Geologiasta apua ilmastonmuutoksen hillintään ja ilmastonmuutokseen varautumiseen maa- ja merialueilla

Ihmistoiminnan vaikutuksesta lisääntyneet kasvihuonekaasut ilmakehässä ovat lämmittäneet maapallon ilmastoa lähelle sellaista pistettä, jonka jälkeen maapallo uhkaa lämmetä hallitsemattomasti ja osa maapallosta voi jopa muuttua asuinkelvottomaksi.

Geologisten aikasarjojen, kuten valtamerten sedimenttien tutkimukset, ovat osoittaneet, miten dramaattisia seurauksia ilmakehän kasvihuonekaasujen, kuten hiilidioksidin ja metaanin, kohonneista pitoisuuksista on maapallon ilmastolle ja elämälle.

Paleoseeni-eoseeni lämpömaksimi (PETM) ~55–56 miljoonaa vuotta sitten on suurin tunnettu kenotsooisen kauden lyhyt, nopea ilmaston lämpeneminen, johon liittyi ilmakehän hiilidioksidin ja metaanin voimakas lisääntyminen. Tähän kasvihuonekaasujen (hiilidioksidin ja metaanin) lisääntymiseen valtameri-ilmakehäjärjestelmään liittyi yli 5°C:n lämpeneminen kaikilla leveysasteilla, niin merenpinnalla kuin syvällä valtameressä. Lämpeneminen tapahtui muutaman tuhannen vuoden aikana. PETM on yhdistetty muun muassa suurimpaan syvänmeren massasukupuuttotapahtumaan viimeisten noin 60 miljoonan vuoden aikana.

Yhtenä mahdollisena syynä PETM lämpömaksimille on pidetty aktiivista tulivuoritoimintaa, joka olisi lisännyt ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta aiheuttaen ilmaston lämpenemisen. On todisteita myös siitä, että lämpenemisen vaikutuksesta muun muassa merenpohjan metaanihydraatteihin sitoutunutta metaania olisi vapautunut enemmän ilmakehään kiihdyttäen ilmaston lämpenemistä.

Tällä hetkellä hiilidioksidipitoisuudet ilmakehässä ovat suuremmat kuin koskaan viimeisen vajaan miljoonan vuoden aikana (kuva).

 

Ilmastonmuutos koskettaa meistä jokaista tavalla tai toisella. Maapallon keskilämpötila nousee. Ilmastonmuutoksen aiheuttama valtamerenpinnan kohoaminen on uhka matalilla saarilla ja rannikkoalueilla. Jääpeitteisillä alueilla elinympäristöt muuttuvat ja katoavat kovaa vauhtia jään sulamisen ja vähenemisen myötä. Merivirrat muuttuvat. Sään ääri-ilmiöt, kuten kuivuus, rankkasateet ja myrskyt, aiheuttavat tuhoja monilla alueilla ympäri maapalloa.

Myös lähialueillamme muutokset ovat olleet jo suuria, esimerkiksi vuosittaiset keskilämpötilat, niin ilman kuin merivedenkin, ovat kasvaneet. Koko Itämerellä merijään vuosittainen jään pinta-ala on vähentynyt ja jäätalvien pituus Itämerellä lyhentynyt.

Ilmastonmuutoksen hillitsemisen ja ilmastonmuutokseen sopeutumisen eteen tehdään paljon töitä, ja niin on tehtävä jatkossakin. Myös geologia tieteenalana ja GTK organisaationa tekee töitä vähähiilisen yhteiskunnan mahdollistamiseksi.

Sedimenttitutkimus ilmastonmuutokseen sopeutumisen tukena

Sedimenttitutkimus antaa viitteitä ja keinoja ilmastonmuutoksen ja sen vaikutusten ennustamiseksi entistä paremmin. Se tuottaa tietoa menneistä ilmastonmuutoksista ja niiden vaikutuksista ympäristöön, kuten meriin ja järviin.

Sedimenttitutkimuksen ja mallinnuksen avulla saadut tulokset antavat viitteitä siitä, että ilmaston lämpeneminen saattaa lisätä Itämeren ympäristöongelmia, kuten rehevöitymistä ja pohjien hapettomuutta (mm. BONUS INFLOW-hanke). Vaikka nykyinen rehevöityminen johtuu pääosin ihmisperäisestä kuormituksesta, niin myös menneinä lämpiminä kausina orgaanisen aineksen tuotanto (perustuotanto) meressä on ollut suurta ja laajat alueet Itämeren syvänteiden pohjista ovat kärsineet hapettomuudesta.

