Hyppää pääsisältöön

Koronavirustilanne Itä-Suomen yliopistossa

Väitöskirja.

FM Kimmo Korhonen, väitös 9.12.2021: Uutta tutkimustietoa pienhiukkasten vaikutuksesta jääpilvien syntyyn

Ympäristöfysiikan alan väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa Kuopion kampuksella.

Mikä on väitöstutkimuksesi aihe, ja miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia, Kimmo Korhonen?

Väitöstutkimukseni käsittelee eri tyyppisten pienhiukkasten mahdollista myötävaikutusta jäänukleaatioon, joka on ilmakehässä esiintyvä fysikaalinen prosessi. Jäänukleaatiolla, jonka seurauksena ilmakehässä esiintyvät jääkiteet syntyvät, puolestaan on merkittävä vaikutus pilvien syntyyn ja elinikään, ja sitä myötä useisiin säähän ja ilmastoon vaikuttaviin ilmiöihin. Hallitustenvälisen ilmastopaneelin eli IPCC:n tunnustamista ilmakehän säteilypakotteeseen vaikuttavista tekijöistä pienhiukkasten vuorovaikutus pilvien kanssa tunnetaan tällä hetkellä heikoiten.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?

Tutkimuksessa mitattiin kokeellisesti kolmen ilmakehässä yleisesti esiintyvän pienhiukkastyypin kykyä muodostaa ilmakehässä jääkiteitä ja siten jääpilviä. Näistä kaksi olivat polton hiukkaspäästöjä puu- sekä dieselpolttoaineista, ja kolmas niin kutsuttuja sekundäärihiukkasia, joita muodostuu havumetsien kaasumaisista päästöistä auringonvalon myötävaikutuksella. Lisäksi kaikissa kokeissa pienhiukkasten fysikaaliskemiallisten ominaisuuksien karakterisoinnilla pyrittiin tuottamaan uutta tutkimustietoa, mitkä ominaisuudet mahdollisesti vaikuttavat niiden kykyyn muodostaa jääkiteitä.

Näiden kolmen tutkimuksen tärkeimmät havainnot olivat, että puunpoltossa pienetkin muutokset palamisolosuhteissa voivat lisätä hiukkaspäästöjen jäätymisaktiivisuutta merkittävästi. Dieselmoottorin hiukkaspäästöjen ei havaittu olevan merkittävän aktiivisia jääytimiä, mikä vahvistaa aikaisemmin julkaistujen tutkimusten johtopäätöksiä. Metsien tuottamien sekundäärihiukkasten jääaktiivisuuden havaittiin heikentyvän, jos ne imevät vettä ennen jäätymisolosuhteille altistumista: tämä ilmiö oli havaittu aiemmin vain mallisimulaatioissa, mutta tutkimus todisti sen kokeellisesti. Pienhiukkasten jääaktiivisuuden tutkimisen lisäksi väitöskirjatutkimuksen aikana virtauskammiolaite muutettiin teknisesti siten, että jäätymisolosuhteet pystytään nyt simuloimaan -65 ⁰C lämpötilaan saakka, aiemman -48 ⁰C:n sijaan. Päivitetyllä laitteella voidaan siten mitata myös yläilmakehälle tyypillisiä jäätymisolosuhteita.

Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?

Pienhiukkasten jäätymisaktiivisuuden mittaaminen sekä niiden fysikaaliskemiallisten ominaisuuksien karakterisointi ovat perustutkimusta, jossa pyritään lisäämään ymmärrystä fysikaalisesta ilmiöstä, jäänukleaatiosta. Tällaisten tutkimusten keskeisin käyttökohde on ilmastomallien tarkkuuden parantaminen. Tuloksia erityyppisten pienhiukkasten jääaktiivisuudesta voidaan käyttää esimerkiksi ilmastomuutoksen etenemistä ennustavissa tietokonesimulaatioissa, jos halutaan tutkia, miten muutokset erityyppisten pienhiukkasten määrässä ilmakehässä vaikuttavat pilvisyyteen ja sitä kautta esimerkiksi sademääriin. Virtauskammiolaitteen teknisestä muutostyöstä julkaistu artikkeli sisältää yksityiskohtaisen kuvauksen, kuinka saman muutoksen voi halutessaan tehdä vastaavalle laitteelle. Näin ollen muut samaa laitemallia käyttävät tutkimusryhmät voivat parantaa omia laitteitaan.

Kuvaile väitöstutkimuksesi prosessia. Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?

Väitöstutkimukseni alkoi tutustumalla SPIN-virtauskammiolaitteeseen, joka tuolloin oli vielä täysin uusi malli. Sen vuoksi tutkimuksen alussa uuden laitteen suorituskyky ja ominaisuudet oli testattava ennen varsinaisen tutkimusaineiston keruun aloittamista.

Pienhiukkasten jäätymistä käsittelevä aineisto kerättiin kokeellisesti mittauksilla kolmessa erillisessä mittauskampanjassa, joista kaksi järjestettiin Ruotsissa ja yksi Kuopiossa. Näissä tapahtumissa mittaukset tehtiin yhteistyönä useiden eri mittalaitteiden käyttäjien kanssa, jotta tutkittavien hiukkasten fysikaaliskemiallisista ominaisuuksista saatiin kattava kokonaiskuva.

Tutkimusaineiston keräämisen ohessa myös SPIN-laitteen suorituskykyä sekä erityyppisille pienhiukkasille soveltuvia mittaustekniikoita arvioitiin sekä ennen teknistä muutostyötä että myös sen jälkeen. Väitöskirjassa tuodaan siten esille virtauskammiolaitteen käyttöön liittyviä seikkoja: tämän tarkoituksena on opastaa uusia vastaavan mittaustekniikan käyttäjiä.

 

FM Kimmo Korhosen ympäristöfysiikan alaan kuuluva väitöskirja Ice nucleation induced by atmospheric particulate matter: Investigation using a portable continuous flow diffusion chamber instrument (suom. Ilmakehän pienhiukkaset ja jäänukleaatio: tutkimuksia siirrettävällä virtauskammiolaitteella) tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa Kuopion kampuksella, Snellmania-rakennuksen SN201-salissa 9.12.2021 klo 12 alkaen. Vastaväittäjänä toimii professori Mikko Sipilä Helsingin yliopistosta ja kustoksena professori Annele Virtanen Itä-Suomen yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on suomi, ja tilaisuutta voi seurata verkossa.

Lisätietoja:

Kimmo Korhonen, nuorempi tutkija, sovelletun fysiikan laitos, Itä-Suomen yliopisto, kimmo.korhonen@uef.fi, p. 045 881 4252