Aerosolifysiikka

Ympäristöfysiikan tutkimus Kuopiossa keskittyy ilmakehän aerosolien tutkimukseen. Aerosoli on määritelmänsä mukaisesti kantajakaasun ja siinä leijuvien kiinteitten tai nestemäisten hiukkasten seos. Kaikkein tutuin, muttei useinkaan sellaiseksi tunnistettu, aerosoli on meitä ympäröivä ilma lukuisine erilaisine pienhiukkasineen, joitten koko ja kemiallinen koostumus vaihtelevat aina vain muutamien molekyylien muodostamista rypäistä karkeaan hiekkapölyyn. Sovelletun fysiikan laitoksen aerosolifysiikan tutkimusryhmässä olemme keskittyneet tutkimaan pienhiukkasten ilmastovaikutuksia: miten luontaiset tekijät ja ihmisen toiminta yhdessä vaikuttuvat uusien pienhiukkasten muodostumiseen, ja miten pienhiukkaset vaikuttavat pilvien syntyyn ja ominaisuuksiin.

·        Kuuntele professori Kari Lehtisen haastattelu (Kantti).

Eri tekijöitten vaikutus säteilypakotteeseen eli ihmistoiminnan vaikutukseen Maapallon ilmastoon (positiiviset luvut ovat lämmittäviä ja negatiiviset jäähdyttäviä). Tähtien määrä kuvaa tiedon laatua: mitä useampi tähti, sitä paremmin pakotteeseen vaikuttavat mekanismit ymmärretään, viiva kuvaa melko epävarmaa tietoa. Lähde: IPCC.

Hiukkaset, pilvet ja ilmasto

Jokainen pilvipisara syntyy veden tiivistyessä pienhiukkasen (pilventiivistymisydin, CCN) ympärille: mitä enemmän hiukkasia, sitä useampia samasta määrästä tiivistyvää vesihöyryä syntyy. Ja se, mitä enemmän ja mitä pienempiä pisaroita pilvessä on, vaikuttaa moni tavoin pilven ominaisuuksiin:

• pilvestä tulee optisesti paksumpi, jolloin se sirottaa suuremman osuuden siihen kohdistuvasta auringonvalosta takaisin verrattuna tilanteeseen; mitä likaisemmassa ilmassa pilvi muodostuu, sitä valkoisempi se siis on
• pienemmät pilvipisarat jäätyvät hitaammin kuin isot, mikä myös lisää pilven heijastavuutta
• mitä pienempiä pisaroita tai vähemmän jääkiteitä pilvessä on, sitä heikompaa on sateen muodostuminen, jolloin sadanta vähenee ja pilven elinikä kasvaa.

Kaikki nämä ilmiöt vaikuttavat pääsääntöisesti ilmastoa viilentävästi, eli niillä on negatiivinen säteilypakote. Eri prosessien voimakkuus riippuu kuitenkin useista eri tekijöistä, joitten suhteita ei vielä tunneta tarkasti: tällaisia ovat esimerkiksi hiukkasten kokojakauma ja kemiallinen koostumus sekä paikallinen meteorologia. Aerosolifysiikan ryhmässä tutkimme näitä prosesseja niin kokeellisesti, teoreettisesti kuin tietokonemallinnuksen avulla.

Aerosolifysiikan ryhmä yhdessä Ilmatieteen laitoksen Kuopion yksikön kanssa ylläpitää mittausasemaa Puijon tornin huipulla: tornin huippu on 10 - 20 % vuodesta pilven sisällä, ja toisaalta tornille saapuva ilmamassa on tuulen suunnasta riippuen joko teollistuneelta kaupunkialueelta tai Kallaveden länsipuoliselta maaseudulta peräisin, mikä mahdollistaa pilvien ja hiukkasten ominaisuuksien havainnoinnin eri olosuhteissa. Puijon mittauksia täydentävät myös suoran ja epäsuoran auringonsäteilyn mittaukset Kuopion kampusalueella.

