LISÄKE-HANKE: opettajien taustamateriaalia

Ilmastonmuutosdenialismi

Denialistiksi kutsutaan ihmistä, joka kieltää jonkin asian tieteelliset faktat ja etenkin niistä vedettävät johtopäätökset, vaikka tiedeyhteisö kykenisi todistamaan nämä toistettavin ja tilastollisesti merkitsevin mittaustuloksin. Tyypillisiä denialismin kohteita ovat rokotteiden hyötyjen kyseenalaistaminen, HIV-infektion ja AIDS:in yhteyden tai tupakan vaarallisuuden kiistäminen. Kreationistit kiistävät evoluutio ja iänmääritykset. Ilmastoskeptikot eli ilmastodenialistit eivät usko  ilmastonmuutoksen olevan totta tai ainakaan sen johtuvan ihmisen toiminnasta.  Yhdysvalloissa jopa senaatti äänesti tammikuussa 2015 siitä, onko ilmastonmuutos faktaa vai fiktiota.

Denialismi johtuu yleensä joko intressien ristiriitaisuudesta tai sitten vain yleisestä jääräpäisestä typeryydestä. Tupakkateollisuus kieltää tupakan ja keuhkosyövän  välisen tilastollisen yhteyden, koska sen tunnustaminen saattaisi johtaa mittaviin korvauksiin. Monella taholla ollaan skeptisiä ilmastonmuutokselle, koska sen torjuminen vaatisi mittavia taloudellisia uhrauksia. Tosin sitten on paljon niitäkin, jotka ovat vain sitä mieltä, että säät vaihtelevat ja niistä ei voi tietää sen enempää. Esimerkiksi Yhdysvalloissa joka neljäs ei usko ilmastonmuutoksen olevan todellinen ilmiö ja siiihen uksovistakin joka kolmas on sitä mieltä, että se ei johdu ihmisen toiminnasta.  

Ilmastonmuutos ja sen syyt ei kuitenkaan ole mielipidekysymys eikä niiden olemassaolosta voi päättää äänestämällä. Ne perustuvat fysikaalisiin faktoihin, havaintoihin ja teorioihin, joiden paikkaansa pitävyys on todennettu lukemattomin toisiaan tukevin mittauksin.

Itse kasvihuoneilmiön olemassa oloa sentään aika harva epäilee. Syystäkin, sillä ilman sitä maapallo olisi varsin hyytävä paikka.  Kasvihuoneilmiön ansiosta maapallon keskilämpötila, noin 14  °C , on 33 °C korkeampi kuin se olisi ilman sitä. Ilman kasvihuoneilmiötä Telluksemme olisi jäinen planeetta.

Valitettavasti myös kasvihuoneilmiön voimistuminen eli ilmaston lämpeneminen on myös totta. Vaikka ilman lämpeneminen etenkin kesällä saattaisi meistä pohjoisen asukeista tuntua ihan mukavalta ajatukselta, niin globaalisti siihen liittyy niin paljon enemmän miinus- kuin plusmerkkistä seuraamusta, että ilmaston lämpenemisen ehkäisemiseksi on tehtävä kaikki mahdollinen.

Lämpösäteily ja lämpötila

Jotta voisi ymmärtää ilmaston lämpenemisen mekanismia, täytyy ensin ymmärtää kasvihuoneilmiön fysikaaliset perusteet. Pohjimmiltaan siinä on kyse säteilyn ja materian välisestä vuorovaikutuksesta.

Kaikki kappaleet säteilevät lämpöä. Niin tähdet, planeetat, ihmiset, jopa jääpalat, vaikka niiden sanotaan hohkaavan kylmyyttä.  Kaikkien näiden säteilyn luonne on sähkömagneettista, mutta muuten ne ovat kovin erilaista. Niin määrältään kuin laadultaan.

Säteilyn intensiteetti ja aallonpituus riippuvat oleellisesti säteilijän lämpötilasta. Aurinkon pintalämpötila on pyörein luvuin 6000 kelviniä. Säteilyn aallonpituusjakauman maksimi osuu näkyvän valon alueelle, maksimin olleessa 0,5 mm:n kohdalla. Maapallon pintalämpötila taas on suunnilleen kuvassa olevat 300 K (27  °C). Säteilyn aallonpituusjakauman huippu on nyt 10 mikrometrin kohdalla. Maapallon säteilyn aallonpituus on keskimäärin noin 20 kertaa suurempi kuin Auringon säteilyn. Auringon säteilyn spektri on laaja. Aurinko säteilee UV:tä, valoa ja lämpöä. Maapallo säteilee vain lämpöä. 

Suuri on säteilyn intensiteettienkin suhde. Intensiteetti tarkoittaa säteilyn tehoa pinta-alaa kohti. Kuvaaja on logaritmisella asteikolla sekä vaaka- että pystyakselin suhteen. Siitä voidaan päätellä, että Auringon säteilyn intensiteetti on moninkertainen niilläkin aallonpituusalueilla, joilla myös maapallo säteilee..

