Ilmatieteen laitoksella työskentelevän professori Hannele Korhosen vetämä projekti oli yksi kolmesta projektista, jotka saivat tänä vuonna yhteensä viiden miljoonan dollarin tutkimusapurahan Yhdistyneiden arabiemiraattien sadetta koskevasta tutkimusohjelmasta.

Yhdistyneiden kansakuntien Ympäristö- ja vesiohjelman mukaan vuoteen 2025 mennessä kaksi kolmasosaa maapallon väestöstä elää alueilla, joissa vedestä on ainakin ajoittain pulaa.

Yhtenä keinona helpottaa kuivien alueiden vesipulaa on ehdotettu sateenmuokkausta.

Syy, miksi katseet tässä kääntyvät Suomeen, ei ole kotimainen sademäärä, vaan tietämys ilmassa olevista pienhiukkasista – niistä, jotka sadettakin saavat aikaan.

Havainto on erittäin kiinnostava siksi, että se auttaa ymmärtämään luonnon ilmastoa sääteleviä omia mekanismeja herkillä arktisilla alueilla.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen apulaisprofessorin ja akatemiatutkijan Mikko Sipilän johdolla on tehty mittauksia Irlannissa, Grönlannissa ja Etelämantereella, ja tuloksena saatu tutkimus julkaistiin eilen illalla Nature-lehden ennakkoversiona verkossa.

Aerosolihiukkaset ovat ovat nykyisin erittäin tärkeä tutkimusala, koska niillä on suuri osa mm. ilmastonmuutoksessa, erilaisissa teollisissa sovelluksissa ja fysiikan perustutkimuksessa, mikä lisäksi niillä on tuntemattomia, haitallisia terveysvaikutuksia.

Anssi Arffmanin väitöstutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää kaikilla näillä tutkimuksen osa-alueilla, koska aerosolihiukkasten koko on yksi olennaisista tekijöistä, joka määrää niiden käyttäytymistä fysikaalisissa prosesseissa.

"Esimerkiksi se, kasvaako aerosolihiukkanen pilvipisaraksi tai toimiiko se vettähylkivänä pintana, riippuu vahvasti hiukkaskoosta", Anssi Arffman kertoo.

Pilvipisaroita on ilmassa ja niillä on vaikutus esimerkiksi siihen, milloin ja miten ilman kosteus muuttuu sateeksi. Esimerkiksi otsikkokuvassa on pieniä meristä ilmaan nousseita suolahitusia, jotka muodostavat ilmassa ollessaan tiivistymisytimiä vesihöyrylle.

Materiaalitieteissä puolestaan tutkitaan innokkaasti erilaisia nanopinnoitteita, jotka ovat itse asiassa aerosoleja. Jos tarkkoja ollaan, niin aerosolit ovat ilmassa olevia erilaisia nanohiukkasia, eli kooltaan nanometrikokoa olevia hitusia.

Aerosolin koko selville alipainetörmäyttimellä

Arffman tutki väitöstutkimuksessaan laskennallisin ja kokeellisin menetelmin aerosolihiukkasten koon mittauksessa käytettäviä alipaineimpaktoreita, eli alipainetörmäyttimiä.

Nimi tulee siitä, että laitteessa nanohiukkasia sisältävä aerosoli kiihdytetään suuttimessa ja suihku törmäytetään keräysalustaan, jolloin tiettyä rajakokoa suuremmat hiukkaset osuvat seinään ja rajakokoa pienemmät hiukkaset jatkavat matkaansa virtauksen mukana. Tällä tavoin aerosolihiukkaset saadaan luokiteltua kahteen eri kokoluokkaan.

"Pystyimme rakentamaan alipaineimpaktoreita, joilla on mahdollista kokoluokitella jopa alle 10 nanometrin kokoisia hiukkasia. Samalla voidaan mitata niiden kokojakaumaa sekä saada tietoa fysikaalisista ominaisuuksista, Arffman selittää.

Tutkimuksen keskeinen tulos on, että impaktorin geometriaa muokkaamalla voidaan vaikuttaa impaktorin resoluutioon eli siihen, kuinka hyvin se jakaa hiukkaset eri kokoalueisiin.

