Aerosolifysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Kuopion kampuksella. Tilaisuutta voi seurata myös verkossa.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?
Väitöstutkimuksessani tarkastellaan ilmakehän aerosolihiukkasten ja pilvien välisiä vuorovaikutuksia ja niihin vaikuttavia tekijöitä. Aerosolihiukkasilla on tärkeä rooli pilvien muodostumisessa ja niiden ominaisuuksissa ja siksi siis myös ilmastossa. Toisaalta pilvet ja niistä syntyvät sateet vaikuttavat aerosolipitoisuuksiin ja niiden ominaisuuksiin. Näiden vuorovaikutusten tutkiminen on tärkeää, sillä ne ovat edelleen merkittävin yksittäinen epävarmuustekijä säteilypakotteen laskennassa ja arvioitaessa aerosolien kokonaisvaikutusta ilmakehään.
Työni koostuu osatutkimuksista, joissa aerosoli-pilvi-vuorovaikutuksen eri askeleita on tarkasteltu. Tutkimuskokonaisuus alkaa tarkastelulla lämpötilan vaikutuksista otsonipitoisuuteen maanpinnalla ja biogeenisten sekundääristen aerosolien (BSOA) pitoisuuksiin. Alailmakehän otsoni on merkittävässä roolissa erilaisissa kemiallisissa prosesseissa, joissa sekundäärisiä aerosoleja muodostuu. Pilviydinten muodostumispotentiaalia ilmakehässä tarkastellaan dimetyylisulfidin (DMS) hapettumisreaktioissa syntyvien aerosolien avulla. Nämä aerosolit ovat erityisen relevantteja merialueilla, mutta myös kokonaiskuvassa, sillä maapallon pinnasta yli 70 % on veden peitossa. Kahdessa viimeisessä osatutkimuksessa tarkastellaan pilvien ja sateen vaikutusta aerosoleihin.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Ilmakehän otsonipitoisuutta tarkasteltaessa pystyimme erottelemaan otsonin suoraan lämpötilariippuvuuteen vaikuttavia tekijöitä. Löysimme myös vahvan yhteyden otsonin ja pienten hapettuneiden orgaanisten yhdisteiden väliltä, jotka voivat olla peräisin muun muassa biogeenisten hapettuneiden orgaanisten yhdisteiden (BVOC) hapetusreaktioista. Lämpötilan nousu tunnetusti lisää BVOCien tuotantoa, mikä edelleen johtaa kasvaneisiin BSOA pitoisuuksiin. Löysimme selkeän yhteyden lämpötilan ja kasvaneiden orgaanisten aerosolien pitoisuuksien välillä. Pystyimme linkittämään tämän yhteyden aerosolien ilmastovaikutuksiin, ja edelleen arvioimaan tästä johtuvan ilmastopalautteen suuruutta boreaalisella metsävyöhykkeellä.
Aerosolien ominaisuuksien vaikutusta niiden toimimiseen pilvipisaroiden tiivistymisytiminä tutkittiin simulaatiokammiossa, jossa tarkastelimme dimetyylisulfidin hapetusreaktioissa syntyneitä aerosoleja. Vaikka nämä aerosolit ovat relevantteja erityisesti merialueilla, ne voivat myös kulkeutua kauas synnynsijoiltaan. Havaitsimme, että kun nämä hiukkaset ”ikääntyvät” ilmakehässä (hapettuvat), niiden vedenottokyky kasvaa. Vedenottokyky vaihteli lämpötilan ja eri kokoisten hiukkasten kesken ja erityisesti matalien lämpötilojen vaikutus näihin hiukkasiin sisältää tärkeää uutta tietoa, sillä niitä ei ole aiemmin tutkittu näin kylmissä olosuhteissa (alle 0 celsiusastetta).
Kun tarkastelimme pilvien vaikutusta aerosoleihin boreaalisella metsäalueella sijaitsevalla mittausasemalla, havaitsimme satamattomien pilvien lisäävän sulfaattiaerosolien pitoisuutta, kun taas sade laski kaikkia hiukkaspitoisuuksia. Tarkempaan aerosolien kokojakauman tarkasteluun pohjautuen pääteltiin, että sateesta johtuva poistuma tutkitulla kokoalueella kuvannee pääosion hiukkasten aktivoitumisesta pilvipisaroiksi. Tuoreimmassa tutkimuksessa tarkasteluun lisättiin kaksi muuta mittausasemaa, ja pystyimme havaitsemaan, että sateen vaikutukset vaihtelevat sekä tutkittavasta ympäristöstä että sateen ”iästä” (kuinka kaukana sade on ollut mittausasemasta) johtuen.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Tutkimuksessani hyödynnettiin sekä laboratoriomittauksilla että todellisissa ilmakehän olosuhteissa mitattua aineistoa. Pääpaino on erityisesti SMEAR II -mittausasemalla (Hyytiälä, Suomi) tehdyissä pitkissä, yli 10 vuoden pituisissa aikasarjahavainnoissa. Tämän lisäksi tutkimuksessa on tarkasteltu pitkiä aikasarjahavaintoja sekä arktiselta alueella (Svalbard, Norja) että trooppisesta sademetsästä (Amazonin sademetsä, Brasilia). Ilmamassojen trajektorianalyysi on päämenetelmänä tarkasteltaessa erityisesti pilvien ja sateen vaikutusta aerosolihiukkasiin. Useissa osatutkimuksissa hyödynnetään lisäksi muun muassa tilastollisia sekamalleja (mixed effects models) muuttujien yhteyksien selvityksessä.
Väitöskirjatutkimukseni on suoritettu Itä-Suomen yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen (ent. Sovelletun fysiikan laitos) Aerosolifysiikan tutkimusryhmässä. Tutkimuksen osatöissä sekä kansallisella (The Atmosphere and Climate Competence Center, https://www.acccflagship.fi/) että kansainvälisellä yhteystyöverkostolla on ollut suuri rooli. Esimerkiksi kolme osatutkimusta on osa Euroopan Unionin Horizon 2020 FORCeS-hanketta (Constrained aerosol forcing for improved climate projections, https://forces-project.eu/forces/).
FM Sini Talvisen aerosolifysiikan alaan kuuluva väitöskirja Two-way interactions between aerosols and clouds: from chamber simulations to long-term observations (Pilvien ja aerosolien kahdenväliset vuorovaikutukset: kammiosimulaatioista pitkiin aikasarjahavaintoihin) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii professori Ulrike Lohmann, ETH Zürich, Institute for Atmospheric and Climate Science ja kustoksena professori Annele Virtanen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti, mutta lektio pidetään suomeksi.
Lisätietoja:
Sini Talvinen, sini.talvinen@uef.fi, https://twitter.com/sisyisok