Spektroskopiassa taajuuden tai aallonpituuden sijasta käytetään yleensä aaltolukua. Kuvasta näkyy aallonpituuden ja aaltoluvun välinen yhteys. Maapallon pinta säteilee voimakkaimmin aaltoluvun 1000 cm^-1  paikkeilla, mikä vastaa 10 mikrometrin aallonpituutta.  

Maapallon lämmönlähde on Aurinko. Auringon säteily sekä valaisee että lämmittää maapalloa. Valaiseminen johtuu siitä, että Auringon pintalämpötila on niin korkea, 5500 °C, että osa sen säteilystä on  näkyvän valon aallonpituuksilla. Auringon koko säteilyteho on huikea 4×10²⁶ W. Auringon sekunnissa säteilemän energian määrä riittäisi ihmiskunnalle nykyisellä kulutuksen tasolla 25 vuodeksi. Jonkinlaisen kuvan säteilyn tehosta saa myös siten, kun lasketaan yhden neliömetrin säteilyteho Auringon pinnalla. Se on noin 60  MW, mikä on suunnilleen kolmasosa Imatrankosken sähkölaitoksen tuottamasta tehosta.

Aurinko ja Maa säteilevät

Auringon säteilybn intensiteetti on sitä pienempi, mitä kauempana Auringosta ollaan. Maapallon etäisyydellä Auringosta se on 1,35 kW/m². Taivaan ollessa pilvetön tämä säteily menee heittämällä ilmakehän lävitse ja sekä valaisee että lämmittää maan pintaa. Ei kuitenkaan ihan tasaisesti. Osa säteilystä heijastuu takaisin ja osa imeytyy maahan tai veteen. Lumi heijastaa suurimman osan siihen osuvasta sekä lämmöstä että valosta, tumma asfaltti puolestaan imee molemmista suurimman osan. Tästä seuraa eri alueiden epätasaista lämpenemistä, millä on omat seuraamuksensa. Niitä kutsutaan tuuliksi.

Kaavakuva siitä, miten Auringon Maahan osuva säteily käyttäytyy. Punaisella piirretty Maan itse säteilemä pitkäaaltoinen lämpösäteily on avainasemassa kasvihuoneilmiön kannalta.

Tasapainotilassa, joka aina lopulta saavutetaan, maapallolle tuleva säteily ja maapallon oma säteily ovat yhtäsuuret. Kysymys onkin siitä, mikä on se lämpötila, jossa ollaan tasapainotilassa.

Auringon säteilyenergian johdosta maapallon pinta kuitenkin lämpenee siten, että maapallon lämpötila on keskimäärin 14 astetta. Miksi juuri tämä lämpötila? Miksei maapallo lämpene koko ajan, kun Aurinko lämmittää jatkuvasti ja on tehnyt tätä jo 5 miljardia vuotta ja jatkaa samaa tahtia vielä toiset  miljardia vuotta?

Siksi, että maapallo säteilee itsekin lämpöä. Tämän säteilyn teho on noin 350 W/m². Se on aika lailla vähemmän kuin maapalloon osuvan Auringon säteilyn teho 1350 W/m². Nyt täytyy kuitenkin ottaa huomioon, että Aurinko paistaa kerrallaan vain toiselle puolelle maapalloa ja osa Auringon säteilystä heijastuu takaisin lämmittämättä lainkaan maapalloa. 350 W/m² on se teho, jolla Aurinko keskimäärin lämmittää maapallon pintaa. Maapallo, kuten kaikki itse lämpöä tuottamattomat systeemit, asettuu termodynaamiseen tasapainoon. Se säteilee itse lämpöä saman määrän kuin vastaanottaa sitä. Mitä enemmän maapallo imee itseensä Auringon lämpöä, sitä korkeammaksi sen lämpötilan pitää tulla, jotta ulospäin tapahtuva säteily olisi yhtä suurta kuin sisäänpäin tapahtuva. Tämä ehto määrää maapallon keskilämpötilan.

Lämmön siirtyminen

Ilmaston kannalta ensisijaisesti vaikuttava lämpötila ei tietenkään ole maankamaran lämpötila, vaan ilman lämpötila. Joten seuraavaksi pitää selvittää, miten ilma lämpenee ja miten se eroaa maaperän lämpenemisestä.

Atomitasolla lämpö on atomien ja molekyylien liikettä. Kiinteässä aineessa atomit ja molekyylit ovat kiinni toisissaan, jolloin ne kykenevät vain värähtelemään toisiinsa nähden. Mitä rajumpaa tämä värähtely on, sitä korkeampi on lämpötila.

Kaasuissa atomit tai molekyylit eivät ole toisissaan kiinni, vaan pääsevät liikkumaan vapaasti. Kaasujen lämpö on näiden vapaiden partikkeleiden liikettä. Nesteet ovat välimuoto näistä kahdesta.

Lämpö voi siirtyä kolmella eri tavalla. Johtumalla, säteilemällä ja kuljettamalla. Maapallon mantereet ja vedet lämpiävät pääasiassa Auringon säteilyn avulla. Meret osittain myös kuljettamalla, koska isot kylmät ja lämpimät merivirrat tasaavat merien lämpötilaa.