Lisäksi tietokonesimulaatioiden avulla osoitettiin, että hyvä resoluutio tarjoaa myös tasaiset törmäysolosuhteet hiukkasille, jolloin niiden törmäysnopeutta voidaan hallita erittäin tarkasti. Tulosta sovellettiin tutkimalla hopeahiukkasten pomppausherkkyyttä pinnoilta, joka antaa tietoa hiukkasen ja pinnan välisestä vuorovaikutuksesta.

"Tulos on oiva esimerkki laskennallisen ja kokeellisen tutkimuksen yhdistämisestä, sillä ilman molempia lähestymistapoja ei pomppausherkkyyttä nanohiukkasille pystytä määrittämään", Arffman sanoo.

*

Anssi Arffmanin väitöskirja Numerical and experimental study on inertial impactors (“Inertiaali-impaktorien laskennallinen ja kokeellinen tutkimus”) tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston luonnontieteiden tiedekunnassa  ensi perjantaina 19.2.2016.

Tässä artikkelissa on käytetty materiaalina TTY:n lähettämää tiedotetta.

Otsikkokuva: NASA / GSFC

Huomio kaikki graffititaiteen ystävät, tekijät ja vihaajat!

Tänään vuonna 1939 amerikkalainen Julius Seth Kahn jätti sisään patenttihakemuksen numero 2.170.531, jonka aiheena oli kertakäyttöinen kaasunpaineen avulla nesteitä suihkuttava laite, eli se mikä nykyisin tunnetaan aerosolipullona. Kahnin kaavailema pääkäyttökohde oli kermavaahdon tekeminen paineistetun kaasun avulla, mihin toki aerosolipulloja ja sifoneita käytetäänkin, mutta käyttökohteita on nykyisin aika paljon enemmän. Lisäksi Kahn ajatteli käyttävänsä lasipulloja, joihin lisättäisiin kaasua ja kertakäyttöinen, edullinen venttiili, jonka avulla sisältö voitaisiin suihkuttaa pullon sisällä olevan paineen ajamana ulos.

Jos kuitenkin ihan tarkkaan katsotaan, niin ajatus kaasun avulla pikku pisaroina – siis aerosoleina – suihkutettavista nesteistä esiteltiin jo vuonna 1927 Oslossa. Erik Rotheim keksi tämän menetelmän ja sai sille myös patentin, mutta vasta Kahn keksi miten käyttää tekniikkaa yksinkertaisesti kertakäyttöpakkauksissa.

Laajempaan käyttöön tämä tekniikka tuli kuitenkin vasta vuonna 1941, kun Lyle Goodhue ja William Sullivan kehittivät nykyisenkaltaisen, metallisen spraypullon. He käyttivät sitä hyönteismyrkyn suihkuttamiseen ja keksintö levisi toisen maailmansodan aikana laajalle, etenkin Tyynen valtameren saarilla, missä sotilaat kaipasivat hyönteismyrkkyjä.

Sen jälkeen aerosolien vyöry alkoi: niitä käytettiin kermavaahdon ja myrkkyjen lisäksi deodorantteihin ja kaikkeen muuhun, mitä katsottiin käteväksi suihkuttaa. Ja siten myös maaleihin.

Edes se, että pulloissa paineaineena laajasti käytettyjen freoninen, eli CFC-yhteisteiden, havaittiin vuonna 1974 olevan erittäin haitallisia Maan otsonikerrokselle, ei vähentänyt aerosolien käyttöä. Freonit eivät helposti reagoi muiden kemikaalien kanssa ja ovat ihmiselle harmittomia, joten niitä käytettiin laajasti; valitettavasti vain samojen ominaisuuksien vuoksi ne säilyvät ilmakehässä hyvin pitkään, keskimäärin sata vuotta, ja ne tuhoavat otsonia. Niinpä freonien sijaan nykyisin yleisin ponnekaasu aerosolipulloissa on propaanin ja butaanin seos, mikä tekee niistä vähemmän haitallisia – mutta samalla erittäin tulenarkoja.

Pirkanmaalla, keskellä vihreää, sankkaa suomalaismetsää sijaitsee Hyytiälän metsäasema, jolla on tehty merkittäviä ilmastonmuutosta koskevia havaintoja. Siellä sijaitsee myös maailman tunnetuin ilmakehän tutkimiseen tarkoitettu mittausasema nimeltä SMEAR II.

