Ilmakehän hiukkasmuodostuksen analysointi ja alueellinen mallintaminen Euroopassa

Väitös aerosolifysiikan alalta
Väittelijä: MSc Elham Baranizadeh
Aika ja paikka: 8.5.2017, 12.00, SN201, Snellmania, Kuopion kampus

Ilmakehässä kaasuista tiivistymällä muodostuneet pienhiukkaset eli aerosolit vaikuttavat merkittävästi sekä ilmastoon, että ihmisten terveyteen. Tämän olomuodonmuutoksen ensimmäistä vaihetta kutsutaan nukleaatioksi. Nukleoitumalla syntyneet hiukkaset voivat edelleen kasvaessaan vaikuttaa ilmastoon joko suoraan absorboimalla, sirottamalla auringonsäteilyä tai epäsuorasti toimimalla pilvipisaroiden tiivistymisytiminä, ja siten vaikuttamalla pilvien elinikään ja optisiin ominaisuuksiin. Auringonsäteily, erityisesti UV-säteily, on oleellinen tekijä ilmakehän hiukkasmuodostuksessa, johon liittyy rikkidioksidin ja luonnosta peräisin olevien orgaanisten yhdisteiden hapettuminen. Rikkidioksidin hapettuessa syntyy rikkihappoa, jonka on havaittu olevan tärkein tekijä ilmakehän hiukkasmuodostuksessa.

MSc Elham Baranizadehin väitöskirjatyössä tutkittiin mahdollisuutta käyttää auringonsäteilyn intensiteettiä hiukkasmuodostuksen ennustamiseen. Havaittiin, että säteilyn suhteellinen osuus sen teoreettisesta maksimiarvosta ennusti hiukkasmuodostusta paremmin kuin säteilyn absoluuttinen intensiteetti. Esimerkiksi selkeänä päivänä keväällä hiukkasmuodostus on todennäköisempää kuin pilvisenä päivänä kesällä, vaikka jälkimmäisessä tapauksessa auringonsäteilyä on enemmän. Kvantitatiivisen hiukkasmuodostustapahtuman tapahtuessa säteilyn intensiteetin tulee olla vähintään noin 50 prosenttia sen suurimmasta mahdollisesta arvosta.

Hiukkaspitoisuuksien ennustamiseksi tarkasti tarvitaan oikeanlainen teoria kuvaamaan hiukkasmuodostusmekanismia. Rikkihapon ja veden muodostama kahden komponentin sekä rikkihapon, veden ja ammoniakin muodostama kolmen komponentin mekanismi eivät pysty selittämään havaittuja hiukkaspitoisuuksia laajan skaalan ilmakehämalleissa. Tässä väitöskirjatyössä nämä mekanismit korvattiin ilmakehän klusterien dynamiikkaa kuvaavalla ACDC-mallilla lasketuilla nukleaationopeuksilla. ACDC-malli perustuu klusterien keskinäisiin törmäyksiin ja niiden haihtumiseen. Käyttämällä ACDC-mallin nukleaationopeuksia PMCAMx-UF -kemiamallissa, mallinnetut hiukkaspitoisuudet olivat yhden kertaluokan sisällä Euroopan alueella mitatuista hiukkaspitoisuuksista.

Erikokoisten hiukkasten muodostumisnopeuksien skaalaamiseen kehitettyä yhtälöä testattiin Hyytiälässä Keski-Suomessa mitattuihin hiukkasten muodostumisnopeuksiin. Samaa yhtälöä käytettiin arvioimaan hiukkasten muodostumisnopeuksia Puijolla Kuopiossa olevan mittalaitteiston havaintorajan alapuolella. Tämä menetelmä toimi kohtuullisen hyvin verrattaessa päivittäisiä keskimääräisiä muodostumisnopeuksia kolmen ja seitsemän nanometrin hiukkasille, mutta hiukkasmuodostuksen ajallisen vaihtelun ennustaminen onnistui huonommin. Tähän vaikuttivat etenkin epävarmuudet hiukkasten kasvunopeuksissa, joita tarvitaan laskettaessa aikaviivettä eri kokoisten hiukkasten aikakehityksessä. Nämä tulokset asettavat haasteita ilmakehän muodostumisnopeuksien ennustamiselle ympäristöissä, joissa hiukkasten kasvu ja häviöt ovat riippuvaisia koosta ja ajasta.

MSc Elham Baranizadehin aerosolifysiikan alaan kuuluva väitöskirja Data analysis and regional scale modeling of atmospheric aerosols in Europe (Ilmakehän aerosolien analysointi ja alueellinen mallintaminen Euroopassa) tarkastetaan Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii professori PhD Michael Boy, Helsingin yliopisto, ja kustoksena professori Kari Lehtinen, Itä-Suomen yliopisto.



Takaisin tämän vuoden artikkeleihin