8.11.2017

Ilmakehän pienhiukkaset ilmastonmuutoksen ytimessä

Itä-Suomen yliopiston professori Annele Virtanen johtaa tutkimusryhmää, joka tutkii ilmakehän ilmiöitä – pienhiukkasia, pilviä ja ilmastonmuutosta. Pienhiukkaset vaikuttavat ilmastoon, niitä on ilmakehässä luonnostaan, mutta myös ihmisen toiminnan seurauksena. Virtanen ryhmineen on kehittänyt myös tutkimusmenetelmän, jossa hiukkasia törmäytetään ja selvitetään niiden ominaisuuksia.

Pienhiukkaset voivat olla nestemäisiä tai kiinteitä ja monet niistä ovat haitallisia terveydelle.  Ne ovat niin pieniä, ettei niitä voi havaita paljain silmin, mutta suurina pitoisuuksina ihminen havaitsee niitä helposti esimerkiksi suurkaupunkien savusumuna. ”Myös keväisen metsän tuoksu kertoo pienhiukkasista”, professori Annele Virtanen valistaa.

Pienhiukkasia syntyy ilmaan esimerkiksi merisuolasta, maaperän pölystä, kasvien orgaanisista yhdisteistä, metsäpalojen savusta ja noesta, tulivuorista sekä energiantuotannon, teollisuuden ja liikenteen päästöistä.

Ilmakehässä on paljon luonnon tai ihmisen aikaansaamia kaasumaisia epäpuhtauksia. Nämä kaasut, esimerkiksi rikkihappo tai ammoniakki reagoivat keskenään ja ilmakehään muodostuu kiinteitä tai nestemäisiä hiukkasia. Hiukkaset ovat aluksi pieniä, mutta kasvavat kaasujen tiivistyessä niihin tai takertumalla toisiinsa.

Maan säteilytasapainoon hiukkasilla on merkittävä vaikutus, sillä ne sirottavat auringon valoa ja osallistuvat pilvien muodostumiseen. Pohjoisella havumetsävyöhykkeellä on suuri rooli maapallon ilmaston viilentäjänä, sillä erityisesti havumetsät tuottavat suuren määrän pienhiukkasia ilmakehään.

Mitä pienhiukkaset puuhaavat ilmakehässä?

Virtasen tutkimusryhmää kiinnosti kiinteiden, lasimaisten aerosolihiukkasten vuorovaikutus ilmakehän ympäröivien höyryjen kanssa. Aiemmin ajateltiin, että havumetsien tuottamat hiukkaset ovat nestemäisiä. Nyt vaikuttaa siltä, että ne ovat kiinteitä, lasimaisia ja amorfisia. Havainnolla on suuri merkitys ilmakehätutkimuksessa.

Lasimaisen hiukkasen viskositeetti voi vaihdella paljon ja siksi vuorovaikutus ympäröivien höyryjen kanssa vaihtelee myös merkittävästi. Viskositeetillä tarkoitetaan yleensä aineen kykyä vastustaa virtausta, sitkautta. Ilmakehän aerosolihiukkasten käyttäytymiseen vaikuttavat muun muassa lämpötila ja paine sekä ilman kosteus. Näyttää siltä, että kiinteän olomuodon vaikutuksesta kaikki hiukkaset eivät käyttäydykään ilmakehässä kuten on luultu eivätkä ne esimerkiksi kaikissa olosuhteissa kasva aiemmin mallinnetulla tavalla.

Pienillä asioilla vaikutus isoihin kokonaisuuksiin ilmastossa

”Jos vuorovaikutus vesihöyryn kanssa muuttuu, ilmastovaikutus on erilainen kuin aiemmin on kuvattu. Pieni, mutta merkittävä yksityiskohta on silloin, pystyykö hiukkanen ottamaan vastaan vettä vai ei. Tästä seuraa uusia kysymyksiä. Kuinka paljon pilvissä on tällaisia hiukkasia, jotka eivät aktivoidu pilvipisaroiksi, mitkä ovat niiden optiset ominaisuudet ja millaisia eroja hiukkasten välillä on. Olemme ilmastotutkimuksen ytimessä”, kuvaa Virtanen.  

Hiukkastutkimus askaroi pienten prosessien ja yksityiskohtien kanssa, mutta pystyy selittämään globaalitason ilmiöitä. ”Skaalojen kokoero tekee tutkimuksesta haastavaa. Molekyylitason tutkiminen on kuitenkin välttämätöntä, jos haluamme selvittää ilmastonmuutoksen globaaleja haasteita ja prosesseja.”

Akatemiahankkeessa haluttiin tutkia, kuinka yleispäteviä nämä havainnot ovat, kun tutkimus viedään alkuasetelmastaan kammiosta sen ulkopuolelle todellisiin ilmakehäolosuhteisiin.

”Tulokset ovat varsin yleispäteviä ja niillä voidaan selittää hiukkasten käyttäytymistä. Lämpötilalla, ympäristön kosteudella ja tiivistyvien höyryjen höyrypaineella näyttää olevan ratkaiseva merkitys. ”

Suomi ilmastotutkimuksen kärjessä

”Meidän huippuyksikkö on alansa johtava maailmassa”, Virtanen iloitsee. Yleisestikin suomalaisella ilmastotutkimuksella on maailmassa vahva asema, vaikka maa on pieni ja täällä on alan tutkijoita määrällisesti vähemmän kuin monessa muussa maassa.

”Meillä taso näkyy esimerkiksi niin, että täällä tuotetaan laadukasta tutkimusta, johon viitataan ahkerasti muualla, meidän viittauskertoimet ovat korkeita”, Virtanen selvittää.

Virtanen kokee olevansa onnekas, sillä Suomen Akatemia on rahoittanut hänen tutkimuksiaan. ”Akatemiarahoitus on pitkäjänteistä ja joustavaa. Se antaa rauhan tehdä täysipainoisesti tutkimustyötä niin, että tutkimuksen tulos ja sen vaikuttavuus ovat avainasemassa. Rahoittaja ei myöskään liiaksi vahdi tai kahlitse tutkijaa samalla kun kaikille on kuitenkin kristallinkirkasta, että tulokset ratkaisevat.”

Tutkimusta tehdään käytännössä pienin askelin ja tutkitaan melko yksityiskohtaisella tarkkuudella kutakin ilmakehän kannalta keskeistä prosessia. Siitä huolimatta tutkimuksesta saatavaa tietoa voidaan käyttää globaalin tason ilmastoprosessien mallintamiseen. Skaalojen kokoero tekee tutkimuksesta haastavaa. Yksityiskohtainen prosessitason tieto on välttämätöntä.

Virtanen lähti nuorena opiskelijana alun perin viettämään välivuotta ja opiskelemaan luonnontieteitä Tampereelle. Siellä kiinnostus aerosolifysiikkaa ja ympäristökysymyksiä kohtaan heräsi. ”Opinnot veivät mukanaan. Tein väitöskirjan Tampereella, jäin vielä siihen samaan tutkimusryhmään ja perehdyin syvemmin ilmakehän aerosoleihin. Vuonna 2012 siirryin Itä-Suomen yliopistoon tutkimusryhmän johtajaksi.”

 

Teksti: Marja Nousiainen
Kuvat: Raija Törrönen ja Pond5.com

Viimeksi muokattu 8.11.2017

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi