Rankkasateet koettelevat toisaalla, kuivuus toisaalla. Sade on kallisarvoista kuumilla alueilla. Olisiko keinosateesta apua kuivuusongelmaan?

Meristä, järvistä ja muista vesistöistä haihtuu jatkuvasti vettä höyrynä ilmaan. Jos olosuhteet ovat sopivat, muodostuu pilviä. Ja jos ilma viilenee noustessaan riittävästi, vesihöyrymolekyylit alkavat muodostaa pisaroita tai jääkiteitä. Jos pisara kasvaa tarpeeksi isoksi, painovoima voittaa ilmavirtojen tuottaman nosteen ja jos pisara tai kide ei haihdu maahan pudotessaan, kohta sataa.

Kuumilla alueilla, kuten Arabian niemimaalla, veden haihtuminen ei ole ongelma: päivälämpötila on talvellakin vähintään +20 astetta ja kesällä lämpötila nousee usein yli 45 asteen.  Pilviä kyllä syntyy, mutta maan pinnalle niihin sitoutunut vesi pääsee vain harvoin: sadepäiviä on vain 5–10 vuodessa, joinakin vuosina ei ollenkaan.

Öljyllä rikastunut Yhdistyneet Arabiemiirikunnat tuottaa makeaa vettä merivedestä suolaa poistamalla miljardeja litroja päivässä, mutta se on kallista ja lämmittää ympäristöä entisestään — laitokset toimivat yleensä öljyllä tai maakaasulla.

Siksi maassa halutaan nyt selvittää, miten taivaalla leijaileva vesi saataisiin kutsuttua alas maan pinnalle.

KEINOTEKOINEN SADE

Kumpulan ilmatieteen ja fysiikan tutkijat lähtevät seuraavaksi rutikuivalle Arabian niemimaalle selvittämään, minkälaisten aerosolihiukkasten ympärille sadepilvi voisi muodostua.

Suomalaisten on tarkoitus kartoittaa, mikä on aerosolihiukkasten rooli pilvien ja sateen muodostuksessa. Aerosolit ovat nestemäisiä ja kiinteitä ilmassa leijuvia hiukkasia. Niitä päätyy ilmakehään esimerkiksi liikenteestä, hiekka-aavikoilta ja metsäpaloista. Osa niistä toimii tiivistymisytiminä sadepisaroille ja jääkiteille.

Tutkimus saattaa kertoa, voisiko pilviin kylvetyistä aerosolihiukkasista olla apua sateen synnyttämisessä. Jos löytyisi sopiva hiukkanen, joka Arabiemiraattien ilmasto-oloissa toimisi sadepisaroiden tiivistymisytimenä, hiukkasia voisi kenties kylvää pilviin lentokoneesta, ja näin saada aikaan keinotekoinen sade.

Keinosade olisi taatusti toivottu ilmiö muillakin kuivilla ja kuumilla alueilla. Se voisi olla yksi olennainen tapa helpottaa köyhyyttä ja nälänhätää.

Mutta matka on vielä pitkä: tutkimustuloksia tarvitaan paljon, ennen kuin varmuudella voidaan todeta, että pilviä kylvämällä saataisiin apua sinne, minne sitä on kaivattu.

KUN PILVI ON KYLVETTY

Idea sateenteosta ei sinänsä ole uusi. Ihminen on pyrkinyt vaikuttamaan säähän läpi historiansa erilaisin rituaalein, mutta tieteeseen perustuvia yrityksiä sateen hallitsemiseksi on ollut jo 1930-luvulta lähtien.

Sateenmuokkausta käsittelevää tutkimusta rahoitettiin vielä 1970–80-luvuilla paljon, mutta vähitellen kiinnostus hiipui, koska luotettavia tuloksia ei saatu, Ilmatieteen laitoksen tutkimusprofessori Hannele Korhonen kertoo.

— Aiempien kokeiden ja vähän toiveidenkin pohjalta pilvien kylvämistä on kuitenkin jatkettu. Näin tehdään jopa 50 maassa, vaikka on ollut vaikea todentaa, toimiiko menetelmä.

Pilviin on kylvetty etenkin hopeajodidia, joka muistuttaa rakenteeltaan jääkiteitä. Sitä on kylvetty pilviin ainakin Sotshin ja Pekingin olympialaisten aikaan: aine päästetään pilviin ennen kuin ne saavuttavat kisapaikan, jolloin vesi sataa alas siellä, missä se ei haittaa.

