Metaanin satelliittimittaukset kattavat Arktisen alueen ennätyslaajasti ja luotettavasti

Uusi tutkimus keskittyy vertailemaan eri metaaniarvioita saman TROPOMI-satelliittimittalaitteen havainnoista. Metaanipitoisuus saadaan satelliitin mittaamasta Auringon säteilystä matemaattisen käänteisongelman ratkaisuna.

"Ratkaisun voi tehdä usealla menetelmällä, esimerkiksi mallintamalla ilmakehän fysiikkaa mahdollisimman tarkasti tai hyödyntämällä koneoppimismenetelmiä", Ilmatieteen laitoksen tutkimusprofessori Hannakaisa Lindqvist kertoo. "Siksi sama satelliitti voi tuottaa erisuuruisia arvioita metaanin pitoisuudesta. Tässä työssä vertailemme, ovatko ne samalla viivalla keskenään, vai onko arvioissa suuria eroja."

Laskentamenetelmiä on vastikään parannettu huomioimaan Arktisen alueen olosuhteet. Uudet metaanihavainnot osoittautuvatkin aiempia luotettavammiksi suhteellisten virheiden ollessa nyt alle 1 %. Satelliittimenetelmien väliset erot olivat keskimäärin tätä pienempiä; tosin suurempia eroja huomattiin keväisin ja syksyisin. Parannetut satelliittimittaukset myös kattavat Arktisen alueen ennätyslaajasti tuottaen korkeilla leveysasteilla kuukautta kohti jopa seitsemän miljoonaa mittausta, joista lähes kolme miljoonaa on ikiroudan alueilta. Näin tarkka ja kattava Arktisen alueen metaanin havainnointi ei ole ollut aiemmin mahdollista.

Sodankylän mittaukset avainasemassa

Tutkimuksessa yhdistettiin Arktisen alueen maanpintamittauksia monipuolisesti Suomen, Ruotsin, Norjan, USA:n, Kanadan ja Venäjän alueilta. Satelliittimittausten tarkkuus selvitettiin sekä korkean että matalamman erotuskyvyn mittalaitteita käyttäen, ja joukkoon lisättiin myös metaanin profiilimittauksia Sodankylän erikoisluotauksista.

Kuva 1: Metaanin satelliittimittausten vertailuasemat sijaitsevat pohjoisessa sekä ikirouta-alueella että sen ulkopuolella. Ilmatieteen laitos on keskittänyt Sodankylän asemalle sekä korkean (TCCON-mittaus) että matalamman (COCCON-mittaus) resoluution spektrometrimittauksia. Lisäksi Sodankylässä tehdään palloluotauksilla ilmakehän profiilimittauksia noin 30 km korkeudelle saakka. (Kuva: Hannakaisa Lindqvist, Ilmatieteen laitos)

Ilmatieteen laitoksen tutkijat Sodankylän Arktisessa avaruuskeskuksessa tuottivat tutkimukseen keskeistä referenssidataa pitkäkestoisista metaanimittauksista. Laitoksen satelliittiosaamista tarvittiin havaintojen vertailuun. Väitöskirjatutkija Ella Kivimäki vastasi tutkimuksessa satelliittimittausten vertailusta korkean resoluution spektrometrien mittauksia vastaan.

"Eri menetelmien avulla saadut metaaniarviot vastasivat keskiarvoistettuna hyvin toisiaan, mutta asemakohtaisissakin tuloksissa havaittiin eroja keväällä ja syksyllä. Kevään ja syksyn suurempiin eroihin voi vaikuttaa esimerkiksi lumipeite tai matalalta paistava aurinko, mutta tästä tarvitaan lisätutkimusta. Näiden tulosten saamiseen tarvitaan pitkiä jatkuvia aikasarjoja. On hienoa, että meillä Ilmatieteen laitoksella ollaan mukana tuottamassa niitä", Kivimäki kertoo. 

Kuva 2: Ilmakehän kasvava metaanipitoisuus Sodankylän mittausasemalla korkean resoluution spektrometrimittausta (TCCON) käyttäen näkyy kuvassa harmailla symboleilla. TROPOMI-satelliittimittaus (siniset symbolit) vastaa hyvin Sodankylän mittausta eli se tuottaa luotettavaa tietoa metaanista. Tässä kuvassa on esitetty Bremenin yliopiston tuottama TROPOMI-metaanipitoisuus. Aikasarjassa on aukkoja, koska molemmat mittaukset tarvitsevat auringon valoa – Sodankylässä aurinko on talvella hyvin matalalla tai ei nouse ollenkaan. (Kuva: Ella Kivimäki, Ilmatieteen laitos)

Ikiroudan metaani yhdistää sekä haastaa tutkijayhteisöä

Avaruudesta käsin tehdyt havainnot ovat avainasemassa Arktisen alueen seurannassa. Kasvavat tai yllättävät metaanipäästöt tältä alueelta voivat voimistaa ilmastonmuutosta, minkä takia ilmakehän metaanipitoisuutta on tärkeä seurata tarkasti. Kun metaanihavaintojen tarkkuus on selvitetty, tiedetään, millaisia poikkeamia voidaan tulkita luotettavaksi merkiksi kohonneista metaanipitoisuuksista.

Ilmatieteen laitoksen johtamaan tutkimukseen on osallistunut laaja kansainvälinen joukko satelliittimittausten tekijöistä Arktisen alueen mittausasemien tutkijoihin. Ilmatieteen laitoksen osuutta tutkimuksessa rahoittaa Suomen akatemia ja Euroopan avaruusjärjestö. Tutkimus linkittyy laajaan avaruusjärjestöjen yhteistyöverkosto AMPAC:iin (Arctic Methane and Permafrost Challenge), jossa on tavoitteena saada uutta tietoa Arktisen alueen metaanista ja ikiroudasta yhä parempien satelliittimittausten ja tutkimusyhteistyön avulla. Tutkimuksen aihe kuuluu Suomen akatemian inversio-ongelmien ja kuvantamisen huippuyksikköön sekä FAME-lippulaivahankkeeseen.

Lisätietoja: 

Hannakaisa Lindqvist, tutkimusprofessori ja ryhmäpäällikkö, hannakaisa.lindqvist@fmi.fi, puh. 040 725 5651  

Ella Kivimäki, väitöskirjatutkija, ella.kivimaki@fmi.fi, puh. 050 464 5442 

Alkuperäinen julkaisu (julkaistu 14.8.2024): 

Lindqvist, H., Kivimäki, E., Häkkilä, T., Tsuruta, A., Schneising, O., Buchwitz, M., Lorente, A., Martinez Velarte, M., Borsdorff, T., Alberti, C., Backman, L., Buschmann, M., Chen, H., Dubravica, D., Hase, F., Heikkinen, P., Karppinen, T., Kivi, R., McGee, E., Notholt, J., Rautiainen, K., Roche, S., Simpson, W., Strong, K., Tu, Q., Wunch, D., Aalto, T., and Tamminen, J.: Evaluation of Sentinel-5P TROPOMI Methane Observations at Northern High Latitudes, Remote Sens., 16, 2979, https://doi.org/10.3390/rs16162979, 2024.