Ilmaston lämpenemisessä on tietysti kysymys ensisijaisesti ilman lämpenemisestä. Se onkin hieman monimutkaisempi juttu. Ilman pääkomponentit, eli happi- ja typpimolekyylit sekä argon-atomit kun eivät välitä säteilystä juuri mitään. Niin Auringon valo kuin lämpökin hurahtaa ilmakehän lävitse lähes sellaisenaan, paitsi tietysti jos on pilvistä. Mutta pilvethän ovatkin nestemäistä, joskus jopa kiinteää vettä. 

Ilma lämpiääkin pääasiassa johtumalla. Aivan maapallon pinnan lähellä olevat ilmamolekyylit törmäilevät maapallon pintaan. Törmäyksen seurauksena molekyylit kimpoavast suuremmalla nopeudella takaisin vähän kuin pallot flipperipelissä seiniin osuessaan. Näin maapallo lämmittää yläpuolellaan olevaa ohuen ohutta muutaman millimetrin paksuista ilmakerrosta. Tässä kerroksessa olevat ilmamolekyylit nousevat ylöspäin ja törmäilleessään muihin ilmamolekyyleihin ne lämmittävät niitäkin.   

Vaikka suurin osa ilmasta on sellaisia molekyylejä tai atomeita, jotka eivät ole juuri missään vuorovaikutuksessa lämpösäteilyn kanssa, niin lopuilla 0,5 % osuudella on ratkaiseva vaikutus siihen, että maapallon keskilämpötila on niinkin korkea kuin se on. Suurin osa näistä lopuista kaasuista on ns. kasvihuonekaasuja. Niitä tärkeimmät ovat vesi, hiilidioksidi, metaani, otsoni, di-typpioksidi eli ilokaasu ja rikkiheksafluoridi.

Kasvihuonekaasut värähtelevät

Kaasumolekyylit voivat vastaanottaa eli absorboida säteilyn energiaa vain siten, että niiden atomit alkavat värähdellä toisiinsa nähden. Yksiatomiset jalokaasut, kuten argon ei näin ollen kykene lainkaan absorboimaan säteilyä.

Kaksiatomiset kaasumolekyylit ovat jo hieman tehokkaampi tässä asiassa. Niiden atomit voivat värähdellä keskenään yhdessä suunnassa tietyllä taajuudella, aallonpituudella tai aaltoluvulla, jotka ovat sama asia vähän eri tavoin ilmaistuna. Kasvihuonekaasut siis kykenevät absorboimaan sen aallonpituuden mukaista säteilyä, joka pistää ne värähtelemään. 

Kaksiatomisista kaasuista hiilimonoksidi eli häkä on paras säteilyn vastaanottaja. Se kun muodostuu kahdesta eri alkuaineen atomista, jolloin siihen muodostuu sähköinen dipoli. Hiilipää molekyylissä on hieman enemmän sähköisesti positiivisempi kuin happipää.  Molekyylit, jotka ovat sähköisiä dipoleja, absorboivat säteilyä paljon tehokkaammin kuin dipolittomat molekyylit kuten happi ja typpi. Häkää ilmassa vain on niin vähän, että kasvihuoneilmiön kannalta sillä ei ole juuri merkitystä. 

Happi- ja typpimolekyylit ja niiden absorboimat aaltoluvut. Molemmat värähtelevät sillä aaltolukualueella, joka kuuluu maanpinnan säteileman lämpösäteilyn piiriin. Sähkävaraukset ovat jakautuneet tasan atomien kesken, joten kummastakaan ei tule sähköistä dipolia edes värähtelyn aikana. Siksi hapen ja typen kyky absorboida lämpösäteilyä on hyvin vähäinen. 

Atomien määrän kasvaessa molekyyleillä  lisääntyy myös eri värähtelytikojen määrä. Jokainen värähtely tapahtuu eri taajuudella, jolloin molekyyli voi absorboida useampia aallonpituuksia. Hiilidioksidi CO2. Erilaisia värähtelytiloja on kolme. Perustilassaan oleva hiilidioksidimolekyyli ei ole sähköinen dipoli, eikä myöskään symmetrisessä pitkittäisessä värähtelyssä, jonka värähtelyn aaltoluku on 1294 cm^-1 . Siksi hiilidioksidi ei toimi tällä aaltoluvulla tehokkaana kasvihuonekaasuna.  Sen sijaan kahdessa muussa värähtelytilassa, epäsymmetrisessä pitkittäisessä ja taivutuksessa molekyyli muuttuu hetkekellisesti sähköiseksi dipoliksi. Siksi se toimii näillä värähtelytiloilla erittäin tehokkaana kasvihuonekaasuna.

Hiilidioksidin pitoisuuden lisääntyminen ilmakehässä johtuu lähes kokonaan fossiilisten polttoaineden palaessa. Normaalissa hiilen kiertokulussa hiilidioksidin määrä ilmakehässä pysyisi suunnilleen vakiona. Koska kasvit käyttävät hiilidioksidia yhteyttämisessä, niin kasvillusuuden, kuten metsien lisääminen vähentää ilman hiilidiosidipitoisuutta ja siten jarruttaa ilmaston muutosta.

