Energia ja kliima

Kasvuhoonegaaside hulk atmosfääris ning planeedi keskmine peegeldusvõime on need, mis kujundavad planeedi keskmise temperatuuri, s.t kliima soojenemise või jahenemise.

ANDRES KUUSK

Sirbis on lähiajal olnud mitmeid kirjutisi kliima ja kliimamuutuste teemal. Näiteks Piia Posti kirjutis 17. juuli Sirbis annab põhjaliku ülevaate,1 mis on see kliima, mis muutub, ja mis on kliimasüsteem. Euroopa Liit on kavandanud meetmeid, et hoida ära inimkonna põhjustatud kliimamuutusi. Samal ajal on nii arvamusliidrite hulgas kui maailmapoliitikas neid, kes usuvad, et Maa kliima on määratud ainult astronoomiliste parameetritega (Päikese kiirgus, Maa orbiit ja telje kalle) ja inimtegevus ei suuda planeedi kliimat muuta ning kõik need meetmed kliimamuutuste tõkestamiseks on kellegi huvides aetav äri. Püüame saada natuke selgust, kellel on õigus. Meil siin Maa peal on võrdluseks Kuu – Päikesest sama kaugel, aga mitmeti Maast erinev ja inimtegevusest mõjutamata. Maa ja Kuu omavaheline võrdlus on abiks ka maapealse kliima mõistmisel.

Inimtegevus ja kliima

Inimtegevus muudab planeedi kliimat. See väide pole usk – see tugineb füüsikaseadustel. Planeedi kliimat kujundavad füüsikaseadused pole küll triviaalsed, aga on siiski täiesti mõistetavad. Piia Posti artiklis on defineeritud kliima kitsamas ja laiemas mõttes. Rohkem mõtleme kliimale kitsamas mõttes: keskmine ilm ja selle statistiline kirjeldamine ilma parameetrite kaudu (temperatuur, sademed, tuul jms). Nii teame, et on kontinentaalne ja mereline, troopiline, parasvöötme ja arktiline kliima. Planeedi kliima kõige olulisem parameeter on temperatuur, inimkonnale mõistagi pinnatemperatuur ja temperatuur atmosfääri maalähedases kihis. Temperatuurist sõltub otseselt või kaudselt kogu kliimasüsteem. Inimeste eluks sobivate temperatuuride vahemik on ahtake. Ka Maal on piirkondi, kus temperatuur on eluks sobimatult kas liiga madal või liiga kõrge. Metsi, rohumaid ja viljakandvaid põlde pole ei Antarktika jää- ja lumeväljadel ega kõrbete liivaväljadel. Planeedi keskmise temperatuuri muutus kujundab eluks sobivate temperatuuridega alade paiknemist ja osakaalu.

Olen Sirbis (8. XI 2019) kirjutanud energia rollist, ressurssidest ja tarbimisest inimühiskonnas.2 Kahjuks lipsas tollasesse artiklisse ka üks eksitav viga. Kuiva puidu kütteväärtus on 20 MJ/kg, mitte 0,2 MJ/kg, nagu siis kirjutasin. Nii on Eesti metsa kasutegur energiasalvestina umbes 0,1%. See eksitav viga ei muuda tollase kirjutise järeldust, et fotosüntees energiasalvestina ei suuda jooksvalt asendada fossiilkütuseid.

Vaatleme nüüd kogu planeedi energiamajandust ja võrdleme omavahel sama päikesekiirguse käes olevat Maad ja Kuud. Maa ja Kuu hõljuvad tühjas maailmaruumis. Tühjuses hõljuv taevakeha saab energiat ja kaotab energiat ainult elektromagnetkiirgusega. Peaaegu kogu Maale ja Kuule saabuv energia on Päikese kiirgusenergia. See on Päikese soojuskiirgus, aga kuivõrd Päikese temperatuur on väga kõrge, on enamik kiirgusenergiast nähtav valgus ja lühilaineline infrapunakiirgus. Päikesekiirtega risti olevale pinnale saabub 1360 W/m2 Päikese kiirgusenergiat. Igasugune muu kosmiliste osakeste voog on summaarse energia poolest Päikese elektromagnetkiirgusega võrreldes väga väike.

Astronoomid teavad, et Päike on väga stabiilne täht. Mitme miljoni aasta kestel ei ole Päikese kiirgusenergia kuigivõrd muutunud. Päikeseaktiivsuse 11aastase tsükli kestel muutub päikesekiirgus kõigest umbes 0,1%.

