Ihminen muuttaa ilmastoa (päivitys 25.1.2023)
Ihminen muuttaa ilmastoa (päivitys 25.1.2023)
Tämä kirjoitus on kaksiosainen. Ensimmäisessä teoreettisessa osiossa käsittelen ihmistoiminnan aiheuttamaa muutosnopeutta, suhteessa luonnon korjaavaan dynamiikkaan. Toinen osio käsittelee kahta perusmuuttujaa 1. Aurinko ja 2. Luonnollinen kasvihuoneilmiö, jotka mielestäni ovat ne perus-muuttujat, jotka ilmastoa lämmittävät ja jäähdyttävät.
Osa 1
Teoria
Kesällä 2014 ryhdyin selvittämään ilmastonmuutoksen dynamiikkaa. Koska ilmasto ja sen täydellinen mallintaminen on lähes mahdoton tehtävä, tärkeimpänä ajatuksena pidin aikaan sidottuja tapahtumia, vertailukohtana ihmisen toiminta vs. luonnon dynamiikka. Eli ajan suhteellisella kestolla on merkitystä. Planetaarisissa mittasuhteissa, luonnon dynamiikka on hidas prosessi. Näin ollen ihmisen vaikutus luontoon on paljon nopeampaa.
Tässä esityksessä käyn läpi osittaisderivointia ja päädyin ratkaisuun, että ihmistoiminnan aiheuttama muutosnopeus on suurempi, kuin luonnon korjaava dynamiikka.
Esitän myös perusteluja paitsi ihmistoiminnan aiheuttamalle muutosnopeudelle, myös postulaatin, sekä hieman dynamiikkaan (dΦ, dΦx, dΦy) liittyvää johdatusta.
Johdan myös pythagoraan lauseesta yhtälön, joka kuvaa osittaisderivoinnin summaa, missä (xn) saa periaatteessa rajattoman määrän dimensioita. Eli käytännössä yhtälö kertoo ihmisen aiheuttamaa muutosnopeutta suhteessa luonnon korjaavaan dynamiikkaan. Käyn läpi myös havaintoja.
Ja lopuksi huomioita ilmastomallinnuksista ja johdan siitä fluidin integraalin ja lyhyen selvityksen tavasta, miten tämä esitys syntyi vuonna 2014.
Alla olevasta kaaviosta, (joka kuvaa ihmistoiminnan aiheuttamaa muutosnopeutta, suhteessa luonnon korjaavaan dynamiikkaan), osittaisderivoin kahden muuttujan funktiona [z = f (x, y)], eli mihin suuntaan gradientti ∇f eniten kasvaa.
z = f(x, y) => ∂f / ∂x ja ∂f / ∂y => ∇f = (fx, fy)
∂f / ∂x (i) + ∂f / ∂y (j) <=>
∇fI = (∂fI / ∂xI) , (∂f I / ∂yI) <=> ∇fL = (∂fL / ∂xL , (∂fL / ∂yL)
(∂fI / ∂xI, (∂fI / ∂yI) / (∂fL / ∂xL, (∂fL / ∂yL) = ∇fI / ∇fL >> 1
I = ihmistoiminnan aiheuttama muutosnopeus
L = luonnon korjaava dynamiikka
Perusteluja
Dynamiikkaa
Luonnon korjaava dynamiikka pyrkii hidastamaan ihmistoiminnan aiheuttamaa muutosnopeutta, kunnes tasapaino saavutetaan. Ihmistoiminnan aiheuttamia muutoksia ovat maan käytöstä (fossiilinen energia) vapautuneet kasvihuonekaasut, jotka ovat alkaneet lämmittämään ilmakehää. Luonnolliset kasvihuonekaasut eivät lisäänny silloin, kun luonnon dynamiikka on tasapainossa. Luonnolliset kasvihuonekaasut pitävät maapallon keskilämpötilan tasaisena.
Postulaatti
Ihmistoiminnan aiheuttama muutosnopeus on suurempi, kuin luonnon korjaava dynamiikka.