Vesimolekyyli H2O. Myös vedellä on kolme eri värähtelytilaa. Molekyyli on muotonsa vuoksi sähköinen dipoli jo perustilassaan.  Vesi onkin kaikkein merkittävin kasvihuonekaasu. Sitä ei kuitenkaan lasketa samaan joukkoon kuin muita tässä olevia, koska ihminen ei juurikaan pysty vaikuttamaan veden määrään ilmakehässä. Vesihöyryn pitoisuudet ilmassa vaihtelevat myös paljon maapallon eri osissa, toisin kuin muiden kaasujen pitoisuudet.

Otsoni O3. Otsoni on ilmakehän alaosissa ollessaan myös kolmiatominen kasvihuonekaasu.  Otsoni on myös niitä kaasuja, jotka ovat lisääntyneet ihmisen toiminnan johdosta. Harmillista kyllä otsonin pitoisuuksien muutokset ovat menneet ilmakehän eri osissa väärään suuntaan. Ne ovat lisääntyneet ilmakehdän ala- ja vähentyneet yläosissa.

Ilmakehdän yläosissa otsoni absorboi voimakkaasti haitallista UV-säteilyä. UV-säteilyn energia on niin suurta, että se hajottaa otsoni molekyylin happiatomiksi ja happimolekyyliksi. Siksi otsoni ei säteile enää itse UV:ta. Lämpösäteily taas ei ole riittävän energeettistä, jotta se voisi hajottaa molekyylit.  Siksi kasvihuonekaasujen absorboima lämpösäteily käy vain kääntymässä molekyylissä pistäen sen hetkeksi värähtelemään.

 Symmetrinen metaanimolekyyli  CH4 ei ole pysyvästi sähköinen dipoli. Viisiatomisena molekyylinä sillä on yhdeksän värähtelytilaa, joista tosin vain kaksi absorboi voimakkaasti lämpösäteilyä.

Metaani on ihmisen maailmanlaajuisesti tuottamista ilmastoa lämmittävistä kasvihuonekaasuista toiseksi tärkein heti hiilidioksidin jälkeen. Metaanin pitoisuus ilmakehässä on yli kaksinkertaistunut esiteollisen ajan jälkeen. Metaanin elinikä ilmakehässä on vain noin kymmenen vuotta, mutta sen ilmakehää lämmittävä vaikutus on 25 kertaa suurempi kuin hiilidioksidilla. Puolet maailman metaanipäästöistä syntyy maanviljelyksestä, jonka ylivoimaisesti suurin päästölähde on karjatalous. 

Dityppioksidia eli typpioksiduulia tai ilokaasua (N₂O) muodostuu maaperässä nitraattien (mm. typpilannotteiden) hajotessa. Ihmiskunnan toimet, erityisesti maatalouden harjoittaminen, tuottavat runsaan kolmasosan kaikista dityppioksidin päästöistä. Loput 2/3 dityppioksidista on peräisin luonnosta, lähinnä maaperän ja merien mikrobitoiminnan seurauksena.

Molekyyli on epäsymmetrinen, josta syystä se on sähköinen dipoli jo perustilassa ja kaikissa värähtelytiloissa ja siksi tehokas kasvihuonekaasu.

Dityppioksidimolekyylit hajoavat ilmakehässä auringon korkeaenergisen ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta. Tämä hajoamisreaktio on mahdollinen ainoastaan ilmakehän ylemmissä kerroksissa. Siksi dityppioksidin elinikä ilmakehässä, n. 110 vuotta, on paljon pitempi kuin esimerkiksi metaanin.

Videolla esitellään paisi dityppioksidin ominaisuuksia myös erään kemiaohjelman käyttöä. 

Neljä merkittävintä kasvihuonekaasua (vesi mukaan lukien, mutta ilman otsonia) ja niiden absorptioalueet aaltoluvun mukaan. Kun maapallon lähettämä säteily osuu alueelle, jonka aaltoluvut ovat välillä 100 - 5000 cm-1, niin havaitaan kasvihuonekaasujen absorptiovaikutuksen peittävän tämän välin varsin hyvin. 

Niiden kasvihuonekaasujen, joiden määrään ihminen voi vaikuttaa, pitoisuudet ovat erilaiset. Hiilidioksidin osuus näistä on niin dominoiva, että niistä ei saa havainnollista graafista esitystä. ppm on pitoisuuden yksikkö, se tarkoittaa miljoonasosaa. 1 ppm = 0,0001%.

 CO₂ = 300 ppm

 CH₄ = 0,5 ppm

     0₃ = 0,07 ppm

  N₂O  = 0,02 ppm 

Eri kasvihuonekaasujen vaikutus ei ole samassa suhteessa kuin niiden pitoisuudet. Vaikutus kun riippuu mm. kaasun pitoisuudesta, kyvystä absorboida lämpösäteilyä ja pitkäikäisyydestä ilmakehässä. Esimerkiksi metaanin vaikutus on paljon suurempi kuin sen ja hiilidioksidin pitoisuuksien välinen suhde. Metaani on kaasuna paljon hiilidioksidia tehokkaampi kasvihuonekaasu, mutta hiilidioksidin 600 kertainen pitoisuus ilmakehässä tekee siitä suuremman vaikuttajan. 