Tai näin ainakin toivotaan.

— Ongelma on se, että kun pilvi on kylvetty, ei ole mitään vertailukohtaa, johon tuloksia suhteuttaa, Korhonen sanoo.

Toinen ongelma on se, että hopeajodidi on myrkyllistä, vaikka sateenmuokkauksessa sitä käytetäänkin hyvin pieninä pitoisuuksina.

JÄÄKITEIDEN YTIMIIN

Suomalaistutkijat lähtevät Arabiemiraatteihin tekemään ensisijaisesti perustutkimusta eli selvittämään, onko sateenmuokkauksella tieteellistä pohjaa, ja jos on, minkälaisten aerosolihiukkasten ympärille sadetta kannattaisi lähteä tekemään. Tämä tapahtuu mittausten ja simulaatioiden avulla, tutkimuksessa pilviin ei vielä kylvetä mitään.

Sopivan hiukkasen metsästystä johtaa laskennallisen aerosolifysiikan professori Hanna Vehkamäki Helsingin yliopistosta. Hänen ryhmänsä ryhtyy tekemään molekyylitason simulaatioita siitä, millaisten hiukkasten pinnalle jää mieluiten muodostuisi.

— Ilmakehässä on hirveä määrä hiukkasia, ja niistä hyvin pieni osa, ehkä joku prosentin kymmenys, toimii jääkiteiden ytiminä. Se on kuin etsisi neulaa heinäsuovasta, Vehkamäki toteaa.

ATOMI ATOMILTA

Myös aerosolihiukkasten kokohaarukka on huima: pienimmät ovat halkaisijaltaan noin viidestuhannesosan hiuksen halkaisijasta, ja suurimmat noin kaksi kertaa hiuksen paksuisia. Hiukkasia ei myöskään voi jakaa karkeasti vedestä pitäviin ja vettä hylkiviin, vaan ratkaisu piilee mikroskooppisissa yksityiskohdissa, joiden tarkka kuvaaminen on nykyaikaisille supertietokoneillekin työläs urakka. Tiedettävä on esimerkiksi se, missä asennossa ensimmäinen vesimolekyyli aerosolihiukkaseen törmää.

— Malli on rakennettava atomi atomilta ja molekyyli molekyyliltä, Vehkamäki sanoo.

Hiukkassimulaatiot ovat hankkeen pienin osanen, kun puhutaan tutkittavan kohteen koosta. Ilmatieteen laitoksen vastuulla on suurempi kokonaisuus eli pilvimallinnus. Mallinnuksella pyritään muun muassa selvittämään, miten pilviin kylvetyt hiukkaset vaikuttavat pilvien ominaisuuksiin ja sateen muodostumiseen erilaisissa olosuhteissa. 

HELPOTUSTA KUIVILLE ALUEILLE?

Sään muokkaaminen kuulostaa uhkarohkealta. Mitä kaikkea siitä voi seurata? Tutkijat kertovat miettineensä tätä itsekin. Onko ihmisen yhdelle alueelle aiheuttama sade jostakin muualta pois vai haihtuisivatko pilvet vain ilmakehään satamatta lainkaan? Tästä on Korhosen mukaan ristiriitaista tietoa.

Kyse on joka tapauksessa vain paikallisesta vaikutuksesta: sään- eikä ilmastonmuokkaamisesta. Siitäkään Korhonen ja Vehkamäki eivät ole aivan varmoja, kuinka paljon ihminen voi ylimalkaan säähän vaikuttaa.

Toivon tuominen on hyvä asia, mutta suuria harppauksia ihmiskunta saa sateenteon osalta vielä odottaa.

— En usko, että sateenmuokkauksella voi ratkaista kuivuudesta kärsivien maiden ongelmia, mutta jossakin päin se voi olla osaratkaisu tai helpotus, Hanna Vehkamäki arvioi.

Mittaus ennen mallinnusta

Ennen kuin Hannele Korhosen ja Hanna Vehkamäen ryhmät pääsevät mallinnuksineen ja simulaatioineen kunnolla vauhtiin, he tarvitsevat mittausdataa Arabiemiraateista. Sitä lähtee kesällä keräämään professori Heikki Lihavaisen ryhmä Ilmatieteen laitokselta.

