease overthe mod-

ied regionswith the lowest used sea saltux (baselineux) was onlyabout

10

^%.

Not even quadruple of the baseline ux was enough to double the mean CDNC at

loud top.

Radiative foring aused by loud modiation was alulated rst time with a

model inluding desription of aerosol-loud interations. With the baseline ux

the negative radiative foring was about one fourth of the warming eet aused

by mankind. Previously the radiative foring of this geoengineering method was

thought to onsist mainly of eets of artiial sea salt partiles on louds. Nev-

ertheless results of this study show that the sea salt aerosol diret eet (ie. their

abilityto satterand absorbradiation)was about half of the total foring.

Aording to these results previous estimates of the inrease in CDNC and the

potential of this geoengineering sheme to ounterat limate hange seem to be

ALKUSANAT

Halusinilmastotutkimuksenpariintehdäksenijotainhyödyllistä.Enhalunnutsuun-

nitellaturhiatuotteita,joitaihmisetmanipuloitaisiinostamaantehokkaallamarkki-

noinnilla.En myöskään halunnutuppoutua liiaksi fysiikan teorian maailmaankau-

aksi oikeasta maailmasta.Sainko mitä halusin?

Tehdessäni tutkimustatätätyötä vartenviimeisenvuodenajanolenlakkaamatta

pohtinuttutkimuksen moraalisuutta.Ilmastonmuokkauksellavoitaisiinmahdollises-

ti vaimentaa ihmiskunnan päästöjen aiheuttamia tuhoja, mutta koko idea saattaa

heikentää ihmisten tahtoa muuttaa elintapojaan ja poliitikkojen määrätietoisuut-

tarakentaa kestävää yhteiskuntaa. Jos ilmastonmuokkaukseenikinä ryhdytään, on

silläsuuri potentiaaliaiheuttaa paljon vahinkoatoivottujen vaikutusten lisäksi. Li-

säksi minua huolettaa tieteentekijöiden taipumus kiintyä alaansa. Itsekin suhtau-

dun ilmastonmuokkauksen tutkimukseen paljon positiivisemminkuin aloittaessani.

Johtuuko se objektiivisen tiedon lisääntymisestä vai hiljalleen tapahtuvasta oman

mielentaivuttelusta etsimään oikeutustatoiminnalleen?

Nyt työ on kuitenkin valmis, eikä se olisi tullut valmiiksi ilman muita ihmisiä.

Suurinkiitoskuuluu HarriKokkolallehänensuuresta avustaanlukemattomien tek-

nistenongelmien parissa. Ilmanhänentietämystään ilmastomallinkiemuroista,oli-

sin varmasti vieläkin kääntämässä mallia. Haluan lisäksi kiittää Hannele Korhos-

tasuorista ja rakentavista mielipiteistäja ehdotuksista työn kirjoitusasun suhteen.

En vieläkään tiedä pilvistä juuri mitään, joten kiitos myös Sami Romakkaniemelle

valaisevista keskusteluista mallin antamia tuloksia tarkastellessa. On tuntunut hy-

vältä, kun ovillenne onsaanutaina tulla koputtamaan kysymysten kanssa. Lopuksi

kiitokset Maj ja Tor Nesslingin Säätiölle rahallisesta tuesta, Tieteen tietotekniikan

keskukselle laskenta-ajastasekäJaanaVapaavuorellekorvaamattomastakannustuk-

sesta loppurutistuksen aikana.

Toivon,ettäihmisteneiikinätarvitseryhtyäilmastonmuokkaukseentaietteitut-

kimusilmastonmuokkauksenmahdollisuuksistaluo ihmisillevalheellistatoivoamu-

kavastaelämästäilmanmuutoksia.Lisäksitoivon,että tulevaisuudessaväitöskirjani

alkusanojakirjoittaessanikerronhenkilökohtaisenpanokseniilmastonmuokkaustut-

kimukseen olevanpäätöksessä. Kiinni jääminenilmastonmuokkauksen ideaan eiole

hyväksi.

20.5.2010

SISÄLLYS

1.Johdanto . . . 1

2.Ilmakehän teoriaa . . . 3

2.1 Maapallonsäteilytase . . . 3

2.1.1 Nykyilmastonenergiatalous. . . 3

2.1.2 Ilmaston muuttuminen . . . 4

2.2 Pienhiukkaset ilmakehässä . . . 5

2.2.1 Yleiskatsaus pienhiukkasiin . . . 5

2.2.2 Merellinenaerosoli. . . 7

2.2.3 Aerosolihiukkastensuora vaikutus . . . 8

2.3 Pilvet ilmakehässä . . . 9

2.3.1 Pilvipisaroiden syntyminen . . . 9

2.3.2 Köhlerin teoria. . . 9

2.3.3 Merelliset kumpukerrospilvetja pilvien vaikutus säteilyyn . . . 11

2.3.4 Aerosolienepäsuora vaikutus . . . 12

3.Ilmastonmuokkaus . . . 14

3.1 Yleiskatsausilmastonmuokkaukseen . . . 14

3.1.1 Ilmastonmuokkauksen määrittely. . . 14

3.1.2 Ilmastonmuokkauksen tutkimuksen historiaa . . . 14

3.1.3 Erilaisia tekniikoitailmastonmuokkaamiseen . . . 16

3.2 Ilmastonmuokkaus keinotekoisillamerisuolapäästöillä . . . 16

3.2.1 Fysikaalinen periaate ja käytännön toteutus . . . 16

3.2.2 Ilmastollisetvaikutukset . . . 20

4.Mallikuvaus. . . 22

4.1 IlmastomalliECHAM5. . . 22

4.1.1 Yleistä . . . 22

4.2 AerosolimalliHAM . . . 23

4.2.1 Aerosolimalliilmastomallissa . . . 23

4.2.2 Aerosolijakauman modaalinenesittäminen . . . 23

4.2.3 Hiukkaspäästöt . . . 24

4.2.4 Aerosolienpoistuma . . . 25

4.2.5 AerosolienmikrofysiikkamalliM7 . . . 26

4.3 Pilvienmallintaminen . . . 27

4.3.1 PilvisyydenlaskeminenECHAM5-mallissa . . . 27

4.3.2 Pilvienmikrofysiikkaa. . . 28

4.3.3 Pilvipisara-aktivaatio . . . 29

4.4 Aerosolihiukkasten ja pilvipisaroiden vuorovaikutus säteilyn kanssa . . 30

4.5.1 Merisuolainjektioidensuunnittelu . . . 31

4.5.2 Tehdyt simulaatiot . . . 33

4.5.3 Keinotekoisten merisuolapäästöjentoteutus . . . 34

5.Mallitulostenkäsittely . . . 36

5.1 Mallitulostentallentaminen . . . 36

5.2 Mallitulostenkäsittely . . . 36

5.2.1 Käytetyt ohjelmat ja metodit. . . 36

5.2.2 Yksikkömuunnos hiukkaspitoisuuksille . . . 37

5.2.3 Keskiarvojen laskeminen . . . 37

5.2.4 Lisäsimulaatioidenpilvisuureiden keskiarvojen laskeminen . . . 38

5.2.5 Säteilypakotteiden laskenta . . . 38

5.2.6 Keskiarvojen laskeminenyli muokattujen merialueiden. . . 39

5.2.7 Painetasoista korkeustasoihin . . . 39

6.Tulokset. . . 41

6.1 Merellinenaerosoliinjektioalueilla . . . 41

6.1.1 Merisuolavuo ilmakehäänja hiukkasten leviäminen . . . 41

6.1.2 Aerosolijakaumat muokatuillaalueilla . . . 44

6.2 Vaikutukset pilviin . . . 47

6.2.1 Pilvipisaroiden lukumääräpitoisuudet . . . 47

6.2.2 Pilvipisaroiden efektiivisetsäteet ja pilvien nestemäinen vesisisältö 52 6.2.3 Muutokset pilvipeitossa . . . 53

6.3 Säteilyvaikutukset . . . 54

7.Pohdinta . . . 59

7.1 Tulostenluotettavuudenarviointia . . . 59

7.1.1 Ilmakehänkiertoliike . . . 59

7.1.2 Aerosolienmallintaminen . . . 59

7.1.3 Pilvienmallintaminen . . . 60

7.1.4 Säteilyvaikutukset . . . 60

7.2 Eettinennäkökulma . . . 61

8.Johtopäätökset . . . 65

Lähteet . . . 68

A.Liitteitä . . . 77

A.1 Päästömoduuli . . . 77

KUVAT

2.1 Maapallon energiatase nykyilmastossa esitettynä keskiarvojen avulla. 4

2.2 Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC) arvio eri tekijöi-

den aiheuttamistasäteilypakotteista. . . 6

2.3 Kaksimerellistäaerosolijakaumaa.. . . 8

2.4 Puhtaan vesipisaran tasapainohöyrynpaineja Köhlerinkäyrät

50

^nm

ja

260

^nm natriumkloridihiukkasille.. . . 12 3.1 Merisuolahiukkasten kulkeutuminen ja vaikutukset pilviinja säteilyyn. 17