Sedimenttitutkimukset osoittavat, että Itämeren pintalämpötila on ollut menneinä lämpiminä aikakausina, esimerkiksi keskiajalla, nykyisen suuruinen tai hieman nykyistä lämpimämpi ja meren hapettomuus laaja-alaisempaa kuin tänä päivänä. Keskiajalla vallinnut merenpohjan laaja-alainen hapettomuus johtui todennäköisesti kohonneista Itämeren pintalämpötiloista sekä ilmakehän kiertoliikkeiden muutoksista. Pohjanmeren ja Atlantin suolapulssien vaikutus Itämeren syvänteiden happitilanteeseen on myös ollut ja on edelleen merkittävä. Hapettomuuden vuoksi merenpohjan eläimistö yksipuolistui ja syvimmillä alueilla kuoli kokonaan.

Vaikka Itämeren suojelemiseksi on tehty viime vuosikymmeninä paljon töitä, on Itämeren hyvän tilan saavuttamiseksi vielä paljon tehtävää, sillä rannikko- ja merialueiden käyttöpaineet ovat kasvaneet. Jotta voisimme minimoida ilmastonmuutoksen ja sen aiheuttaman lämpötilan muutoksen vaikutuksia Itämeren tilaan, on muun muassa ravinnekuormitusta Itämereen vähennettävä vastaisuudessakin.

Mielenkiintoisia tuloksia on saatu myös Itämeren IODP tutkimusmatkan (IODP Expedition 347: Baltic Sea Paleoenvironment) kairaamien sedimenttinäytesarjojen tutkimuksissa, kuten Suomen Akatemian rahoittamassa CISU-hankkeessa. Sedimentteihin tallentuneet muutokset osoittivat yhteyksiä Fennoskandian mannerjäätikön käyttäytymisen sekä ilmakehässä ja valtameressä tapahtuneiden nopeiden muutosten välillä. Fennoskandian mannerjäätikön sulavesipurkauksilla oli vaikutuksia valtamerenkiertoon Pohjois-Atlantilla. Tutkimukset mannerjäätiköiden käyttäytymisestä ja erityisesti vetäytymisestä lisäävät ymmärrystä siitä, miten jääpeitteet, valtameret ja rannikkoympäristöt kehittyvät lämpenevän ilmaston olosuhteissa.

Ratkaisuja turpeen kestävään käyttöön ja hiilensidonnan edistämiseen

Turvemaiden hiilivarastot ovat suuremmat kuin minkään muun maaekosysteemin. Holoseenikauden ilmasto on pääosin suosinut turpeen kertymistä ja ylläpitänyt soiden suurta hiilinielua (C) erityisesti boreaalisilla ja subarktisilla alueilla. Vaikka suot kattavat vain noin 3 % maapallon maa-alasta, niihin on sitoutunut noin 50 % ilmakehän 863 Pg C:stä CO2:na.

Suomessa turvemaiden rooli on vieläkin merkittävämpi, sillä ne kattavat noin 30 % maa-alasta ja sisältävät kaksi kolmasosaa suomalaisten ekosysteemien hiilivarastosta. Luonnontilaisilla soilla kasviaineksen hajotus tapahtuu pääosin hapekkaassa pintakerroksessa, mutta noin 10 % soiden perustuotannosta siirtyy pysyvän pohjavesipinnan alaiseen vähähappiseen turvekerrokseen, eli turvetta kerrostuu vuosituhansiksi toisin kuin esimerkiksi metsän puissa, jotka tyypillisesti korjataan ihmisen määrittelemän kiertoajan puitteissa.

Soiden hiilensidonta ja hiilivaraston pysyvyys on riippuvainen vähähappisista eli märistä olosuhteista, joissa orgaanisen aineen hajotus on hidasta ja epätäydellistä. Turvemaiden taloudellinen hyödyntäminen vaatii yleensä aina kuivatuksen, mikä johtaa hapellisen pintakerroksen syvenemiseen ja turvepatjan kiihtyvään hajoamiseen. Turpeen hajoaminen on selvästi nopeinta muokatuilla ja lannoitetuilla turvepelloilla, mutta merkittävää turpeen hävikkiä tapahtuu myös ravinteikkailla metsäojitetuilla turvemailla. Ojitettujen soiden turve vapauttaa hajotessaan hiilidioksidia takaisin ilmakehään.

