Kasvihuonekaasut ja niiden tulkinta

Ilmakehän kasvihuonekaasut, kuten vesihöyry, hiilidioksidi ja metaani ovat luonnollinen osa ilmakehää ja ne lämmittävät ison osan maapalloa elinkelpoiseksi. Myös näiden kaasujen pitoisuuden vaihtelu on osa ilmakehän luonnollista vaihtelua. Teollisen aikakauden alettua kasvihuonekaasujen pitoisuudet ovat kuitenkin kasvaneet huomattavasti luonnollista vaihtelua nopeammin.

Ilmastonmuutoksen vaikutusten kannalta olennaisin tekijä on kasvihuonekaasujen pitoisuus. Mitä korkeampia pitoisuudet ovat, sitä enemmän ne ilmakehää lämmittävät. Lämpenevä ilmakehä vaikuttaa esimerkiksi säähän, kasvillisuuteen sekä sadantaan.

Pitoisuudet vaikuttavat luontoon ja kasvillisuuteen myös muilla tavoilla. Kasvava hiilidioksidipitoisuus lisää esimerkiksi kasvillisuuden yhteyttämistä ja siten osa hiilidioksidista sitoutuu luontoon. Toisaalta kasvava hiilidioksidipitoisuus lisää merien happamuutta vahingoittaen esimerkiksi koralliriuttoja ja siten sekä turismia että merten kalantuotantoa.

Noin puolet ihmiskunnan tuottamista hiilidioksidipäästöistä jää ilmakehään loppuosan sitoutuessa kasvillisuuteen ja meriin. Näiden hiilinielujen ja niitä ylläpitävien tekijöiden ymmärtäminen on oleellinen osa ilmastonmuutoksen liittyvää tutkimusta.

Laajempaa lähteiden ja nielujen muodostamaan kokonaisuutta kutsutaan kasvihuonekaasujen taseeksi ja sen tutkimiseen käytetään useita eri kokoluokissa toimivia menetelmiä: kammio-, vuo- ja pitoisuusmittauksia.
 

Kammiomittaukset

Ilmatieteen laitos tutkii maaperän hiilidioksidipäästöjä esimerkiksi Lettosuon tutkimusalueella Forssan lähellä.
 

Pienimmässä skaalassa yksittäisten kasvien, lehtien ja maaperän kasvihuonekaasutasetta tutkitaan mittauskammioilla. Tarkasteltava kohde suljetaan hetkeksi mittauskammioon ja kasvihuonekaasupitoisuuden muutosta kammiossa seurataan kaasuanalysaattorilla. Mikäli pitoisuus alenee, kammioon suljettu kohde kuluttaa mitattavaa kasvihuonekaasua, mikäli pitoisuus nousee, kohde tuottaa kyseistä kaasua.

Tämän jälkeen mittauksen kohdetta yritetään ymmärtää erilaisten ympäristömuuttujien avulla: jos kyseessä on esimerkiksi puun oksa, tutkitaan miten paljon kyseinen oksa tuottaa tai kuluttaa hiilidioksidia eri vuodenaikoina, erilaisissa valaistusolosuhteissa ja erilaisissa lämpötiloissa oksan lehtien pinta-alaa kohden.

Koska vaihtelu yksittäisten kasvien välillä on suurta, tällaisia mittauksia tehdään usein useammalle kuin yhdelle kasville. Maaperää mitattaessa jopa yksittäiset juuret tai pinnan alla olevat kivet muuttavat kaasutasetta, joten yhden kammion sijaan käytetään useita laajalle alueelle sijoitettuja laitteita.

Periaatteessa riittävän suurella määrällä kammioita voitaisiin kattaa kaikki erilaiset kasvillisuus ja maaperätyypit ja siten ymmärtää suuri osa ilmakehän ja kasvillisuuden vuorovaikutuksista. Käytännössä tämä ei kuitenkaan ole teknisesti eikä taloudellisesti mahdollista vaan tuloksia käytetään apuna tehtäessä erilaisia paikallisia ja maailmanlaajuisia kasvien ja maaperän toimintaa kuvaavia matemaattisia malleja.
 

Mikrometeorologiset vuomittaukset

Ilmatieteen laitoksen Lompolojänkän vuomittausasema Pallaksella.
 

Kammiomittaukset kuvaavat vain yksittäistä, korkeintaan muutamaa kymmentä senttiä halkaisijaltaan olevaa kohdetta. Tutkittaessa laajempia alueita, esimerkiksi sadoista erilaisista puu- ja kasvilajeista ja -yksilöistä koostuvaa metsää, peltoaukeaa tai merialuetta, ei kammioita voida enää käyttää. Tällöin turvaudutaan ilmakehän pyörteilyyn perustuvaa kovarianssimenetelmää.

