VILMA-huippuyksikön tutkijat rakentavat virtuaalista laboratoriota, jonka tavoitteena on saada yhdistettyä ilmakehätutkimuksen kannalta olennaiset mallit ja mittaukset. Monimutkaisia mittalaitteita, joilla mitataan ilmakehän hiukkasia tai niihin liittyviä prosesseja, vilisee ryhmänjohtajien työnkuvauksissa.  Huippuyksikkö pyrkii mittauksia ja mallinnusta yhdistämällä saamaan sellaista ymmärrystä, jota kukaan ei ole aikaisemmin saavuttanut. ”Olemme täysin uuden tiedon äärellä”, toteaa huippuyksikköä johtava professori Hanna Vehkamäki.

Suomen Akatemian rahoittama Virtuaalinen laboratorio ilmakehän molekyylitason reaktioille ja faasimuutoksille eli VILMA koostuu kymmenen ryhmän demokraattisesta yhteenliittymästä, jossa rahoituskin jaetaan tasan kaikkien ryhmien kesken.

Vehkamäen tutkimusala on laskennallinen aerosolifysiikka. Varajohtaja, professori Theo Kurtén taas on laskennallisen ilmakemian tutkija. Helsingin yliopistossa muita VILMAn tutkimusaloja ovat kokeellinen ilmakehätiede yliopistotutkija Juha Kangasluoman, kokeellinen aerosolifysiikka professori Mikko Sipilän sekä reaktiokinetiikka vanhemman tutkijan Arkke Eskolan vetämänä. Aerosolidynamiikan tutkimusta tehdään Itä-Suomen yliopistossa. Tietenkin mukana on myös koneoppimista ja siihen kuuluvaa tekoälyä sekä Aalto- että Helsingin yliopistoista.

Vilman ryhmänjohtajia: Hanna Vehkamäki (oik.), Theo Kurtén, Arkke Eskola, Kai Puolamäki, Juha Kangasluoma ja huippuyksikön koordinaattori Laura Kippola.

Tekoäly nopeuttaa laskemista

Jotta virtuaalilaboratorio saadaan rakennettua kahdeksassa vuodessa, tarvitaan tekoälyä. ”Tavoitteemme on pystyä ennustamaan pienten hiukkasten määrä missä tahansa ilmakehän tilanteessa suht kustannustehokkaasti. Laskut saattaisivat kestää 20 vuottakin. Siksi tekoälyn pitää pystyä auttamaan meitä”, Vehkamäki painottaa.

Yksikössä on mukana kaksi tekoälyryhmää, joista toista vetää professori Patrick Rinke Aalto-yliopistosta. Hänen tehtävänään on saada nopeutettua laskentaa tekoälyn avulla.

”Haluamme ymmärtää, miten sekä ilmakehän prosesseja että mittauslaitteita mallittavat simulaatio- ja tekoälymallit toimivat ihmisen ymmärtämällä tavalla”, kertoo toisen tekoälyryhmän vetäjä, professori Kai Puolamäki Helsingin yliopistosta.

Aerosolitutkimusta monista eri näkökulmista

Professori Kari Lehtinen Itä-Suomen yliopistosta korostaa, että hiukkasten tarkka mittaaminen ja mallintaminen on haasteellista. Kokoon ja koostumukseen vaikuttavat useat aerosolien mikrofysikaaliset prosessit. Niiden nopeudet pitää pystyä arvioimaan, jotta hiukkasten koon ja koostumusjakauman muuttumista pystytään mallintamaan. Mallinnuksen tukena tässä on tärkeää olla mahdollisimman tarkkoja mittauksia sekä laboratoriossa että kentällä.

Lehtisen ryhmä arvioi aerosolien mikrofysikaalisten prosessien nopeuksia sekä mallintaa aerosolien koko- ja koostumusjakaumia.  ”Yhtenä keskeisenä tavoitteena ryhmälläni on sekä prosessinopeuksien että koko- ja koostumusjakaumien epävarmuuksien estimointi.”