3.2 Tyylitelty näkemys mahdollisesta merivettä ruiskuttavasta aluksesta. 19

3.3 Eri merialueidensopivuus merisuolainjektioille. . . 20

4.1 Merisuolahiukkasten injektionopeus tuulennopeuden funktiona. . . . 32

4.2 Valitut alueet merisuolainjektioille. . . 33

6.1 Merisuolapäästöt ja niidenleviäminen. . . 42

6.2 Liukenevassa akkumulaatiomoodissa olevan merisuolan massasekoi-

tussuhteen korkeusproilit alueittainerisimulaatioissa. . . 44

6.3 Liukenevan akkumulaatiomoodin lukumääräpitoisuuden korkeuspro-

ilit alueittainerisimulaatioissa. . . 45

6.4 Liukenevanakkumulaatiomoodinhalkaisijoidenkorkeusproilitalueit-

tain eri simulaatioissa. . . 46

6.5 Pilvipisarapitoisuuden korkeusproilit alueittainerisimulaatioissa. . . 47

6.6 Pilvipisarapitoisuuden suhteellinenmuutos verrattuna kontrollisimu-

laatioonalueittaineri ilmastonmuokkaussimulaatiossa. . . 48

6.7 Keskimääräisen pilvisyyden (osuus hilalaatikosta pilvessä) korkeus-

proilit alueittainerisimulaatioissa.. . . 49

6.8 Pilvenyläpinnanpilvipisarapitoisuudenmuutoksenkeskiarvosuhtees-

sa kontrollisimulaatiooneri ilmastonmuokkaussimulaatioissa. . . 50

6.9 Pilven yläpinnan pilvipisarapitoisuudet.. . . 51

6.10 Pilvipisaroidensisältämänvedenmassasekoitussuhteenproilitalueit-

tain eri simulaatioissa. . . 52

6.11 Pilvipisaroiden efektiivisen säteenproilit alueittainerisimulaatioissa. 53

6.12 Säteilyvuon häiriö ilmastonmuokkaussimulaatioissa. . . 55

6.13 Keinotekoisen merisuola-aerosolinsuoran vaikutuksen luoma säteily-

pakote (lyhyillä aallonpituuksilla)ilmastonmuokkaussimulaatioissa. . 57

TERMIT JA SYMBOLIT

Kirjaintunnukset

p w (D p )

^Veden höyrynpaine halkaisijaltaan

D p

^olevan pilvipisaran tai hiukkasen pinnalla

[OH · ]

Hydroksyyliradikaalin pitoisuus

[SO 2 ]

Rikkidioksidinpitoisuus

D ¯ i

^Moodin

i

geometrinen keskihalkaisija

D ¯ m,i

^Moodin

i

keskimääräistä massaavastaavahalkaisija

¯

m i

^Moodin

i

^hiukkasen keskimääräinen massa

r i

^Moodin

i

geometrinen keskisäde

w

Hilalaatikonkeskimääräinen nousunopeus

[SO ² 4 ⁻ g ]

^Rikkihaponkaasufaasin pitoisuus

SO

2 −

4

^Rikkihappo (vetyatomit jätetty merkitsemättä)

A E

^{Maapallon pinta-ala}

A K

^{Köhlerinyhtälön parametri}

B

^{Taakka(engl. burden)}

B S

^{Köhlerinyhtälön parametri}

c

Hilalaatikonpilvipeitto

C i

^Aineen

i

^{pitoisuus(joko m}

^{− 3}

^{tai kgm}

^{− 3}

⁾

D p

Pilvipisaran halkaisija

D w

Suihkutetun merivesipisaran halkaisija

D kuiva,i

Kuivadepositioaineelle

i

D kuiva

^Hiukkasen kuivahalkaisija

D pc

^{Kriittinenhalkaisija} pilvipisaralle

F 1

Keinotekoisten merisuolapäästöjen lukumäärävuon perusfunk- tio (s

− 1

m

− 2

)

f 1

^Osuus merellisistä kumpukerrospiltä, johon muokkaus kohdis- tetaan

f 2

^{Merien osuus maapallon}pinta-alasta

f 3

Kumpukerrospilvienpeittämäosuus merianpinta-alasta

F i

Keinotekoisten merisuolapäästöjen lukumäärävuon perusfunk- tion

i

^{:s monikerta.}

i = 1, . . . , 5

F m,1

Keinotekoistenmerisuolapäästöjenmassavuonperusfunktio(kgs

− 1

m

− 2

)

g

Putoamiskiihtyvyys

I

^Säteilyn intensiteetti

k 1

^Sulfaatin muodostumisreaktionnopeusvakio (

k 1 = 1, 1 × 10 ^{− 12} cm ³ s ^{− 1}

⁾

K i

^Rikkihapontiivistymisvakiohiukkasmoodille

i M i (z)

^Aineen

i

massapitoisuus (kgm

− 3

) korkeudella

z M _i ^j

^Aineen

j

massapitoisuus moodissa

i

M s

^{Suolan moolimassa}

m s

Pilvipisaraan liuenneen suolanmassa

M w

^{Veden moolimassa}

m kok

^Ilman kokonaismassa kontrollitilavuudessa

V N 0

Luonnollinen pilvipisarapitoisuus

N a

Lukumääräpitoisuushiukkasille,joidenmärkäsädeonsuurempi kuin

35

^nm

n c

Sulfaattimolekyylienkriittinen määränukleaatioklusterissa

N i

^Moodin

i

lukumääräpitoisuus (m

− 3

)

N i

^Moodin

i

lukumääräpitoisuus

n i

^Moodin

i

^{hiukkasten määrä} kontrollitilavuudessa

V

N l

Pilvipisaroiden lukumääräpitoisuus (

cm ^{− 3}

⁾

N m

Pilvipisarapitoisuusmuokatuissapilvissä

n s

Pilvipisaraan liuenneen aineenmoolimäärä

n w

^Ilmaan suihkutettujen suolahiukkasten lukumäärä

p

^{Ilmakehän paine}

p ^◦ _c

^Veden höyrynpaine puhtaan veden pinnalla

p ^◦ _f

^Veden höyrynpaine tasaisenalustan pinnalla

p ^◦ _s

^Veden höyrynpaine liuoksen pinnalla

p i

^{Paine mallin}korkeustasolla

i

q i

^{Pilven jääsisältö}

q l

^Pilven (nestemäinen) vesisisältö

q v

^Vesihöyryn massasekoitussuhde (kg/kg

ilma

⁾

Q ^c _agg

Jääkiteiden kasautuminen lumisateeksi

Q ^c _aut

Pilvipisaroiden autokonversio eli muuntuminen sadepisaroiksi hilalaatikonpilvisessä osassa

Q ^c _cnd

Pilvipisaroihinkondensoituvavesihilalaatikonpilvisessäosassa

Q ^o _cnd

Hilalaatikonpilvettömäänosaankulkeutuneenpilvivedenhaih- tuminen

Q ^o _cnd

Sadepisaroiden haihtuminenhilalaatikonpilvettömässä osassa

Q ^c _dep

Jääkiteisiin härmistyvävesihöyry hilalaatikonpilvisessä osassa

Q ^o _dep

Hilalaatikonpilvettömään osaan kulkeutuneen pilven jääsisäl- lön sublimoituminen

Q f rc

Pilvipisaroiden kosketusjäätyminen (engl. ontat freezing)

Q f rh

Pilvipisaroiden homogeeninen jäätyminen

Q f rs

Pilvipisaroiden stokastinen ja heterogeeninen jäätyminen

Q ^c _mlt

^{Pilvijään sulaminen}

Q nukl

Pilvipisaroiden nukleaationopeus

Q ^c _racl

Sadepisaroiden yhteenkasvu sateen vaikutuksesta

Q ^c _saci

Jääkiteiden yhteenkasvu lumen vaikutuksesta (aretion of ie rystals by snow)

Q ^c _sacl

Jääkiteidenjasadepisaroidenyhteenkasvulumenvaikutuksesta

Q ^o _sub

^Lumen sublimoituminenhilalaatikonpilvettömässä osassa

R

^{Moolinenkaasuvakio}

R(q x )

Kulkeutumistermi veden olomuodolle

x

⁽

x ∈

^{

v

^,

l

^,

i

^{} eli kuin-}

ka paljon vettä siirtyy kyseisessä olomuodossa hilalaatikkoon

viereisistä hilalaatikoista

R a

^{Ilman erityinen} kaasuvakio.

287, 058

^Jkg

^{− 1}

^K

^{− 1} R e

Pilvipisaran efektiivinen säde

R s

Huuhteluparametri (engl.savenging parameter)

R v

Pilvipisarapopulaationkeskimääristätilavuutta vastaava säde

s

Hilalaatikonkeskimääräinen suhteellinenkosteus

s 0

^Kynnysarvo suhteellisellekosteudelle pilvipeitonparametrisaa- tiossa (Sundqvist et al.1989)

T

^Lämpötila

t

^Aika

T i

^{Lämpötilamallin} korkeustasolla

i

u

^Tuulennopeus

V

Mielivaltainenkontrollitilavuus

v d

Kuivadepositionopeus

V w

^Ilman suihkutetun veden tilavuus

w

^Pilven efektiivinen nousunopeus

x w

^{Veden mooliosuus liuoksessa}

z

^Korkeus

z i

^{Korkeus mallin} korkeustasolla

i

CAPE Konvektiivisesti saatavissa oleva potentiaalienergia

OH

·

Hydroksyyliradikaali

r Hiukkasen säde

SO

2

Rikkidioksidi

TKE Turbulenttinenkineettinen energia

Kreikkalaiset symbolit

α c

Kokeellinen parametripilvipisara-aktivaatiolle

α

Nukleaatioparametrisaation parametri

β d

Pilvipisaransäteenskaalausparametri efektiivisensäteen laske- miseksi

β

Nukleaatioparametrisaation parametri

∆F

Säteilypakote

∆t

^Aika-askel

∆T s

Pintalämpötilanglobaalinkeskiarvon muutos

γ

Lämpötilavähete.