Päikesekiirguse neeldudes taevakeha temperatuur tõuseb. Temperatuuri tõustes hakkab taevakeha maailmaruumi kiirgama rohkem soojuskiirgust, nii et tema temperatuur langeb. See temperatuur, kui soojuskiirgusena lahkub samapalju energiat kui neeldub saabuvat kiirgusenergiat, on tasakaaluline temperatuur. Tasakaalutemperatuur saab muutuda siis, kui muutub kinnipüütava päikesekiirguse hulk (muutub taevakeha peegeldusvõime) või muutub keha temperatuuriga määratud soojuskiirgusena lahkuv energiavoog. Kui Maa orbiidil oleksid tahmakera, mis neelab kogu saabuva päikesekiirguse, ja lumekera, mis peegeldab 90% saabuvast päikesekiirgusest tagasi maailmaruumi, siis oleks tahmakera temperatuur +5 °C ja lumekera temperatuur –117 °C.

Päikese poolt vaadates on Maa 1,275 × 1014 m2 pindalaga ketas, mis lõikab ära 1,7 × 1017 W kiirgusvoo. Sellest hajub tagasi maailmaruumi veidi rohkem kui 30%, Maa ookeanides, maapinnal ja atmosfääris neeldub aastas 3,8 × 1024 J kiirgusenergiat.

Fossiilkütuseid kasutas inimkond 2018. aastal 11,7 × 109 TOE,3 mille põletamine andis aastas 12 × 1018 J soojusenergiat. TOE on tonni nafta energeetiline ekvivalent, selle põletamisel saadav energiahulk on 42 GJ (42 × 109 J). Fossiilkütuste põletamine andis aastas sooja 300 000 korda vähem kui päikesekiirgus, fossiilkütuste põletamisega me planeeti soojaks ei küta. Aga ometi on just fossiilkütuste põletamine see, mis tõstab Maa pinna ja maalähedase õhu temperatuuri, sest see mõjutab otseselt planeedi ja maailmaruumi energiavahetust.

Kuu ja kasvuhoonegaasid

Kuu on palju tumedam kui Maa, Kuu peegeldab tagasi maailmaruumi kõigest 11% saabunud päikesekiirgusest. Kuu pinna tasakaaluline temperatuur on –3 °C. Kuu püüab ruutmeetri kohta päikesekiirgust kinni 1,3 korda rohkem kui Maa, aga meil on Maa peal keskmiselt umbes 20 kraadi soojem kui Kuu peal. Põhjus on selles, et Maad ümbritseb atmosfäär, mis on hästi läbipaistev lühilainelisele päikesekiirgusele (nähtav ja lühilaineline infrapunakiirgus). Suur osa lühilainelist päikesekiirgust läbib atmosfääri nii selge taeva korral kui ka õhukeste pilvede (kihtpilved) või osalise pilvkatte korral (ilusa ilma rünkpilved). Ookeanidelt, maapinnalt, pilvedelt ja atmosfääri­gaasidelt ning aerosoolilt hajub maailmaruumi tagasi veidi üle 30% saabunud päikesekiirgusest, ülejäänu soojendab maapinda ja ookeanide vett ning need kiirgavad oma temperatuurile vastavalt soojuskiirgust maailmaruumi. Kui Maa atmosfäär laseks soojuskiirgust läbi niisama hästi kui lühilainelist päikesekiirgust, oleks planeedi pinna keskmine tasakaaluline temperatuur –20 °C, s.t 35 kraadi madalam kui praegu.

Atmosfääris on nn kasvuhoonegaase, mis neelavad silmale nähtamatut soojuskiirgust ja kiirgavad omakorda muist maapinnalt soojuskiirgusena lahkuvast energiast tagasi maapinnale. Sellepärast on maalähedane temperatuur kõrgem kui planeedi tasakaaluline temperatuur. Rohkem kui 6000 ilmajaama mõõtmisandmed annavad planeedi keskmiseks pinnatemperatuuriks +15 °C. Planeedi tasakaaluline temperatuur –20 °C on temperatuur atmosfääris viie kilomeetri kõrgusel. Kaalult pool õhust on sellest nivoost madalamal ja selle temperatuur on kõrgem kui planeedi tasakaaluline temperatuur.

