Pienhiukkaset: Uhka ihmisten terveydelle vai pelastus ilmastolle? FT Ilona Riipinen Nuorten Akatemiaklubi Suomalainen Tiedeakatemia

Transkriptio

1 Pienhiukkaset: Uhka ihmisten terveydelle vai pelastus ilmastolle? FT Ilona Riipinen Nuorten Akatemiaklubi Suomalainen Tiedeakatemia

2 Kuutiosenttimetri kaupunki-ilmaa Kaasut: Yksittäisiä molekyylejä Typpi, happi, vesihöyry, hiilidioksidi jne = kpl 1 mg = g Aerosolihiukkaset: Tiivistyneessä olomuodossa (kiinteä tai neste) Katupöly, nökihiukkaset, rikkihiukkaset, sumupisarat, öljypisarat, siitepöly, virukset 10 4 = kpl 10 µg = g

3 Ilmakehän aerosolihiukkaset: Monenlaisia ja kaikkialla Nestemäisiä tai kiinteitä ilmassa leijuvia hiukkasia Koot vaihtelevat välillä ~ 1 nm 100 µm (kuulantyöntökuulan vs. maapallon halkaisija) Pitoisuudet vaihtelevat välillä ~ kpl/cm 3 ~ µg/cm 3 Fysiikan laitos / Ilona Riipinen

4 Hiukkasia tulee ilmakehään sekä luonnosta että ihmisen toiminnasta Suuri osa syntynyt ilmakehässä höyryistä Ympäristövaikutuksia esim. Ilmasto Ihmisten terveys Näkyvyys Otsonikato Happosateet Rapautuminen Hiukkaset Pilvet Säteily Tulivuoret Aavikot Kasvit ja eläimet Ihmisen toiminta Meret

5 Pienhiukkaset ja kansanterveys: Hiukkaset lyhentävät elinikää Hengityselinsairaudet, sydän- ja verisuonitaudit ym Elinajanodote (vuosia) Pittsburgh < 2.5 µm hiukkasten massapitoisuus ( g/m 3 ) < 2.5 µm hiukkasten massapitoisuus ( g/m 3 ) Pope et al., New England J. Med. 2009

6 80 Haaste: Elinajanodote (vuosia) Pienhiukkaset ja kansanterveys: Hiukkaset lyhentävät elinikää Hengityselinsairaudet, sydän- ja verisuonitaudit ym Pittsburgh Terveysvaikutukset Pitoisuus Altistuminen Yksilö -Taso - Myrkyllisyys ja annos - Laajuus 74 - Mekaaniset vaikutukset Kansanterveys Päästö -Koostumus -Kokojakauma Koko ketjun tunteminen - Fysiikka, < 2.5 kemia, µm hiukkasten lääketiede, sosiologia massapitoisuus ( g/m 3 ) < 2.5 µm hiukkasten massapitoisuus ( g/m 3 ) 30 Pope et al., New England J. Med. 2009

7 Pienhiukkaset ja näkyvyys 50 km 1.5 km Etelämanner New Delhi, Intia Kuvat: I. K. Koponen, P. Mönkkönen

8 Pienhiukkaset sirottavat ja absorboivat auringon säteilyä Suora ilmastovaikutus Etelä-Aasian ruskea pilvi Saharan hiekkaa Kuvat: NASA

9 Jokainen pilvipisara on tiivistynyt hiukkasen ympärille Epäsuora ilmastovaikutus Laivareittejä Fysiikan laitos / Ilona Riipinen Kuva: NASA

10 Pienhiukkaset tärkeä osa ihmisen ilmastovaikutusta Fysiikan laitos / Ilona Riipinen IPCC 2007

11 Pienhiukkaset tärkeä osa ihmisen ilmastovaikutusta Pienhiukkaset haaste esim. hiilidioksidiin verrattuna: Ominaisuudet Vaikutukset Muutoksen aikaskaala CO 2 Yksi molekyyli Lämmittävä Kymmeniä vuosia Hiukkaset > 1000 eri ainetta Vaihtelevat hiukkaskoot Viilentävä Lämmittävä Ilmanlaatu, ym. Päiviä, viikkoja Fysiikan laitos / Ilona Riipinen IPCC 2007

12 Polku hiukkaspäästöstä globaaliin vaikutukseen edellyttää monitieteisyyttä Fysiikka, kemia, meteorologia, biologia, epidemiologia Tieteiden välinen yhteistyö on välttämätöntä Palikoiden yhdistäminen vaatii raskaita laskennallisia malleja Päästö -Hiukkanen - Kaasu Muuntuminen ja kulkeutuminen -Tiivistyminen/haihtuminen -Törmäileminen muihin hiukkasiin -Depositio pinnoille -Kulkeutuminen ilmavirtojen mukana -Laimeneminen Vaikutus -Ilmasto (suora/epäsuora) - Terveys (yksilö/joukko) Aika