Tutkijoiden edellinen mittauskampanja Arabian niemimaalla päättyi kaksi vuotta sitten, mutta nyt mittauksissa on mukana myös lidar-kaukokartoituslaitteita, joilla saadaan entistä tarkempaa tietoa ilmakehästä. Lidar tulee sanoista Light Detection and Ranging.

Laitteilla ammutaan taivaalle laserpulssi ja mitataan, miten sen valo siroaa takaisin. Näin saadaan tietää esimerkiksi se, miten korkealla aerosolihiukkaset ovat, ja missä korkeudessa ne alkavat muodostaa pilviä. Maan pinnalla olevalla mittauskalustolla tutkijat saavat lisäksi yksityiskohtaista tietoa ilmakehän pienhiukkasista.

— Mittaamme samoja luonnollisia prosesseja, joita havaitaan Suomessakin. Olosuhteet ovat Arabiemiraateissa erilaiset, mutta perusyhtälöt pätevät myös siellä. Tämä on meille mahdollisuus kehittää omaa ymmärrystämme ja soveltaa tietoa myös omassa mallikehityksessä, Lihavainen sanoo.

Mittauskaluston on määrä olla mittaamassa Arabiemiraateissa jo heinäkuussa, mikä on Lihavaisen mukaan optimistinen aikataulu. Siihen kuitenkin pyritään, sillä elokuussa alueella aloittaa intensiivimittaukset samasta tutkimusohjelmasta rahoitusta saanut japanilainen tutkimusryhmä.

— He tuovat paikalla muun muassa lentokoneen, joka mittaa ilmakehästä hiukkasten ja pilvien ominaisuuksia.

Sade ei ole tuontitavaraa

Teksti: Arja Tuusvuori

Tampereen teknillisen yliopiston professori Miikka Dal Mason tausta on Helsingin yliopistossa professori Markku Kulmalan aerosolifyysiikan ryhmässä.

— Perusuteliaalle, erilaisista luonnonilmiöistä ja ympärillä olevasta maailmasta kiinnostuneelle ihmiselle fysiikka on hyvä valinta.

Dal Masoa kiinnostaa ilmakehän hiukkas- ja kaasupäästöjen muuttuminen niiden elinkaaren aikana. Hänen ryhmänsä tuo Keidas-tutkimukseen erityisosaamista matemaattisen mallinnuksen osalta. Tarkoitus on selvittää mahdollisimman tarkasti, miten erilaiset ilmasto-olosuhteet vaikuttavat hiukkasten muodostumiseen ja muuntumiseen.

Iso osa työstä tapahtuu oman pöydän ääressä Tampereella, mutta ryhmä aikoo myös vierailla Arabiemiraateissa.

— On aina hyödyllistä ja innostavaa nähdä, minkälaisiin olosuhteisiin oma työ liittyy. Teemme yhteistyötä paikallisen yliopiston kanssa, ja aiomme edistää koulutustoimintaa aerosolitutkimuksen alalla. Suunnitteilla on ainakin yksi projektiin liittyvä väitöskirja.

Ilmastonmuokkauksen suhteen Dal Maso neuvoo olemaan maltillinen. Sade ei ole tuontitavaraa, ilmakehä on sen verran monimutkainen.

— Sadetta ei saa sinne, missä ei ole vettä ilmassa. Ihminen ei vielä kovin hyvin pysty säätelemään säätä, vaikka vaikuttaakin ilmastoon monin tavoin epäsuorasti ja tahattomasti.

Sateelle on oltava otolliset olosuhteet.

Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehden numerossa Y/05/17.

Professori Miikka Dal Maso: Tiedot Tampereeen teknillisen yliopiston sivuilla. Twitter: @miikkadalmaso
Tutkimusprofessori Hannele Korhonen: CV Ilmatieteen laitoksen sivuilla.
Yksikön johtaja Heikki Lihavainen: CV Ilmatieteen laitoksen sivuilla.
Akateemikko, professori Markku Kulmala: Julkaisut, projektit, aktiviteetit, palkinnot. Twitter: @MarkkuKulmala1
Professori Hanna Vehkamäki: Julkaisut, projektit, aktiviteetit, palkinnot. Twitter: @hanna_vehkamaki

Yliopisto-lehti on kaikille tarkoitettu, monipuolinen tiedelehti Helsingin yliopistosta.
Tilaa ja rakastu tieteeseen.