Tulevaisuuden uhkaaviin kasvihuonekaasuihin kuuluu rikkiheksafluoridi (SF₆). Vaikka sen pitoisuudet ovat pieniä, niin se on pitkäikäisenä (odotettu pysyvyys ilmakehässä 1000 vuotta), ilmaa merkittävästi raskaampana ja tehokkaana lämpösäteilyn absorboijana hyvin vaikuttava kasvihuonekaasu. 

Rikkiheksaflouridia käytetään sähköisissä laitteissa eristeenä nimenomaan sen hyvän eristävyyden vuoksi. Kaasua ei synny luonnossa juuri lainkaan, vaan lähes  kaikki on ihmisen tuottamaa.

Miten kasvihuonekaasut lämmittävät ilmaa

Tähän mennessä on siis selvitetty, miten kasvihuonekaasut absorboivat maapallon lämpösäteilyä. Kun niiden pitoisuus on vain 0,5 % koko ilmakehän kaasuista, niin kysymys kuuluukin. Miten kasvihuonekaasut lämmittävät lopun ilman?

Kuten edellä jo kävi ilmi, niin lämpösäteily saa kasvihuonekaasut värähtelemään. Tämä värähtely on kuitenkin molekyylien sisäistä liikettä. Se ei sinänsä nosta ilman lämpötilaa, koska ilmamolekyylien nopeus ei kasva värähtelyn ansiosta. Ei pituushyppääjäkään lennä ilmassa yhtään sen nopeammin, vaikka hän kuinka sätkii ja potkii. 

Mekanismi on toisenlainen. Ensinnäkin säteilyenergiaa vastaanottanut molekyyli myös luovuttaa sitä säteilemällä itse samalla aallonpituudella. Säteilyn suunta on satunnainen, joten osa siitä palautuu takaisin lämmittämään maaperää ja sitä kautta ilmaa. Toiseksi kun sisäistä värähtelyenergiaa omaava kasvihuonekaasumolekyyli törmää toiseen toiseen molekyyliin, niin värähtelyn energiaa saattaa vapautua törmäyksessä. Se muuttuu törmäävien molekyylien liike-energiaksi eli kasvattaa niiden nopeutta, mikä makrotasolla havaitaan lämpötilan kasvuna. 

Kasvihuonekaasujen vaikutus ilmaston lämpenemiseen on siis välillinen. Ne luovuttavat saamansa lämmön ilmakehään aika monimutkaisen prosessin välityksellä.

Kaavakuva esittää, miten millaisissa vuorovaikutussuhteissa kasvihuonekaasut ovat lämpösäteilyn ja happi- ja typpimolekyylien kanssa. Viimeksimainittujen kanssa tapahtuvissä törmäyksissä liike-enrgiat kasvavat ja sitä kautta lämpötila nousee.

Tilastot tukevat

Mistä tiedetään, että lämpötilat ovat nousseet ja niiden syy on kasvihuonekaasujen osuuden kasvu? No mittauksista tietysti. Maapallon keskilämpötilaa on mitattu 1800-luvun puolesta välistä lähtien. Hiilidioksidin määrää ilmassa voidaan mitata takautuvasti kairaamalla jäätiköitä. Veteen lienneen hiilidioksidin määrä riippuu sen pitoisuudesta ilmassa. Ottamalla näytteitä eri aikana jäätyneesstä vedestä voidaan hiilidioksidin määrä ilmassa selvittää pitkälle taaksepäin.

Hiilidioksidin määrän kasvu ja ilmaston lämpenimisen välinen yhteys yhdistettynä lämpenemisen atomitason mekanismin selvittämiseen tekee ilmastonmuutoksesta vääjäämättömän faktan. Vaikka hiilidioksidi on vain yksi kasvihuonekaasuista, niin sen vaikutus on veden jälkeen suurin. 

Hiilidioksidin määrä ilmakehässä on pysynyt suhteellisen vakiona aina siihen asti, kun teollisen vallankumoksen myötä alettiin 1700-luvun lopussa polttaa massiivisesti fossiilisia polttoaineita, aluksi pääosin kivihiiltä.

Hiilidioksidin pitoisuuden kasvu 200 vuodessa on noin 20%. Se on hurja määrä, kun verrataan pitoisuuden suhteellisen vakaana pysymistä kuvassa näkyvän edeltävän 800 vuoden aikana. 1500-luvulla tapahtunut pieni notkahdus oli nähtävästi keskeisiä syitä ns. pienelle jääkaudelle, jolloin ilmasto kylmeni tilapäisesti aiheuttaen mm. suurta nälänhätää varsinkin korkeilla leveyspiireillä.

Arvioitaesssa hiilidioksidin pitoisuuden kasvun vaikutusta lämpötilaan pitää ottaa huomioon, että kasvihuoneilmiössä hiilidioksidin osuus on noin 25%. Näin ollen kasvihuoneilmiö pitäisi tämän perusteella  olla voimistunut noin 5%. 