γ = − ^dT _dz

λ

Ilmastoherkkyysparametri

ν

Molekyylistä liukenevien ionien määrä

ρ s

^{Liuenneen suolan tiheys}

ρ a

^{Ilman tiheys}

ρ w

^{Veden tiheys}

σ i

^Moodin

i

keskihajonta

σ w

^Veden pintajännitys

σ

Stefanin-Boltzmanninvakio.

σ

⁼

5, 67 · 10 ⁸

^Js

^{− 1}

^m

^{− 2}

^K

^{− 4}

υ D

^{Parametrikullekineri} halkaisijatyypille(ks. yhtälö4.13)

ζ n,i

^Aineen

i

lukumääräsekoitussuhde (kg

− 1 ilma

⁾

Lyhenteet

AEROCOM Kansainvälinen projekti aerosolitieteen edistämiseksi (Aerosol

Comparisons between Observations and Models)

CDO Climate Data Operators. Ilmastodatan käsittelyyn tarkoitettu

ohjelma. (Shulzweida etal. 2009)

DMS Dimetyylisuldi

ECMWF Keskipitkien sääennusteiden Euroopan keskus (engl. European

Centre for Medium Range Weather Foreasts)

ILM1 Ilmastonmuokkaussimulaatio,jossakeinotekoisenmerisuolavuon

funktio on

F 1

ILM1

1

^{Vuoden mittainen} ilmastonmuokkaussimulaatio, jossa keinote-

koisen merisuolavuon funktio on

F 1

ILM2 Ilmastonmuokkaussimulaatio,jossakeinotekoisenmerisuolavuon

funktio on

F 2

ILM3 Ilmastonmuokkaussimulaatio,jossakeinotekoisenmerisuolavuon

funktio on

F 3

ILM3

1

^{Vuoden mittainen} ilmastonmuokkaussimulaatio, jossa keinote-

koisen merisuolavuon funktio on

F 3

ILM4 Ilmastonmuokkaussimulaatio,jossakeinotekoisenmerisuolavuon

funktio on

F 4

ILM5 Ilmastonmuokkaussimulaatio,jossakeinotekoisenmerisuolavuon

funktio on

F 5

IPCC Hallitustenvälinenilmastonmuutospaneeli

KONT Kontrollisimulaatio

KONT

1

^{Vuoden mittainen}kontrollisimulaatio

MH Musta hiili

MS Merisuola

NCO The netCDF Operators. NetCDF-tiedostojen käsittelyyn tar-

koitettu ohjelmapaketti.

NetCDF network Common Data Form. Ohjelmakirjastoja ja datafor-

maatteja matriisimuotoisentieteellisen datan käsittelyyn.

OY Orgaaniset yhdisteet

S Kumpukerrospilvi,stratoumuluspilvi

SU Sulfaatti

TAA Tulevaisuudenaseistamisargumentti.Argumenttiilmastomuok-

kauksenpuolesta.Perustuuväitteeseen,ettäilmastonmuokkaus

onkatastrofaalistailmastonmuutostapienempi paha,jotensitä

pitää tutkia. (engl. Arming the future argument (AFA) (Gar-

diner 2009))

1. JOHDANTO

Ihmiskunnanjatkuvastikasvaneetkasvihuonekaasupäästötovatjolämmittäneetmaa-

pallon ilmastoaja lämpötilan nousun odotetaan vainjatkuvan (Meehl et al. 2007).

Liianhitaastitapahtuvienpäästövähennysten rinnalleonehdotettuilmastontarkoi-

tuksellista muokkaamista lämpötilan nousun hillitsemiseksi (esim. Crutzen 2006).

Monet tekniikoista perustuvat maapallonheijastuskyvyn nostamiseen joko ilmake-

hän taimaanpinnan ominaisuuksia muokkaamalla(Keith 2000).

Tässätyössäperehdytäänilmastonmuokkaustekniikkaan,jossakeinotekoisistame-

rivesi-injektioista ilmaan siirtyvillä suolahiukkasilla lisätään merellisten kumpuker-

rospilvien pilvipisarapitoisuuksia (Latham 1990; 2002). Pilvipisaroiden lisääntymi-

nen nostaa pilvien heijastuskykyä (Twomey 1974; 1977) ja vaikuttaa täten maa-

pallonsäteilytaseeseen nykytutkimuksen mukaan viilentäenilmastoa (esim. Forster

et al. 2007; Quaas et al. 2009). Merisuolainjektioiden ilmastovaikutuksia ja kykyä

torjua ilmastonmuutosta onarvioitu ilmastosimulaatioilla(Latham etal. 2008; Jo-

nes et al. 2009; Rash et al. 2009). Jones et al. (2009) tekivät myös lyhyempiä si-

mulaatioita,joidenavullaarvioitiinsuurempienpilvipisarapitoisuuksienvaikutuksia

maapallon säteilytaseeseen. Ilmastomallien antamien tuloksien perusteella pilvipi-

sarapitoisuuksien merkittävä kasvu pystyisi mahdollisesti kumoamaan kasvaneiden

kasvihuonekaasupitoisuuksien aiheuttaman lämpenemisen, mutta paikallisia muu-

toksiailmastossaeivoisivälttää(Jonesetal.2009;Rashetal.2009).Kemiallisella

kulkeutumismallilla saatujen tuloksien mukaan arviot riittävästä merisuolavuosta

(Latham2002) ovattosin liianpieniä (Korhonen etal. 2010).

Työn tavoitteenaon selvittää, miten lisätyt merisuolahiukkaset vaikuttavatpai-

kallisiin hiukkaspopulaatioihin ja siten pilviin, sekä miten keinotekoiset merisuo-

lahiukkasetja kasvaneet pilvipisarapitoisuudetmuuttavatmaapallonsäteilytasetta.

Aiemmissailmastomalleillatehdyissätutkimuksissa(Lathametal.2008;Jonesetal.

2009; Rash et al. 2009) merisuola-aerosolin vaikutukset mallinnettiin ainoastaan

olettamallapilvipisarapitoisuuksienkasvavanjohonkinvakioarvoonmuokatuillame-

rialueilla.Tässätyössä merisuolahiukkastenpäästöt,mikrofysiikka,säteilyvaikutuk-

set ja aktivoituminen pilvipisaroiksi lasketaan eksplisiittisesti. Näin saadaan aiem-

paarealistisempikäsityskeinotekoistenmerisuolahiukkastenvaikutuksistailmastoon

niiden heijastaessa ja absorboidessa auringon säteilyä (suora vaikutus) että muut-

HAM aerosoli-ilmastomallilla(Stier et al. 2005), joka sisältää kytkennän aerosoli-

hiukkastenjapilvipisaroidenvälillä(Lohmannetal.2007).Simulaatioissakäytetään

staattistamerimallia,jatehdytsimulaatiotovatlyhyitä,jotenvarsinaisiailmastolli-

siavaikutuksia, kutensademäärientaipintalämpötilojenmuutoksia,eitässä työssä

tutkita.

Teoriaosassa (luku 2) kerrotaan maapallonilmakehässä vaikuttavistasäteilypro-

sesseistaja maapallonsäteilytaseesta, sekämääritelläänsäteilypakotteenkäsite. Li-

säksi käsitellään pienhiukkasten luonnetta ja niiden roolia ilmastosysteemissä. Pil-

viensyntyminen ja ilmastollisetvaikutukset päättävätilmasto-osion teoriasta.

Luvussa 3käydään läpiilmastonmuokkauksenkäsitettäja historiaa.Siinä annet-

taan yleiskuvaus erilaisista ehdotetuista ilmastonmuokkausskenaarioista ja pereh-

dytääntarkemmintyössäkäsiteltäväänmerellistenkumpukerrospilvienmuokkaami-

seen.

Luvussa 4 esitellään käytetty malli tutkimuksen kannalta tärkeimmiltä osin. Il-

mastonmallinsuurenmonimutkaisuudenvuoksiyksityiskohtainenkuvauseidiplomi-

työnlaajuudessaolisimahdollista.Luvussakäydäänlyhyesti läpiaerosolihiukkasten

japilvipisaroidenmikrofysiikansekäsäteilyvaikutustenkuvaus.Mallikuvauksenlop-

puosioesitteleetehtyjensimulaatioidenjaniidensisältämienkeinotekoistenmerisuo-

lapäästöjen suunnittelun. Lyhyesti esitellään myös työtä varten kirjoitettu päästö-

moduuli (liiteA.1), joka liitettiin ilmastomalliinkeinotekoisten merisuolapäästöjen

toteuttamiseksi.

Luku 5 jatkaa mallikuvausta ilmastomallin ulostulotiedostojen käsittelyn muo-

dossa. Siinä kuvaillaan pääpiirteittäin työtä varten kehitetyt analyysimenetelmät

sekä mainitaan ohjelmistot, joita kirjoitetuissa komentosarjoissa käytetään. Näin

lukijalle annetaan yleiskuva, miten valmiit tulokset on laskettu mallin antamista

ulostulotiedostoista.

Tulokset onesitetty luvussa6.Sekäaerosolihiukkastenettäpilvipisaroidenosalta

käsittely keskittyy lähinnämuokatuillemerialueille.Luvun loppukeskittyy keinote-

koisten merisuolapäästöjen säteilyvaikutuksiin. Sekä merisuola-aerosolin suora että

epäsuora vaikutus käsitellään.

Luvun 7ensimmäisessäpuoliskossa arvioidaantuloksienluotettavuutta.Toisessa

osassakäsitelläänilmastonmuokkaukseenliittyviäeettisiäjayhteiskunnallisia näkö-

kulmiaja ongelmia.

