Holoseeni, Milankovićin syklit ja ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos (numeerinen)

 

Johdanto

 

Maapallon ilmasto on vaihdellut luonnollisesti miljoonien vuosien ajan, hitaiden astronomisten syklien ja sisäisten ilmastomekanismien ohjaamana. Holoseenin aikakausi, viimeiset n. 11 700 vuotta, on ollut poikkeuksellisen vakaa, mikä on mahdollistanut ihmisyhteiskuntien ja maatalouden kehityksen. Kuitenkin teollisen vallankumouksen jälkeen globaali lämpötila on alkanut nousta poikkeuksellisen nopeasti.

Tässä analyysissä vertailen kolmen eri tekijän vaikutuksia globaaliin lämpötilaan

 

1. Holoseenin luontaiset ilmastovaihtelut

2. Milankovićin syklien pitkän aikavälin vaikutukset

3. Ihmisen toiminnan, erityisesti fossiilisten polttoaineiden polton, aiheuttama lämpeneminen

 

Simulaation ja numeerisen mallinnuksen avulla havainnollistan, kuinka nykyinen lämpötilan nousu poikkeaa jyrkästi luonnollisesta vaihtelusta — sekä aikaskaalan että muutosnopeuden osalta.

 

Holoseeni

Holoseenin aikainen keskimääräinen lämpötilan vaihtelu on ollut suhteellisen maltillista verrattuna edellisiin jääkausi- ja interglasiaalikausiin. Holoseeni alkoi noin 11 700 vuotta sitten jääkauden päätyttyä, ja se on nykyinen geologinen aikakausi.

 

Tarkemmin:

  • Holoseenin keskimääräinen globaali lämpötila on pysynyt pääosin n. 0,5–1 °C jääkauden jälkeisenä lämpökauden (n. 8 000–5 000 vuotta sitten) lämpimän jakson jälkeen.
  • Viimeisen 10 000 vuoden aikana lämpötila on vaihdellut usein vain n. ±1 °C ympärillä, mutta paikallisesti ja lyhyillä aikaväleillä vaihtelut ovat voineet olla suurempiakin.
  • Esimerkiksi keskiajan lämpökaudella (~900–1300 jaa.) lämpötilat olivat hieman nykyistä korkeampia pohjoisilla leveysasteilla, ja pienen jääkauden aikana (~1500–1850) lämpötilat laskivat jonkin verran.

 

Eli Holoseenin lämpötila on ollut varsin vakaata, keskimäärin vaihtelu n. 1–2 °C, mikä on melko pientä verrattuna aiempiin ilmastonvaihteluihin.

 

Verrataan nyt Holoseenin lämpötilan vaihtelua Milankovichin syklien aiheuttamiin lämpötilavaihteluihin

 

Holoseenin lämpötilan vaihtelu

 

  • Kestää n. 11 700 vuotta (viimeisin interglasiaalikausi).
  • Lämpötilan vaihtelut ovat olleet suhteellisen pieniä, yleensä n. ±1 °C globaaleilla keskiarvoilla.
  • Ilmasto on ollut pääosin vakaampi, mahdollistanut ihmiskunnan sivilisaatioiden kehittymisen.
  • Paikallisia ja lyhytaikaisia vaihteluita on ollut (esim. keskiajan lämpökausi ja pieni jääkausi), mutta kokonaiskuva on melko stabiili.

Milankovićin syklit

 

  • Ne ovat pitkän aikavälin (kymmenistä tuhansista jopa satoihin tuhansiin vuosia) maapallon kiertoradan ja akselin kaltevuuden muutoksia, jotka vaikuttavat maapallon saamaan auringonsäteilyn määrään.

 

  • Tärkeimmät syklit:

 

    • Ekliptikan eksentrisyys (kiertoradan muoto, n. 100 000 vuoden jakso)
    • Maan akselin kaltevuus (n. 41 000 vuoden jakso)
    • Maan akselin precessio (n. 23 000 vuoden jakso)

 

  • Nämä syklit aiheuttavat jäätiköiden muodostumista ja sulamista, eli jääkausien ja interglasiaalien vaihtelua.
  • Lämpötilavaihtelut Milankovićin syklien vaikutuksesta ovat suuria: jäätiköiden aikaan lämpötila voi olla useita asteita kylmempi kuin interglasiaalien aikana (esim. jopa 4–6 °C globaalisti).