Sekä soiden ylläpitämän hiilivaraston että hiilinielujen suuri merkitys ilmastonmuutoksen kannalta tulisi tunnustaa ja ottaa huomioon kaikissa maankäyttöön liittyvissä keskusteluissa. Samoin maankäytön aiheuttamat muutokset soiden hiilitaseisiin olisi syytä huomioida ja löytää keinoja ojituksen aiheuttamien CO2 päästöjen vähentämiseen.

Maailmanlaajuisesti vaikuttavin ihmistoiminnan maankäyttömuoto turvemailla on maatalous. Suomessa yli 50 % turvemaa-alasta on kuivattu metsätalouteen (5,7 miljoonaa ha), kun taas maatalouteen ja turvetuotantoon kuivatetut alat ovat selvästi pienemmät (0,5 milj. ha ja noin 0,1 milj. ha). Kuivatuksen vuoksi Suomen turvemaa-ala on laskenut 10.2 milj. hehtaarista 9.1 milj. hehtaariin ja vuodesta 1950 lähtien turvemaiden turpeen kokonaishiilivarasto on pienentynyt 3–10 % eli noin 170–510 Tg.

Ihmistoiminnan lisäksi soiden hiilivarasto ja toiminta hiilinieluna saattavat muuttua ilmastonmuutoksen seurauksena. Ilmaston lämpeneminen lisää erityisesti pohjoisten soiden evapotranspiraatio, mikä kuivattaa soita. Myös kuivuuskausien lisääntyvä frekvenssi ja pituus vaikuttavat soiden vesitalouteen. Nämä muutokset saattavat vähentää myös luonnontilaisten soiden hiilinielujen suuruutta ja lisätä turpeeseen sitoutuneen hiilivaraston hajoamista. Ilmastonmuutos voi siis soiden kuivumisen kautta kiihtyä entisestään.

Ojitettujen soiden hiilivaraston säilyvyyteen voidaan vaikuttaa säätelemällä suon vedenpinnan tasoa, eli käytännössä nostaa vedenpintaa riittävän korkealle (10‒20 cm turvepinnan alapuolelle), jotta turpeen hajoaminen hidastuu. Maatalousmailla tämä tarkoittaisi siirtymistä kosteikkoviljelyyn tai säätösalaojituksella hallittuun kasvukauden aikana vaihtuvaan vedenpinnan tasoon. Metsätalousmailla jatkuvapeitteinen kasvatus saattaa vähentää hiilipäästöjä. Vaihtoehtona on myös ojitettujen soiden ennallistaminen, jolla tähdätään luonnontilaisen suon kaltaiseen vesitalouteen, kasvillisuuteen ja toimintoihin. Lisäksi ojittamattomilla, mutta ihmistoiminnan johdosta kuivahtaneilla, soilla voidaan vesitaloutta parantaa niin sanotulla vesien palauttamisella. Nämä toimet vähentäisivät soiden hiilidioksidipäästöjä ja suojelisivat turvekerroksia tulevaisuudessa kuivuuskausien yleistyessä. Koska suon vedenpinnan nostaminen voi kuitenkin kasvattaa metaanipäästöjä, on toimenpiteiden ilmastovaikutusten arviointi haastavaa.

Maankäyttömuotojen ilmastovaikutusten arviointi ja toimintatapojen kehittäminen vaativat tuekseen tutkimustietoa. Turpeen ominaisuuksien avulla voidaan arvioida soiden sitoman turpeen hajoamisalttiutta. Kasvihuonekaasun vaihdon (turvemailla erityisesti CO2, CH4, N2O) suoralla mittauksella voidaan arvioida nykytilan sekä verrata erilaisten toimenpiteiden ilmastovaikutuksia. Kokonaisvaltainen arviointi huomioi myös liukoisen hiilen päästön ja kasvillisuuden muutoksen vaikutuksen albedoon (erityisesti puuston määrä).