 Maapallon keskilämpötiloja on alettu mitata ja tilastoida 1800-luvun puolesta välistä. 150 vuodessa tapahtunut noin asteen suuruinen keskilämpötilan nousu näyttää aika pieneltä luvulta verrattuna vaikka hiilidioksidin kasvuu. Luku pitää kuitenkin suhteuttaa kasvihuoneilmiöön aikaansaamaan lämpötilan kasvuun. Siinä on kasvua tapahtunut noin 3 % ja ilmastonmuutos seuraa aina viiveellä kasvihuonekaasujen muutoksia. Ilmaston lämpenemisen määrä ja hiilidioksidin pitoisuuden kasvut ovat tämä huomioon ottaen sopusoinnussa keskenään. 

Click to Run

Yllä vielä interaktiivinen ohjelma, jolla voi tutkia ilmastonmuutoksen fysikaalisia periaatteita. Ohjelma lähtee käyntiin klikkaamalla hiirellä kuvaketta. Ohjelma vaatii sen, että java-apuohjelma on asennettu tietokoneelle, joten esimerkiksi iPadissa se ei ainakaan tätä kirjoitettaessa toimi.

Lisätietoa

Lopuksi linkkejä, josta saa lisää tietoa kasvihuoneilmiön ja ilmastonmuutoksen fysiikasta.

Selkeä vähän syvällisempi Power-point esitys, jos yllä oleva ei tunnu riittävältä. 

Suomenkielinen esitys, jossa myös mennään vähän syvemmälle

Interaktiivinen sivusto, jossa voi tutkia säteilijän lämpötilan ja säteilyn välisiä yhteyksiä.

Numeerista faktaa, kaaviota ja kaavakuvia.

Perusfysiikkaa. Paljon linkkejä. Sisältää kaiken oleellisen ja vähän ylikin.

Hyviä  animaatioita eri molekyylien värähtelyistä.

Hyvä ja selkeä yleisesitys kasvihuoneilmiöstä.

Toinen hyvä yleisesitys kasvihuoneilmiöstä

Opastus yllä olevan interaktiivisen ohjelman käyttöön

Skeptinen näkemys ilmastonmuutoksen todellisuudesta. Tekijän näkemykselle kiusalliset faktat on sivuutettu surutta.

Eratosthenes' method

Measurement instrument version 1.1. Because the shadow of the Front sight is to the right from the shadows of the Rear sight, arm is pointing to the left from the Sun. Shadow of the Front sight is also longer, which means, that the arm is pointing too high. 

 Eratosthenes' method is a nice way to make measurement of the Earth's circumference. It is also a very good way for schools to cooperate in different countries. Unfortunately using method needs some trigonometric skills, which are not familiar to the youngest students.

I made an optional tool for my granddaughters class (2. grade), so they can participate and make the measurement of the position of the Sun 26.3. in Vantaa Finland. 

First version of my tool. Proper also for artic research conditions.

Tool is based to the two armed spirit level, that I bought from local hard store.  Price less than 10 €.

1. Spirit level, so the angle is between horizontal  level  and position of the Sun.
2. The angle between arms.

3a and 3b. Two equal nuts fixed by super glue. They are on different sides of the arm operating like a sight of the gun.

3c and 3d. When there is no  gap between  shadows of the nuts, the arm is pointing directly to the Sun. When the length of the shadows of nuts are equal, the arms angle is the same as the Sun's position.

Later I made some product development to my measurement tool. The top picture is this version 1.1. I made two different sights. Front sight and rear sight. Similar ones as the ordinary guns have. 

 Rear sight. Two equal nuts fixed by super glue. Front sight is an equal nut in front of the tool just in the middle of the arm. Like in real guns.

When the shadow of the front sight is between the shadows of the rear sights, tool is pointing to the Sun. When the shadows are equal in lenghts, also the angle is right. As in this picture.

The angle of the Sun's postion in the sky ca be read as accuracy ca. 1 degree. It is good enough for the children of 2nd grade.

  From the spirit level is easy to check, that angle is between horizontal plane and Sun's position.

Some measuring using the old version.  

I like to  underline, that this method is optional. My grandaughter made measurements using the traditional method.  Grandfather only made the calculations.

 I used myself as a measuring rod.

Pupils of Mikkola Primary School in Vantaa, Finland measuring the posititon of the Sun. 

Here some astronomical facts concerning  26.3.2013 in Vantaa

   Length of Day: 12:47  

   Civil twilight begins: 05:19
   Sunrise: 06:02
   Sunset: 18:49
   Nautical twilight begins: 19:31
   Astronomical twilight begins: 20:24
   Sun Height 32 ° 03 noon at 12:25 pm
   Solar declination: 2 ° 23
   Sun Height 17 ° 14, azimuth 242 ° 49 (14:07 UTC)
   Solar radiation power of 596 W/m2 at midday
   lnc.: Tuesday 26.03.2013 (in 85 days)
   Location: Vantaa, latitude 60 ° 20 ', longitude 25 ° 05 '

 Result!

 The Greek team at work. We Finns have a phrase: "Happiness is only for somebody - summer is for everybody". As you can see, it is not true. At least now in Finland when I am writing this text 29.03.2013. 

My dog and my office 29.03.2013.

Lisäketodellisuus - näkymätön näkyväksi

Uteliaan ihmisen, homo studiosusen haaveena on pitkään ollut päästä kurkistamaan aistein havaitsemansa  todellisuuden sisälle. Tulla hieman enemmän homo sapienseksi, viisaaksi ihmiseksi. Tämä pyrkimys on synnyttänyt lukemattomia uskontoja, mutta myös vienyt ihmiskunnan tietämystä eteenpäin. Tosin sillä kuuluisalla Leninin metodilla, jossa aina väliin otetaan askel eteenpäin ja kaksi taaksepäin.