 

Vertailu

 

Milankovićin syklit määräävät suurimmat ja pitkäkestoisimmat maapallon ilmastonmuutokset, kuten jääkaudet ja niiden väliin jäävät lämpimät kaudet. Holoseenin sisällä tapahtuneet lämpötilan vaihtelut ovat olleet paljon pienempiä ja lyhyempiä, ja ne voidaan nähdä ikään kuin Milankovićin syklien pitkän aikavälin suurempien vaihteluiden rauhoittuneena vaiheena.

 

Verrataan nyt sekä Holoseenin, että Milakovichin syklien aiheuttamiin lämpötilavaihteluihin, ihmisen aiheuttamaa lämpötilan nousua

 

Ihmisen aiheuttama lämpötilan nousu (nykyaika)

 

  • Kesto: alle 200 vuotta (teollistumisen alkamisesta noin 1850-luvulta lähtien).
  • Lämpötilan nousu: noin +1,1 °C globaalisti (IPCC:n arvio vuoden 2020 tienoilla).
  • Luonne: erittäin nopea, ihmisen toiminnan (fossiiliset polttoaineet, metsien hävittäminen, kasvihuonekaasupäästöt) aiheuttama lämpeneminen.

Vertailutaulukko

 

Keskeiset havainnot:

 

  • Muutosnopeus: Ihmisen aiheuttama lämpeneminen on poikkeuksellisen nopeaa verrattuna luonnollisiin vaihteluihin. Milankovićin syklien ja Holoseenin vaihtelut tapahtuvat tuhansissa vuosissa, kun taas nykyinen lämpeneminen tapahtuu sadoissa vuosissa.
  • Lämpötilan suuruus: Ihmisen aiheuttama +1,1 °C on jo lähellä Holoseenin suurinta luonnollista vaihtelua ja voi kasvaa paljon suuremmaksi lähitulevaisuudessa, mikä saattaa ylittää jopa Milankovićin syklien aiheuttamat muutokset.
  • Ilmaston vakaus: Holoseenin ilmasto on ollut suhteellisen vakaa ja mahdollistanut ihmiskulttuurien kehityksen, mutta ihmisen aiheuttama nopea muutos uhkaa vakautta ja aiheuttaa laajoja ympäristö- ja ekosysteemimuutoksia.

 

Analysoidaan nyt ihmisen aiheuttaman lämpötilan nousun muutosnopeutta suhteessa Holoseenin ja Milankovichin syklien aiheuttamiin lämpötilan muutosnopeuksiin! Hyödynnetään PDE -yhtälöitä!

 

Lähtökohdat

 

Lämpötilan T vaihtelua ajassa t voidaan tarkastella funktiona T (t). Muutosnopeus on ajan derivaatta ∂T/∂t.

 

Holoseenin vaihtelut:

 

Lämpötilan vaihtelu n. ±1 °C n. 10 000 vuoden aikaskaalalla.

 

ΔTH ≈ 1°C, ΔtH ≈ 104 vuotta.

 

Milankovićin syklit:

 

Lämpötilavaihtelut 4–6 °C n. 100 000 vuoden aikaskaalalla.

 

ΔTM ≈ 5°C, ΔtM ≈ 105 vuotta.

 

Ihmisen aiheuttama lämpeneminen:

 

Noin 1,1 °C n. 150 vuoden aikana.

 

ΔTI ≈ 1.1°C, ΔtI ≈ 150 vuotta.

 

Muutosnopeuden arviointi

 

Lasketaan keskimääräinen lämpötilan muutosnopeus ΔT/Δt kussakin tapauksessa:

 

νH = ΔTH / ΔtH = 1/104 = 1 x 10 -4 °C/ vuosi

 

νM = ΔTM/ΔtM = 5/105 = 5 x 10 -5 °C/ vuosi

 

νI = ΔTI/ΔtI = 1.1/150 ≈ 7.3 x 10 -3 °C/ vuosi

 

Suhteelliset muutosnopeudet

Ihmisen aiheuttama muutosnopeus on:

 

νI / νH = 7.3 x 10-3 / 1 x 10-4 ≈ 73

 

Milankovićin syklien muutosnopeuteen verrattuna:

 

νI / νM = 7.3 x 10-3 / 5 x 10-5 ≈ 146

 

Eli ihmisen aiheuttama lämpeneminen on n. 70–150 kertaa nopeampaa kuin luonnollisten syklien aiheuttamat lämpötilamuutokset.

