Pienhiukkaset näkyvät avaruuteen

Mittaustiedon käyttäjän on kuitenkin tunnettava mittauksiin liittyvät epävarmuudet ja rajoitukset, sillä mittaustulosten tulkinta on hyvin vaativaa. Satelliiteista tehdyt mittaukset tuottavat tärkeää tietoa ilmastonmuutoksen tutkimuksen ja ilmanlaadun valvonnan tarpeisiin.

Mielosen väitöstutkimuksessa on arvioitu aktiivisten ja passiivisten kaukokartoitusmenetelmien käytettävyyttä ilmakehän pienhiukkasten seurannassa. Passiiviset instrumentit mittaavat auringon ja maan lähettämää säteilyä, kun taas aktiiviset laitteet tuottavat mittaussignaalin itse esimerkiksi laserilla. Tutkimuksessa satelliiteista tehtyjen havaintojen luotettavuutta arvioitiin vertaamalla niitä maanpinnalta tehtyjen mittausten tuloksiin. Lisäksi työssä käytettiin satelliittimittauksia pienhiukkasten massapitoisuuden määrittämiseen maanpinnalla.Tulokset osoittivat, että satelliittimittauksista johdetut tiedot pienhiukkasten määristä vastasivat kohtalaisen hyvin maanpintamittauksia. Tärkein syy näiden mittausten eroavaisuuksiin johtuu mitattavien suureiden eroista: Maanpinnalla mitataan pienhiukkasten kuivaa massaa ja kokojakaumaa, kun taas satelliitin kyydissä oleva mittalaite mittaa hiukkasten vaikutuksen valon kulkuun. Luotettavan mittaustuloksen saamiseksi hiukkasten vaikutuksesta valon etenemiseen ilmakehässä, on tunnettava hiukkasten kokojakauman lisäksi myös kuinka kokojakauma muuttuu ilmakehän suhteellisen kosteuden vaikutuksesta. Lisäksi täytyy tuntea se, kuinka kyseiset hiukkaset muuttavat valon kulkusuuntaa ja voimakkuutta. Tähän puolestaan vaikuttaa hiukkasten muoto, koko ja kemiallinen koostumus.

Aktiivisten satelliittimittausten avulla voidaan määrittää pienhiukkasten alkuperä, ovatko ne esimerkiksi aavikon pölyä vai metsäpalojen savua. Koska tällainen luokittelu on erittäin vaativaa,tutkimuksessa kehitettiin menetelmä, jolla kyseisen alkuperäluokittelun luotettavuutta voidaan arvioida. Tuloksista ilmeni, että aavikkopöly pystytään tunnistamaan varmemmin kuin metsäpaloista tai teollisuudesta peräisin olevat hiukkaset, jotka ovat kooltaan pienempiä.

Kaukokartoitusta satelliiteista käsin

Kaukokartoitus on etämittausta, jossa mittalaite ei ole kosketuksessa mitattavan asian kanssa. Tällainen mittalaite voidaan asentaa maanpinnalle, lentokoneeseen tai jopa satelliitin kyytiin. Tietomitattavasta asiasta siirtyy sähkömagneettisen säteilyn, kuten valon, välityksellä. Mittauksia ilmakehästä voidaan tehdä joko satelliiteista maahan päin tai maan pinnalta avaruuteen päin.

Ilmakehän kaukokartoitus on suhteellisen tuore tieteenala. Ensimmäiset maanpinnalta tehdyt aktiiviset kaukokartoitusmittaukset tehtiin jo 1930-luvulla, mutta vasta laserin keksiminen 1960-luvun alussa mahdollisti tekniikat, joilla voidaan mitata ilmakehän pienhiukkasten sekä pilvien sijainnit ja määrät useiden kilometrien korkeudelta. Avaruudesta käsin ilmakehän pienhiukkasista tehtiin ensimmäiset visuaaliset havainnot vuonna 1961 ensimmäisellä miehitetyllä avaruuslennolla. 1970-luvun lopulla laukaistiin ensimmäiset satelliitit, joiden instrumentteja voitiin käyttää pienhiukkasten kartoittamiseen. Nykyisin pienhiukkasmittauksiin suunniteltuja instrumentteja lentäälukuisten satelliittien kyydissä.

Ilmakehässä pienhiukkasia on kaikkialla

Ilmakehässä olevat pienhiukkaset vaikuttavat auringon valon kulkuun ilmakehässä sirottamalla sitä eri suuntiin ja muuttamalla sitä lämmöksi. Lisäksi ne toimivat pilvien tiivistymisytiminä vaikuttaen pilvien kykyyn heijastaa säteilyä. Pienhiukkasten määrän kasvaessa pilvipisarat pienenevät ja pilvistä tulee valkoisempia, jolloin ne heijastavat auringon valoa entistä paremmin. Pienhiukkasilla on siis keskeinen rooli ilmastonmuutoksessa. Näillä hiukkasilla on myös haitallisia vaikutuksiaterveyteen ja ne heikentävät näkyvyyttä. Pienhiukkasia pääsee ilmakehään sekä luonnollisista lähteistä, kuten tulivuoren purkauksista, että ihmistoiminnan seurauksena, kuten liikenteestä ja teollisuudesta. Eri lähteistä syntyneillä hiukkasilla on erilaiset ominaisuudet ja ne vaikuttavat eri tavalla säteilyn kulkuun ilmakehässä sekä ihmisten terveyteen, minkä vuoksi hiukkasten maailmanlaajuinen seuranta on tärkeää.

Tero Mielonen väittelee 19.11.2010 klo 12.00, L1, Canthia, Kuopion yliopistossa.Tero Mielonen on syntynyt vuonna 1981 Savonlinnassa. Hän on kirjoittanut ylioppilaaksi Savonlinnan lyseon lukiosta vuonna 2000 ja valmistunut diplomi-insinööriksi Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta vuonna 2005. Mielonen on toiminut tutkijana Ilmatieteen laitoksen Kuopionyksikössä vuodesta 2005. Vastaväittäjänä on tohtori Pepijn Veefkind, Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut, KNMI ja kustoksena professori Kari Lehtinen Itä-Suomen yliopistosta.

Lisätietoja:

Tutkija Tero Mielonen, Ilmatieteen laitos, Kuopion yksikkö, puh.050 5253028, tero.mielonen@fmi.fi

Väittelijän painokelpoinen kuva löytyy osoitteesta:http://www.uef.fi/vaitoskuvat

Tero Mielonen: Evaluation and application of passive and active opticalremote sensing methods for the measurement of atmospheric aerosolproperties (Passiivisten ja aktiivisten kaukokartoitusmenetelmienkäytettävyys ilmakehän aerosolien ominaisuuksien mittauksessa).