Ensimmäisiä muuten kuin jumalien avulla perimmäisten syiden selittäjiä olivat kreikkalaiset filosofit. Eräs suuntaus oli nimeltään atomismi.  Atomismi on filosofinen oppi, jonka mukaan kaikki aine koostuu jakamattomista osista. Luonnonfilosofiassa atomismi eli atomioppi on käsitys, jonka mukaan kaikki olemassa oleva koostuu atomeista.

Atomiteorian "isä" Demokritos on saanut jopa oman postimerkin. Tosin hänen teoriansa oli filosofinen arvaus vailla mitään havaittua tietoa. Antiikin Kreikan teknologia ei tosin olisi mitenkään mahdollistanutkaan aineen atomiluonteen havaitsemista.

Antiikin kreikassa atomistit olivat eräs esisokraattisten filosofien ryhmä. Atomiopin isänä pidetään Leukipposta 400-luvulla eaa. Tunnetuin atomisti oli tämän oppilas Demokritos. Intialaisessa filosofiassa atomismia ovat edustaneet muun muassa vaisheshika-koulukunta sekä buddhalainen atomismi. Atomismi jäi aristoteelisen kuitenkin luonnontieteen jalkoihin ja joutui välillä unohduksiin.

Kilpaileva teoria, Platonin elementit. Teoriana kaunis ja esteettinen, tieteellinen arvo olematon.

Vaikka atomismi on myöhemmin osoittautunut monilta osin oikeaksi aineen perimmäisen rakenteen kuvaajana, niin se oli aristoteelisen näkemyksen kanssa siinä mielessä samassa veneessä, että molemmat perustuivat filosofisiin pohdintoihin, ei kokeelliseen menetelmin saatuun tietoon.

Todellista tietoa aistien ulkopuolella olevasta alettiin saada vasta sitten, kun tiedemiehet kehittivät tutkimukseen sopivia instrumentteja. Maailmankuvan laajentajina vallankumouksellisimmat näistä lienevät kaukoputki ja mikroskooppi. Ne toivat silmin havaittavaksi sekä makro- että mikrokosmoksen. Varsinainen mullistus kuitenkin "asioiden sisään katsomisessa" oli röntgensäteiden keksiminen. Niiden avulla voitiin ihan konkreettisesti nähdä monia asioita, jotka olivat materian sisällä silmiltä piilossa. Tämä koski sekä elävää että kuollutta materiaa.

Tieteellä on kahdet kasvot tai se on kuin epäidenttiset kaksoset. Uuden tiedon hankkiminen ja löydetyn tiedon levittäminen. Molemmat ovat ihmiskunnan kehittymisen kannalta siinä mielessä välttämättömiä, että ilman toista ei voi olla toista. Ilman tietoa ei ole mitä jakaa ja ilman entistä tietoa ei ole pohjaa, jolle uuden tiedon hankkiminen rakentuu. Tiedemiehistä suurimpiin kuuluva Isaac Newtonkin  totesi vaatimattomana: "Jos olen kyennyt näkemään pidemmälle, se johtuu siitä, että seison jättiläisen hartioilla".

Omaksutun tiedon siirtäminen seuraaville sukupolville, siis opettaminen, tapahtui ihmiskunnan varhaishistoriassa pitkään esimerkkiä näyttämällä ja suusanallisesti. Tietovarasto ei voinut olla millään kovin laajaa ja sen leviäminen oli hyvin hidasta. Vasta kirjoitustaito loi edellytykset varastoida suuret määrät tietoa ja kirjapainon keksiminen räjäytti sekä mahdollisuuden kerätä, yhdistellä ja ennen kaikkea levittää tietoa. Jonkinlaisena vedenjakajana tässä pidetään Johan Gutenbergin 1400 luvulla keksimiä irtokirjaimia, joiden avulla tekstiä ei tarvinnut enää kirjoittaa käsin, vaan se voitiin latoa ja painaa pienellä vaivalla vaikka kuinka suurina painoksina.

Kirjoissa on toki ollut kuvia, mutta pääosin tieto on koostunut tekstistä. Voidaan sanoa, että tiedon suhteen ihmiskunta on vaeltanut viimeiset 500 vuotta "Gutenbergin galaksissa".  Toki joukkoon mahtuu niin liikkumatonta kuin elävää kuvaa, mutta sen rooli on ollut enemmän viihteeseen kuin tiedon levitykseen painottuvaa. Tekninen kehitys on kuitenkin viime vuosina mahdollistanut kuvalle aivan uusia käyttötapoja tiedon ja tietämyksen syventäjänä. Tässä mielessä voidaan aika varauksitta olla yhtä mieltä Helsingin taidemuseon johtaja Janne Gallen-Kallela-Sirenin kanssa.  ”Edessämme avautuu visuaalisuuden vuosisata. Visuaalinen kommunikaatio ja multimediaalisuus ovat ajallemme ominaisia kehittyneen yhteiskunnan tunnusmerkkejä.”

