Miten ilmaston tulevaisuutta ennustetaan? CMIP-mallinnus vaatii sadoilta tutkijoilta vuosien työn

Suomalaistutkijat liittyivät CMIP-mallintajiin, ennustamaan ilmaston tulevaisuutta. Ilmastopaneelin uusi raportti soittaa hälytyskelloja.

Sisu-supertietokoneen prosessorit pyörittävät EC-Earth-ympäristömallia Kajaanissa. Tutkijat Helsingin Kumpulassa tarkkailevat numerosarjoja läppäreiltään. Päämääränä on selvittää, miten ilmakehän kaasupitoisuudet, kasvillisuuden muutokset, merivirrat, pienhiukkaset, pilvisyys, sademäärät ja lämpötila vaikuttavat toisiinsa ja ilmaston kokonaisuuteen.

Tietokonemallinnus on totuttu työkalu, mutta käynnissä on erityinen ponnistus. Helsingin yliopisto ja Ilmatieteen laitos ovat ensimmäisinä suomalaisina tutkimuslaitoksina mukana maailman ilmastotutkimusohjelman kansainvälisessä ilmastomallinnushankkeessa, CMIP:ssä. Käynnissä on projektin kuudes vaihe, CMIP6.

VUOSIEN TUTKIMUS

Tarkoituksena on ymmärtää planeetan ilmastoa paremmin. CMIP6:ssa on mukana kymmeniä ilmastomalleja, joiden takana on useita yliopistoja ja tutkimuslaitoksia, satoja tutkijoita ja vuosien työ.

Tutkimusartikkelien lisäksi malliajoja käytetään hallitustenvälisen ilmastopaneelin eli IPCC:n seuraavassa, kuudennessa arviointiraportissa, joka on määrä julkaista vuonna 2022.

IPCC:n 8.10.2018 julkaisema erityisraportti on painokas tieteen puheenvuoro paremman ilmastopolitiikan välttämättömyydestä.

AEROSOLIT

Suomessa CMIP6:ssa keskitytään erityisesti mallintamaan tarkemmin aerosolien vaikutusta ilmastoon. Helsingin yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen tutkijat ovat kehittäneet EC-Earthin aerosolimallia, joka ei vielä ollut mukana CMIP5:ssä. Suomalainen hiukkastutkimus on maailman huippuluokkaa.

MIKSI JÄÄ SULAA?

Kun hiiltä poltetaan, betonia valmistetaan, metsiä hakataan tai soita ojitetaan, ilmakehään pääsee hiilidioksidia ja muita kasvihuonekaasuja. Pitoisuudet nousevat ja ilmakehän lämpötila nousee. Hiilidioksidista neljännes ja lämmöstä enin osa uppoaa meriin. Siksi arktiset merijäät sulavat.

Sula meri ei heijasta auringon säteilyä avaruuteen kuten jää, mikä lämmittää ilmastoa entisestään. Toisaalta sulasta merestä haihtuu ilmoille enemmän valoa siroavia ja pilvisyyttä lisääviä aerosoleja, joista suuri osa viilentää lämpötilaa.

Merijään väheneminen saattaa lisätä pohjoisen lumisuutta, mikä taas heijastaa auringon lämpöä avaruuteen. Lämpeneminen saattaa toisilla alueilla lisätä hiilen varastoitumista, toisaalla aiheuttaa lämmittäviä hiilipäästöjä.

Hiilidioksidi ilmakehässä saa aikaan lukuisia seurauksia niin elollisessa luonnossa kuin merissä ja maaperässäkin. Näitä muutoksia ilmastomallit hahmottelevat.

MAA, MERI JA HIUKKASET

Sisun uumenissa raksuttavan EC-Earth-mallin ytimenä ovat eurooppalaisesta säämallista jalostettu ilmakehämalli ja Itämeren jäätilanteitakin ennustava merimalli.

Niiden lisäksi maaekosysteemimalli kuvaa maaperän, kasvillisuuden ja ilmakehän suhteita, aerosolimalli pienhiukkasten syntyä ja kehitystä ja merten biokemiamalli planktonin ja hiilen kiertoa merissä.

MITÄ MALLI EI NÄYTÄ?

Kaikkia asioita mallinnus ei vielä tavoita kyllin todenmukaisesti. EC-Earthin virtuaaliset mannerjäätiköt eivät reagoi laskentaan, vaan jäätiköt täytyy kuvata yksinkertaistettuina. Tanskassa tosin tutkijat ajavat EC-Earthin rinnalla dynaamista mannerjäätikkömallia.

Subtrooppisten sateiden kuvaaminen on hankalaa, samoin sulavan ikiroudan päästöt. Kasvillisuus kuvataan malleissa ylimalkaisesti. Rannikoiden kumpuamisilmiö eli syvien vesikerrosten kohoaminen pintaan koettelee merimallien tarkkuutta. Myös jäätiköille satava vesi tai lumi voi aiheuttaa malleissa ongelmia.