Johtopäätökset ovatluvussa 8.

2. ILMAKEHÄN TEORIAA

2.1 Maapallon säteilytase

2.1.1 Nykyilmaston energiatalous

Maapallonilmakehänvuorovaikutus ympäröivänmaailmankaikkeudenkanssa onlä-

hinnä sähkömagneettista säteilyä. Erilaiset säteilyprosessit säätelevät ilmakehään

saapuvanja siitä lähtevän energian määrää (Mohanakumar2008). Aurinko säteilee

Maahan lyhytaaltoista säteilyä, josta osa heijastuu suoraan takaisin avaruuteen ja

osa absorboituu sekä ilmakehäänettä maanpintaan.Maa puolestaan säteileepitkä-

aaltoistalämpösäteilyäavaruuttakohti.Osatästäsäteilystäabsorboituuilmakehään

jaosa heijastuusiitätakaisinmaanpintaan.Saapuvajalähteväsäteilyovatyleisesti

ottaentasapainossapitkälläaikavälillä.Seuraavaksi maapallonsäteily-jaenergiata-

setta käsitelläänhavainnollisten keskiarvojen avulla.(Karttunen et al.2008)

Auringonsäteilyntehoilmakehänyläpinnallaonnoin

1366

^Wm

^{− 2}

^{.Koskavainosa}

maapallosta saa Auringon säteilyä tietyllä hetkellä, on keskimääräinen säteilyteho

ilmakehänulkopinnallavainnoin

341, 5

^Wm

^{− 2}

^{,jostakäytetäänjatkossa}pyöristettyä arvoa

340

^Wm

^{− 2}

^{. Maapallon}energiataseen keskiarvotetut lämpömääräton esitetty kuvassa 2.1. Ilmakehän molekyylit, hiukkaset ja pilvet heijastavat saapuvasta Au-

ringon lyhytaaltoisesta säteilystä takaisin noin

25

^{%. Lisäksi noin}

5

^{% Auringon}

säteilytehosta heijastuu takaisin maanpinnasta ja karkaa takaisin avaruuteen. Lo-

pusta

70

^{%:sta auringonsäteilystä} absorboituu

25

^{%-yksikköäilmakehäänja loput}

45

^{%-yksikköämaaperään.Koskamaaperä onsuurinpiirtein}säteilytasapainossa il- makehän kanssa, se luovuttaa saamansa energiamääränpois. Osa lämmöstäsiirtyy

ilmapyörteiden mukana havaittavana lämpövuona ilmakehään ja osa menee veden

haihtumiseen. Veden tiivistyessä ylempänähaihtumiseen kulunutenergia vapautuu

jälleen. Tätä kutsutaan sitoutuneeksi lämmöksi. Yhdessä havaittava ja sitoutunut

lämpömuodostavat

105

^Wm

^{− 2}

^{suuruisen vuon} ilmakehään. Loput energiasta pois- tuu maaperästä lämpösäteilynä, jonka teho on keskimäärin

390

^Wm

^{− 2}

^{. Maaperän}

säteilemästäenergiamäärästä vainnoin

34

^Wm

^{− 2}

^{pääsee suoraan}avaruuteen. Ilma- kehä absorboimaanlämpösäteilystänoin

360

^Wm

^{− 2}

^{ja säteileetakaisinmaanpintaa}

kohdennoin

340

^Wm

^{− 2}

^{teholla.Tämäilmakehäntapaabsorboidamaaperästälähte-}

väälämpösäteilyäjasäteilläsitätakaisinmaanpintaa kohtitunnetaankasvihuoneil-

miönä.Ilmakehä säteileemyösavaruuteen noin

200

^Wm

^{− 2}

^{teholla,jolloinmaapallo}

onsäteilytasapainossa avaruuden kanssa. (Karttunen etal. 2008)

Kuva2.1:Maapallonenergiatasenykyilmastossaesitettynäkeskiarvojenavulla.(Karttunen

etal.,s.113, Kuva 6.2)Julkaistu kustantajan luvalla.

2.1.2 Ilmaston muuttuminen

Luvussa 2.1.1 kuvattiin nykyilmaston summittaista tasapainotilaa kuvaavaa maa-

pallon energia- ja säteilytasetta. Kun Maahan saapuva ja lähtevä säteily ovat ta-

sapainossa,pysyy maapallonglobaalikeskilämpötilavakiona.Epätasapainosäteily-

taseessa johtaa sen sijaanjoko lämpötilan nousuun (saapuva säteilysuurempi kuin

lähtevä) tai laskuun (lähtevä säteily suurempi kuin saapuva). Maapallon lähettä-

mä lämpösäteily puolestaan riippuu maapallon lämpötilasta. Yksinkertaistettuna

maapalloa voidaan ajatella mustana kappaleena, jolloin sen lähettämä säteily on

Stefanin-Boltzmanninlainmukaan verrannollinen lämpötilan neljänteen potenssiin

eli(Mohanakumar 2008):

I = σT ⁴

^(2.1)

Yhtälössä

I

^onsäteilynintensiteetti,

σ

^onStefanin-Boltzmanninvakio,jokaonsuu- ruudeltaan

5, 67 · 10 ⁸

^Js

^{− 1}

^m

^{− 2}

^K

^{− 4}

^{, ja}

T

^{on säteilevänkappaleen pinnan lämpötila.}

Jossiis Maahansaapuvasäteilyon lähtevää suurempi, maapallonlämpötilanousee

ja yhtälön 2.1 mukaan Maan lähettämän säteilyn voimakkuus kasvaa lämpötilan

kasvaessa. Näinsäteilytase saavuttaa uudelleen tasapainon korkeammassa lämpöti-

lassa. Sama periaatetoimiimyösmaapallonjäähtyessä säteilyalijäämäntakia.

Säteilypakote onkäsite, jokamittaa jonkinilmastollisentekijän,esimerkiksi Au-

Forsteret al.(2007)määrittelevätterminmuutoksena nettoirradianssissa(lyhyt- ja

pitkäaaltoisen säteilyn summa [Wm

− 2

℄)tropopaussissa,kun stratosfäärin lämpötilo-

jen on annettu saavuttaa uudelleen säteilytasapaino, mutta pinnan ja troposfäärin

lämpötilat ja olosuhteet pidetään häiriötä edeltävissä arvoissa.

Säteilypakote

∆F

^{voidaan yhdistää globaalin} pintakeskilämpötilan muutokseen

∆T s

ilmastoherkkyysparametrin

λ

^{avulla.Lämpötilanmuutos}siirryttäessätasapai- notilastatoiseen voidaan esittää kaavalla(Forster et al.2007):

∆T s = λ∆F

^(2.2)

Yhtälö 2.2 onkätevä tapa vertailla eri tekijöiden vaikutusta maapallonkeskiläm-

pötilaan.Kuvassa 2.2oneritelty hallitustenvälisenilmastonmuutospaneelin(IPCC)

kooste maapallon ilmastoon vaikuttavista tekijöistä, kun vuotta 2005 verrattaan

teollisenajan alkuun (noin vuosi 1750).Hiilidioksidin kasvanut pitoisuuson suurin

yksittäinenpositiivinenpakotetekijä. Esimerkiksi Auringon säteilytehossa tapahtu-

neiden muutoksien aiheuttama säteilypakote on vain noin

7

^{% siitä.} Ihmiskunnan aiheuttaman kokonaissäteilypakotteen arvioidaan olevan noin

1, 6

^Wm

^{− 2}

^{. (Forster}

etal. 2007)

IPCC:n määrittelemälläsäteilypakotteellaon omat rajoitteensa. Esimerkiksi ae-

rosolihiukkastenpilviinkohdistuvienvaikutuksienmaapallonsäteilytasapainoonluo-

mienmuutoksien huomioiminenedellyttää,ettämyöstroposfäärin olosuhteidenan-

netaan muuttua (Forster et al. 2007). Haywood et al. (2009) esittivät korvaavaksi

määritelmäksi säteilyvuon häiriötä (engl. radiative ux perturbation). Se voidaan

laskea vertaamalla ilmastomallilla simuloitua nykyilmastoa esiteolliseen ilmastoon

käyttäen molemmissa simulaatioissa määrättyä meren pintalämpötilaa ja jääpeit-

toa. Näin jonkin tekijän aiheuttamat dynaamiset muutokset saadaan huomioitua,

mutta pakotteen laskeminen on vielä suhteellisen yksinkertaista, koska täysin kyt-

kettyäilmastomalliaeitarvita (Haywoodetal.2009).Näinlasketutkasvihuonekaa-

sujen jaaerosolihiukkastensäteilyvuonhäiriötvastaavatsuhteellisenhyvinperintei-

sensäteilypakotteenkäsitteenavullalaskettuja arvoja(Lohmannetal.2010).Tässä

työssä käytetään kokonaissäteilypakotteen laskemisessa säteilyvuon häiriönkäsitet-

tä vertaamalla kontrollisimulaation ja ilmastonmuokkaussimulaationsäteilytasetta

ilmakehän yläpinnalla.

