Atmosfärforskaren Mikko Sipilä fick två miljoner för forskning om fina partiklar

13.3.2017
Med finansiering från Europeiska forskningsrådet ska Mikko Sipilä ingående utreda hur atmosfärens gaser ger upphov till nya fina partiklar, som påverkar molnens egenskaper och därmed klimatet. Hans arbete kommer att ske på Svalbard, i Hyytiälä, på oceanerna, i tropikerna och på Antarktis.

I atmosfären har också små aerosolpartiklar en stor betydelse. Utan aerosolpartiklar skulle inga moln uppstå och koncentrationen av vattenånga, som är en kraftig naturlig växthusgas, skulle vara högre än den i nuläget är. Vårt klimat skulle vara helt annorlunda.

För att kunna uppstå behöver varje enskild molndropp en partikel som kondensationskärna på vars yta vattenånga kondenseras. Dessa partiklar uppstår då mycket små molekylkluster (ca en nanometer, en miljarddel av en meter) bildas. Klustren uppstår kontinuerligt i atmosfären genom gas-till-partikel-omvandling.

Klustren kan växa då ånga, till exempel svavelsyra, kondenseras på deras yta. Då partiklarna har vuxit till tillräcklig storlek, med en diameter på ca 50 nanometer, kan de fungera som kondenskärnor för molndroppar.

Man uppskattar att ungefär hälften av molnens kondenskärnor uppstår genom denna mekanism på global nivå.

Mekanismerna har mätts i naturen bara en gång

Processerna bakom partiklarnas uppkomst har undersökts i årtionden, men hittills har man lyckats undersöka dem med tillräcklig precision endast i laboratorieförhållanden i samband med experimentet CLOUD i Cern. Forskaren Mikko Sipilä från Helsingfors universitet, som har fått europeisk miljonfinansiering, har aktivt varit med i experimentet sedan det startade.

Sipilä har också varit den drivande kraften bakom den enda undersökningen där man direkt kunnat mäta mekanismen för partiklarnas uppkomst i äkta atmosfär.

Han undersökte med sin forskningsgrupp gas-till-partikel-omvandling på Atlantens kustområden och publicerade hösten 2016 en artikel om ämnet i tidskriften Nature. Vid kustområdena omvandlas jodföreningar som utsöndras av alger i luften via olika processer till fina partiklar.

Det finns ändå inga vetenskapliga bevis för partiklarnas uppkomstmekanismer från andra områden på jordklotet, och det ska Sipilä med forskningsgrupp nu börja undersöka tack vare finansieringen.

Små koncentrationer en utmaning

Det svåraste i forskningsarbetet är att upptäcka de minsta klustren och att reda ut deras kemiska sammansättning.

Av klustren, som består av ett fåtal molekyler, finns det bara några stycken per 1018 (miljarder miljarder) luftmolekyler. Det är en stor utmaning för mättekniken. Därför har utvecklingen av mätinstrument alltid varit en viktig del av Mikko Sipiläs forskningsarbete, och har bland annat gett upphov till två spin-off-företag inom mätteknik.

- Om de instrument som behövs kunde köpas från en butik skulle den här forskningsfrågan ha lösts för länge sen, säger Sipilä.

Mätningar i extrema väderförhållanden

Eftersom Mikko Sipiläs forskning har ett globalt perspektiv kan undersökningarna inte göras endast på kontoret. Han packar rätt ofta ner sitt laboratorium och åker med sin grupp iväg runt världen.

Nu ska han iväg till Svalbard, där forskarna under ett halvt års tid kommer att undersöka partikelbildning i den arktiska regionen. Slutet av året tillbringar de i Antarktis och vid Antarktiska oceanen. Det finns också färdiga planer för forskning i tropikerna, Indiska oceanen samt atmosfärens högsta skikt i bergsområden.

Sipilä har givetvis också kontinuerligt pågående mätningar vid Helsingfors universitets egna SMEAR II-station i Juupajoki. Forskningen kompletteras av de laboratorieprov som görs i Cerns experiment CLOUD.

Speciellt undersökningarna vid polarområdena kräver mycket av arbetsgruppen: förhållandena är hårda. Gruppmedlemmarna får utbildning som till vissa delar skiljer sig från den normala utbildningen för fysiker. De får till exempel lära sig att skjuta på grund av faran för isbjörnsattacker, första hjälpen och spanska. Också Sipilä har börjat läsa spanska.

- Till min palett av forskningsämnen hör områden där man helt enkelt inte kan arbeta på engelska, säger han.

Resultaten hjälper att första hur mänsklig verksamhet påverkar klimatet

Eftersom partiklarna uppstår både naturligt och på grund av mänsklig verksamhet är det viktigt att förstå båda orsakerna. Genom att undersöka Antarktis atmosfär som är fri från luftföroreningar får man reda på polarområdenas helt naturliga partikelbilningsmekanismer. Genom att upprepa undersökningarna på Arktis, dit det från skeppstrafik och Sibiriens metallverk kommer svaveldioxid och andra luftföroreningar, får man reda på hur och i vilken riktning mänsklig verksamhet förvirrar naturens egna mekanismer.

Målet är att till slut föra in resultaten i datamodeller som beskriver klimatet och skapar prognoser för hur klimatet kommer att se ut i framtiden.

- Eftersom man inte känner till mekanismerna har man inte tillförlitligt kunnat lägga in dem i klimatmodeller. Jag tror att vår forskning kommer att förbättra vår förmåga att förstå hur människan påverkar jordens klimatsystem, säger Mikko Sipilä.

Eftertraktade ERC Starting Grant

Förutom Mikko Sipilä har också forskarna Jing Tang, Samu Niskanen och Tuomas Tammela vid Helsingfors universitet fått ERC Starting Grant 2016. Finansieringen är 1,5 miljoner euro för fem år, och man kan dessutom få finansiering för instrument.

Mikko Sipiläs forskningsgrupp är en del av den nyligen grundande enheten för atmosfärvetenskaper vid institutionen för fysik vid Helsingfors universitet. Enheten leds av professor, akademiker Markku Kulmala.

Mer information om forskningen på gruppens webbsida.

OBS! Mikko Sipilä åker onsdagen den 15 mars från Finland till Svalbard och på fredag morgon den 17 mars till forskningsbyn Ny-Ålesund. Det är en zon med radiotystnad, och det finns inga telefonförbindelser. Arbetet kan följas här.

Alla forskare vid matematisk-naturvetenskapliga fakulteten som har fått ERC-finansiering.