Pienillä aerosolihiukkasilla on iso merkitys ilmakehässä. Ilman aerosolihiukkasia ei syntyisi pilviä, ja vesihöyryn, voimakkaan luonnollisen kasvihuonekaasun, pitoisuudet ilmakehässä olisivat nykyistä korkeampia. Ilmastomme olisi silloin täysin toisenlainen.
Jokainen pilvipisara tarvitsee syntyäkseen tiivistymisytimeksi hiukkasen, jonka pintaan vesihöyry tiivistyy. Näiden hiukkasten synty alkaa pienen pienien, noin nanometrin eli metrin miljardisosan kokoisten molekyyliryppäiden, klustereiden, muodostumisella. Näitä klustereita syntyy ilmakehässä jatkuvasti niin sanotun kaasu-hiukkas -muuntuman kautta.
Klusterit voivat kasvaa höyryjen, kuten rikkihapon, tiivistyessä niiden pintaan. Kasvettuaan riittävän suuriksi, halkaisijaltaan noin 50 nanometrin hiukkasiksi, ne voivat toimia tiivistymisytiminä pilvipisaroille.
On arvioitu, että globaalisti noin puolet pilvien tiivistymisytimistä syntyy tämän mekanismin kautta.
Luonnossa syntymekanismeja on mitattu ja raportoitu vain kerran
Hiukkasten syntyprosesseja on tutkittu vuosikymmeniä, mutta toistaiseksi syntyä on kyetty selvittämään riittävällä tarkkuudella lähinnä vain laboratorio-olosuhteissa CLOUD-kokeessa Cernissä. Eurooppalaisen miljoonarahoituksen saanut tutkija Mikko Sipilä Helsingin yliopistosta on ollut aktiivisesti mukana tässä kokeessa sen alusta lähtien.
Ainoa tutkimus, jossa hiukkasten syntymekanismi on kyetty suoraan mittaamaan aidosta ilmakehästä, on sekin Sipilän kädenjälkeä.
Tutkimusryhmineen hän selvitti Nature-tiedelehdessä syksyllä 2016 julkaistussa artikkelissaan kaasu-hiukkas -muuntuman Atlantin rannikkoalueella. Siellä merilevien ilmaan päästämät jodiyhdisteet muuntuivat eri prosessien kautta pienhiukkasiksi.
Tieteellinen näyttö hiukkasten syntymekanismeista maapallon muilta alueilta kuitenkin puuttuu, ja sitä Sipilä tutkimusryhmineen on saamallaan rahoituksella nyt ryhtynyt selvittämään.
Haasteena pienet pitoisuudet
Tutkimuksessa vaikeinta on pienimpien klustereiden havaitseminen ja niiden kemiallisen koostumuksen selvittäminen.
Näitä muutamasta molekyylistä muodostuneita klustereita voi olla ilmakehässä vain muutama kappale 1018 (miljardia miljardia) ilmamolekyyliä kohti. Mittausteknologialle se on kova pala. Niinpä mittalaitekehitys on aina ollut Mikko Sipilän tutkimustyössä keskeistä ja poikinut muun muassa kaksi mittausteknologiaan keskittyvää spin-off -yritystä.
– Jos tarvittavat laitteistot saisi kaupan hyllyltä, olisi tämäkin tutkimuskysymys ratkaistu jo aikoja sitten, Sipilä uskoo.
Mittauksia luonnon ääriolosuhteissa
Koska Mikko Sipilällä on tutkimuksessaan globaali näkökulma, tutkimusta ei voi tehdä vain toimistossa. Hän pakkaa melko usein laboratorionsa laatikoihin ja lähtee ryhmineen kiertämään maailmaa.
Nyt hän on lähdössä Huippuvuorille, jossa tutkijat selvittävät Arktisten alueiden hiukkasmuodostusta puolen vuoden ajan. Loppuvuodesta ovat vuorossa Etelämanner ja Eteläinen valtameri. Suunnitelmat ovat valmiina myös tutkimuksiin tropiikissa, Intian valtamerellä sekä vuoristoalueilla ilmakehän ylemmissä kerroksissa.
Ryhmän jäsenten koulutuksessa onkin yksityiskohtia, jotka poikkeavat fyysikon tavanomaisesta koulutuksesta. Heille opetetaan esimerkiksi ammuntaa jääkarhuvaaran takia, ensiapua ja espanjaa.
Sipilällä on luonnollisesti käynnissä myös jatkuvat mittaukset Helsingin yliopiston omalla SMEAR II -asemalla Juupajoella. Tutkimusta täydentävät Cernin CLOUD-projektissa tehtävät laboratoriokokeet.
Etenkin polaarialueilla tutkimus vaatii työryhmän jäseniltä paljon: olosuhteet ovat rankat. Ryhmän jäsenten koulutuksessa onkin yksityiskohtia, jotka poikkeavat fyysikon tavanomaisesta koulutuksesta. Heille opetetaan esimerkiksi ammuntaa jääkarhuvaaran takia, ensiapua ja espanjaa – sitä ryhmänvetäjä itsekin on ryhtynyt lukemaan.
– Tutkimuskohdepalettiini sisältyy alueita, joissa englannilla ei vain kerta kaikkiaan pysty työskentelemään, hän perustelee.
Tulokset auttavat ymmärtämään ihmistoiminnan vaikutusta ilmastoon
Koska hiukkasilla on sekä luonnollisia että ihmistoiminnasta aiheutuvia lähteitä, on tärkeää ymmärtää molempia. Tutkimalla ilmansaasteista vapaata Etelämantereen ilmakehää, päästään käsiksi polaarialueiden täysin luonnollisiin hiukkasmuodostusmekanismeihin. Toistamalla tutkimus arktisella alueella, jonne laivaliikenteestä ja Siperian metallisulatoista päätyy rikkidioksidia ja muita ilmansaasteita, päästään käsiksi siihen, miten ja mihin suuntaan ihmistoiminta luonnon omia mekanismeja sotkee.
Tutkimuksen tulokset pyritään lopulta saattamaan ilmastoa kuvaileviin ja ilmaston tulevaisuutta ennustaviin tietokonemalleihin.
– Koska mekanismeja ei edes tunneta, niitä ei ole vielä luotettavasti voitu sisällyttää ilmastomalleihin. Uskon, että tutkimuksemme tulee parantamaan kykyämme ymmärtää nykyistä laajemmin ihmisen vaikutusta maapallon ilmastosysteemiin, Mikko Sipilä sanoo.
Kilpailtu ERC Starting Grant
Mikko Sipilän lisäksi ERC Starting Grantin 2016 saaneet tutkijat Helsingin yliopistosta ovat Jing Tang, Samu Niskanen ja Tuomas Tammela. Rahoitus on puolitoista miljoonaa euroa viiden vuoden ajalle, ja siihen voi lisäksi saada laiterahoituksen.
Katso kaikki ERC-rahoituksen saaneet tutkijat matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa ja koko Helsingin yliopistossa.
***
Sipilän tutkimusryhmä on osa vastanimitetyn akateemikko Markku Kulmalan johtamaa ilmakehätieteiden osastoa Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella.
Lisätietoa tutkimuksesta ryhmän verkkosivuilta.
Mikko Sipilä lähtee keskiviikkona 15.3. Suomesta Huippuvuorille ja aamulla perjantaina 17.3. kohti Ny Ålesundin tutkimuskylää. Se on radiohiljaisuusaluetta, eikä puhelinyhteyksiä ole. Työskentelyn etenemistä voi seurata blogin ja Twitterin kautta @sipimikko.