Theo Kurtén on tutkinut väitöskirjassaan aerosolihiukkasten
syntymekanismeja.

Aerosolihiukkaset ovat ilmassa leijuvia nestemäisiä tai kiinteitä hiukkasia. Ne ovat pieniä molekyyliryppäitä, joista osa on luonnollista alkuperää ja osa muodostuu ihmisen toimin-nan seurauksena, esimerkiksi liikenteen ja teollisuuden päästöistä. Hiukkasten halkaisija vaihtelee millimetrin miljoonasosasta kymmenesosamillimetriin. Hiukkasia on kaikkialla hengitysilmassa. Helsingin keskustan ilmassa hiukkasia on kuutiosentissä 100 000, Intian suurkaupungeissa jopa miljoona.

– Aiemmin ajateltiin, ettei uusia hiukkasia juurikaan syntyisi ilmakehässä. Nykyisin tiedetään, että merkittävä osuus, jopa kymmeniä prosentteja, ilmakehän hiukkasista etenkin mannerten yläpuolella on syntynyt nimenomaan kaasumolekyyleistä tiivistymällä, Theo Kurtén korostaa.

Kurtén mallintaa hiukkasten syntymekanismeja CSC:n supertietokoneiden avulla. Aerosolifysiikassa nukleaatiolla tarkoitetaan ilmiötä, jossa kaasuun muodostuu nestemäisiä tai kiinteitä hiukkasia. Akatemiaprofessori Markku Kulmalan ryhmässä työskentelevä Kurtén on tehnyt väitöskirjansa tästä aiheesta.

– Hiukkaset ovat varmasti todella merkittäviä ja tärkeitä komponentteja ilmakehän säteilytaseessa ja hyvin todennäköisesti myös sen muutoksessa eli säteilypakotteessa. Varsinaisen hiukkasmuodostuksen eli nukleaation rooli taas on hieman epävarmempi. Ongelma on se, ettei tiedetä ihan varmasti kuinka merkittävää hiukkasmuodostus on ilmastolle. Joidenkin mukaan se on todella merkittävää, toisten mukaan taas vähemmän. Tutkimisen arvoinen ongelma siis joka tapauksessa on. Miljoonia ihmisiä kuolee maailmassa ennenaikaisesti pienhiukkasten, aerosolien takia. Hiukkasten suuri määrä taas vaikuttaa terveyteen yksiselitteisesti paljon. On laskettu, että keskimääräinen elinikä Keski-Euroopan kaupungeissa on hiukkaspäästöjen takia jopa 3 vuotta alempi, Kurtén tähdentää.

Puhdas taustailma suomalaisen aerosolitutkimuksen etuna

Suomen Lapissa on paikoittain Euraasian puhtain ilma. Pallastunturilla olevalla Ilmatieteen laitoksen ja Metsäntutkimuslaitoksen mittausasemalla havaitaan vain muutama hiukkanen kuutiosentissä. Nämä mittausasemat ovat osa maailmanlaajuista verkostoa, joka tuottaa paljon dataa hiukkasten kulkeutumisesta. Suomalaiset ovat aerosolitutkimuksessa maailman huippua.

– Tšernobylin onnettomuuden jälkeen tajuttiin, että omaan ilmanlaadun mittausverkostoon kannattaa panostaa. Nykyään Suomen etu aerosolitutkimuksessa on se, että aerosolimuodostusta voidaan tutkia ikään kuin puhtaassa taustailmassa, siis kaukana intensiivisistä päästölähteistä, ja näin voidaan yrittää päätellä jotain esimerkiksi kasvillisuuden roolista hiukkasmuodostuksessa. Likaisessa ilmassa aerosolitutkimus ei aina tuota paljoakaan tietoa varsinaisista hiukkasmuodostusmekanismeista; todella saastuneessa ilmassa nähdään vain paljon hiukkasia.

Kulmalan tutkimusryhmä käyttää apunaan paljon laskennallisia menetelmiä. Ne ovat ensiarvoisen tärkeitä aerosolitutkimuksessa.

