1. Aerosolit Luento 21.8.2012 Kyösti Ryynänen 2. Aerosolien lähteet 3. Aerosolit ja kasvihuoneilmiö 4. Pilvien tiivistymisytimet 5. Kosmoklimatologia 1 AEROSOLIT Aerosolit ovat kiinteitä tai nestemäisiä hiukkasia ilmassa Hiukkasia syntyy luonnossa ja ihmisen toimesta Hiukkasia myös tiivistyy ilmakehässä kaasusta vesi, rikkihappo ja orgaaniset aineet jäätymis- ja tiivistymiskeskuksina kokoluokka 3 nanometristä 10 mikrometriin hiukkasen elinaika päivästä viikkoihin hiukkasen vaikutus muutamista tunneista päiviin Hiukkaset viilentävät ilmastoa heijastamalla suoraan auringonvaloa takaisin toimimalla epäsuorasti pilvien tiivistymisytiminä Lumen ja jään päälle laskeutuneet tummat nokihiukkaset lämmittävät ilmastoa merkitystä ehdotettu jopa kasvihuonekaasujen luokkaa olevaksi 2 1
VAIKUTUS ILMASTOON Aerosoleilla on etenkin paikallisesti ja alueellisesti suuri vaikutus ilmastoon Aerosolien lähteet ja poistuminen ilmakehästä alailmakehästä troposfääristä poistuu nopeasti yläilmakehästä stratosfääristä poistuu hitaasti Aerosolien määrän ilmakehässä ennustetaan lisääntyvän hitaammin kuin kasvihuonekaasujen pitoisuuksien, tähän vaikuttavat puhtaammat palamisprosessit ja hiukkassuodattimet Maapallon keskilämpötilan nousun arvellaan lisäävän aerosolien määrää ilmakehässä (negatiivinen takaisinkytkentä) Vaikutus ilmastoon 1. Suuri taustahiukkasten määrä aikaansaa pienipisaraisempia pilviä, jotka heijastavat voimakkaammin säteilyä 2. Vaikutus pilvien muodostumiseen, elinikään ja sateiden voimakkuuteen 3 AEROSOLIEN LÄHTEET Saastepäästöt fossiilisista polttoaineista (noki, rikkidioksidi, sulfaattihiukkaset, muut yhdisteet) Energiantuotanto Teollisuus Liikenne Kasvillisuus (orgaaniset hiilivedyt, metsät, siitepölyt, virukset) Merien plankton (sulfaattihiukkaset) Merenpärskeiden suolakiteet Metsäpalot (tumma noki, sulfaattihiukkaset) Hiekkamyrskyt (vaalea hiekkapöly) Tulivuorenpurkaukset (tuhka, rikkidioksidi -> sulfaattihiukkaset) Supertulivuorten räjähdykset (mahdollista mm.yellowstonessa) Laakiopurkaukset (hitaat massiiviset tulivuoren rakopurkaukset) Asteroidien ja komeettojen törmäykset Maahan (pölyä) 4 2
TERVEYS JA HIUKKASET Vaikutus näkyvyys, ilmasto, terveys Alle 1 mikrometrin kokoiset pääsevät keuhkoihin Antarktiksella 200 hiukkasta/cm3 Suomen maaseudulla 2000-3000/cm3 Helsingissä 10 000 /cm3 New Delhissä 250 000 /cm3 Suurkaupunkien saastuneilla alueilla jopa 1 000 000 hiukkasta/cm3 5 PILVET JA VESIHÖYRY Vesi vaikuttaa kasvihuoneilmiön voimakkuuteen kahdensuuntaisesti Vesihöyry lämmittää maapalloa Pilvien vaikutus vaihtelee Eri korkeudella ilmakehässä olevat pilvet Heijastuskyvyltään erilaiset pilvet Absorbtiokyvyltään erilaiset pilvet Paikallisesti maanpinnan tai merenpinnan heijastuskykyyn verrattuna 6 3
PILVET Suurin osa ilmakehän kosteudesta ja siten myös pilvistä on lähellä maanpintaa alailmakehässä Alatroposfäärin suuripisaraiset ja korkeat pilvet heijastavat noin 60% auringonsäteilystä takaisin avaruuteen Yläilmakehän ohuet pilvet absorboivat auringonsäteilyä (lentoliikenne lisää cirruspilvien määrää) Eli alailmakehän pilvet keskimäärin viilentävät ja yläilmakehän lämmittävät 7 maapalloa PILVET Vaaleissa pilvissä on enemmän pisaroita ja niiden elinikä on pidempi, heijastavat enemmän valoa Tummissa pilvissä on vähemmän pisaroita ja elinikä on lyhyempi, heijastavat vähemmän valoa (metsän yläpuolella muodostuvat pilvet ovat tummempia ja puhtaampia) 8 4