Helsingin yliopiston maatalous-metsätieteelliseen tiedekuntaan kuuluvalla metsäasemalla on tehty metsien ja soiden tutkimusta jo yli sata vuotta. Asemalla järjestetään vuosittain myös kenttäkursseja ja kesäkouluja sadoille tutkijoille.

Opiskelijat ja opettajat elävät metsän keskellä idyllisessä kartanomiljöössä, uivat, saunovat, syövät hyvin sekä pitävät hauskaa opiskelun lomassa.

Mutta tärkeintä on tutkimus ja koulutus: ne liittyvät jollain tapaa ilmastonmuutokseen. SMEAR II –mittausasema valmistui 20 vuotta sitten ja sen jälkeen siellä on tehty merkittäviä havaintoja esimerkiksi siitä, miten metsä tuottaa aerosolihiukkasia ja miten ilmansaasteet vaikuttavat ilmastonmuutokseen.

Kulmala johtaa huippututkimusta

Yksi metsäasemalla usein vieraileva tutkija on Suomen Akatemian huippututkimusyksikön johtaja, akatemiaprofessori Markku Kulmala Helsingin yliopistosta (kuvassa alla).

Kulmalaa pidetään maailman johtavana ilmakehän aerosolien fysiikan ja kemian tutkijana. Jo muutamia vuosia hän on ollut oman tieteenalansa viitatuin tutkija. Hyytiälän SMEAR II -mittausasema on tärkeä osa huippututkimuksen yksikköä. Kulmalan vetämä huippututkimuksen yksikkö on hyvin poikkitieteellinen ja siihen kuuluu monia fyysikoita, kemistejä, metsäekologeja, meteorologeja ja insinöörejä.

Julkaisujen takana on Kulmalan mukaan yhä isompia ryhmittymiä. Esimerkiksi Science-lehden aerosolihiukkasten muodostumista käsitelleessä artikkelissa oli yli sata kirjoittajaa.

"Kaikki työ tehdään nykyään isolla porukalla", toteaa Kulmala.

Hankkeeseen osallistuvan kansainvälisen tutkijajoukon kiinnostuksen kohteena on ilmakehän alimmat kaksi kilometriä, joiden vaikutusta ilmastonmuutokseen ja sääilmiöihin ei täysin tunneta. Se on myös meille ihmisille, muille eläimille ja kasveille kaikkein tärkein ilmakehän osa, koska suurin osa päästöistä on siellä. Saasteet kulkeutuvat toki vähitellen korkeammallekin ja huuhtoutuvat sateen mukana takaisin maahan, mutta niitä on runsaasti hengitysilmassamme.

Hitaasti lentävä ja käytännössä täysin tärinätön ilmalaiva soveltuu erinomaisesti nyt tehtäviin havaintoihin. Kyseessä on maailman suurin operatiivisessa käytössä oleva ilmalaiva, saksalainen Zeppelin NT, eli perinteikkäiden Zeppeliinien uudella tekniikalla varustettu ja nykyaikaisesti rakennettu malli - siitä kirjaimet NT, Neue Technologie, tai New Technology.

Mittauksia varten alun perin maisemalentoihin tehdyn aluksen matkustamo on muutettu pieneksi tietokonesaliksi ja ilmalaivan ulkopuolelle on asennettu runsaasti mittalaitteita. Sikarimaisen ilmalaivan päällä on jopa kymmenmetrinen mittauspuomi. Monet putket imevät ilmaa ulkopuolelta ja johtavat sitä matkustamon sisälle tutkittavaksi.

Zeppeliinissä on mukana monien muiden mittalaitteiden lisäksi myös laboratoriotasoinen massaspektrometri, joka kykenee analysoimaan 50-1000 nanometriä kooltaan olevia hiukkasia ja niiden koostumusta erittäin tarkasti.

Eräs koko hankkeen suurimmista ongelmista olikin saada pienhiukkasia mittaavat suuret laitteet pakattua matkustamoon siten, että ilmalaivan suurin sallittu lentoonlähtöpaino ei ylity.

Zeppelin NT voi ottaa maksimissaan 1900 kg painavan kuorman, jolloin koko laivan massa lentoon lähdettäessä on tarkalleen 10690 kg. Se voi lentää 2,6 kilometrin korkeuteen ja olla ilmassa yhtäjaksoisesti noin 24 tuntia.