Ilmastonmuutokseen varautuminen, tulvariskit ja vaikutukset pohjavesiin

Huolimatta lukuisista ilmastonmuutoksen hallintaan kohdentuvista toimenpiteistä, ilmasto muuttuu, eikä sitä voida täysin estää. Ilmastonmuutoksen aiheuttamiin erilaisiin vaikutuksiin tuleekin varautua ja tulevia riskejä ennakoida sekä mahdollisuuksien mukaan vähentää. Suomessa ilmastonmuutoksen sopeutumistyötä koordinoi maa- ja metsätalousministeriö. Valtioneuvosto hyväksyi selontekona annetun suunnitelman ”Suomen kansallinen ilmastonmuutoksen sopeutumissuunnitelma 2030”.

Geologialla on tieteenalana merkittävä rooli esimerkiksi luonnonmukaisessa tulvariskien hallinnassa. Maaperän kykyä pidättää ja puhdistaa sen läpi suotautuvaa vettä hyödynnetään hulevesien hallinnassa. Jokiuomien ja niiden luontaisia tulva-alueita ennallistamalla (tai jopa laajentamalla) voidaan vähentää tulvapiikkien aiheuttamia vahinkoja, kun tulvavesiä viivytetään niiden luontaisilla leviämisalueilla. Luonnonmukaiset kosteikot ovat tehokkaita tulvavesien viivyttäjiä ja ne myös puhdistavat vesiä. Pohjavesivarastojen kannalta on oleellista, että sadevesi pääsee imeytymään maaperään ja edelleen pohjaveteen, eikä esimerkiksi kaupunkialueilla kaikkia hulevesiä ohjata kokonaan pois alueelta. Toisaalta imeytyvän veden viipymä maaperässä tulee olla riittävän pitkä, jotta rakennetun ympäristön mahdolliset haitta-aineet eivät päädy pohjaveteen.

Globaalisti ilmastonmuutos vaikuttaa pohjavesien muodostumiseen etenkin lisääntyvistä kuivuusjaksoista kärsivillä alueilla, mutta myös meillä täällä Suomessa. Vähäsateiset ja lämpimät kesät saattavat vähentää muodostuvan pohjaveden määrää, kun entistä pienempi osuus sadevedestä päätyy pohjavedeksi haihdunnan kasvaessa ja kasvukauden pidentyessä. Vähälumiset talvet eivät täydennä pohjavesivarastoja keväisin, kun sulamisvesien määrä pienenee. Runsassateiset syksyt sekä maaperän routajakson lyhentyminen kuitenkin osaltaan pidentävät ajanjaksoa, jolloin pohjavettä pääsee muodostumaan. Ilmastonmuutoksen vaikutukset pohjaveden muodostumiseen on tärkeää ottaa huomioon, kun suunnitellaan uusia vedenottamoja, mutta myös toiminnassa olevien vedenottamojen ottomääriä tarkistettaessa. Pohjaveden virtausmallit ja ilmastonmuutoksen vaikutusten huomioiminen pohjavedenpinnan korkeustasoon ovat työkaluja pohjaveden kestävän käytön hallinnassa.

Muodostuvan pohjaveden määrän lisäksi muuttuvilla ilmasto-olosuhteilla voi olla vaikutuksia pohjaveden laatuun. Lämpötilan pysyvä nousu voi nostaa pohjaveden lämpötilaa ja lisätä esimerkiksi pohjaveden humuspitoisuutta. Rankkasateet ja tulvat voivat aiheuttaa riskejä etenkin vedenottokaivoille, kun pintavesiä päätyy helpommin kaivojen rakenteisiin. Rantaimeytymisen tehostuminen pohjaveden pinnan laskiessa saattaa aiheuttaa laatuongelmia vesistöjen läheisillä kaivoilla tai vedenottamoilla. Mahdollisiin pohjaveden laatuongelmiin tulisikin varautua jo ennakolta, ja pohjaveden laadun seurannan merkitys sään ääri-ilmiöiden aiheuttamien laatuvaihteluiden ja ilmastonmuutoksen aiheuttamien pysyvien muutosten tunnistamiseksi on tärkeää.