Luonnon korjaava dynamiikka on pienempi kuin 100%, kunnes se lähestyy arvoa 100%.
dΦ = (dΦ / dx) dx
dΦx = (dΦ / dx) dy
dΦy = (dΦ / dy) dy
(dx = luonnon korjaava dynamiikka)
(dy = ihmistoiminnan aiheuttama muutosnopeus)
ds2 = dx2 + dy2
ds̄ = dx̄ + dȳ
dΦs = dΦx + dΦy
dΦs = (dΦ / dx) dx + (dΦ / dy) dy
x => x1
y => x2
…
dΦ = (∂Φ / ∂x1) dx1 + (∂Φ / ∂x2) dx2 + …
dΦ = ∑_n (∂Φ / ∂xn) dxn
Huomioita ilmastomallinnuksista
Jotta kyettäisiin konstruoimaan lähes täydellinen ilmastomalli, mielestäni siihen vaadittaisiin koko ilmakehän läpi muodostettu hila, joka kattaisi jokaisen vähintään kuutiometrin kokoisen tilavuuden ja aikaan sidotun fluidin. Fluidin tulisi sisältää kaikki ilmastoon liittyvät parametrit, mukaan lukien spektrianalyysit. Pelkästään ilmakehän tilavuus on ~5.18 x 10^19 m^3. Siihen tarvittaisiin:
~50000000000000000000 hila-pistettä
Eli se tekisi tehtävästä äärimmäisen haasteellisen. Vaikka se tulisi joskus onnistumaan, tämän kaiken integrointi tuottaisi sellaisen määrään dataa, josta riittäisi materiaalia myös tuleville sukupolville hyvin pitkäksi aikaa.
Ohessa fluidin integraali
dF (t) = ∫(∂F / ∂xn) dxn
Tähänastiset viralliset ilmastomallinnukset tuottavat kyllä mielestäni laadukasta dataa, joka on toistaiseksi riittänyt luomaan suhteellisen tarkkoja skenaarioita.
Huomioita tästä esityksestä
Tämä esitys on puhtaasti matemaattinen ja teoreettinen analyysi (yksinkertaistettu). En pyri tässä esityksessä eksakteihin muutosnopeuksien numeerisiin arvoihin, sillä ne on havainnoista todennettavissa (ks. viitteeni BAS = British Antarctic Survey rekonstruktio).
Väittämäni siis on, että viimeisten n. 200 vuoden aikana, ihmiskunnan aiheuttama muutosnopeus on suurempi, kuin luonnon korjaava dynamiikka.
df (x) I / dxI >> df (x) L / dfL
Osa 2
Aurinko ja luonnollinen kasvihuoneilmiö
Muutoksista ja hajonnasta
Muutos on pysyvää. Muutosten välinen suhde on myös muuttuva. Sitten on joukko ns. luonnon vakioita, joiden suhteen muutoksia voidaan analysoida. Teoreettisesta näkökulmasta, ei itse asiassa muuta tarvita. Loppu syntyy käytännön havainnoista, eli kehittyvän teknologian mittaustarkkuuksina. Jos teknologinen kehitys olisi yhdenmukainen, silloin myös havainnoista saadut tulokset olisivat yhdenmukaisia. Käytäntö on kuitenkin osoittanut, että tämä ei ole aina mahdollista ja tästä syntyvä hajonta voi olla suuri. Toisaalta vain yhtä riittävän luotettavaa havaintomenetelmää ei ole olemassa, siksi niitä tarvitaan useita erilaisia. Lopputulos syntyy approksimaationa.
On tietenkin luonnollista, että ilmaston lämpenemiseen vaikuttaa kaksi tekijää: 1. Aurinko ja 2. luonnollinen kasvihuoneilmiö, joka sieppaa osan auringosta tulevasta lämmöstä ja nostaa maapallon lämpötilaa. Jos tätä ilmiötä ei olisi, maapallolla vallitsisi samanlaiset olosuhteet kuin pakastimessa.
Auringon tuottama lämpötilamuutos termillä:
±ΔTA / Δt ≉ 0
Termi tarkoittaa, että auringon tuottama lämpö (±ΔTA) vaihtelee joko kasvaen (+) tai vähentyen (-) jollakin aikavälillä (Δt), ja joka poikkeaa nollasta (≉ 0). Tämä osoittaa, että maapallo on asettumassa tiettyyn lämpötilavaihteluun.
Luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottama lämpötilamuutos termillä:
ΔTG / Δt > 1
Tässä termi tarkoittaa, että luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottama lämpötilamuutos (ΔTG) on lisääntymässä samalla aikavälillä (Δt) ja on > 1.