– Mallinnuksen lopullinen tarkoitus on ainakin meillä selittää, mitä mittauksissa näkyy, ja mittaajat taas saavat mallintajilta tietoa siitä, mitä pitoisuuksia kannattaisi seurata. Laskentatehon lisääntyminen taas mahdollistaa entistä tarkempien ja suuremman mittakaavan simulaatioiden tekemisen. Tutkimusryhmän mallinnusketju on häkellyttävä: todella pienistä nanoskaalan malleista globaaleihin ilmastomalleihin. Joskus nanotason ilmiöistä kyetään päättelemään, mitä tapahtuu globaalissa ilmastossa. Esimerkiksi varattujen hiukkasten (ionien) rooli hiukkasmuodostuksessa on ollut globaalin ilmastomallinnuksen kannalta tärkeä kysymys. Joidenkin väitteiden mukaan kosmisen säteilyn säätelemä ionituotto saattaisi olla merkittävä säteilypakote. Hurjimmillaan on jopa väitetty, että viimeaikainen lämpeneminen johtuisikin etupäässä tästä eikä kasvihuonekaasupitoisuuksien lisääntymisestä. Viimeisimmät mittaukset halkaisijaltaan kahden nanometrin hiukkasista Hyytiälän tutkimusasemalla näyttävät kuitenkin osoittavan, että varattujen hiukkasten osuus hiukkasmuodostuksessa on melko pieni, jolloin myös tämä kosmisen säteilyn ilmastovaikutus lienee pieni. Näin kahden nanometrin skaalasta on voitu päätellä jotain globaalista ilmastosta.

Haasteena hiukkasmuodostus molekyylitasolla

Kurtén on tutkinut hiukkasmuodostusta molekyylitasolla. Hänen mukaansa ilman molekyylitason tuntemusta ei voida ymmärtää hiukkasmuodostuksen mekanismia.

– On tärkeää tietää, mitkä molekyylit osallistuvat nukleaation ensimmäisiin askeliin, jotta nukleaatiota voitaisiin sitten mallintaa jossakin ilmastomallissa.Molekyylitason mekanismeja tunnetaan huonosti, koska kaikkein pienimpiä hiukkasia on vaikea havaita. Kaikkein pienimpien hiukkasten yhteenlaskettu massa on niin vähäinen, että massaspektrometri-laitteiden herkkyys ei riitä. Mittauksilla voidaan todeta vain hiukkasen olemassaolo – kemiallista koostumusta ei pystytä mittaamaan kuin halkaisijaltaan yli 10 nanometrin hiukkasille, jolloin ollaan jo kaukana molekyylitasosta.

Apuvälineenä on kvanttikemia, joka on tehokas työkalu kemiallisesti monimutkaisten nukleaatiomekanismien tutkimiseen. Kvanttikemia on laskennallisesti raskasta.

– Teknisesti laskujen suorittaminen on sinänsä melko helppoa, koska käytetään yleensä pitkälle kehitettyjä valmisohjelmia. Haastetta on lähinnä tulosten luotettavuuden ja merkityksen arvioinnissa.

Kurtén osoitti väitöstutkimuksessaan, että pienten ja suurten aerosolihiukkasten kemiallinen koostumus voi erota merkittävästi.

– Yli 10 nanometrin hiukkasille tehdyt kokeet kemiallisesta koostumuksesta eivät kerro paljon siitä, mitkä yhdisteet oikeasti käynnistävät hiukkasmuodostuksen.

Lisäksi Kurtén vahvisti laskennallisesti, että ammoniakki voimistaa merkittävästi rikkihapon sitoutumista pieniin vesi-rikkihappo-klustereihin ja näin edistää hiukkasten muodostumista.

– Ammoniakin vaikutus on sinänsä jo kokeissa tullut esille eli tavallaan laskennallisesti vain toistettiin jo tunnettu asia ja osoitettiin samalla, että kvanttikemia toimii mallinnustyökaluna myös näissä aerosolisysteemeissä. Ammoniakkilaskut ovat tavallaan ensimmäinen askel, jolla saatiin menetelmiä testattua. Nyt seuraavaksi vasta alamme lähestyä ongelmia, joiden ratkaisemisesta olisi hyötyä ilmastomallinnukseen.  Suurin haaste on se, ettei vieläkään tiedetä, mitkä yhdisteet molekyylitasolla vastaavat nukleaatiosta ilmakehässä. Mittausten avulla nähdään lähinnä erilaisia kasvuprosesseja ja saadaan ehkä joidenkin korrelaatioiden kautta epäsuoraa informaatiota nukleaatiosta, mutta molekyylitason tietämys jää puuttumaan. Kvanttikemialla voidaan nyt alkaa selvittää, mitkä nämä yhdisteet ovat. ■

Ari Turunen