2.2 Pienhiukkaset ilmakehässä

2.2.1 Yleiskatsaus pienhiukkasiin

Aerosolitarkoittaakaasunjajokonestemäistentaikiinteidenhiukkastenseosta.Näi-

Kuva 2.2: Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC) arvio eri tekijöiden aiheut-

tamista säteilypakotteista. Kuvan on tuottanut Ilmatieteen laitos IPCC:n neljännen ar-

viointiraportin yhteenvetoon (Alley et al. 2007), ja luvut perustuvat IPCC:n neljänteen

arviointiraporttiin (Forster etal.2007). Julkaistu tekijänluvalla.

vaihtelee muutamasta nanometristä noin sataan mikrometriin (Seinfeld & Pandis

2006) ja myös kemiallisessa koostumuksessa on suuria eroja eri hiukkasten välil-

lä.Aerosolihiukkasillaon sekä merkittäviä haitallisiaterveysvaikutuksia (Bernstein

etal. 2004)että suuri rooliilmastosysteemintoiminnassa (Carslaw etal. 2010).

Aerosolihiukkaset voidaan syntytapansa perusteella jakaa kahteen luokkaan: pri-

määrisiin ja sekundäärisiin. Primääriset hiukkaset ovat maanpinnalta ilmakehään

siirtyneitäkiinteitätainestemäisiähiukkasia,kutenesimerkiksitiepölyä.Sekundää-

riset hiukkaset sen sijaansyntyvät ilmakehässäkaasumaisistaaineista. Tätä uusien

hiukkastensyntymistä ilmakehässäkutsutaannukleaatioksi.Ilmakehän pienhiukka-

siaonsekäluonnollisistaettäihmisperäisistälähteistä.Luonnollisistahiukkaslähteis-

täjahiukkasiamuodostavistakaasuistatärkeitä ovatesimerkiksi hiekkapöly,plank-

tonien ilmaanvapauttama dimetyylisuldi, metsäpalot ja meriveden suola. (Pöshl

2005)Myös ajoittaiset tulivuorenpurkaukset ovat tärkeitä hiukkkasten lähteitä va-

pauttaessaanilmakehään suuriamääriärikkidioksidia(SO

2

^{) (Robok 2000).Ihmis-}

peräisistälähteistämerkittävämpiäovatliikenne,sekäfossiilistenettäbiopohjaisten

polttoaineidenpolttoja teollisuus (Dentener etal. 2006).

Aerosolihiukkaspopulaatioita luokitellaan joko ulkoisesti tai sisäisesti sekoittu-

neiksi (Pöshl 2005). Ulkoisesti sekoittuneen hiukkasjoukon hiukkasten kemiallises-

sakoostumuksessa oneroja.Populaatiovoikoostua vaikkasekämerisuolahiukkasis-

taettä hiekkapölystä.Sisäisestisekoittuneen populaationkemiallinenkoostumuson

homogeeninen. Kaikissa populaation hiukkasissa onsamanlainen suhdeeri aineita.

Hiukkasten kokojakauma ja pitoisuusilmassavaihtelevat suurestisekä ajallisesti

että paikallisesti. Troposfäärissä kokonaislukumäärä- ja massapitoisuudet vaihtele-

vattyypillisestisuurinpiirteinvälillä

10 ²

10 ⁵

^m

^{− 3}

^ja

1

100 µ

^gm

^{− 3}

^{(Pöshl2005).}

Hiukkaset vaikuttavat ilmastoonmonilla tavoilla. Yleensä vaikutus jaetaan suo-

raan ja epäsuoraan vaikutukseen. Hiukkasten sirottaessa ja absorboidessa säteilyä

on kyse suorasta vaikutuksesta. (Forster et al. 2007) Aerosolien epäsuora vaikutus

puolestaan perustuu hiukkasten vuorovaikutukseen pilvien kanssa, ja siihen liittyy

vieläsuuriaepävarmuustekijöitä(Denmanetal.2007).Aerosoliensuoraavaikutusta

käsitellääntarkemmin luvussa 2.2.3 ja epäsuoraa vaikutusta luvussa 2.3.4.

2.2.2 Merellinen aerosoli

Merellinenaerosolionyksitärkeimmistäluonnollisistaaerosolisysteemeistä(O'Dowd

&de Leeuw2007). Hiukkaspitoisuudetovatpieniä verrattuna mantereelliseenaero-

soliin.Tyypillisestilukumääräpitoisuudetvaihtelevatvälillä

100

300

^m

^{− 3}

^(Seinfeld

&Pandis 2006).Merellinenaerosolijakaumakoostuuyleensä kolmestaerikokoisesta

moodista: Aitkenin moodista,akkumulaatiomoodista ja karkeasta moodista. Kaksi

tyypillistä kokojakaumaa, jotka on määritetty useiden eri mittauksien perusteella

onesitettykuvassa 2.3.Oikeataerosolijakaumatmerellävoivaterotanäistäkeskiar-

voista suurestikin.

Massaosuudeltaan suurinyksittäinenaine merellisissäaerosolihiukkasissaonme-

risuola (O'Dowd & de Leeuw 2007), joka puolestaan koostuu pääosin natrium-

(Na

+

),kloridi-(Cl

−

),sulfaatti-(SO

2 −

4

^{),kalsium-(Ca}

2+

)jakaliumioneista(K

+

)(Sein-

feld&Pandis2006).Merisuolahiukkasetovatprimäärisiäjaneovatperäisinaaltojen

pärskeistä (O'Dowd et al. 1997). Merisuolan lisäksi merellisessä aerosolissa löytyy

runsaasti dimetyylisuldi- ja ihmisperäisiä sulfaattiyhdisteitä (Heintzenberg et al.

2000) sekä lukuisia orgaanisiayhdisteitä (Carslawet al.2010).

Tärkein merisuolavuon suuruuteen vaikuttava tekijä on tuulen nopeus. Suurem-

milla tuulen nopeuksilla ilmaan siirtyy enemmän suolahiukkasia, ja suurimmillaan

noin

1000 µ

^gm

^{− 3}

massapitoisuuksia on mitattu

15

20

^ms

^{− 1}

^tuulen nopeuksilla.

Merisuolavuonfunktioksionkehitettyerilaisiaparametrisaatioita,joistauseimmissa

vuo riippuutuulen nopeuden ykköstä suuremmastapotenssista. Globaalistiilmaan

siirtyneestämerisuolan massasta

92

^%onhiukkasissa, joiden säde on ylipuoli mik-

10 ⁻¹⁰ 10 ⁻⁹ 10 ⁻⁸ 10 ⁻⁷ 10 ⁻⁶ 10 ⁻⁵ 10 ⁰

10 ¹ 10 ² 10 ³

Halkaisija (m)

dN/dln (D)

Seinfeld & Pandis (2006) Heintzenberg et al. (2000)

Kuva 2.3: Kaksi merellistä aerosolijakaumaa. Aerosolihiukkasten kokojakauma esitetään

yleensälukumääräpitoisuudentiheysfunktionavulla(Seinfeld&Pandis2006).Yhtenäinen

käyrä on laskettu Seinfeld & Pandis (2006) esittämien tyypillisen merellisen hiukkasja-

kauman parametrienavulla. SekoostuuAitkeninmoodista jaakkumulaatiomoodista sekä

karkeasta moodista.Katkoviiva onuseisiin mittauksiinperustuvamerellistäaerosolia ete-

läistenleveyspiirien

15 ^◦

30 ^◦

^{väliselläalueellaedustava}keskimääräinenkahdestamoodista koostuva jakauma (Heintzenberg etal.2000).

rometriä,kun taas pienemmät hiukkaset muodostavat pääosan hiukkaspopulaation

lukumäärästä. (O'Dowd &de Leeuw 2007)

2.2.3 Aerosolihiukkasten suora vaikutus

Aerosolihiukkasten suora vaikutus tarkoittaa niiden kykyä sirottaa ja absorboida

säteilyä. Suurimmalla osalla hiukkasista tämä vaikutus on viilentävä niiden heijas-

taessaAuringonsäteilyätakaisinavaruuteen.Kuitenkinmustastahiilestäkoostuvat

hiukkasetabsorboivattehokkaastiAuringonsäteilyäjasitenlämmittävätilmakehää.

Aerosolihiukkasetvaikuttavatmyöspitkäaaltoiseensäteilyyn.Esimerkiksimerisuola-

hiukkasetabsorboivatmerkittävästipitkäaaltoistasäteilyä,milläonlämmittävävai-

kutus ilmastoon(Satheesh&Lubin2003).Merisuolahiukkastensuoranvaikutuksen

aiheuttama kokonaissäteilypakote on kuitenkin negatiivinen (Satheesh & Moorthy

2005).IPCC:nneljännenarviointiraportinmukaan ihmisperäistenaerosolien suoran

vaikutuksen aiheuttama säteilypakote onnoin

− 0, 50

^[

± 0, 40

^℄Wm

^{− 2}

^{(Forsteret al.}

2007).

Merisuolahiukkastensäteilyvaikutuksenarviointiahankaloittaasaatavillaolevien

mittaustulostenvähäisyys.Merilläeioletiheäämittauslaiteverkostoa,jalisäksisuu-

2.3 Pilvet ilmakehässä

2.3.1 Pilvipisaroiden syntyminen

Pilvet ovat tärkeä osa ilmakehää. Ne vaikuttavat merkittävästi maapallon säteily-

taseeseen heijastaen auringon säteilyä ja vangiten maanpinnan lähettämää pitkä-

aaltoista säteilyä. Pilvilläon myös suuri rooli veden kiertokulussa, kun vesi siirtyy

niistä maanpinnalle sateena tai lumena. Ilmakehän hiukkasten joutuminen pilvipi-

saroihinjasittensateen mukanamaanpinnalleonniilletärkeäpoistumismekanismi.