Toista Itä-Suomen yliopiston ryhmää vetää professori Siegfried Schobesberger, joka tutkii erityisesti monimutkaisten orgaanisten hiukkasten molekyylitason yksityiskohtia: niiden kemiallista koostumusta, niissä tapahtuvia kemiallisia reaktioita ja niistä johtuvia fysikaalisia ominaisuuksia.

Professori Matti Rissanen Tampereen yliopistosta tekee molekyylitason tutkimusta hiukkasten syntymekanismeista, eli miten kaasumaiset molekyylit muuntuvat silmänräpäyksessä tahmeiksi hiukkasten lähtöaineiksi ja mahdollistavat ilmakehän pienhiukkasten muodostumisen.

Kemiallista varaamista hyödyntävä lentoaikamassaspektrometri Värriön asemalla.

Tavoitteena ilmakehän molekyylien synnyn ja roolien entistä parempi ymmärrys

Kenttämittauksia tehdään Helsingin Kumpulassa, Juupajoen Hyytiälässä ja Sallassa Värriön tutkimusasemalla. Kaikilta asemilta kerätään tietoa ilmakehän koostumuksesta.

”On huomion arvoista, että näillä menetelmillä olemme viimeisen noin 15 vuoden aikana löytäneet ilmakehästä satoja, kenties jopa tuhansia aiemmin tuntemattomia yhdisteitä. Eli huippuherkät laitteemme näkevät ilmassa vaikka mitä molekyylejä. Laitteet eivät kuitenkaan pysty kovin tarkasti kertomaan, kuinka paljon näitä molekyylejä on tai mitkä niiden tarkat rakenteet ovat. Se taas on aivan keskeinen tieto, jos halutaan ymmärtää niiden roolia ilmakehässä tai niiden syntymekanismeja. Ja tähän VILMA pyrkii tarjoamaan ratkaisuja”, Värriön asemaa johtava Mikko Sipilä korostaa.

Aerosolitutkimus tutkii ensisijaisesti ilmansaasteita, jotka usein hidastavat ilmaston lämpenemistä.

”Meidän fokuksemme on siinä, miten ilmakehän aerosolit ovat muuttumassa koko ajan tärkeämmiksi. Ihmiskunta on oppinut vähentämään epäorgaanisia päästöjä mutta samaan aikaan eloperäisten hiiliyhdisteiden päästöt ovat nousussa. Liikennepäästöt on saatu vähenemään, mutta kuluttajakemikaalien kuten pesuaineiden, hajusteiden, kosmetiikan ja muun vastaavan päästöjä ei ole säännelty. Kysymys on, miten nämä vaikuttavat tulevaisuudessa ilmanlaatuun kaupungeissa”, pohtii Kurtén.

Tiedeviestinnällinen versio kertomaan yksinkertaisemmin pienhiukkasista

Huippuyksikön tarkoituksena on luoda myös tiedeviestinnällinen versio virtuaalilaboratoriosta. Vehkamäen mukaan tavoitteena on saada luotua alan opiskelijoille tai ehkä lukiolaisillekin työkalu, jonka avulla he voisivat pienemmällä työllä oppia, miten ilmakehän pienhiukkaset toimivat.

Suomen Akatemian kahdeksan vuoden huippuyksikkörahoitus on mahdollistanut hankkeen, joka työllistää yli 50 tutkijaa. Rahoitus tuo tutkimukselle pitkäjänteisyyttä. Tämän tyyppinen tutkimus tarvitsee kuitenkin huomattavia määriä rahaa onnistuakseen. Siksi tutkijat hakevat lisärahoitusta myös esimerkiksi ERC:ltä eli Euroopan tutkimusneuvostolta.

”Huippuyksikkö tarjoaa ponnistuspohjan myös ERC:n rahoituksen hakemiselle”, painottaa Kurtén.

Teksti: Leena Vähäkylä
Kuvat: Leena Vähäkylä ja Mikko Sipilä