Kovarianssimenetelmässä mitataan ylöspäin ja alaspäin meneviä tuulen pyörteitä samanaikaisesti tutkittavan kaasun pitoisuuden kanssa. Mikäli ylöspäin menevät pyörteet sisältävät keskimäärin enemmän tarkasteltavaa kaasua kun alaspäin menevät, vuo on poispäin pinnasta, päinvastaisessa tapauksessa kohti pintaa. Esimerkiksi metsässä päiväaikainen hiilidioksidivuo on kohti kasvustoa, koska päivällä kasvit kuluttavat hiilidioksia yhteyttämällä. Yöllä taas vuo on yleensä poispäin kasvustosta, koska juuret, maaperä ja kasvit tuottavat hiilidioksia.

Tällaiset mikrometeorologiset vuomittaukset edustavat lähdealuetta, joka ulottuu useiden satojen metrien päähän mittausmastosta. Menetelmä soveltuu siten ekosysteemitason mittauksiin, jotka ovat kooltaan luokkaa 10 hehtaaria, kuten suo tai metsikkö. Menetelmän hyvä puoli on se, että se on automaattinen mitaten vuorokauden ja vuoden ympäri. Siten ekosysteemin vuotuinen hiilidioksidivaihto saadaan aidosti mitattua, kun esimerkiksi talviset olosuhteet eivät tuota erityisiä ongelmia.

Maailmassa on useita satoja mikrometeorologista menetelmää käyttäviä tutkimuskohteita kattaen maapallon lähes kaikki ekosysteemityypit (FLUXNET). Tyypillisesti intensiivisissä tutkimuskohteissa tehtyjen mikrometeorologisten mittausten tuloksia käytetään yhdessä mallien ja inventointitietojen kanssa laajempien alueiden hiilinielua arvioitaessa. Kuitenkaan vuomittauksillakaan ei pystytä kattamaan kaikkia ympäristöjä ja olosuhteita riittävän kattavasti, ja esimerkiksi valtamerillä menetelmä on vain rajallisesti käyttökelpoinen.
 

Pitoisuusmittaukset

Ilmatieteen laitoksen kansainväliseen Global Atmosphere Watch-verkostoon kuuluva Pallaksen tutkimusasema on yksi pohjoisen pallonpuoliskon tärkeimpiä kasvihuonekaasujen mittauspaikkoja.


Kolmas kasvihuonekaasujen taseiden määrittämisessä käyttämä menetelmä perustuu tarkkoihin pitoisuusmittauksiin yhdistettynä meteorologisiin kulkeutumismalleihin sekä parhaisiin saatavilla oleviin (esimerkiksi satelliitti-, kammio- ja vuomenetelmillä määritettyihin) arvioihin erilaisista luontoperäisistä ja ihmisen aiheuttamista päästöistä.

Tällaisessa menetelmässä lopputuloksesta (eli ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuuksista) pyritään arvioimaan alueellisten nielujen ja lähteiden suuruudet. Käytännössä malliin sijoitetaan parhaiten tunnetut ihmisen toiminnan aiheuttamat päästöt, kuten liikenne ja energiantuotanto sekä arvio luontoperäisistä nieluista ja päästöistä. Tämän jälkeen mallilla arvioidaan missä, ja kuinka paljon, lähteitä ja nieluja tarvitaan selittämään havaitut pitoisuudet ja tulosta verrataan aiempaan arvioon. Lopputuloksen ja alkuperäisen arvion erot paljastavat mahdollisia väärin arvioituja, tai kokonaan tuntemattomia lähteitä ja nieluja. Menetelmää käytetään erityisesti huonosti tunnettujen luontopäästöjen selvittämiseen laajoilla, jopa valtakunnan kokoisilla alueilla.
 

Ilmatieteen laitoksen mittauspaikat

Ilmatieteen laitoksen kasvihuonekaasujen kammio-, vuo- ja pitoisuusmittauspaikat. Figure: Mika Aurela/Lauri Laakso
 

Ilmatieteen laitos vastaa Suomen pitoisuusmittauksista ja suuresta osasta vuomittauksia. Alla olevaan karttaan on merkitty vakituiset mittaukset. Ilmatieteen laitoksen ohella kammio- ja vuomittauksia tekevät myös useat kotimaiset yliopistot. Suomessa tehtyjä mittauksia hyödynnetään osana maailmanlaajuisia mittausverkostoja.

Tarkempaa tietoa Suomessa tehdyistä kasvihuonekaasumittauksista ja mittauspaikoista löytyy esimerkiksi ICOS-Suomen sivuilta.