 

Mittaukset Puijon tornin huipulla: pilvipisaralaskuri (vas.) sekä vallitsevan sään havaintolaitteisto (oik.). Lähde: A. Leskinen/IL

• Tutkija Harri Portin kertoo Puijon pilvimittauksista (Kantti).
• Kuopion kampuksen säteilymittaukset ovat osa kansainvälistä AERONET-verkostoa (Kantti).

Vaikka pilvipisaroitten synnyn pienhiukkasista eli aktivaation teoreettisessa kuvauksessa onkin edistytty merkittävästi viimeisien vuosikymmenien aikana, kenttämittauksissa tehtyjen havaintojen selittämiseksi sekä globaalien muutosten arvioimiseksi tarvitaan eritellympää tietoa eri tekijöitten vaikutuksista. Laboratoriokokein tutkimme mm. pienhiukkasten koostumuksen vaikutusta aktivaatioon

Suurten pyörteitten menetelmällä mallinnettu pyörteisen rajakerroksen pystytuulennopeus (m/s) korkeuden (m) funktiona (vas.) sekä vastaava vesipisaroitten konsentraatio (kg/m3), josta nähdään kumpukerrospilvien muodostuminen heti rajakerroksen yläpuolelle. 

Laskennallisilla menetelmillä tutkimme pienhiukkasten vuorovaikutusta pilvien kanssa eri mittakaavoissa. Yksittäistä pilveä voidaan kuvata niin adiabaattisilla konvektiomalleilla kuin myös turbulenttisempiin olosuhteisiin soveltuvilla suurten pyörteitten malleilla (LES). Näillä malleilla voidaan ottaa huomioon yksityiskohtaisesti pilvissä vaikuttavat erilaiset mikrofysikaaliset prosessit: hiukkasten aktivoituminen pilvipisaroiksi sekä pisaroitten törmäykset, jäätyminen ja sadanta pois pilvestä. Näillä pienen mittakaavan malleilla saatuja tuloksia käytetään hyväksi kuvattaessa pilviä globaaleissa ilmastomalleissa, joitten avulla voidaan tutkia eri ympäristötekijöitten vaikutuksia pilvien esiintymiseen ja ominaisuuksiin, kuten heijastavuuteen ja sadantaan. Tärkeä tutkimuskohde on myös mahdollisuus ilmastonmuokkaukseen pilvien avulla, jossa tutkitaan mahdollisuutta lisätä pilvien heijastavuutta lisäämällä keinotekoisesti pilventiivistymisytimien määrää ilmakehässä. Pilvi- ja ilmastomalleista saatuja tuloksia pilvien optisille ominaisuuksille verrataan myös satelliittimittauksiin. 

Uusien hiukkasten muodostuminen

Miten pilventiivistymisytiminä toimivat pienhiukkaset sitten päätyvät ilmakehään? Osa hiukkasista, ns. primääriset hiukkaset, on peräisin suoraan erilaisista luontaisista tai ihmistoiminnan aiheuttamista prosesseista. Tällaisia hiukkasia ovat esimerkiksi siitepöly, merten pärskeitten tuottamat pienet suolakiteet ja eri lähteistä peräisin oleva pöly. Ilmakehässä myös syntyy jatkuvasti uusia, sekundaarisia hiukkasia kaasu-hiukkasprosessissa, jossa ilmakehässä olevat hivenkaasut valokemiallisesti muuntuvat höyryiksi, jotka pystyvät joko kasvattamaan olemassa olevia hiukkasia tiivistymällä niihin tai muodostamalla täysin uusia hiukkasia ydiintymällä eli nukleaatiolla. Ilmakehässä tärkein uusia hiukkasia muodostava höyry on rikkihappo, jota syntyy niin luontaisten orgaanisten rikkiyhdisteitten kuin myös fossiilisten polttoaineitten poltosta ja tulivuorenpurkauksista peräisin olevan rikkidioksidin hapettuessa. Myös monet kasvien tuottamat haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC) tuottavat herkästi tiivistyviä höyryjä hapettuessaan. Koska kyseisten kasvien aineenvaihduntatuotteitten vapautuminen on sidoksissa kasvien fyysiseen, tauti- tai tuholaisvioitukseen, muodostavat VOC:ien reaktiot ja niitä seuraava hiukkasmuodostus potentiaalisesti merkittävän palautejärjestelmän ilmaston ja ekosysteemiin välillä. Tätä vuorovaikutusta me olemme tutkineet kasvikammiokokeissa yhdessä ympäristötieteen laitoksen kemiallisen ekologian tutkimusryhmän kanssa. Paitsi kokeellisesti, tutkimme uusien hiukkasten muodostumista kammiossa myös mallintamalla pienhiukkasten dynamiikkaa kammiossa laskennallisesti.