Neli kõige olulisemat kasvuhoonegaasi Maa atmosfääris on veeaur, süsihappegaas, metaan ja osoon. Hinnangud nende gaaside osale kasvuhooneefektis on suure määramatusega kahel põhjusel. Nende gaaside neeldumisribad (lainepikkused, missugune kiirgus neeldub) on ülekattuvad ning nende kontsentratsioon varieerub tublisti nii paigast paika kui olenevalt aastaajast. Kasvuhoone­efektist põhjustab veeaur 36–70%, süsihappegaas 9–26%, metaan 4–9%, osoon 3–7%.4 Vett on Maal rohkesti, aga seda ei saa omatahtsi atmosfääri lisada – sajab vihmana tagasi. Veeauru hulk atmosfääris sõltub ainult atmosfääri keskmisest temperatuurist. Inimtegevus saab seda mõjutada ainult kaudselt, muutes oma tegevusega atmosfääri temperatuuri. Küll aga mõjutab inimtegevus väga otseselt süsihappegaasi hulka atmosfääris ning kuigivõrd ka metaani hulka atmosfääris. Fossiilkütuste põletamisega on inimkond industriaalajal viinud süsihappegaasi atmosfääri umbes neli korda rohkem, kui seda on seal praegu. Oluline süsihappegaasi atmosfääri panustaja on ka tsemenditootmine. Kogu atmosfääri viidud süsihappegaas ei jää atmosfääri. Osa neeldub ookeanide vees, osa seotakse fotosünteesis taimede poolt nii maismaal kui ookeanides. Kui enamik maismaataimede seotud CO2-st jõuab varem või hiljem tagasi atmosfääri, siis ookeanis lahustunud ja fotosünteesiga seotud süsinik ladestub ookeanide põhja. Ikkagi on atmosfääri CO2 sisaldus viimase paari­saja aastaga tõusnud jääajajärgselt 280 ppm-ilt rohkem kui 400 ppm-ini (ppm – parts per million, üks miljonist). Atmosfääri praegune CO2 sisaldus on viimase 14 miljoni aasta kõrgeim.5

Planeedi peegeldusvõime muutus

Kasvuhooneefekti olemasolu ja tugevus ei ole ainuke, mis mõjutab planeedi ja pinnalähedast keskmist temperatuuri. Maa energiabilanssi mõjutab ka keskmise peegeldusteguri muutus. Planeedi peegeldusvõime (albeedo) kujundavad maismaa ja ookeanide pindala suhe, pilvisuse ja lumi- ja jääkatte hulk, reljeef ning taimkatte olemasolu ja tihedus, tolmu hulk atmosfääris. Need kaks – kasvuhoonegaaside hulk atmosfääris ning planeedi (maa, mere ja atmosfääri) keskmine peegeldusvõime on need, mis kujundavad planeedi keskmise temperatuuri, s.t kliima soojenemise või jahenemise. Maa kliima luuakse ookeanides, maapinnal ja atmosfääris. Need kolm saavad muutuda ning muutuvadki märksa kiiremini ja rohkem kui astronoomilised parameetrid Päikese kiirgusenergia, Maa orbiit ja Maa telje kalle. Kui Maa oleks optiliselt ja soojuslikult ühesugune kera, ei muudaks pöörlemistelje kalde muutused üldse planeedi keskmist temperatuuri. Pöörlemiskiirus muudab.

Kuu ööpäev kestab 28 Maa ööpäeva. Sellepärast, et Kuu ööpäev on nii pikk ja et Kuul pole atmosfääri ega väga suure soojusmahtuvusega ning üsna hästi soojust ringi transportivaid ookeane, on temperatuuri muutuste amplituud Kuul väga suur. Kuu ekvaatoril tõuseb temperatuur Kuu päeval +120 °C-ni ja langeb öösel –170 °C-ni. Kuna soojuskiirguse olenevus temperatuurist on tugevalt mittelineaarne – võrdeline absoluutse temperatuuri neljanda astmega, siis erineb ka kogu Kuu soojuskiirgus tublisti keskmistatud temperatuurile vastavast soojuskiirgusest.

Maismaa, mere ja atmosfääri optilisi ja soojuslikke omadusi muudavad geoloogilised protsessid. Need muutused on aeglased. Viimase paarisaja aasta kestel pole olnud suuri mandrite triive ega mäeahelike muutusi, mis kujundaksid ümber vee ja maismaa suhet, paiknemise mustrit või globaalset atmosfääri tsirkulatsiooni. Maismaa, mere ja atmosfääri optilisi ja soojuslikke omadusi suudab muuta ja muudabki inimtegevus. Inimtegevus on muutnud kasvuhoonegaaside hulka atmosfääris, atmosfääri läbipaistvust lühilainelisele päikesekiirgusele atmosfääri viidud suitsu, tolmu ja mootorite heitgaasidega,6 pilvede tekkimist atmosfääri viidud aerosooliga, maismaa peegeldusvõimet tumedate vihmametsade maharaiumisega, rohumaade ülekarjatamise tõttu kõrbestumisega, lumikatte ja jääväljade tööstustolmuga saastamisega, ookeanide peegeldusvõimet neid katva saastaga, ennekõike plastiga.

