© the SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center, and ORBIMAGE. Koreaa ja Japaninmerta varjostava saastepilvi marraskuussa 2001.

Kulmala johtaa sekä kansallista että pohjoismaista huippuyksikköä, jonka tavoitteena on selvittää ilmakehän aerosolihiukkasten syntyyn liittyviä mekanismeja. Mittauksia on tehty poikkeuksellisen pitkinä aikasarjoina. Suomessa on kolme SMEAR-asemaa (Stations for Measuring Ecosystem - Atmosphere Realationships). Ne ovat ympäristöltään erityyppisissä paikoissa: Helsingissä kaupunkiympäristössä, Hyytiälässä keskellä maalaismaisemaa ja Lapissa Värriössä. Havaintoja ilmakehän uusien hiukkasten muodostumisesta tehdään sekä Suomessa että ulkomailla.

Ryhmä kerää hiukkasdataa mittausasemilta Lapista Pohjois-Afrikkaan. Mittauksilla analysoidaan aerosolien määrää ja ilmakehän kemiallista koostumusta sekä pilvien muodostumisen fysiikkaa. Samalla monitoroidaan
esimerkiksi metsäekosysteemien ja maaperän toimintaa. Tutkimuksen edellytyksenä on suurten datamäärien käsittely ja supertietokoneiden laskentateho. Kulmalan ryhmä yhdistää  ysiikan, kemian, biologian ja ilmatieteen ja hyödyntää tutkimustuloksissaan laajasti simulointeja ja mallien kehittämistä.

Ammoniakin, rikkihapon ja veden muodostama klusteri. Aerosolien tutkimuksessa on tärkeää selvittää, miten ne muodostuvat molekyylitasolla. Veden lisäksi ilmakehässä muodostuvat hiukkaset sisältävät yleensä rikkihappoa ja ammoniakkia. Hiukkasmuodostuksen havainnointi molekyylitasolla on mahdotonta, joten sen tutkimiseen tarvitaan monimutkaisia laskentamenetelmiä ja tehokkaita tietokoneita. Hiukkanen kasvaa uusien molekyylien liittyessä siihen. Hiukkasten kasvuprosessi pilvipisaroiksi on merkittävimpiä kysymyksiä ilmastonmuutoksen tutkimuksessa. Molekyylikuvassa ammoniakin typpi on merkitty sinisellä, rikkiatomit keltaisella, vetyatomit punaisella ja happiatomit valkoisella.

Ryhmä kehittää yhdessä malleja Ilmatieteen laitoksen ja CSC:n kanssa. Ilmastojärjestelmää kuvaavien mallien avulla tutkitaan nykyistä, mennyttä ja tulevaa ilmastoa sekä ilmastonmuutosta. Simulaatioissa tutkitaan ilmastojärjestelmän tilaa muuttuvissa olosuhteissa, esimerkiksi merivirtausten ja säteilyn takaisin heijastumisen muutoksia, ottamalla huomioon monimutkaiset kytkennät muun muassa ilmakehän, merien, maaperän ja auringon säteilyn välillä.

Maailmassa ei ole montaa tutkimusryhmää, joka tutkii ilmastoa hyödyntämällä monen eri tason malleja yksittäisten hiukkasten muodostumisesta aina globaaliin ekosysteemimalliin. Kaasumolekyylit muodostavat kaasuhiukkasmuunnosmekanismien (nukleaatio mekanismien) kautta nanoklustereita. Näihin klustereihin voi sitoutua kahta tai useampaa kaasua. Nämä nanoklusterit voivat muodostua yhden tai useamman mekanismin
vaikutuksesta. Tällainen klusteri jatkaa kasvuaan heterogeenisen (hiukkasen pinnalle tapahtuvan) nukleaation ja/tai orgaanisten kaasujen tiivistymisen (kondensaation) vaikutuksesta. Saavutettuaan riittävän suuren koon höyryjen kondensoitumisen ja hiukkassulautumisten avulla aerosolihiukkaset toimivat  pilvipisaroiden tiivistymisytiminä.

Aerosolihiukkasten vaikutusta ilmamassan ominaisuuksiin voidaan tutkia Lagrangen menetelmää käyttämällä. Lagrange-menetelmässä verrataan ns. puhtaan alueen (esim. merialue) ylitse hiukkasmuodostusalueelle
saapuvan ilmamassan hiukkaspitoisuuksia vastaavan mallin ennusteisiin. Käyttäen tätä vertailua voidaan
paremmin ymmärtää, miten hiukkasmuodostus vaikuttaa pilvipisarakonsentraatioon ja ilmamassan muihin ominaisuuksiin. Tällä menetelmällä opittujen tietojen avulla voidaan kehittää parempia prosessikuvauksia,
joita hyödynnetään laajemmissa globaaleissa malleissa.

Globaaleissa ekosysteemimalleissa selvitetään muun muassa aerosolien aiheuttaman säteilypakotteen suuruutta ja hiukkasten vaikutusta pilvisyyteen ja sademääriin. Aerosolien muodostuksen tarkasteleminen
globaalissa mallissa on tarpeen, sillä ilmakehässä tapahtuvat reaktiot ja niiden merkitys riippuvat alueellisista olosuhteista. Globaaleissa malleissa kuitenkin suorituskyvyn asettamat rajoitukset aiheuttavat usein ongelmia, kun globaalin mallin laskentahilaruudun koko on 200 km ×200 km ja samalla halutaan tutkia nanometrin luokkaa olevien hiukkasten vaikutuksia ympäröivään ilmakehään. Parantamalla mallien suoritustehokkuutta voidaan tutkittavan hilaruutujen kokoa pienentää, jolloin alueelliset olosuhteet ja ominaisuudet tulevat paremmin esille. Tällöin myös hiukkasprosesseja voidaan paremmin verrata todellisiin oloihin yksittäisen hilaruudun alueella. ■

Lisätietoja

http://cosmos.enes.org/
http://www.atm.helsinki.fi/
http://www.atm.helsinki.fi/eucaari/
http://www.csc.fi/tutkimus/alat/geotieteet
Theo Kurténin väitöskirja: Quantum Chemical Studies on Tropospheric Nucleation Mechanisms Involving Sulfuric Acid
https://oa.doria.fi/handle/10024/13118