 

Hyönteis-kasvi-aerosoli-pilvivuorovaikutus (vas.) sekä mittausasetelma, jossa kuusentaimien tuottamia haihtuvien yhdisteiden aiheuttamaa hiukkasmuodostusta tutkitaan kammiomittauksin (oik.). Lähde: J. Holopainen, ISY

Kasvikammiokokeitten sivutuloksena on saatu myös mielenkiintoista tietoa uusien hiukkasten olomuodosta: hiukkasten pomppaamiskäytöksen perusteella on havaittu, etteivät hiukkaset olekaan kiteisiä kuten on yleisesti oletettu, vaan amorfisia eli lasi- tai kumimaisia. Koska hiukkasen olomuoto vaikuttaa merkittävästi sen kykyyn toimia pilventiivistymisytimenä (CCN), tällä havainnolla on merkittävää vaikutusta myös hiukkas-pilvivuorovaikutukseen ja ilmastoon myös globaalisti (ks. Tiede-lehden tiivistelmä tutkimuksesta).

Edellä kuvattu uusien pienhiukkasten muodostuminen rikkihapon ja VOC:ien hapetustuotteitten seurauksen tuottaa itse asiassa valtaosan ilmakehän hiukkasista lukumäärän perusteella lähes jokaisessa maailmankolkassa, Amazonasin alueen ollessa merkittävin poikkeus. Yleensä tämä hiukkasmuodostus havaitaan purkauksellisina ryöppyinä. Olemme olleet mukana havaitsemassa näitä ryöppyjä kenttämittauksissa eri puolilla maailmaa; samoissa mittauksissa olemme tutkineet myös syntyneitten hiukkasten kasvua, kemiallista koostumusta ja vaikutusta pilvien muodostumiseen.

• Aerosolifysiikan ryhmän tekemiä kenttämittauksia eri puolilla Maapalloa voit tarkastella ryhmän tutkimusta esittelevällä sivulla.
• Kuuntele tutkija Santtu Mikkosen haastattelu kenttämittausten analysoinnista (YLE/Kantti).
• Kuopiosta katsoen kaukaisin mittausasema on Heron Island Australian Ison Valliriutan lähellä, katso lyhyt esitys tutkimusasemasta ja mittauksista (Youtube).

Viime vuosien aikana ajatus galaktisten kosmisten säteitten vaikutuksesta ilmastoon on ollut runsaasti esillä eri medioissa. Kyseisen hypoteesin mukaan Auringon aktiivisuuden vaihtelut selittäisivät osan havaitusta ilmastonmuutoksesta, mutteivat ainoastaan auringonsäteilyn vaan eritoten ilmakehän saavuttavan kosmisen säteilyn johdosta: mitä aktiivisempi Aurinko on, sitä tehokkaammin se suojaa Maapalloa kosmiselta säteilyltä ja päinvastoin. Ilmakehään tunkeutuva kosminen säteily ionisoi voimakkaasti yläilmakehää, mikä puolestaan lisää uusien hiukkasten muodostumista ja näin mahdollisten pilventiivistymisytimien lukumäärää. Olemme mukana CERNissä suoritettavassa monikansallisessa CLOUD-kokeessa, jossa tätä hypoteesia sekä muita tähän läheisesti liittyviä ilmiöitä tutkitaan tuottamalla hiukkaskiihdyttimen avulla keinotekoista kosmista säteilyä mittauskammioon, ja vertaamalla saatuja tuloksia mittauksiin, joissa kammioon on tullut pelkästään luonnollista taustasäteilyä tai jossa kammio on suojattu kaikkea ulkoista säteilyä vastaan.