13 ...sekä kokeellisia ja teoreettisia menetelmiä useissa skaaloissa Keskiarvoistus Laboratoriokokeet Kvanttimekaaniset mallit Ilmiöiden teoreettinen ymmärtäminen Ymmärryksen siirto globaaliin skaalaan, laskentateho Kenttäasemat Prosessimallit Globaalit kuljetusmallit Molekyylidynamiikka Laatikkomallit Satelliitit Alueelliset kuljetusmallit Mittausverkostot ja kampanjat Earth system -mallit Ilmastomallit Pitkän aikavälin ilmakehähavainnot Skaala

14 SMEAR asemat HY:n ilmakehätutkimuksen selkäranka Meteorologia: Lämpötila, tuuli, kosteus, Aerosolit Pitoisuus, kokojakauma, koostumus, Kaasut NO X, SO 2, otsoni, orgaaniset kaasut, Metsän ja ilmakehän vuorovaikutukset Puiden elintoiminnot, hiilen ja veden kierto, maaperä, Osasto / Henkilön nimi / Esityksen nimi

15 Oma tutkimusaiheeni: Hiukkasten ja kaasujen vuorovaikutukset Hiukkaset vuorovaikuttavat ilmakehässä kaasufaasin kanssa Toistaiseksi puutteellisesti kuvattu ison skaalan malleissa etenkin pienimmille hiukkasille Suuri osa ilmakehän hiukkasista syntynyt tiivistymälläkaasuista nukleoitumalla Olemassaolevat hiukkaset kasvavat ja kutistuvat, kun ilmakehän höyryjä tiivistyy niiden pinnoille tai haihtuu niistä

16 Uusien hiukkasten muodostusta Hyytiälässä ja Pittsburghissa Hyytiälä Hiukkaskoko (m) Hiukkaskoko (nm) Pitoisuus (cm -3 ) Pitoisuus (cm -3 ) Ilmastovaikutukset Pittsburgh, PA Aika (h) Aika (h)

17 Ihminen vs. luonto: Hiukkasmuodostus ja kosmiset säteet Määrittävätkö kosmiset säteet ilmakehän nukleaatiota ja kautta hiukkaspitoisuuksia, pilvisyyttä ja ilmastoa? Hiukkasmuodostuspäivien lkm Kosmisten säteiden ionisaatio (cm -3 s -1 ) Eivät ainakaan pohjoisissa havumetsissä Kulmala, Riipinen, et al., Atmos. Chem. Phys. 2009

18 Suorat havainnot ilmakehän pienimmistä hiukkasista Kaupallisten laitteiden havaintoraja oli pitkään 3 nm Hiukkaskoko (m) Pitoisuus (cm -3 ) HY:ssa kehitetyt laitteet mahdollistavat nukleaation suoran havaitsemisen Kulmala, Riipinen, et al., Science 2007; Sipilä, Berndt et al., Science 2009

19 Ihminen vs. luonto: Rikkihappo vs. orgaaniset yhdisteet Rikkihappo määrää hiukkasten muodostumisnopeuden Datasta riippuvuus rikkihapon ja nukleaationopeuden välille Tarkka mekanistinen ymmärrys puuttuu parantaa globaalien mallien ennusteita Orgaaniset aineet kasvattavat hiukkaset ilmaston kannalta merkittäviin kokoihin Kasvuprosessit ja tiivistyvät aineet eivät hyvin tiedossa puuttellisesti kuvattu alueellisissa ja globaaleissa malleissa Merkittävä haaste aerosolien ilmastovaikutuksen kannalta!

20 Nukleaation merkitys globaalina hiukkaslähteenä - ensimmäiset tulokset A) Nukleaation osuus B) Primääripäästöjen osuus C) Ylätroposfäärin nukleaatio C) Rajakerroksen nukleaatio Nukleoituneiden hiukkasten kohtalo? Vaikutukset? Merikanto, Spracklen, et al., Atmos. Chem. Phys. 2009

21 Lopuksi: Mitä kaikkien tulisi tietää pienhiukkasista? Pienhiukkaset Vaikuttavat pilviin ja ilmastoon (nettovaikutus viilentävä) Heikentävät ilmanlaatua Teknologioiden kytkeytyneet ilmasto- ja ilmanlaatuvaikutukset tulee selvittää Suuret paikalliset erot sekä vaihtelevat ominaisuudet tekevät pienhiukkasista haastavan tutkimusaiheen Perusprosessien ymmärryksessä aukkoja Skaalaamisongelmat ja laskentateho Teoreettinen perustutkimus ja pitkäaikaiset ilmastohavainnot välttämättömiä Nykytietämyksen valossa (ainakaan luonnollisista) hiukkasista tuskin on tulevan ilmaston pelastajaksi CO 2 peittänee vaikutukset alleen seuraavan sadan vuoden aikana Vaikutus ilmaston herkkyyteen kuitenkin merkittävä