PILVET Napa-alueilla pilvet lämmittävät (albedo pienempi kuin lumella ja jäällä) ja muualla kylmentävät maapalloa (albedo suurempi kuin maa-aineksilla ja kasvillisuudella) Pilvien vaikutus ilmastoon vaihtelee lumipeitteen (vuodenajan) mukaan Pilvet osaltaan aikaansaavat ja säätelevät ilmastoa 9 KEINOTEKOISET PILVET Ilman vesihöyry tiivistyy lentokoneiden pakokaasuissa olevien pienten hiukkasten ympärille Lentokoneiden tiivistymisjuovat ovat keinotekoisia pilviä (condensation trail), tiivistyy pilveksi muutamassa sekunnissa, 6-11 km korkeudessa, 40-50C pakkasessa Kosteassa ilmassa vana säilyy pitkään ennustaen sadetta Kuivassa ilmassa jääkiteet haihtuvat pian vesihöyryksi, jolloin vana jää lyhyeksi Juovista nähdään ilmakerroksen tuulen nopeus ja suunta Rakettilaukaisut aiheuttavat samallatavoin juovia Ilmakehän tutkimuksiin käytettiin aikaisemmin keinotekoisia bariumpilviä 10 5
PILVIEN TIIVISTYMISYTIMET Hiukkaset keräävät pinnalleen lisää materiaalia Kosmisten säteiden ionisoimat hiukkaset kasvavat nopeammin kuin varaukseltaan neutraalit hiukkaset Kasvuprosessi orgaanisesta kaasusta pilvien tiivistymisytimiksi muutama molekyyli ~1 nm kasvavat suuremmiksi 1-3 nm pilvien tiivistymisytimiksi 50-100 nm 11 EVENTTIEN ESIINTYMINEN Hiukkasmuodostus kasvaa päiväsaikaan Auringon säteilyssä Keväisin hiukkaskasvutapahtumia (eventtejä) enemmän kuin muulloin Tropiikin metsien yllä hiukkasista kasvaa todennäköisemmin ja/tai nopeammin tiivistymisydinten kokoisia Taustahiukkasten määrä ja koko (valmiina ilmamassassa olevat hiukkaset) tärkeä tekijä hiukkasten kasvulle Ilmamassan historia, edeltävinä vuorokausina kulkema reitti, selittää ilmamassan ominaisuuksia suhteellinen ilmankosteus estää hiukkasten syntyä kaupunkisaasteet estävät hiukkasten syntyä 12 6
KOSMOKLIMATOLOGIA Avaruudesta tulevat kosmiset säteet (suurenergisia varattuja protoneja, heliumytimiä, raskaampia ytimiä ja elektroneja) aikaansaavat alailmakehässä ionisaatiojuovia, joista edelleen saa alkunsa pilvien tiivistymisytimiä Supernovaräjähdykset Linnunradassa lisäävät kosmisten säteiden määrää, minkä seurauksena alailmakehän tiivistymisytimet lisääntyvät ja pilviä muodostuu enemmän 13 KOSMOKLIMATOLOGIA Auringon magneettikenttä estää kosmisia säteitä pääsemästä Maa-planeetan ilmakehään Samalla Auringon magneettikentän vaihtelut säätelevät kosmisten säteiden pääsyä ilmakehään Maan oman magneettikentän vaikutus alailmakehän kosmisten säteiden vaihteluun arvioidaan pieneksi 14 7
LÄHDEKIRJALLISUUS John Houghton: Global Warming, The Complete Briefing, Cambridge University Press, 2004 (1994) Hannu Karttunen, : Ilmakehä, sää ja ilmasto, Ursa, 2008 Henrik Svensmark & Nigel Calder: The Chilling Stars, A New Theory of Climate Change, Icon Books Ltd., 2007 Ilmasto ja ilmanlaatu tutkimuksen nykytuulet, SMFL:n syyspäivät 13.-14.10.2007 Hyytiälän tutkimusasemalla,esitelmät ja mittauslaitteisiin tutustumiskierros Maan ytimestä avaruuteen, Suomalaisen Tiedeakatemian 100 vuotta 2008 juhlaseminaari 10.-11.1.2008, esitelmät ja esitelmätiivistelmät 15 8