Tulokset osoittivat, että mallinnusmenetelmät, jotka toimivat hyvin esimerkiksi puhtaassa tai maltillisesti saastuneessa ilmassa, voivat kuvata erittäin saastunutta ilmaa varsin huonosti.
Hiukkasten syntymekanismien tunteminen on tärkeää monella tavalla. Ilmakehässä voi syntyä terveydelle vaarallisia nano- ja pienhiukkasia, joiden suuret pitoisuudet ovat uhka terveydelle. Jotkin yhdisteiden reaktiot voivat tehostaa hiukkasten muodostumista, toiset taas heikentää.
Edes pilviä ei synny ilman hiukkasia, ja pilvet paitsi heijastavat auringonvaloa myös imevät maan lähettämää lämpösäteilyä. Hiukkaset voivat paikasta ja vuodenajasta riippuen joko estää tai kiihdyttää ilmaston lämpenemistä. Helsingin yliopiston Ilmakehätieteen keskus (INAR) johtaa alan tutkimusta maailmassa.
Rikkihappo kiihdyttää hiukkasten muodostusta
Rikkihappo muodostaa ilmakehässä tehokkaasti terveydelle vaarallisia hiukkasia. Tähän saakka on pidetty selvänä, että kaikki ilmakehään päässyt rikkitrioksidi (SO3) muodostaa rikkihappoa (H2SO4), sillä vettä (H2O) on ilmakehässä paljon verrattuna muihin hivenkaasuihin.
Todella saastuneessa ilmassa muut hivenkaasut voivat kuitenkin kilpailla rikkitrioksidin kuluttamisesta ja haitata rikkihapon muodostumista. Esimerkiksi todella korkeiden ammoniakkipitoisuuksien tapauksessa rikkitrioksidi voi reagoida ammoniakin (NH3) kanssa. Todella korkeiden hiilivetypitoisuuksien tapauksessa rikkitrioksidi voi taas reagoida näiden hiilivetyjen hapetustuotteiden, kuten esimerkiksi alkoholien, kanssa.
Kaikista näistä reaktioista syntyy rikkihapolle vaihtoehtoisia reaktiotuotteita. Mallinnustulosten perusteella ammoniakkireaktion tuote sulfamihappo hieman tehostaa hiukkasmuodostusta, kun taas kevyimmän alkoholin eli metanolin reaktiotuotteen vaikutus hiukkasmuodostukseen on rikkihappoa laiskempaa.
”Ei voida silti suoraan sanoa, että korkeat hiilivetypitoisuudet vähentäisivät hiukkasten syntyä ja siten haittaa terveydelle, sillä raskaammista hiilivedyistä hapetuksella syntyvien alkoholimolekyylien tapauksessa vaikutus voi jälleen kerran olla päinvastainen”, yliopistonlehtori Theo Kurtén Helsingin yliopiston kemian osastolta toteaa. ”Oleellisempaa on tietää, että hiukkasten synty on oletettua monisyisempää.”
Tutkimuksissa yhdistettiin laskennallista ilmakemiaa ja laskennallista aerosolifysiikkaa. Kvanttimekaniikkaan perustuvilla mallinnusmenetelmillä arvioitiin, miten nopeasti milläkin pitoisuuksilla ja lämpötiloilla rikkitrioksidi reagoi toisaalta veden, toisaalta ammoniakin tai metanolin kanssa.
Sen jälkeen arvioitiin, kuinka nopeasti näistä eri molekyyleistä koostuvat klusterit törmäävät ja haihtuvat. Lopuksi käytettiin klusteridynamiikkakoodia mallintamaan hiukkasmuodostuksen nopeutta sekä verrattiin hiukkasmuodostusta pelkän veden kanssa tilanteisiin, joissa mukana on ammoniakkia tai metanolia.
Julkaisu
Ling Liu, Jie Zhong, Hanna Vehkamäki, Theo Kurtén, Lin Du, ProfileXiuhui Zhang, Joseph S. Francisco, and Xiao Cheng Zeng. Unexpected quenching effect on new particle formation from the atmospheric reaction of methanol with SO3. PNAS 25.11.2019
Lisätietoja
Theo Kurtén, yliopistonlehtori
theo.kurten@helsinki.fi
050 526 0123
Hanna Vehkamäki, professori
hanna.vehkamaki@helsinki.fi
050 4154 747
@hanna_vehkamaki