FM Ville Leinosen sovelletun fysiikan 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?
Väitöskirja keskittyy ilmakehän pienhiukkasiin ja niiden mallintamiseen tilastollisilla malleilla. Pienhiukkasten lukumäärää ja siihen vaikuttavia tekijöitä on tärkeää tutkia, koska hiukkasilla on merkittäviä vaikutuksia ilmakehään ja ilmastoon, sekä erityisesti kaupunki-ilmassa ihmisten terveyteen.
Väitöskirjan kahdessa osatutkimuksessa selvitimme pienhiukkasten pitoisuuksien pitkäaikaista muutosta eurooppalaisilla mittausasemilla. Toisessa näistä vertasimme mittauksia myös pienhiukkasten pitoisuuksien kehittymiseen ilmastomallisimulaatioissa, selvittäen näin, kuinka hyvin mallit kuvaavat muutokset pienhiukkasten lukumäärissä. Pienhiukkasen lukumäärien pitkäaikaista kehitystä on tärkeä tutkia, jotta saamme tarkempaa tietoa kehityksen tarkasta suunnasta Euroopassa, ja laajemmalla alueella kuin pelkästään yksittäisillä mittausasemilla. Ilmastomalleissa pienhiukkasten vaikutuksiin liittyy vielä suuri epävarmuus, erityisesti niiden säteilypakotteen osalta. Vertailu malleihin antoi uusia tutkimuskysymyksiä siihen liittyen, mitä malleissa olevia pienhiukkasiin liittyviä prosesseja tulisi jatkossa huomioida tarkemmin. Prosessien parantaminen auttaa pienhiukkasiin liittyvän epävarmuuden pienentämisessä.
Väitöskirjan kaksi muuta osatutkimusta liittyivät ihmisperäisten päästöjen mallintamiseen. Kaupunki-ilman pienhiukkasista merkittävä osuus on peräisin ihmisten toiminnasta, kuten puun pienpoltosta ja autoilusta. Puun pienpolton päästöjen muuntumista ilmakehässä simuloitiin Itä-Suomen yliopiston ilmakehän olosuhteita mukailevan ILMARI-kammion mittauksista. Auton päästökertoimen arvioimiseen kehitettiin uusia tilastolliseen mallinnukseen perustuvia menetelmiä, jotka mahdollistavat päästön arvioinnin erilaisissa ajotilanteissa.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Pienhiukkasten pitkäaikaisen kehityksen osalta pystyimme näyttämään, että pienhiukkasten lukumäärät lähellä maanpintaa ovat laskeneet mittausasemilla. Tämä on luultavimmin seurausta teollisuuden ja autoilun päästörajoituksista, joita on tiukennettu tutkittavalla ajanjaksolla. Lisäksi havaittiin, että nykyiset ilmastomallit kuvaavat nämä muutokset melko hyvin ja näyttävät havaintojen kaltaista pitkäaikaista kehitystä pienhiukkaspitoisuuksille. Toki joitain erojakin mittausasemien ja ilmastomallien välillä vielä on, kuten hiukkasten lukumäärien vuodenaikaisvaihtelun kuvaaminen.
Mittausten ja mallien erojen syiden selvittämiseen annettiin tutkimuksessa muutamia yleisiä tutkimussuuntia, joita olisi jatkossa hyvä selvittää. Puun pienpolton osalta tutkimuksessa tehtiin malli päästön kaasu- ja hiukkaskomponenttien kehittymiselle ILMARI-kammiossa. Mallissa kehitystä kuvattiin eri komponenttien välisten yhteyksien avulla. Yhteydet arvioitiin mittausaineiston ja fysikaaliskemiallisen ennakkotiedon perusteella. Malli pystyi kuvaamaan päästön kehityksen kammiossa suhteellisen hyvin. Autojen päästöjen osalta tutkimuksessa esitettiin kolme uutta mallia, jotka erilaisissa sovellustilanteissa pystyvät arvioimaan päästöjen kehittymistä paremmin kuin osa nykyisistä malleista. Aiemmissa malleissa on puutteita esimerkiksi nopeuden ja korkeuden suhteen vaihtelevissa olosuhteissa, joissa moottorilta vaadittava teho muuttuu mittauksen aikana. Uusilla maleilla näitä tekijöitä voidaan ottaa huomioon. Tämä voi mahdollistaa tulevaisuudessa tarkemmat arviot autojen päästökertoimille.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Pitkäaikaistutkimukset vahvistivat jo aiempaa tietoa siitä, että pienhiukkasten määrä on ollut viime vuosikymmeninä laskussa. Tämä on merkittävä tieto, koska se osoittaa, että päästöjen rajoituksilla on ollut vaikutusta. Tulosten vertailu ilmastomalleihin nosti uusia tutkimuskysymyksiä mallien aerosolikuvauksiin liittyen. Uusien tutkimuskysymysten avulla voidaan tutkia tarkemmin mallien eroja fysikaalisten aerosoliprosessien kuvaamisessa ja päästä käsiksi siihen, miten malleja voidaan vielä parantaa.