Inimtegevus on pigem kasvatanud kui kahandanud planeedi peegeldustegurit ja seega vähendanud päikesekiirguse neeldumist. Kumb kumma Maa energiabilansis üle kaalub, kas inimtegevusest põhjustatud kasvuhooneefekti tugevnemine või planeedi peegeldusvõime kasv, seda näitavad kõige paremini suure inertsiga looduslikud protsessid – polaaralade ja liustike jää hulk ning taimeliikide levik. Satelliidimõõtmised näitavad nii Põhja-Jäämere merejää kui ka Antarktika ja Gröönimaa mandrijää vähenemist viimastel aastakümnetel. Tugevasti on taandunud liustikud mägedes. Mandrijää sulamisega kaasneb maailmamere veetaseme tõus. Satelliidimõõtmised kinnitavad, et viimase 20 aasta keskmine ookeanide veetaseme tõus on 3 mm/a, ja see tõus kiireneb.7 Suvine Arktika merejää pindala on kogu satelliidimõõtmiste 40 aasta kestel pidevalt vähenenud.8 Parasvöötme taimeliikide leviala piir nihkub kaugemale põhja.9 Niisugused muutused keskkonnas kinnitavad veenvalt, et kasvuhoone­efekti kasv domineerib ning planeedi albeedo muutused ei suuda kasvuhoone­efektist tingitud soojenemist kompenseerida. Seega on meetmed süsiniku­neutraalsuse tagamiseks õigustatud. Taastumatute fossiilkütuste asendamine taastuvenergiaga on vajalik mitte ainult inimkonna energeetilise jätkusuutlikkuse tagamiseks, vaid ka keskkonna soovimatute muutuste ärahoidmiseks.

Võib ju mõelda, et maailmas on piirkondi, kus elada on liiga külm. Kliima soojenedes laieneb eluks sobilik maa-ala neisse piirkondadesse. Kahjuks näitab praktika, et praegu elutegevuseks sobilikud alad muutuvad elamiseks kõlbmatuks kiiremini kui seni liiga külmad alad elukõlblikuks. Seetõttu vähendab kliima kiire soojenemine eluks kõlblikku maa-ala ning tekitab rändesurvet elutegevuseks sobivates piirkondades. Inimkond kasutab rohkesti rohkem kui sada aastat vanu rajatisi. Kiire kliimamuutuse korral muutub mingi osa neist uutes kliimatingimustes sobimatuks. Tihedalt on asustatud madalad rannikualad. Juba meetrine ookeanide veetaseme tõus sunnib elukohta vahetama väga suurt hulka inimesi. Kliimamuutustega seotud muutused veevarustuses tekitavad suuri probleeme põllumajanduses – mõnes piirkonnas sagenevad üleujutused, teisal tekib vajadus (täiendavaks) niisutamiseks, milleks ei pruugi olla saadaval vajalikku vett. Nii põhjustab kiire kliima soojenemine inimkonnale vägagi tõsiseid probleeme ja selle eitamine on jaanalinnu kombel silmade sulgemine.

Globaalse temperatuuri muutus 1880–2018. Nullnivoo vastab XX sajandi keskmisele temperatuurile. Allikas: Steve Cole, Fourth Warmest Year in Continued Warming Trend, According to NASA, NOAA. – The Earth Observer 2019, 31(1), 24.

Arktika merejää pindala talvel ja suvel.

Allikas: National Snow and Ice Data Center. Arctic sea ice news & analysis. https://nsidc.org/arcticseaicenews/

Atmosfääri viidud süsiniku hulk aastail 1850–2008.

Allikas: Carbon Dioxide Information Analysis Center; https://web.archive.org/web/20110814011957/http://cdiac.ornl.gov/

Andres Kuusk on Tõravere observatooriumi geofüüsikadoktor.

1 Piia Post, Mis on see kliima, mis muutub? – Sirp 20. VII 2020.

2 Andres Kuusk, Kõige tähtsam on energia. – Sirp 8. XI 2019.

3 BP Statistical Review of World Energy 2019.

4 J. T. Kiehl, Kevin E. Trenberth, Earth’s annual global mean energy budget. –

Bulletin of the American Meteorological Society 1997 78(2): 197–208.

5 Yi Ge Zhang, Mark Pagani, Zhonghui Liu, Steven M. Bohaty and Robert DeConto, A 40-million-year history of atmospheric CO2. – Philosophical Transactions of the Royal Society A – Mathematical Physical and Engineering Sciences 2013. 371 (2001): 20130096.

6 Martin Wild, …, Ain Kallis, Viivi Russak, … (2005), From dimming to brightening: decadal changes in solar radiation at Earth’s surface. – Science 2005, 308, 847–850.

7 Steve Platnick, Thirty years reporting on NASA’s Earth science program. The Earth Observer 2019, 31(5), 1-2.

8 National Snow and Ice Data Center. Arctic sea ice news & analysis; https://nsidc.org/arcticseaicenews

9 Lesley Hughes, Biological consequences of global warming: is the signal already apparent? Trends in Ecology & Evolution 2000, 15, 56–61.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming
Müürileht