PDE -yhtälöiden näkökulma

 

Ilmaston lämpötilan muutosta voidaan mallintaa lämpötilakentän T (x, y, z, t) evoluutiona, missä x, y, z ovat avaruuskordinaatit ja t aika. Yksinkertaistettuna tarkastellaan vain ajallista muutosta keskimääräisessä lämpötilassa (yksittäinen piste tai globaali keskiarvo).

 

Yleinen muoto voisi olla:

 

∂T/∂t = D∇2T + S (t)

 

  • D∇2T kuvaa lämpödiffuusiota (lämpötilan avaruudellista tasaantumista).
  • S (t) on lämmön lähde- tai pakotetermi (esim. auringon säteily, kasvihuonekaasupäästöt).

 

Milankovićin syklit

 

  • S (t) on hitaasti muuttuva periodinen funktio, jossa jakso on kymmeniä tuhansia vuosia.
  • Derivaatta ∂S/∂t on hyvin pieni, koska syklit ovat hitaita.

 

Ihmisen aiheuttama pakote

 

  • S (t) sisältää kasvihuonekaasupäästöjen eksponentiaalisesti kasvavan komponentin (esim. CO₂-pitoisuuden kasvu).
  • ∂S/∂t on suuri lyhyellä aikavälillä, mikä aiheuttaa korkean lämpötilan muutosnopeuden ∂T/∂t.

 

Yhteenveto PDE:n kannalta

 

  • Milankovićin syklit ovat ikään kuin matalataajuuksinen harmoninen pakote, hitaasti muuttuva S (t), joka aiheuttaa matalan ∂T/∂t:n.
  • Ihmisen toiminta on nopea, ei-stationäärinen ja voimakas pakote S (t), joka nostaa ∂T/∂t arvoja nopeasti.
  • Tämä tekee ihmisen aiheuttamasta lämpenemisestä poikkeuksellisen nopean lämpötilanmuutoksen, joka ei sovi luonnollisten syklien malliin.

 

Simulointia ja grafiikkaa

 

Kaavoja (Milanković)

 

a) Precessio (n. 23 000 vuoden sykli)

 

P (t) = Ap sin (2πt/23000)

 

  • Ap: Amplitudi (tyypillisesti 0.5–1°C)
  • t: Aika vuosina (nykypäivä = 0)

 

b) Akselin kallistuskulma (n. 41 000 vuoden sykli)

 

O(t) = Ao sin (2πt/41000)

 

  • Ao: Amplitudi (n. 0.5°C)

 

c) Eksentrisyys (n. 100 000 vuoden sykli)

 

E(t) = Ae sin (2πt/100 000)

 

  • Ae: Amplitudi (n. 1–2°C)

 

Yhdistetty lämpötilamalli

 

TNATURAL (t) = E(t) + O(t) + P(t) + TTREND (t)

 

 

Loppukaneetti

 

Analyysi osoittaa selvästi, että vaikka luonnolliset ilmastosyklit voivat aiheuttaa merkittäviä lämpötilavaihteluita tuhansien tai kymmenientuhansien vuosien aikana, nykyinen ihmisen aiheuttama lämpeneminen tapahtuu yli 100 kertaa nopeammin. Mallinnuksessa nähtiin, kuinka ihmisen vaikutus ilmastoon nousee jyrkästi esiin luonnollisen taustavaihtelun rinnalla – kuin terävä signaali kohinassa. Tämä poikkeuksellinen muutosnopeus tekee nykyisestä ilmastonmuutoksesta ainutlaatuisen geologisessa mittakaavassa, ja vahvistaa sen, että kyseessä ei ole luonnollinen sykli, vaan ihmisen aiheuttama muutos.