Puun pienpoltolle esitetty malli on esimerkki tilastollisen mallinnuksen soveltamista uudelle tutkimusalalle. Tutkimuksen käytännön hyötyjä olivat sekä menetelmän tutuksi tuleminen uudelle tutkijajoukolle, että tutkimuksesta saadut tulokset puun pienpolton päästön eri komponenttien mahdollisista yhteyksistä. Mallilla voidaan päästä entistä paremmin käsiksi siihen, miten hiukkaset kehittyvät ulkoilmassa. Puunpolton aineistolle esiteltyä mallinnustapaa voidaan jatkossa soveltaa myös muille ilmakehätieteen aineistoille. Autojen päästöjen osatutkimuksen tulokset voivat myöhemmin johtaa entistä tarkempiin arviointimenetelmiin autojen hiukkaspäästöistä todellisissa ajo-olosuhteissa.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Tutkimuksessa hyödynnettiin monenlaisia aineistoja. Keskeiset aineistot ovat 22 eurooppalaisen mittausaseman pitkäaikaismittaukset pienhiukkasten kokojakaumasta ja sen kehityksestä yhteensä kymmenestä maasta. Ilmastomallien osalta saimme käyttöömme aineistoa viidestä eri ilmastomallista, neljältä eri eurooppalaiselta tutkimusryhmältä. Puun pienpolton mittaukset on toteutettu Itä-Suomen yliopiston ILMARI-mittausympäristössä. Autojen päästökertoimien arviointiin liittyvät mittaukset on toteutettu Kuopion ja Siilinjärven alueella, osana Jane ja Aatos Erkon säätiön rahoittamaa tutkimusprojektia (UEF ja Tampereen yliopisto). Tutkimus on toteutettu Itä-Suomen yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen Aerosolifysiikan tutkimusryhmässä.
Tutkimuksen osatöissä sekä kansallisella (The Atmosphere and Climate Competence Center, https://www.acccflagship.fi/), että kansainvälisillä yhteystyöverkostoilla on ollut suuri rooli. Puun pienpolton osatutkimus on osa Nesslingin säätiön rahoittamaa tutkimusprojektia. Pienhiukkasten lukumäärien pitkäaikaista kehitystä mittausasemilla ja ilmastomalleissa vertaileva osatutkimus on osa Euroopan Unionin Horizon 2020 FORCeS-hanketta (Constrained aerosol forcing for improved climate projections, https://forces-project.eu/forces/), joka on Euroopan laajuinen tutkimusprojekti. Autojen päästökertoimien arviointia koskeva osatutkimus on osa Jane ja Aatos Erkon säätiön rahoittamaa tutkimusprojektia (UEF ja Tampereen yliopisto).
Menetelmien kannalta yhteinen teema kaikissa tutkimuksissa on tilastollinen aikasarja-analyysi. Pienhiukkasten pitkäaikaisen kehityksen arviointiin pitkäaikaisten mittausten aikasarjan kehitystä tilastollisilla menetelmillä. Puun pienpolton tapauksessa useamman muuttujan mittausten aikasarjasta arvioitiin päästön komponenttien kehitystä hyödyntäen mittausten aikasarjallisia ominaisuuksia. Autojen päästökertoimien tapauksessa mittausten aikasarjalle käytettiin yleisempiä muuttujien välisiä riippuvuuksia kuvaavia tilastollisia malleja.
FM Ville Leinosen sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Statistical modeling of atmospheric aerosols – long-term trends and emissions of traffic and small-scale wood combustion tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii tutkimusprofessori Marko Laine, Ilmatieteen laitos, ja kustoksena tutkimuspäällikkö, dosentti Santtu Mikkonen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti, mutta lektio pidetään suomeksi. Tilaisuutta voi seurata myös verkossa.
Lisätietoja:
Ville Leinonen, ville.j.leinonen@uef.fi, p. 050 351 7579
