Ilmakehän aerosolihiukkasilla on merkittävä vaikutus ilmastoon ja ilmanlaatuun, ja hiukkasten muodostumiseen osallistuvat puiden ja kasvillisuuden tuottamat orgaaniset höyryt. Aiemmin on ajateltu, että orgaaniset höyryt ovat tärkeitä hiukkasten muodostumisen kannalta vain ilmakehän alaosassa, jossa niiden pitoisuudet ovat suurimmat ja lämpötila on korkea, mutta tuore kansainvälinen tutkimus kuitenkin osoittaa, että muodostumisprosessi voi olla tärkeä myös ylempänä ilmakehässä, jossa on kylmempää.
– Tutkijat ovat havainneet orgaanisia höyryjä jopa korkealla vuoristossa tehdyissä mittauksissa, kertoo uudessa tutkimuksessa mukana ollut Katrianne Lehtipalo Helsingin yliopiston Ilmakehätieteiden keskuksesta.
Haihtuvia orgaanisia yhdisteitä ilmakehään päästää siis kasvillisuus.
– Ennen kuin nämä yhdisteet voivat muodostaa tiivistymiskykyisiä höyryjä, niiden täytyy kuitenkin ensin hapettua ilmakehässä, Lehtipalo sanoo.
Erityisesti niin sanotut HOM-yhdisteet, eli pitkälle hapettuneet orgaaniset molekyylit, voivat tiivistyä ilmakehän hiukkasiin. HOM-yhdisteitä muodostuu eniten lämpimässä ilmassa, sillä niitä tuottavien hapetusreaktioiden nopeus riippuu lämpötilasta.
Kasvuun liittyy kaksi kilpailevaa ilmiötä
– Huomasimme tutkimuksessa, että hiukkasten kasvuun liittyy kaksi kilpailevaa prosessia. Kylmässä lämpötilassa pitkälle hapettuneita yhdisteitä muodostuu vähemmän. Toisaalta höyryjen haihtuvuus samalla pienenee voimakkaasti, mikä saa ne tiivistymään helpommin, Katrianne Lehtipalo kertoo.
Tutkimuksessa havaittiin nyt, että matalissa lämpötiloissa myös vähemmän hapettuneet yhdisteet voivat osallistua hiukkasten muodostumiseen ja alkuvaiheen kasvuun. Tämän takia hiukkaset voivat kasvaa nopeasti ja muodostaa ilmaston kannalta tärkeita pilvipisaroiden ytimiä.
Kammiossa tutkitaan hiukkasten syntyä ja kasvua ilmakehän kaasuista
Orgaanisten höyryjen hapettumistuotteiden havaitsemiseen tarvitaan erittäin tarkkoja massaspektrometrejä. Tällä kertaa tutkijoiden uusi lähestymistapa oli yhdistää kahdella erityyppisellä massaspektrometrilla mitatut orgaanisten molekyylien pitoisuudet. Näin tutkijat pystyivät havaitsemaan sekä pitkälle hapettuneet että vähemmän hapettuneet yhdisteet samaan aikaan.
Tulosten kannalta oleellista olivat mittaukset mahdollisimman puhtaassa laboratorioympäristössä, jotka tehtii Euroopan hiukkastutkimuskeskuksen Cernin CLOUD-kammiossa. Tutkimusta varten orgaanisten höyryjen vaikutus kasvuun eri lämpötiloissa eristettiin vuoroin lämmittämällä kammion ilma +25C asteeseen ja taas jäähdyttämällä se -25C asteeseen.
Alpha-pineeni
Cernin CLOUD-kammion avulla tutkitaan uusien aerosolihiukkasten syntyä ja kasvua ilmakehän kaasuista. Kammiossa vallitsevia olosuhteita, kuten lämpötilaa, kosteutta ja ionisaatiota kontrolloidaan äärimmäisen tarkasti, minkä jälkeen sinne valitaan haluttu kaasuseos tutkittavaksi.
– Tässä tutkimuksessa käytettiin yhdistettä nimeltä alpha-pineeni, joka on maailmanlaajuisesti eräs tärkeimmistä metsän tuottamista haihtuvista höyryistä. Sitä tuottavat varsinkin männyt ja muut havupuut, Katrianne Lehtipalo sanoo.
Nykyisin käytössä olevien ilmastomallien kannalta aerosolihiukkasten kasvuprosessin ymmärtäminen on olennaista, sillä nanohiukkaset vaikuttavat ilmastoon vasta, kun ne ovat kasvaneet ilmakehässä tarpeeksi suuriksi. Kun hiukkaset ovat kooltaan 50-100 nanometriä, eli metrin miljardisosia, ne voivat muodostaa pilvipisaroita tai sirottaa auringonvaloa.
Tutkimukseen osallistui tutkijoita 22 eri instituutista ympäri maailman. Suomesta mukana olivat Helsingin yliopiston Ilmakehätieteiden keskus, Itä-Suomen yliopisto ja Ilmatieteen laitos.
Julkaisu: Proceedings of Natural Academy of Science 28.8.2018, Stolzenburg et al., Rapid growth of organic aerosol nanoparticles over a wide tropospheric temperature range
Lisätietoja:
Apulaisprofessori Katrianne Lehtipalo, 040 663 0939, katrianne.lehtipalo@helsinki.fi
Akateemikko Markku Kulmala, 040 596 2311, markku.kulmala@helsinki.fi