Huoltokatko torstaina 14.12. voi vaikuttaa hetkellisesti sääpalvelujemme toimintaan. Pahoittelemme mahdollisia häiriöitä.

Tiedotearkisto: 2011

Pilvipisaroiden synnystä on saatu uusia mittaustuloksia poistamalla epäpuhtauksien vaikutus

24.8.2011 13:19

Suomalaisten tutkijoiden kehittämällä laitteistolla on ensimmäistä kertaa päästy mittaamaan pienimpiä vasta muodostuneita ilmakehän hiukkasia tarkkaan kontrolloiduissa olosuhteissa.

Kuva: Eija Vallinheimo

Kuva: Eija Vallinheimo

 

Kansainvälisen yhteistyöhankkeen tulokset raportoidaan Nature-julkaisussa 25.8.2011. Projektissa osoitettiin, että rikkihappo ja ammoniakki yhdessä muodostavat uusia aerosolihiukkasia, mutta tämä ei yksin selitä alailmakehässä havaittavaa hiukkasmuodostusta. Lisäksi havaittiin, että kosmisen säteilyn aiheuttama ionisaatio voi lisätä hiukkasmuodostusta kammiossa vallinneissa olosuhteissa. Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa Cernissä tehdyt tarkat laboratoriokokeet vähentävät ilmastomalleihin liittyviä epävarmuustekijöitä.

Naturessa 25.8.2011 ilmestyvä artikkeli on ensimmäinen artikkeli CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoors Droplets)-projektin tuloksista. CLOUD:in tavoitteena on ratkaista eräs ilmakehätieteiden päivänpolttavista kysymyksistä: miten uusia pienhiukkasia muodostuu ilmakehässä ja miten nämä aerosolihiukkaset vaikuttavat ilmastoon. CLOUD on ensimmäinen yhteistyöhanke Cernin fyysikoiden ja ilmakehätieteiden tutkijoiden välillä.

Hankkeeseen osallistui yhteensä 17 instituuttia 9 maasta. Suomesta mukana ovat Helsingin ja Itä-Suomen yliopistot sekä Ilmatieteen laitos. Helsingin yliopistosta Naturessa julkaistavassa tutkimuksessa mukana oli 14 tutkijan joukko akatemiaprofessori Markku Kulmalan johdolla.

Nukleaation eli hiukkasmuodostuksen tutkimiseksi Euroopan hiukkastutkimuskeskukseen Cerniin rakennettiin ultrapuhdas kammio, jonka olosuhteita pystytään kontrolloimaan äärimmäisen tarkasti. Näin saatiin ensimmäiset luotettavat mittaustulokset tutkittavien höyryjen nukleaatiosta ilman, että epäpuhtaudet pääsevät vaikuttamaan tulokseen. Kulmalan mukaan tämä on merkittävä edistysaskel ilmakehätutkimukselle.

Helsingin yliopiston vastuulla projektissa olivat erityisesti laitteistot, jotka mittaavat kaikkein pienimpiä juuri muodostuneita hiukkasia ja ioneja, joita ei aiemmin ole suoraan pystytty havaitsemaan. Laitteiden avulla pystyttiin seuraamaan hiukkasten muodostusprosessia molekyylitasolta alkaen ja tunnistamaan hiukkasten muodostumiseen osallistuvat höyryt.

Tutkijatohtori Katrianne Lehtipalo Helsingin yliopiston fysiikan laitokselta analysoi tuloksia, jotka on mitattu uudella Suomessa kehitetyllä hiukkaslaskurilla, joka pystyy näkemään jopa vain nanometrin kokoisia hiukkasia.

-Nyt pystytään ensimmäistä kertaa laskemaan hiukkasten muodostumisnopeus suoraan mittauksista koossa, jossa hiukkaset syntyvät, Lehtipalo sanoo.

Ilmatieteen laitoksen ja Itä-Suomen yliopiston professori Ari Laaksosen mukaan suomalaistutkijat ovat aiemmin osoittaneet, että ilmakehän nukleaatiossa syntyneet hiukkaset voivat kasvaa riittävän suuriksi toimiakseen pilviytiminä. Hiukkasten synty- ja kasvuprosessien kaikkia yksityiskohtia ei kuitenkaan ymmärretä hyvin. Cernissä saadut tulokset valottavat erityisesti hiukkasmuodostuksen alkuvaihetta.

Yhteistyö Cernin ja ilmakehätieteilijöiden välillä tuotti ainutlaatuisen mahdollisuuden tutkia kosmisten säteiden vaikutusta nukleaatioon. Hiukkasmuodostusta pystyttiin mittaamaan erikseen joko luontaisen kosmisen säteilyn tuottamien ionien läsnä ollessa, Cernin protonisynkrotronilla tuotetun pionisuihkun aiheuttaman ionisaation vaikutuksesta, tai täysin ilman varauksia. Tällä tavoin voitiin kontrolloidussa olosuhteissa mitata, miten ionisaatio vaikuttaa hiukkasmuodostusprosessiin.

Hiukkasia tuotettiin CLOUD-kammiossa rikkihaposta ja ammoniakista, joiden uskotaan olevan tärkeimmät ilmakehässä nukleoituvat höyryt. Projektissa osoitettiin, että rikkihappo ja ammoniakki yhdessä muodostavat uusia aerosolihiukkasia, mutta ne eivät riitä kokonaan selittämään alailmakehässä havaittavaa hiukkasmuodostusta, vaan prosessiin osallistuu yksi tai useampi muukin yhdiste. Lisäksi havaittiin, että kosmisen säteilyn aiheuttama ionisaatio voi lisätä hiukkasmuodostusta kammiossa vallinneissa olosuhteissa. Kosmisten säteiden vaikutus korostui kylmissä lämpötiloissa, joten sillä näyttäisi kuitenkin olevan merkitystä lähinnä ylempänä ilmakehässä.

Aerosolihiukkaset viilentävät ilmastoa heijastamalla auringonvaloa ja muodostamalla pilvipisaroita. Nykytiedon mukaan jopa puolet pilvipisaroista syntyy ilmakehässä muodostuneiden, eli sekundääristen hiukkasten ympärille.
Siten ne tasapainottavat kasvihuonekaasupäästöjen lisääntymisen aiheuttamaa ilmastonmuutosta. Hiukkasten syntymekanismeja ei kuitenkaan vielä tunneta riittävän tarkasti, joten niiden käsittely esimerkiksi ilmastomalleissa on puutteellista. Myös kosmisten säteiden vaikutus pilvien välityksellä ilmastoon on ollut kiistanalainen aihe. CLOUD:in tapaisten tarkkojen laboratoriokokeiden avulla voidaan vähentää ilmastomalleihin liittyviä epävarmuustekijöitä.

Nature 25.8.2011, Kirkby et al., Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation, DOI 10.1038/nature10343

Lisätietoja:
Ilmatieteen laitos, prof. Ari Laaksoinen, puh. (09) 1929 5530, ari.laaksonen@fmi.fi
Helsingin yliopisto:
Katrianne Lehtipalo, 040 739 4812, katrianne.lehtipalo@helsinki.fi
Markku Kulmala, 040 596 2311, markku.kulmala@helsinki.fi