tiistai 17. tammikuuta 2017

Hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä

Tämä bloggaus sai kimmokkeen Antero Järvisen aloittamasta keskustelusta Epätieteellinen IPCC tulisi lakkauttaa, jossa todettiin ihmisperäisten CO2-päästöjen säilyvän ilmakehässä noin 10-16 vuotta. WMO:n pääsihteerin Petteri Taalaksen mukaan viipymäaika on kuitenkin paljon suurempi, jopa tuhansia vuosia. Koska väitteiden välinen ristiriita on suuri, aloitin laajan nettitiedustelun löytääkseni aihetta sivuavia tutkimuksia mutta huomasin pian, ettei oman lukukynnykseni alittavia tutkimuksia juurikaan löytynyt. Niinpä otin aiheen vastaan matemaattisena haasteena, yrityksenä kehittää metodi, jolla voisin omin voimin tutkia kysymystä.  Tuon haasteen tulokset ovat nähtävissä alla.

Nykyisin ilmakehän CO2 pitoisuus on n. 400 ppm eli ilmakehän kokonaismassasta n. 400 miljoonasosaa on tuota kaasua. Kun  ilmakehän paine on pyöreästi 1 kp/cm²,  on ilmakehän massa kilogrammoina  likimain = maapallon pinta-ala neliösenttimetreissä eli n. 5.1*1018 kg, josta hiilidioksidin osuus on siis 400*5.1*1012kg. Hiileksi muutettuna luku on kerrottava vielä hiilen ja hiilidioksidin atomipainojen suhteella 12/(12+16+16), jolloin 1 ppm hiilidioksidia vastaa likimain 1.391*109 tonnia hiiltä.
Vuonna 2013 ihmiskunnan tuottaman hiilidioksidin määräksi on hiileksi muutettuna arvioitu olleen n. 9976 milj. tonnia mikä miljoonasosa-asteikolla vastaisi lukemaa 7.028 ppm. Seuraavassa  käytän etupäässä  tätä  merkintätapaa, jos on CO2:n määristä  kysymys. Alla vielä kuva ilmakehän CO2-lähteiden määristä eri vuosina. Taulukko kuvan esittämästä datasta löytyy tuolta ja sen varmuuskopio myös tuolta (Alkuperäinen sivusto kertoo uudistuvansa lähiaikoina, jolloin linkkien toimivuus saattaa vaarantua.)


Ilmakehän hiilidioksidin lähteet





















Jos hiilidioksidin lähteet ilmakehässä tunnetaan, voisimme helposti laskea, miten  ilmakehän CO2 pitoisuus  muuttuu, jos  tunnemme kaikki hiilinielujen vaikutusta kuvaavat kaavat. Kaavoissa voisi olla parametreinä esim. meriveden ja ilman  lämpötilat,  sademäärä, tuuliolosuhteet tai mikä muu tahansa, minkä voisi kuvitella vaikuttavan nielujen toimintaan. Tässä tarkastelussa on kuitenkin oletettu yksinkertaisesti, että hiilinielujen suuruus on suoraan verrannollinen ilmassa olevan hiilidioksidin määrään. Jos siis k on tuo  verrannollisuuskerroin, A hiilidioksidin määrä vuoden alussa ja B sen vuotuinen kasvu, silloin oletuksen mukaisesti pitoisuus vuoden lopussa on  k*(A+B).

Esiteollisena aikana CO2-pitoisuus oli vuodesta toiseen jokseenkin vakio, jolloin voimassa oli yhtälö
(1)                                     k*(A+B)=A.
Myöhemmin, vuonna i, ihmiskunnan päästöt ovat kasvattaneet  A:n arvoon  A+Gi  ja  B arvoon  B+Vi ,  jolloin kaava (1) saa muodon
(2)                                     k*( A+Gi +B+Vi ) =A+ k*(Gi +Vi ) = A+Gi+1
ja voimme nyt sen avulla laskea CO2-pitoisuuden myös  vuoden i+1 alussa ja muodostaa näin, vuosi kerrallaan, pitoisuuden muutosta kuvaavan käyrän. Käyrän laskussa käytetyt A ja k  voidaan sitten optimoida siten, että saatu tulos seuraa mahdollisimman tarkoin jotakin havaintoihin perustuvaa oikeaa käyrää.  Laskuissa B  oletetaan vakioksi ja ihmisperäisen hiilidioksidin määrä Vi saadaan esim.  taulukosta 1. Samassa taulukossa on myös lasketut pitoisuuksien arvot, kun k ja A on sovitettu tuottamaan mahdollisimman tarkasti kuvan 2 alla kaltainen tulos.