Pilvet tarjoavat myös väliaineen vesifaasin kemiallisille reaktioille ilmakehässä. Li-

säksi pilvien pystyvirtaukset vaikuttavat merkittävästi pystysuuntaiseen jäljitysai-

neidenjakaantumiseen ilmakehässä. (Seinfeld& Pandis 2006)

Höyrynpainetta (vesihöyryn osapaine), jolla tiivistyminen ja haihtuminen ovat

yhtä suuria tasaisella vesipinnalla, kutsutaan vesihöyryn kyllästyspaineeksi. Suh-

teellinenkosteustarkoittaahöyrynpaineensuhdetta vesihöyrynkyllästyspaineeseen.

Puhdas vesihöyry alkaa tiivistyä pisaroiksi vasta, kun suhteellinen kosteus nousee

useaan sataan prosenttiin. Ilmakehässä pilvipisaroita havaitaan kuitenkin jo, kun

ilmaon juuriylikyllästynytvesihöyryn suhteen. (Ylikyllästystilatarkoittaasuhteel-

lisen kosteuden

100

^{%:n ylittävääosaa.)Tämä johtuu veden}tiivistymisestäilmake- hän pienhiukkasten pinnalle.(Rogers & Yau1996) Aerosolihiukkasenkyky aktivoi-

tua pilvipisaraksi riippuu sen koosta ja kemiallisesta koostumuksesta sekä vallitse-

vasta ylikyllästystilasta. Tietyssä ylikyllästystilassa aktivoitumaankykenevät hiuk-

kasetmääritellääntiivistymisytimiksi(engl.loudondensationnulei).Ilmakehässä

on aina jonkin verran tiivistymisytimiä, joten ylikyllästystila nousee harvoin yli

1

%:n. (Seinfeld& Pandis 2006)

2.3.2 Köhlerin teoria

Vettä sisältävän hiukkasen aktivoituminen pilvipisaraksi tarkoittaa hiukkasen no-

peata kasvua veden tiivistyessä sen pinnalle.Jos ilmakehän suhteellinenkosteus on

vakio, voidaan kullekin hiukkaselle löytää kriittinen ylikyllästystila, jolloin se ak-

tivoituu. (Seinfeld & Pandis 2006) Ympäröivän ilmakehän ylikyllästystila on siis

erittäin olennainen pilvipisaroiden aktivoitumisen kannalta. Tasapainotilassa hiuk-

kasiin tiivistyvän veden määrä on yhtä suuri niistä haihtuvan vesimäärän kanssa.

Tiivistymisnopeuteenvaikuttaa ylikyllästystilansuuruus, kuntaaspisaranpinnalta

haihtuvan veden määräriippuu merkittävästipisaran lämpötilastaja sen pintajän-

nityksestä. (Rogers &Yau 1996)

Tasaisella pinnallatiivistymisnopeus ontasapainossa haihtumisnopeudenkanssa

kun suhteellinen kosteus eli vallitsevan höyrynpaineen suhde vesihöyryn kyllästys-

onpienempi, jotentasapainoontarvitaan suurempi suhteellinenkosteus verrattuna

tasaiseen alustaan. (Seinfeld & Pandis 2006) Puhtaasta vedestä koostuvan pisaran

pinnalla vallitseva veden höyrynpaineen

p w (D p )

^{suhde tasaisella pinnalla samassa}

lämpötilassa

T

vallitsevaan höyrynpaineeseen

p ^◦

^{voidaan esittää kaavalla (Seinfeld}

&Pandis 2006):

p w (D p )

p ^◦ _f = exp

4M w σ w

RT ρ w D p

(2.3)

Yhtälössä

M w

^onvedenmoolimassa,

σ w

^onvedenpintajännitys,

R

^{onmoolinenkaa-}

suvakio,

ρ w

^{on veden tiheys ja}

D p

^onpisaran halkaisija.Höyrynpaineen suhdevesi- höyrynkyllästyspaineeseenonesitettykuvassa2.4.Pienivesipisaratarvitseeerittäin

suurensuhteellisenkosteuden,etteisehaihtuisi.Pisarankoonkasvaessatasapainoon

tarvittavasuhteellinenkosteus sen sijaan läheneetasaisen pinnantapausta.

Ilmakehässä olevat pilvipisarat eivät kuitenkaan koostu vain puhtaasta vedes-

tä.Pisarassaolevatliuenneet epäpuhtaudetpienentävätpisaranpinnallavallitsevaa

höyrynpainetta pienentäessään veden mooliosuutta pisarassa. (Seinfeld & Pandis

2006) Tämä voidaan esittää laimeassa liuoksessa tasaisella pinnalla Raoultin lain

avulla(Seinfeld & Pandis 2006):

p ^◦ _s = x w p ^◦ _c

^(2.4)

Yhtälössä

x w

^{onveden mooliosuus liuoksessaja}

p ^◦ _s

^onveden höyrynpaine liuoksen pinnalla ja

p ^◦ _c

^{on veden} höyrynpaine puhtaan veden pinnalla. (Seinfeld & Pandis 2006)

Olettamalla pisaraan liuenneen aineen tilavuus mitättömän pieneksi verrattuna

pisaran tilavuuteen sekä liuenneen aineen moolimääräpisaran koosta riippumatto-

maksivoidaanyhtälö2.3yleistäätapaukseen,jossapisarassaon

n s

^{moolialiuennutta}

ainetta:

ln

p w (D p ) p ^◦

= 4M w σ w

RT ρ w D p − 6n s M w

πρ w D _p ³

^(2.5)

Kehitetään seuraavaksi yhtälö 2.5 kuivahalkaisijaltaan

D kuiva

^{olevan suolahiuk-}

kasen sisältävän vesipisaran kuvaamiseen. Liuennut ainemäärä

n s

^{tarkoittaa tässä}

tapauksessa liuenneita ioneita, joka saadaan kertomalla suolan ainemäärä yhdestä

suolamolekyylistäliukenevien ionien määrällä

ν

^:

n s = νm s

M s

(2.6)

Yhtälössä

m s

^{onliuenneensuolanmassaja}

M s

^onsuolanmoolimassa. Olettamalla

lausuamuodossa:

6n s M w

πρ w D _p ³ = D kuiva νM w ρ s

M s ρ w D ³ _p

^(2.7)

Yhtälössä

ρ s

^{on liuenneen suola tiheys.}

Yksinkertaistetaanyhtälöä 2.5määrittelemällä:

A K = 4M w σ w

RT ρ w

B S = D kuiva νM w ρ s

M s ρ w

(2.8)

Nyt yhtälö2.5 voidaan lausua

A K

^{:n ja}

B S

^{:n avullalausua} seuraavasti:

ln

p w (D p ) p ^◦

= A K

D p − B S

D _p ³

^(2.9)

Yhtälöt 2.5 ja 2.9 ovat muotoja Kohlerin yhtälöistä. Kuvassa 2.4 on puhtaas-

ta vedestä koostuvan pisaran tasapainokäyrän lisäksi esitetty kuivahalkaisijoiltaan

50

^{nm ja}

260

^nm natriumkloridihiukkasten Köhlerin käyrät. Kun liuennutta suo- laaonenemmän,on myös tarvittavatermodynaamiseen tasapainoontarvittavayli-

kyllästystila huomattavasti pienempi. Lisäksi suolaa sisältävänhiukkaseen tiivistyy

vettä jo kyllästysrajan alapuolella. Kuvassa näkyy lisäksi kummallekin hiukkaselle

ominainen kriittinenhalkaisija

D pc

^{ja kriittinen} ylikyllästystila.Kun hiukkaseen on tiivistynyt vettä niinpaljon, että sen halkaisijaylittääkriittisen halkaisijan,se kas-

vaa spontaanisti, jos suhteellinen kosteus pysyy vakiona (Seinfeld & Pandis 2006).

Kriittinen ylikyllästystila kullekin hiukkaselle tarkoittaa riittävää suhteellista kos-

teutta hiukkasen aktivoitumiselle pilvipisaraksi (Seinfeld & Pandis 2006). Teoria

pätee vain, jos suhteellinen kosteus ei muutu merkittävästi veden tiivistyessä hiuk-

kasiin.Isopilvipisaravoiesimerkiksiimeäitseensäniinpaljonvettä,ettäpienemmät

pisaratalkavathaihtua (Nenes et al.2001).

2.3.3 Merelliset kumpukerrospilvet ja pilvien vaikutus sätei-

lyyn

Kumpukerrospilvet eli stratoumuluspilvet (S) ovat matalia, harmaita ja kerros-

maisia pilviä, joilla ei ole selkeää muotoa ja jotka harvoin tuottavat sadetta. Ne

kuuluvat stratuspilvien luokkaan. Meren pinta-alasta niiden ja muiden stratuspil-

vien peitossa on noin

18

^%. Merellisten kumpukerrospilvien alaosa on tyypillisesti lämmin(

5

10 ^◦

^{C) ja pilvien paksuus onuseita satoja metrejä. (Hobbs 1993)}

Kaikkien pilvienavaruuteen heijastamanlyhytaaltoisensäteilynglobaalikeskiar-

vo on

50

^Wm

^{− 2}

^{(Karttunen et al. 2008). Pilvet toisaalta myös} tehokkaasti absor- boivat pitkäaaltoistasäteilyä (Seinfeld & Pandis 2006). Kun pilvien absorption ai-

heuttama lämmittävävaikutus, joka onnoin

30

^Wm

^{− 2}

^{,otetaanhuomioon, saadaan}

pilvien kokonaisvaikutukseksi

− 20

^Wm

^{− 2}

^{(Karttunen et al. 2008). Pilvien olemas-}

10 ⁻⁷ 10 ⁻⁶ 10 ⁻⁵ 10 ⁻⁴

−0.2

−0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

Halkaisija (m)

Supersaturaatio (%)

Puhdas vesipisara Suolahiukkanen D pc

D kuiva = 50 nm

D kuiva = 260 nm

Kuva 2.4: Köhlerin käyrät (yhtenäiset viivat)

50

^{nm ja}

260

^nmnatriumkloridihiukkasille.

