Arvaamattomat aerosolihiukkaset

Saima 1/2015

Tutkijoiden tietämys ilmakehän pienhiukkasista eli aerosoleista on vielä puutteellinen. Jotta globaalia ilmaston muutosta voitaisiin selittää, täytyy ymmärtää nanohiukkasten elinkaari ja elämä pilvien kanssa nykyistä täsmällisemmin.

Ilmaston lämpeneminen on tosiasia. Maailman ilmastoneuvotteluja ohjaavan ilmastopaneelin IPCC:n raportissa aerosolien vaikutus ilmastonmuutokseen on kuitenkin suurin epävarmuustekijä. Toisin kuin kasvihuonekaasut ne viilentävät, mutta arvio niiden jäähdyttävästä vaikutuksesta on varsin epätarkka.

– Tähän mennessä aerosolit ovat kumonneet osan ilmastonmuutoksesta ja viilentäneet ilmastoa. Vielä pitää tutkia, että tiedetään tarkkaan, miten paljon ne ovat viilentäneet, sanoo Itä-Suomen yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen professori Ari Laaksonen.

Aerosolit vaikuttavat kahdella tavalla ilmakehään, suoraan ja välillisesti. Suora vaikutus tarkoittaa sitä, että hiukkaset joko sirottavat tai imevät itseensä auringon säteilyä. Musta hiili eli noki imee säteilyä ja lämmittää ilmastoa, mutta suurin osa hiukkasista sirottaa takaisin auringonvaloa eli viilentää. Toinen vaikutus on välillinen, mikä tarkoittaa pilviä.

– Aerosolit aktivoituvat pilvipisaroiksi ja pilvet vaikuttavat edelleen ilmekehän säteilytasapainoon. Jokainen pilvipisara pitää sisällään vähintään yhden aerosolihiukkasen eli ne tarvitsevan aktivoitumisytimen, kertoo apulaisprofessori Annele Virtanen Itä-Suomen yliopistosta.

Aerosolihiukkaset siis sirottavat auringon säteilyä sekä muovaavat pilvien ominaisuuksia ja määrää. Voisivatko aerosolit olla ilmakehän pelastus niiden viilentävän vaikutuksen vuoksi? Virtasen mukaan aerosolit ovat hidastaneet ilmastonmuutosta, mutta tulevaisuudessa tähän pelastusrenkaaseen on turha tarrata.

– Ei ole mitään syytä uskoa, että niiden viilentävä vaikutus kasvaa samaa vauhtia kun hiilidioksidin määrä lisääntyy. Ei ole selvää, kuinka paljon viilentävä vaikutus on lisääntynyt teollisella aikakaudella.

Ihmisperäiset aerosolipäästöt ovat pienentyneet Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa 1980-luvulta alkaen, mutta kasvaneet Kiinassa ja Intiassa. Maailmanlaajuisesti päästöjen määrä on laskenut vain vähän.

Aerosolit yllättivät tutkijat viime vuonna, kun kävi ilmi, että ne eivät olleetkaan viilentäneet ilmastoa Aasiassa viimeisen 20 vuoden aikana kuten oli oletettu. Ihmisen aiheuttamien aerosolipäästöjen siirtyminen Euroopasta ja Pohjois-Amerikasta Kiinaan ja Intiaan vuosituhannen vaihteessa on yllättäen pikemmin lämmittänyt ilmastoa.

Yksi tärkeä syy Kiinan ja Intian päästöjen vähäiselle viilennysvaikutukselle on, että Aasiassa hiukkaspäästöt olivat tutkitun jakson alussa eli vuonna 1996 jo niin suuret, että lisäpäästöjen viilennysvaikutus oli melko vähäinen. Toisaalta nokihiukkasten pitoisuus kasvoi, mikä lämmitti ilmastoa.

Tutkijat selvittävät laskennallisesti, voiko ilmastoa muokata esimerkiksi ruiskuttamalla merisuolahiukkasia merestä ilmakehään tai levittämällä lentokoneella rikkihappoa, joka nukleoituu veden kanssa ja muodostaa hiukkasia. Virtanen ja Laaksonen ovat yhtä mieltä siitä, että ilmastoa muokkaaviin menetelmiin ei pidä ladata toiveita.

– Ilmastonmuokkaus on äärimmäinen hätäkeino. Jos maapallon ilmastoa pystyttäisiin keskimäärin viilentämään, niin kävisi kuitenkin helposti, että päiväntasaajalla on viileämpää ja napojen lähellä edelleen lämpimämpää. Jos keskilämpötila saataisiin putoamaan alkutilanteeseen, niin se ei tarkoita, että lämpötilajakauma maapallolla olisi sama kuin alun perin, sanoo Laaksonen.

Aerosolihiukkasten tutkiminen ja päästöjen mallintaminen on monimutkaisempaa verrattuna kasvihuonekaasuihin. Esimerkiksi hiilidioksidi sekoittuu suhteellisen tasaisesti ilmakehään riippumatta päästölähteestä ja sen sijainnista. Parissa vuodessa hiilidioksidipäästöt leviävät ilmakehään ja niillä on globaali vaikutus. Aerosolit vaikuttavat paikallisemmin, eivätkä ne leviä niin pitkälle, mutta niilläkin saattaa olla kaukovaikutuksia.

