Tietämys ilmakehän nanohiukkasten kasvumekanismeista ja -dynamiikasta on lisääntynyt 2000-luvun aikana valtavasti. Tästä huolimatta laajat ilmaston muuttumista ennustavat mallit eivät vielä riittävän tarkasti huomioi nanohiukkasten vaikutusta pilvien muodostukseen ja siten maapallon säteilytasapainoon.
Tämä käy ilmi arvostetussa Reviews of Modern Physics -lehdessä julkaistussa katsauksessa, jossa Helsingin yliopiston, Wienin teknillisen yliopiston, Tukholman yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen tutkijat koostivat yhteen ilmakehän pienhiukkasia eli aerosolihiukkasia koskevaa tutkimusta kahden viime vuosikymmenen ajalta.
Tutkijat tarkastelivat erityisesti sitä, miten alle 25 nanometrin kokoisten aerosolihiukkasten muodostuminen ja kasvu kytkeytyy pilvipisaroiden muodostumisen ennustamiseen ja miten aerosolitietoa voitaisiin hyödyntää ilmastoennusteissa nykyistä paremmin.
Hiukkaset vaikuttavat pilvipeitteen heijastavuuteen
Aerosolihiukkaset vaikuttavat ilmastoon kahdella tavalla. Ne voivat vaikuttaa suoraan siihen, paljonko auringonvaloa päätyy maan pinnalle. Toinen vaikutus syntyy pilvien muodostumisen kautta.
Pilvet koostuvat pienistä pilvipisaroista. Jokaisen pisaran synty alkaa veden tiivistymisellä ilmassa olevan aerosolihiukkasen pinnalle.
Aerosolihiukkasten määrä ja koostumus määrittelevät pilvipeitteen ominaisuuksia, kuten sitä, paljonko pilvet heijastavat auringonvaloa takaisin avaruuteen. Jos ilmassa olevan veden määrä on vakio, suuret määrät aerosolihiukkasia johtavat pienenpään pilvipisaran kokoon mutta pisaroiden suurempaan kokonaispinta-alaan. Näin syntyy myös enemmän valoa sirottavia, kirkkaimpia pilviä.
Myös ihmisen toiminnasta aiheutuvat päästöt, kuten rikkidioksidi, ammoniakki ja tietyt hapettuneet hiilivedyt, synnyttävät ilmakehään uusia hiukkasia. Näiden hiukkasten muodostuminen nostaa ilmakehän hiukkaspitoisuuksia tasolta, jossa ne muutoin olisivat ilman ihmisen toimintaa. Nämä hiukkaset myös kasvavat riittävän suuriksi vaikuttaakseen pilvien muodostukseen ja lopulta ilmastoon.
Aerosolihiukkasten kasvu on herkkä prosessi, johon vaikuttavat meteorologiset olosuhteet, ilmassa olevat kaasut, höyryt ja hiukkaset. Useimmiten uusien hiukkasten muodostusta ja kasvua ilmakehässä havaitaan selkeinä, aurinkoisina päivinä. Silloin tietynlaiset höyrymolekyylit muodostavat ryppäitä, joiden päälle muut höyryt voivat tiivistyä ja kasvattaa hiukkaset riittävän suuriksi, että ne osallistuvat pilvien muodostukseen.
Seuraavaksi pitää selvittää höyryjen rooli
Katsausartikkelissa tutkijat pyrkivät tuomaan kokeellista tutkimusta ja mallinnusta lähemmäs toisiaan, minimoimaan hiukkaskasvuun liittyvää epävarmuutta ja tarjoamaan keinoja ilmaston parempaan mallintamiseen.
Yksi esimerkki hiukkasten kasvuun liittyvästä epävarmuudesta on niiden kasvunopeuden tarkka kokeellinen määrittäminen useissa mittauspisteissä ympäri maailman. Tämä koskee erityisesti alle viiden nanometrin hiukkasia. Lisäksi epävarmuutta tuovat kasvun fysikaalinen ja kemiallinen kuvaaminen tarkemmin globaaleissa ilmastomalleissa.
– Etenkään kokeellisia tuloksia ei vielä pystytä soveltamaan ilmastomalleissa parhaalla mahdollisella tavalla, koska niiden tarkka mallintaminen vaatii liikaa laskentatehoa. Kun ymmärrämme paremmin, miten erilaiset hiukkaset muodostuvat ja kasvavat, voimme paremmin ennustaa, miten ihmisten toiminta vaikuttaa ilmanlaatuun ja ilmastoon, kertoo tutkijatohtori Runlong Cai Helsingin yliopiston ilmakehätieteiden keskus INARista.
– Tärkeimmät seuraavat askeleet ovat selvittää hiukkasten kasvuun osallistuvien erilaisten höyryjen rooli, sekä mallintaa nämä höyryt ja kasvumekanismit tarkemmin ilmastomalleissa, sanoo INARissa työskentelevä yliopistotutkija Juha Kangasluoma.
Julkaisu:
Stolzenburg, D., Cai, R., Blichner, S., Kontkanen, J., Zhou, P., Makkonen, R., Kerminen, V.-M., Kulmala, M., Riipinen, I., & Kangasluoma, J. (2023). Atmospheric nanoparticle growth. Rev. Mod. Phys., 95, 045002.