Katkoviiva kuvaa puhtaasta vedestä koostuvan pisaran tasapainohöyrynpainetta. Yhte-

näisten käyrien huiput osoittavat kriittisen halkaisijan

D _pc

^{, jonka} saavuttavat hiukkaset kasvavat spontaanisti jos suhteellinen kosteuspysyy vakiona. Samasta pisteestä nähdään

myöshiukkaselleominainen kriittinen suhteellinen kosteus,joka riittääaktivoimaan hiuk-

kasen pilvipisaraksi.

sa olo siis tuntuvasti viilentää ilmastoa verrattuna ilmastoon, jossa pilviä ei olisi

lainkaan. Pilvien korkeus on olennainen tekijä niiden säteilyvaikutusten kannalta.

Korkeammalla olevat pilvet ovat keskimäärinkylmempiä ja siten säteilevät vähem-

mänpitkäaaltoistasäteilyä(ks.Kaava2.1)(Seinfeld&Pandis 2006).Tästäjohtuen

korkealla sijaitsevien pilvien vaikutus ilmastoononlämmittävä.

Kumpukerrospilvetkuuluvatalapilviin,jotkaaiheuttavatsuurimmanosanpilvien

viilentävästä vaikutuksesta. Alueilla,joillastratuspilviäonpaljon,kutenpohjoisella

Tyynellämerellä,pilvienkokonaisvaikutuspaikalliseensäteilytaseeseenvoiollajopa

välillä

− 40

^Wm

^{− 2}

− 60

^Wm

^{− 2}

^{.(Seinfeld & Pandis 2006)}

2.3.4 Aerosolien epäsuora vaikutus

Koskakaikkiluonnossaolevatpilvipisaratmuodostuvattiivistymisytiminätoimivien

aerosolihiukkasten ympärille (Rogers & Yau 1996), on aerosolihiukkasten vaikutus

pilviinilmiselvästihuomattavansuuri.Ilmanniitäei pilviäolisi.Aerosolihiukkasten

kykyä muuttaa pilvien ominaisuuksia ja vaikuttaa siten maapallon säteilytasapai-

noon, kutsutaan aerosolien epäsuoraksi vaikutukseksi (Denman et al.2007).

Aerosolihiukkaset vaikuttavat pilviin monin tavoin. Tämän työn kannalta tär-

keimmät ovat vettä sisältäviin pilviin kohdistuvat kaksi vaikutusta. Ensimmäinen

epäsuora vaikutus perustuu lisääntyvän tiivistymisydinpitoisuuden aiheuttamaan

pilvipisarapitoisuudenkasvuun, kunpilven vesisisällönoletetaanolevanmuuttuma-

ton(Twomey1977).Keskimäärinensimmäinenepäsuoravaikutusjohtaapienempiin

pilvipisaroihinjalisääpilvienheijastuskykyä.Aerosolihiukkastenjapilvienvuorovai-

vaa vaihtelua ilmiölle. On esimerkiksi tehty tutkimuksia, joissa yhteyttä kasvaneen

tiivistymisydinpitoisuuden ja heijastuskyvyn välillä ei ole havaittu. (Forster et al.

2007)

Kaikkien IPCC:nneljänteenarviointiraporttiinkerättyjen tulostenmukaanaero-

solien ensimmäinen epäsuora vaikutus on nettovaikutukseltaan ilmastoa viilentävä,

vaikkakin sen tieteellisen ymmärryksen taso arvioidaan heikoksi. Se on kuitenkin

parhaiten ymmärretty aerosolien epäsuorista vaikutuksista. Ensimmäisen epäsuo-

ranvaikutuksenmediaaniarvoerimallienmallitulostenvälilläonIPCC:nneljännes-

sä arviointiraportissa

− 0.7

^Wm

^{− 2}

^{ja arvo on}

95

^{% luottamusvälilläalueella}

− 0.3

− 1, 8

^Wm

^{− 2}

^{(Forster etal. 2007).}

Toinen epäsuora vaikutus on seurausta ensimmäisestä. Pienempien pilvipisaroi-

denotaksutaanmuodostavavähemmänsadetta,jolloinpilvienelinikäkasvaa(Albreht

1989). Tulokset todellisista vaikutuksista ovat kuitenkin ristiriitaisia. Esimerkiksi

vaikkapienemmätpisarattuottavatvähemmänsadetta,nemyöshaihtuvatnopeam-

min. Yksittäisiä pilviä mallintamallaon esimerkiksi havaittu toisen epäsuoran vai-

kutuksen joko lisäävän tai vähentävän sadetta konvektiivisissa pilvissä (Haywood

et al. 2009). IPCC:n neljännen arviointiraportin mukaan nykytiedon valossa aero-

solien toinen epäsuora vaikutus vähentää sadetta globaalissaskaalassa ja vaikuttaa

ilmastoon viilentävästi. Ilmiön tieteellinen ymmärrys arvioidaan kuitenkin erittäin

heikoksi.(Denmanetal.2007)Toisenepäsuoran vaikutuksenarvioidaanvastaavaan

suuruudeltaanensimmäistäepäsuoraavaikutusta,muttaeriilmastomallienantamat

arviotpoikkeavat toisistaansuuresti(Lohmann &Feihter 2005).

Aerosolienepäsuoran vaikutuksen globaalinkeskiarvon määrittäminen onvaike-

aa.Kaikkia asiaan vaikuttavia prosesseja ei vielä ymmärretä, ja globaalienmallien

hilalaatikkojen koko on liian suuri näiden prosessien simuloimiseksi. Lisäksi tieto

aerosolihiukkasten kokojakaumista on vielä liian puutteellinen, jotta niiden vaiku-

tukset pilviinvoitaisiintarkastilaskea. (Forster etal.2007)

3. ILMASTONMUOKKAUS

3.1 Yleiskatsaus ilmastonmuokkaukseen

3.1.1 Ilmastonmuokkauksen määrittely

Nykyisen ilmastopolitiikan tehottomuus tarvittavien päästövähennysten saavutta-

miseksi on saanut useita huomattavia ilmastotieteilijöitä tuomaan esille vaihtoeh-

toisiatekniikoita, joillamaapallonlämpenemistävoitaisiinestää ilmastonluonnolli-

siinprosesseihinvaikuttamalla.Englanninkielellänämätekniikattunnetaannimellä

geoengineering,mutta suomenkielessä ei ainakaan vielä olevakiintunutta vastinet-

ta sanalle. Joronen et al. (2009) käyttävät sanaa ilmastonmuokkaus, joka on myös

omaksuttutässätyössä. Käsitteeseensisällytetäänenglanninkielisenvastineensata-

voin eipelkästäänilmakehän,vaan myöskaikkienilmastosysteemin komponenttien

muokkaus.

Tässä työssä sana ilmastonmuokkaus määritellään tietoiseksi ja laajamittaiseksi

ympäristön manipuloinniksi (Keith 2000). Tämän määritelmän mukaan esimerkik-

si ihmiskunnan kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttamaa ilmastonmuutosta ei voida

pitääilmastonmuokkauksena,koskaseonainoastaanseurausfossiilistenpolttoainei-

denkäytöstä,jonkatarkoituspuolestaanonollutvainenergiansaanninturvaaminen

eikäilmastonlämmittäminen.Määritelmään kuuluulisäksitoimenpiteentavoitteen

olevan pienentää tai kumota ihmisen aiheuttamaa ilmastonmuutosta. On esitetty

myösideoitalaajamittaisistatoimenpiteistä,joidentavoitteenaolisimuokata ilmas-

toa luonnollista paremmaksiesimerkiksi sulattamalla pohjoisiajäätiköitä(Rusin &

Flit1962).Eräätilmastonmuokkauksenpuolestapuhujatsisällyttävätsanaankaiken

ihmisen päämäärätietoisen toiminnan, jolla on laajamittaisia seurauksia. Tämän

määritelmän mukaan ihmiskunta on harrastanut ilmastonmuokkausta alkaen tulen

käyttämisestäruoanlaittoon,maanraivaukseenjametalliensulattamiseen(Lovelok

2008).

3.1.2 Ilmastonmuokkauksen tutkimuksen historiaa

Vaikkatuhoisanilmanstonmuutoksenpelkoonnostanutteemanviimevuosinasuu-

renhuomionkohteeksi tiedemaailmassa,onilmastonmuokkauksestapuhuttujohuo-

ring ilmestyi virallisiin julkaisuihin luultavasti ensimmäisen kerran vuonna 1977

(Shneider 2008). Tuolloin Ceare Marhetti ehdotti suurista polttolaitoksista tal-

teenotetunhiilidioksidinsijoittamistasyvällemeriin(Marhetti 1977).Nykyisinhii-

lidioksidinmekaanista talteenottoaei enäälasketa Marhettin luomantermin alle.

Marhettin ehdostusta radikaalimpiakin ideaoita maapallonilmaston säätelemi-

seksi on esitetty jo varhain. Samana vuonna Marhettin artikkelin kanssa ilmestyi

Budykon kirja (Budyko 1977), jossa ehdotettiin aerosolihiukkaskerroksen luomis-

ta stratosfääriintavoitteena heijastaa auringonsäteilyä takaisin avaruuteen (Keith

2000).