– Jos on voimakas aerosolipäästö, niin se ei vain viilennä ilmastoa paikallisesti, vaan saattaa muuttaa sääsysteemiä kauempana. Kun Euroopassa on vähennetty aerosolipäästöjä, sillä näytti olevan suurin vaikutus keskellä Siperiaa, mikä oli odottamatonta, sanoo Laaksonen.

– Aerosolit pysyvät ilmakehässä joitakin viikkoja, mutta kasvihuonekaasut puolestaan satoja vuosia, jatkaa Virtanen.

Ennen ajateltiin, että ihmisperäiset aerosolihiukkaset tulevat suoraan piipunpäästä, jolloin pitoisuudet ja kokojakaumat pystytään laskemaan helposti. Laaksosen 30-vuotisen uran aikana moni iso aerosolien luonteeseen ja pilviin liittyvä kysymys on ratkaistu.

– Väittelin 1992 ja väitöskirja käsitteli uusien hiukkasten muodostumisesta eli nukleaatiota. Kirjoitin, että uusien hiukkasten muodostumista voi tapahtua ilmakehässäkin, mutta se on hyvin harvinaista. Ei mennyt kuin muutama vuosi, kun me Suomessa osoitimme, että se on hyvin tavallista.

Ilmakehässä syntyneiden aerosolien osuus vaihtelee. Itä-Suomen yliopiston tutkijat ovat mitanneet hiukkaspitoisuuksia Euroopan saastuneimmalla alueella Italian Po-jokilaaksossa yhteistyössä paikallisten kanssa.

– Potentiaalisten pilviydinhiukkasten budjetista noin neljäsosa saattaa olla peräisin nukleaatiosta. Se on aika paljon siihen nähden, että alueella on hyvin suuret hiukkaspäästöt muutenkin, Laaksonen sanoo.

Virtasen ryhmä puolestaan on selvittänyt, että orgaanisista yhdisteistä koostuvat aerosolihiukkaset ovat usein kiinteitä ja lasimaisia, eivätkä nestemäisiä, kuten oli oletettu. Nyt Virtasen ja Laaksosen mukaan on hilkulla, että ratkaistaan, mikä uusien hiukkasten muodostamisen aiheuttaa. Suomi on aerosolitutkimuksessa maailman kärjessä.

– Aerosolien muodostumisen tutkimuksessa Helsingin yliopiston johdolla ykkösiä, ja Itä-Suomen yliopisto ja Ilmatieteen laitoksen Kuopion yksikkö ovat siinä mukana. Samoin pilvien ja hiukkasten vuorovaikutuksen tutkimisessa ollaan kärjessä, Laaksonen sanoo.

Ulkoilman pienhiukkasia on tutkittu Kuopion kampuksella ympäristöhygienian koulutusohjelman perustamisesta alkaen eli vuodesta 1974. Aluksi painotus oli hiukkasten terveysvaikutuksissa, mutta monitieteisyys vahvistui 90-luvulla.

Nyt Kuopiossa tehdään erittäin monipuolista tutkimusta aerosolifysiikan perusteista globaaleihin ilmastomalleihin ja hiukkasten terveysvaikutusten tutkimukseen. Mukana ovat Virtasen johtaman aerosolifysiikan tutkimusryhmän lisäksi ympäristötieteen laitoksen pienhiukkas- ja aerosolitekniikan ja toksikologian tutkijat sekä Ilmatieteen laitoksen tutkijat.

Tutkijoiden ote aerosoleista tiukkenee jatkuvasti, mutta avoimia kysymyksiä on fyysikkojen, kemistien ja toksikologien ratkaistavana paljon. Fyysikko Virtanen selvittää etenkin boreaalisesta metsästä haihtuvien yhdisteiden kasvua aerosolihiukkasiksi ja edelleen pilvipisaroiksi.

– Ei riitä, että tiedetään miten ja kuinka paljon niitä syntyy. Pitää myös tietää, missä olosuhteissa aerosolit kasvavat sellaiseen kokoon, että niillä on ilmastoa viilentävä vaikutus.

Teksti: Virpi Komulainen Kuvat: AFP / Lehtikuva ja Raija Törrönen

FAKTA

AEROSOLIHIUKKASET

1. Aerosolit ovat ilmakehässä leijuvia kiinteitä tai nestemäisiä pienhiukkasia.

2. Yhdessä kuutiosentissä ilmaa on metsässä 1 000 hiukkasta ja vilkkaan tien varressa yli 100 000 hiukkasta. Hiukkasia ei voi nähdä. Läpimitta vaihtelee yhden nanometrin ja noin kymmenen mikrometrin välillä.

3. Luonnollisia lähteitä ovat aavikoiden pöly, meren suola ja tulivuorten tuhkahiukkaset sekä metsien tuottamat orgaaniset aerosolit.

4. Ihminen lisää aerosolien määrää muun muassa puun ja kivihiilen poltolla. Hiukkasia vapautuu myös teollisuudesta ja liikenteestä.

5. Suuri osa aerosoleista syntyy vasta ilmakehässä. Metsistä haihtuvista orgaanisista kaasuista, kuten terpeenistä syntyy hapettumisen kautta aerosoleja.

6. Elinkaari ilmakehässä kestää muutamasta päivästä pariin viikkoon. Haihtuvat tai poistuvat ilmakehästä sateen mukana.

7. Aerosolihiukkaset vaikuttavat ilmastoon, mutta myös terveyteen aiheuttaen muun muassa hengityselinsairauksia. Vaikutukset riippuvat hiukkasten koosta, koostumuksesta ja lukumääräpitoisuudesta.