Yksi tämän tiedon syventämisen visuaalisista haaroista on ns. lisäketodellisuus (engl. augment reality). Myös termiä lisätty todellisuus käytetään. Lisäketodellisuudella tarkoitetaan sellaista tilannetta, jossa voidaan samanaikaisesti tarkastella reaalista ilmiötä ja saada siitä piilossa olevaa visuaalista lisätietoa jollain teknisellä laitteella. Yleensä tämä on joko päässä olevat lasit, tai sitten puhelimen tai tietokoneen näyttö. 

Ensimmäisiä kokeiluja lisäketodellisuudessa tekivät lentokoneyhtiö Boeingin insinöörit jo 1990-lvun alussa. He kehittivät lasit, joiden avulla konetta voitiin korjata siten, että samanaikaisesti korjaaja näki korjattavan kohdan ja sai laseihin informaatiota kohdasta. Näin kädet vapautuivat selaamasta manuaalia.

 Myös USA:n laivastossa kokeiltiin 1990-luvulla lisäketodellisuutta huolto- ja korjaustehtävissä.

Kuitenkin vasta 2000-luvulla tekniikan kehitys mahdollisti todella monipuoliset lisäketodellisuuden sovellukset. Paikannusjärjestelmä GPS ja nopeat nettiyhteydet tekivät mahdolliseksi yhdistää reaaliaikainen tieto käyttäjän liikkuessa eri paikoissa.

Lisäketodellisuus on ainakin vielä aika kallista teknologiaa. Ehkä siitä syystä johtuen se ei ole vielä saanut merkittävää jalansijaa opetuksessa, vaikka sen potentiaaliset käyttöalueet ovat mitä ilmeisimmät. Useimmat sovellukset näkyvät olevan enemmän fiktion kuin faktan puolella. Kaupallisuuden ja pedagogiikan rajamailla olevista sovelluksista voidaan mainita mm. useisiin älypuhelimiin ja tablettilaitteisiin saatava tähtikartta, jolla voi tunnistaa taivaalla näkyvät kohteet reaaliaikaisesti. Jopa katsoa, missä jokin tähti olisi, jos se sattuisi pilvisyyden vuoksi olemaan näkymättömissä.

Helsingin Yliopisto ja tiedekeskus Heureka ovat olleet professori Hannu Salmen johdolla lisäketodellisuuden harvoja pioneereja Suomessa. Ensin Science Center to Go -hankkeessa, jossa luotiin pedagogisia lisäketodellisuuslaitteita ja niille sopivaa opetusmateriaalia ja sitten sen jatkona NÄKYVÄ-hankkeessa, jossa puolestaan jatketaan edellisen hankkeen laitteiden ja opetuksellisen käytön kehittämistä.

NÄKYVÄ-hankkeen päätavoite on  yhdistää formaalia opetusta ja informaalia oppimista avoimien oppimisympäristöjen ja lisäketodellisuus teknologian keinoin. Sen lisäksi sillä on seuraavia osatavoitteita.

NÄKYVÄ kehittää ja testaa Lisäketodellisuus-teknologiaa ("AR", Augmented Reality").

NÄKYVÄ tuottaa helppokäyttöisen, salkussa liikuteltavan Lisäketodellisuus-oppimateriaalin.

NÄKYVÄ luo opetusmateriaalin, joka yhdistää abstraktia oppiainesta ja konkreettista tekemistä.

NÄKYVÄ vastaa opetussuunnitelmien havaintojen tekemisen, kokeilemisen ja testaamisen haasteisiin. 
NÄKYVÄ laatii opetettaviin aiheisiin perustellut tuntisuunnitelmat ja opetustuokioiden mallit.

NÄKYVÄ antaa opettajille mahdollisuudet joustavien, omien opetusmallien luomiseen.

NÄKYVÄ hyödyntää jo olemassa olevaa verkko-opetusta ja portaaleja.

NÄKYVÄ yhdistää tiedekeskuspedagogiikan testattuja malleja kouluopetukseen.

NÄKYVÄ kartoittaa motivaation ja oppimisen yhteyttä.

NÄKYVÄ evaluoi lisäketodellisuus teknologian mahdollisuuksia ja soveltuvuutta oppimiseen.

NÄKYVÄ kerää ja analysoi opettajien palautteen avoimista oppimisympäristöistä.

NÄKYVÄ huomioi koululaisten erilaisia oppimisstrategioita erityisesti visuaaliseen hahmotuskyvyn osalta. 
NÄKYVÄ antaa mahdollisuuden uuden oppimisteknologian tuotteistamiselle.

NÄKYVÄ luo verkkosivuston, johon on koottu lisäketodellisuuden opetussovellusten parhaat käytänteet kansallisesti ja kansainvälisesti.

NÄKYVÄ-projektin lisäketodellisuus laitteet pyrkivät havainnollistamaan seuraavia viittä fysikaalista ilmiötä.

1. Kaasumolekyylien lämpöliike

2. Doppler-ilmiö

3. Lentokoneen siiven nostovoima

4. Kaksoiskartio, optinen illuusio

5. Interferenssi Youngin kaksoisrakokokeessa