 

CLOUD-kokeen kammio (vas.) CERNissä (oik.)

 

Aerosolifysiikan ryhmän hiukkasmittaukset eivät kuitenkaan rajoitu pelkästään uusien hiukkasten muodostumisen ja kasvun seurantaan:

• Liikenneperäiset pienhiukkaset ovat merkittävä terveysuhka kaupunkiympäristöissä: kuuntele tutkija Petri Tiitan haastattelu (Kantti).
• Eyjafjallajökullin purkaus keväällä 2010 tuotti tuhkapilven, joka esti lentoliikenteen liki koko Euroopassa. YLEn sivuilla on juttu tuhkan kuumailmapallomittauksista, joihin myös aerosolifysiikan ryhmä osallistui. 

Opetus

Aerosolifysiikan ryhmä vastaa kaikkien Kuopion kampuksen fysiikan opiskelijoitten lämpö-opin ja statistisen fysiikan opinnoista, sekä ympäristöfysiikan linjan syventävistä opinnoista aerosoleihin, ilmastoon, ilmakemiaan ja pilviin liittyen. Olemme myös osallisena yhteispohjoismaisessa ABS-maisteriohjelmassa sekä kansallisessa Ilmakehän koostumuksen ja ilmastonmuutoksen ACCC-tohtoriohjelmassa. Teemme myös yhteistyötä muitten oppilaitosten kanssa peruskouluista yliopistoihin tarjoamalla luentoja ilmastonmuutoksesta sekä ympäristöfysiikan tutkimuksesta. Mikäli ryhmäsi on kiinnostunut näistä aiheista ottakaa rohkeasti yhteyttä Annele Virtaseen tai Jorma Joutsensaareen. 

Tärkeimmät yhteistyökumppanit

Suuri osa tutkimuksestamme tehdään yhteistyössä muitten organisaatioitten kanssa. Kuopion kampusalueella jo mainitun Ilmatieteen laitoksen Kuopion yksikön lisäksi muodostamme ympäristötieteen laitoksen pienhiukkasteknologian ja inhalaatiotoksikologian tutkimusryhmät sekä Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen ympäristöterveyden tutkijoiden kanssa KCaR-yhteenliittymän aerosolitutkimuksen alalla, mikä mahdollistaa useitten eri mittalaitteitten saatavuuden sekä laajat tutkimukset, joissa voimme tutkia aerosolien terveysvaikutuksia aina yksittäisten hiukkasten syntyprosesseista hiukkasten toksikologiaan ja väestötason epidemiologisiin vasteisiin asti.

Olemme myös osa kansallista Ilmakehän koostumusta ja ilmastonmuutosta tutkivaa huippuyksikköä sekä pohjoismaista CRAICC-huippuyksikköä, jonka tutkimuskohteena on Arktisen alueen ilmastonmuutos. Euroopan laajuisesti olemme osallistuneet useisiin laajoihin tutkimusohjelmiin, viimeisimpänä laajaan EUCAARI-hankkeeseen.

• Kuuntele prof. Ari Laaksosen haastattelu koskien CRAICCia (Kantti). 

Lisätietoja

• Ryhmän tutkimustyön esittely englanniksi
• www.ilmasto-opas.fi
• www.hiukkastieto.info
• CLOUD-projektin sivut