Pohjaveden pinnan pysyvä aleneminen happamien sulfaattimaiden esiintymäalueilla aiheuttaa sulfaattimaiden hapettumista, ja tätä kautta pH:n laskun, mikä puolestaan muuttaa maaperässä olevia metalleja liukoiseen muotoon. Pohjaveden pinnan pysyvällä alenemisella on myös vaikutusta maaperän kantavuuteen ja esimerkiksi puupaalujen varaan perustettujen rakennusten rakenteisiin. Näiden potentiaalisten riskialueiden tunnistaminen perustuu geologiaan, ja riskien hallinnassa pohjaveden muodostumisen ymmärryksellä ja pohjavesivarojen kestävällä käytöllä on keskeinen rooli.

Kohti vähähiilistä energiajärjestelmää – geotiedon voimin

Euroopan vihreän kehityksen ohjelma pyrkii muutoksiin energian- ja ruoantuotannossa kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi. Suomi on asettanut tavoitteekseen olla hiilineutraali yhteiskunta vuoteen 2035 mennessä. Merituulivoima tarjoaa yhden tuotantokeinon vähähiiliseen energiajärjestelmään ja vihreän kehityksen ohjelman tavoitteiden saavuttamiseksi. GTK tuottaa tietoa merenpohjan ominaisuuksista (mm. syvyys, pohjanmuoto, pohjankoostumus) potentiaalisilta merituulipuistoalueilta Suomen merialueilla. Geologinen pohjatieto on oleellista merituulivoiman rakentamisen teknisen suunnittelun kannalta sekä arvioitaessa suunnittelualueiden ympäristöllistä kokonaisarvoa ja vaikutuksia.

GTK tukee Suomen ja kansainvälisiä ilmasto- ja hiilineutraaliustavoitteita myös edistämällä päästöttömän geoenergian tutkimusta, käytettävyyttä ja käyttöönottoa alueellisissa ratkaisuissa sekä ydinenergiatuotannon sijoittamista ja ydinjätteen loppusijoittamista. Lisäksi mineraalisten raaka-aineiden kiertotalous ja esimerkiksi akkumineraalit ovat tärkeitä ilmastotavoitteiden saavuttamisessa, ja GTK toimii näilläkin osa-alueilla aktiivisesti.

Ratkaisuja kaivataan

Ympäristömme on jatkuvassa muutoksessa, geologisen tiedon tarve on suuri nyt ja tulevaisuudessa. GTK on tuottanut monipuolista ja tärkeää geologista tietoa pitkäjänteisesti sekä kotimaassa että ulkomailla, niin kotimaisiin (mm. tietopalvelut Hakku ja Maankamara) ja kuin eurooppalaisiin tietojärjestelmiin (mm. EMODnet). Geologista tietoa, tietoa ”arkistoista jalkojemme alla”, voidaan hyödyntää niin alueiden kestävän käytön suunnittelussa kuin ilmastonmuutoksen tutkimuksessa.

Maapallo ja elämä maapallolla ovat sopeutuneet muutoksiin ajan saatossa. Me ihmiset olemme hyvin nuori laji maapallolla, ja tässä lyhyessä ajassa olemme saaneet paljon aikaiseksi, niin hyvää kuin huonoakin. Me olemme myös ainoa laji maapallolla (ainakin tietääksemme), joka ymmärtää, mitä ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi olisi tehtävä. Toivottavasti myös teemme sen. Ei vain itsemme, mutta ennen kaikkea tulevien sukupolvien, maapallon muiden lajien ja ympäristön säilymisen vuoksi. Geologialla on paljon annettavaa ilmastonmuutoksen, tämän maapallon suurimman ympäristöongelman, ratkaisemiseksi.

Kirjoittajat

Aarno Kotilainen
Anna Laine-Petäjäkangas
Jukka Turunen
Tuija Vähäkuopus
Jaana Jarva

Kirjoittajat ovat GTK:n Ympäristöratkaisut-yksiköstä, jonka fokuksessa on laaja kokonaisuus maa- ja merialueiden ympäristövaikutusten tutkimuksia. Edesautamme soiden kestävää hyödyntämistä hiilensidonnan edistämiseksi, tuotamme jalostettua geotietoa merenpohjasta ja geokemiallisilta riskialueilta. Tunnistamme ilmastonmuutoksen aiheuttamia riskejä ja kehitämme ratkaisuja ilmastonmuutokseen varautumiseen.