Entä sitten tilanne, missä auringon tuottama lämpötila alkaa kasvamaan tuosta ± arvosta. Mitä tapahtuu kasvihuoneilmiön tuottamalle lämpötilamuutokselle?
ΔTA / Δt > 1 ja ΔTG / Δt > 1
Tässä yksinkertaisesti käy niin, että lämpötilamuutokset summautuvat keskenään:
(ΔTA + ΔTG) / Δt >>1
Eli yksinkertainen summaus kertoo, että jos auringon ja luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottamat lämpötilat ovat kasvussa, kokonaislämpötila nousee. Vastaava tilanne toiseen suuntaan, missä auringon tuottama lämpötilamuutos on laskeva:
-ΔTA / Δt < 1
Kun luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottama lämpötilamuutos on edelleen kasvava:
ΔTG / Δt > 1
Huomataan, että kokonaislämpötilan nousu loivenee:
(-ΔTA + ΔTG) / Δt ≤ 1
Kuinka paljon maapallon kokonaislämpötila loivenee: se luonnollisesti riippuu auringon tuottaman lämpötilan laskusta, sillä luonnollisen kasvihuoneilmiön tuottama lämpeneminen on edelleen nousussa. Toisaalta, koska auringon tuottama lämpö on luonnollista vaihtelua ja valtameret pyrkivät hidastamaan maapallon lämpenemistä (suuri lämpökapasiteetti), myös pilvien nettovaikutuksen tulisi olla luonnollista lämpenemistä hidastava. Havainnot kuitenkin osoittavat, että luonnolliseen lämpötilavaihteluun on summautuneena nouseva lämpötilatrendi ja se ei selitä luonnollista lämpötilan nousua.
Lopuksi
Luonnollinen kasvihuoneilmiö voimistuu edelleen ja nostaa maapallon lämpötilaa. Miksi näin tapahtuu, se johtuu ilmakehän lisääntyvistä kasvihuonekaasuista ja muista pienhiukkasista, jotka sitovat lämpöä. Itse asiassa ainoa varma tieto ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuuksista aina vuodesta 1958 lähtien on saatu Keelingin mittauksista. Ja se myös tiedetään varmuudella, että viimeaikaiset ilmakehässä olevat kasvihuonekaasupitoisuudet johtuvat ihmisen toiminnasta.
Lähde: Keelingin aikasarjat
Tavoitteita hiilidioksidi-päästöjen ja nielujen tasapainottamiseen
Koronavuosi 2020 antoi viitteitä siitä, miten ilmakehässä oleva hiilidioksidi-pitoisuuden lasku, joka oli ~8%, vaikutti globaaleihin lukemiin Mauna Loalla ym. mittausasemilla. Vaikutusta ei juurikaan havaittu. Mutta miksi näin kävi?
Yksinkertaisella matematiikalla, ihmiskunta syöttää ilmakehään ~ 40GtCO2:ta joka vuosi ja siitä ~50% päätyy nieluihin. Jos 40GtCO2:sta vähennetään tuo 8%, se vastaa ~3GtCO2:ta ja nielut ~20GtCO2:ta. Eli ilmakehässä olevan hiilidioksidi-pitoisuuden kasvua on vielä ~17%.
Eli päästöjä on vähennettävä puoleen tai nieluja on lisättävä, jotta päästäisiin tilanteeseen, että nielut ovat suuremmat kuin päästöt. Toisaalta jos päästöt vähenisi ~2% joka vuosi ja nielut lisääntyisi vastaavat 2%, silloin menisi aikaa ~20 vuotta, jolloin tilanne tasoittuisi. Tämän jälkeen pitoisuudet alkaisivat taittumaan. Eli ei aivan mahdoton tehtävä.
Viitteeni:
Mielestäni paras mahdollinen referenssi ihmiskunnan aiheuttaman muutosnopeuden ja luonnon korjaavan dynamiikan väliseen suhteeseen on:
BAS:n (British Antarctic Survey / Natural Environment Research Council) rekonstruktio ja Godwinlab.
He ovat erikoistuneet mittaamaan jääytimistä kasvihuonekaasujen pitoisuuden ja isotooppisen koostumuksen.
Lähteet: British Antarctic Survey ja Godwinlab