Yhdysvalloissajulkaistiintoisen maailmansodanjälkeen lukuisiaraportteja, jois-

sa ilmastonmuutoksen uhkaa arvioitiin ja esiteltiin myös erilaisia ratkaisuja. Sään-

ja ilmastonmuokkaus oli usein mainittuna, vaikka raportteihin ei tosin sisältynyt

tavoitetta ihmiskunnan ilmastovaikutuksiin vastaamisesta. Siksi selvitysten ei las-

keta koskeneen varsinaisesti ilmastonmuokkausta tässä työssä käytetyn määritel-

män (Keith 2000) mukaan. Vuonna 1992 Yhdysvaltojen kansallisentiedeneuvoston

(USNationalResearhCounil)julkaisemassaraportissaolilaajaselvitysilmaston-

muokkauksen mahdollisuuksista (Panel on Poliy Impliationsof Greenhouse War-

ming 1992). Siinä käsiteltiin monipuolisesti erilaisten tekniikoiden potentiaalia ja

tehtiin myös alustavia kustannusarvioita. Selvityksessä esiteltiin esimerkiksi CFC-

yhdisteiden poistamista ilmakehästä voimakkaiden laserien avulla ja pienten pei-

lienviemistä kiertoradalle pienentämään maahan tulevaa auringonsäteilyä. (Keith

2000)Ilmastonmuokkauksensisällyttäminenraporttiinaiheuttipaljonväittelyäsekä

paneelin sisä- että ulkopuolella, koska monet pelkäsivät pelkän ideankin ilmaston-

muokkauksen mahdollisuudesta kelpaavan tekosyyksi ilmakehän käyttämiseksi hin-

noittelemattomana viemärinä (Shneider1996).

Ilmastotieteilijöidensuureksikiinnostuksenkohteeksiilmastonmuokkausnousike-

mianNobel-voittajanPaulJ.Crutzenin aiheestajulkaisemanesseen(Crutzen 2006)

seurauksena.KirjoituksessaanCrutzenkokosiyhteenaiheeseenliittyviätutkimustu-

loksiajaarvioiilmastonjäähdyttämisenteknistätoteutettavuutta.Hänpainottikas-

vihuonekaasupäästöjen vähentämisenensisijaisuuttailmastonmuutoksenhidastami-

sessa,mutta kehottimyöstiedemaailmaatutkimaanilmastonmuokkauksenmahdol-

lisuutta varautuen mahdollisuuteen, että ilmastonmuutos uhkaa riistäytyä käsistä

riittämättömienpoliittistentoimenpiteiden takia.

Viimevuodet ilmastonmuokkaus ja varsinkin maapallonilmastoa viilentäviä tu-

livuoren purkauksia jäljittelevärikkidioksidin lisääminenstratosfääriinon ollut kii-

vaan tutkinnan kohteena. Vuosikymmenten takaiset aiheesta julkaistut artikkelit

olivatlähinnävainideanpyörittelyä,muttanytkehittyneet ilmastomallitovatmah-

dollistaneet laajamittaisen tutkimuksen ilmastonmuokkauksen mahdollisista vaiku-

3.1.3 Erilaisia tekniikoita ilmaston muokkaamiseen

Ilmastonmuokkaukseen on ideoitu ja kehitelty varsin monenlaisia tekniikoita ava-

ruuteen sijoitettavistapeileistäasuttujen alueidenmaalaamiseenvalkoiseksi(Angel

2006; Hamwey 2007). Tässä työssä käsitellään vain aiemman määritelmän (Keith

2000)mukaisiatekniikoita, joihinesimerkiksi hiilidioksidinkerääminen talteentuo-

tantovaiheessa ei lukeudu. Hiilidioksidin talteenotto polttovaiheessa vastaa enem-

mänparantunutta polttoprosessiakuinmaapallonilmastontietoistamuokkaamista

(Keith2001).

Ilmastonmuokkaukseen mahdollisesti käytettäviä tekniikoita voidaan luokitella

esimerkiksi jakamalla ne kahteen pääluokkaan: maapallonenergiataseeseen ja maa-

pallonenergian kulkeutumismekanismeihinvaikuttaviin(Keith 2000).Tässäjaotte-

lussa energiatasetta muuttavat tekniikat jaetaan edelleen lyhyt- ja pitkäaaltoiseen

säteilyyn vaikuttaviin ryhmiin. Lyhytaaltoisen sähkömagneettisen säteilyn energia-

taseenmuuttamisellatarkoitetaankäytännössämaapallonheijastuskyvyn muokkaa-

mista.Maanpinnanheijastuskyvynlisäämiseksionehdotettuesimerkiksisuurienaa-

vikkoalueidenpäällystämistämuovilla(Gaskil2004)taiurbaanienalueidenkattojen

ja liikenneväylien pintamateriaalien vaihtamista paremmin auringonvaloa heijasta-

viin (Akbari et al. 2008). Maapallon heijastuskykyä voidaan tehostaa myös ilma-

kehään tehtävillä muutoksilla. Yksi viime vuosina paljon tutkittu keino olisi lisätä

stratosfääriinsulfaattihiukkasiasuuriatulivuorenpurkauksiajäljitellen(esim.Rash

etal.2008).Toinenilmakehänominaisuuksienmuuttamisehdotusonalapilvienhei-

jastuskyvyn ja eliniän lisääminen meren pinnan tasolta sirotettavien pilviytiminä

toimivien merisuolahiukkasten avulla (Latham 1990). Tähän tekniikkaan perehdy-

tään tarkemmin tässä työssä.

Maapalloavoitaisiinmyösjäähdyttäävoimistamallalähtevääpitkäaaltoistasätei-

lyä elimuuttamallamaapallonemissiivisyyttä.Toisin kuinteollinenhiilensieppaus,

orgaanistensysteemienmuunteluparemminhiiltäsitoviksilasketaanilmastonmuok-

kauksen käsitteen alle.Hiilidioksidin sitoutumistavoitaisiinedistää esimerkiksime-

rien rehevöittämisellä rautaalisäämällä(esim. Lampit etal.2008).

3.2 Ilmastonmuokkaus keinotekoisilla merisuolapäästöillä

3.2.1 Fysikaalinen periaate ja käytännön toteutus

Latham (1990) ehdotti, että meriveden pirskottaminen ilmakehään laajassa mitta-

kaavassa pystyisi mahdollisesti ehkäisemään kasvihuonekaasujen lisääntymisen ai-

heuttamaailmastonlämpenemistä.Ideaperustuu pisaroidenhaihtuessailmaanjää-

viinpieniinsuolahiukkasiin,jotka toimivattehokkaasti tiivistymisytiminä.Merisuo-

sarapitoisuuksia, mikä voimistaisi aerosolien epäsuoraa vaikutusta (ks. luku 2.3.4).

Tekniikan idea on esitetty kuvassa 3.1. Pilvipisarapitoisuuksien kaksinkertaistami-

senkaikissamerellisissäkumpukerrospilvissäarvioidaanriittäväntasapainottamaan

ilmakehänhiilidioksidipitoisuudenkaksinkertaistumisenaiheuttamanlämpenemisen

(Lathametal. 2008).Juuri kumpukerrospilviä muokkaamallasaataisiinsuuri jääh-

dyttävä vaikutus, koska ne sijaitsevat varsin matalalla ja kattavat suuria alueita.

Lisäksiniilläonilmastoaviilentävä vaikutus jaalhainenluonnollinen heijastuskyky

(Sortino2006).

Kuva 3.1: Merisuolahiukkasten kulkeutuminen ja vaikutukset pilviinja säteilyyn. Miehit-

tämätön alussuihkuttaailmaanmerivesipisaroita.Pisaroiden haihtuessajäljelle jääsuola-

hiukkasia,jotkakulkeutuvat ilmakehänvirtaustenmukana ylöspilvien tasolle.Vasemmal-

la on esitetty luonnollinen pilvi ja oikealla pilvi, johon merisuolahiukkasia on ajautunut.

Muokatussapilvessäonenemmänjapienempiäpilvipisaroita,jolloinseheijastaaenemmän

Auringonsäteilyä(oranssitnuolet) kuinluonnollinen pilvi.Suolahiukkaset saattavat myös

lisätäpilvien elinikääsadetta vähentämällä.

Arviot tavoiteltavasta hiukkaskoosta vaihtelevat noin

260

^{nm:istä noin}

1 µ

^m:iin

(Latham 2002; Latham et al. 2008). Tämän kokoluokan hiukkaset ovat riittävän

suuria aktivoituakseen kaikki pilvipisaroiksi, mutta ne saattavat kuitenkin haita-

ta luonnollisten tiivistymisytimien aktivoitumista. Bower et al. (2006) havaitsivat

ilmapakettimallilla,että lisättäessä paljonsuuria hiukkasia vesihöyryn ylikyllästys-

tila laskee ja pienet luonnolliset hiukkaset eivät aktivoidu. Korhonen et al. (2010)

puolestaan saivat kemiallisella kulkeutumismallilla tuloksia, joiden mukaan lisätyt

merisuolahiukkaset voisivat peräti pienentää pilvipisarapitoisuuksia. Ylikyllästysti-

lan pienenemisen lisäksi syynä tähän on, että sulfaatin muodostus pilvipisaroissa

tapahtuu lähinnä suurten keinotekoistenhiukkasten pinnalla luonnollistenhiukkas-

ten jäädessä täten pienemmiksi. Hiukkasten olisi hyvä olla lisäksi monodispersiivi-

siä, mikä vähentäisi pilvipisaroiden koagulaatiota ja täten myös sadantaa (Latham

2002).