MITEN LASKETAAN?

Ilmastomalleissa planeetta jaetaan kolmiulotteiseen ruudukkoon noin 100 kilometrin hilavälillä. Tarkkuuden ja laskentanopeuden välillä mietitään tasapainoa: mallit ovat raskaita ja aika on rajallista.

Ilmastomallien pohjalla on muun muassa fysiikan peruskaavoja, mekaniikkaa, termodynamiikkaa ja ilmiöiden mahdollisimman tarkkaa kuvausta.

MITEN TOIMII?

Mallille määritetään alkutila. Sitten sille annetaan pakote, esimerkiksi lisätään hiilidioksidin pitoisuutta ilmakehässä. Sen jälkeen mallin annetaan tehdä tehtävänsä lisäämättä enää laskennan aikana kertyvää havaintodataa.

Säämallinnuksessa toimitaan toisin. Siinä uusimmat säähavainnot korjaavat mallin alkutilaa, joka määrää käytännössä lopputuloksen. Ilmastomalleissa merkityksellisimpiä ovat reunaehdot, kuten juuri kasvihuonekaasujen lisäys ilmakehään.

ILMASTO JA SÄÄ

Miksi luottaa ilmastomallien ennusteisiin 50 tai 100 vuotta eteenpäin, jos edes tulevan viikonlopun sää ei ole selvillä? Sää ja ilmasto ovat eri asioita. Ilmasto merkitsee todennäköisyyksiä siitä, mitä keskimäärin on odotettavissa ja sää on yhden hetken toteutunut säätila.

POLIITIKOT MUKAAN!

CMIP-ajoissa simuloidaan mennyttä, nykyistä ja erilaisia tulevaisuudenkuvia. CMIP antaa valistuneelle politiikalle tukea, ei vastauksia. Mallinnuksen avulla pyritään tuottamaan mahdollisimman luotettavaa tietoa ja uutta ymmärrystä.

Päätöksenteon pohjaksi on erilaisia päästöskenaarioita (RCP) ja viisi sosioekonomista kulkuväylää (SSP). Maailmanpolitiikka, konfliktit ja inhimilliset kärsimykset otetaan mukaan laskelmiin.

TESTAUS

Kukin EC-Earthin osamalleista on tutkijoiden säännöllisessä käytössä. CMIP-ajoihin osallistuvat mallit joutuvat ensin pääsykokeisiin. Erilaisilla testiajoilla malleja voi verrata toisiinsa ja todellisiin tapahtumiin. Toimiiko ilmasto mallissa kuin historiassa? Miten eri mallit reagoivat muuttuviin reunaehtoihin?

Mallien epäluotettavuus ei ole suurin huolista. Yöunensa voi menettää pikemminkin siksi, että ilmastomallit näyttävät pitävän kutinsa.

TULEVA JA MENNYT

Tulevaisuuden arviointi ei ole yhtä helppoa kuin menneen. Nykyinen ilmastonmuutoksen maailma toimii eri tavoin kuin esiteollinen aika. Monien muuttujien ja takaisinkytkentöjen ilmastojärjestelmä on vaikeampi ennakoida, kun muutos on nopea ja mittava.

Mitä kauemmas tulevaisuuteen mennään, sitä vähemmän vastineita lähihistoriasta löytyy. Hiilidioksidipitoisuus ei ole ollut nykyistä vastaavalla tasolla muutamaan miljoonaan vuoteen, ja nousua on yhä odotettavissa. Siksi mallinnuksen apuna käytetään esimerkiksi fossiilinäytteistä saatua ilmastotietoa menneisyydestä.

Artikkelin taustaksi on haastateltu Risto Makkosta, Petteri Uotilaa ja Tuula Aaltoa.

RISTO MAKKONEN

Tutkimusprofessori Ilmatieteen laitoksella ja tutkija Helsingin yliopistossa. Vastuussa Suomen osuudesta EC-Earth-mallin CMIP-ajoissa.

PETTERI UOTILA

Professori Helsingin yliopiston ilmakehätieteiden keskuksessa INARissa. Ollut mukana jo CMIP3-hankkeesta lähtien. Oli mukana IPCC:n viidennen arviointiraportin mallinnuksissa australialaisen ACCESS-mallin parissa.

TUULA AALTO

Ilmatieteen laitoksen vanhempi tutkija. Johtaa hiilen kierron tutkimusryhmää. On ollut kehittämässä eri maaekosysteemimalleja.

Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehden numerossa Y/08/18.

Katso myös: Ilmakehätieteiden maisteriohjelma

Lue lisää aiheesta: Kestävä kehitys