Kuva 2
Kuvassa ohut punainen viiva esittää laskettua tulosta, kun A:lla on arvo 291ppm ja k=0.959. Näemme, että näinkin yksinkertainen tarkastelu tuottaa jo yllättävän hyvin havaintoihin yhteensopivan tuloksen. Jos kyseessä olisi tieteellinen tutkimus, voisi tietenkin 30-luvun lopulla alkaneen lämpöhuipun vaikutusta vielä  yrittää sovitella hiilinielujen kaavaan mutta tämän tarkastelun motiivin kannalta asialla ei enää ollut minulle merkitystä.

Tarkastelun perusteella vuoden aikana ilmakehään päässyt CO2-määrä puolittuu n. 16 vuodessa (k16=0.51) ja esim. vuoden 2013 päästöt,  9976 milj.tonnia vastaten 7.028 ppm CO2 pitoisuutta, häviäisivät mittaustarkkuuden alapuolelle n. 50 vuodessa (7*k50=0.86).

Tässä tarkastelussa esiteollisen ajan CO2 pitoisuudeksi muodostui A=291 ppm, kun se nykyisin on n. 400 ppm. Jos ihmiskunnan tuottama CO2 saataisiin kokonaan loppumaan, kestäisi  ilmakehän palautuminen esiteolliseen tilaan vielä n. 115 vuotta, mikä on kuitenkin huomattavasti vähemmän mitä Taalaksen  levittämät kauhuskenaariot yrittävät uskotella ( (400-A)*k115=0.88).

Kaavasta 1 voimme ratkaista  myös ilmastoon luontaisesti kertyvän hiilidioksidin määrän, jolloin saamme  B=12.44 ppm. Tulos on minusta yllättävän pieni, kun netissä puhutaan yleensä yli kymmenkertaisista arvoista ihmiskunnan tuotoksiin verrattuna. Puhuvat siis netissä puuta heinää tai sitten tässä tarkastelussa on jokin perustavaa laatua oleva heikkous. Otan kiitollisena vastaan kommentit, jos joku lukijoista osaa kertoa, mikä?


Linkit
Annual Global Fossil-Fuel Carbon Emissions - Graphics 
Global CO2 Emissions from Fossil-Fuel Burning
ESRL Global Monitoring Division
Global Carbon Budget 2016
Is the airborne fraction of anthropogenic CO2 emissions increasing? 
Mauna Loa CO2 annual mean data
Laskut ohjelmalla Pc Calculator
 
 






2 kommenttia:

  1. Tämä sinun kokemusperäinen yhtälö on matemaattisesti oikea ja olen sellaisen tehnyt itsekin. Kun vertaan sen tuloksia monimutkaisempaan simulointimalliini, jossa imeytyminen merten sekoittumiskerrokseen on Henryn lain mukainen, niin pitemmällä aikajaksolla tulee eroa. Jos lähdetään siitä, että ihmiskunta pystyi pitämään nykyisen emissiotason 10 GtC vuodessa,. niin simulointimallini nostaa CO2-pitoisuuden vuoteen 2300 mennessä n. 700 ppm:ään. Kokemusperäinen malli nostaa pitoisuuden 500 ppm:ään vuoteen 2200 mennessä, johon se myös jää. Ero johtuu siitä, että yksinkertainen malli ei ota huomoon merten sekoittumiskerroksen kyllästymistä ja sitä, että CO2-virtaus syvään mereen ei juuri kiihdy nykyisestä.

    VastaaPoista
    Vastaukset
    1. Kiitos oivallisesta kommentista. Huomasin, että olet kirjoittanut aiheesta myös suomeksi ja hyvin. Lisäsin siitä linkin tuonne ylös.

      Poista

Muista nettietiketti. Törkyviestit poistetaan