Sovelletun fysiikan laitoksen tutkijoiden yhteistyö Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNin kanssa sai alkunsa jo vuosia sitten. Pienhiukkastutkimuksen mittaukset ovat osa isoa kansainvälistä CLOUD-projektia, johon kuuluu tutkimusryhmiä ympäri maailmaa.
- Yhteistyötä ehdotettiin CERNille jo vuonna 2000, vuonna 2006 tehtiin ensimmäinen pilottitutkimus ja ensimmäiset ”oikeat” mittaukset vuonna 2009. Samalla aloitettiin ensimmäinen Marie-Curie Initial Training Network (CLOUD-ITN), jonka myötä saatiin rahoitusta ja harjoittelupaikkoja kymmenelle opiskelijalle ja post-docille. Siinä oli mukana yhdeksän tutkimuslaitosta, kertoo apulaisprofessori Siegfried Schobesberger sovelletun fysiikan laitokselta.
- CLOUDissa taas oli alussa mukana noin 15 partneria Euroopasta, Venäjältä ja USA:sta. Meidän tutkijamme ovat olleet mukana CLOUDissa alusta saakka, ja tähän mennessä on ollut 12 mittauskampanjaa. Alussa hankkeessa testattiin enemmän kosmisen säteilyn vaikutusta pienhiukkasten muodostumiseen.
- Yhteensä CLOUD -projektin mittauksiin on osallistunut tähän mennessä yli 200 tutkijaa, Itä-Suomen yliopistosta on ollut mukana noin 15 tutkijaa. Nykyään CLOUDissa on mukana jo yli 20 yhteistyökumppania, tutkimusinstituutteja ja teollisuuden edustajia, sanoo Schobesberger.
Massaspektrometri pystyy havaitsemaan yhden molekyylin miljardista
Viime syksynä Itä-Suomen yliopiston tutkijat viettivät CERNissä parisen kuukautta, mukanaan kaksi omaa mittauslaitetta.
– Meillä pienhiukkastutkijoilla on CERNissä jatkuvassa käytössämme suuri teräskammio, jossa tutkitaan eri tavoin pienhiukkasten muodostumista ilmakehän olosuhteissa. Mittausten yhtenä tavoitteena on tehdä entistä realistisempia ilmastomalleja, kertoo tutkijatohtori Tuomo Nieminen.
- Kaikki mittauslaitteet sijoitettiin kammion ulkopuolelle. Mittasimme toisella laitteellamme hiukkasten hygroskooppisuutta, eli kuinka paljon vettä voi tiivistyä pienhiukkasiin tietyissä olosuhteissa. Tämä antaa tietoa niiden kemiallisesta koostumuksesta. Massaspektrometrilla puolestaan mitattiin pienimpien varattujen hiukkasten massaa, josta voidaan päätellä mistä atomeista ne koostuvat.
– Lämpöeristetty teräskammio on tilavuudeltaan 26 kuutiometriä, ja siinä pystytään säätämään tarkkaan lämpötilaa, suhteellista kosteutta ja kaasuseosta. Kammion sisällä on siis nestemäisestä typestä ja hapesta tehtyä keinotekoista ilmaa, kuvailee Nieminen.
Kammion sisään viedään häviävän pieniä määriä muita kaasuja, kuten ihmisen toiminnasta peräisin olevaa rikkidioksidia, tai monoterpeenejä, kasvillisuuden tuottamia haihtuvia orgaanisia yhdisteitä. Nämä kaasut reagoivat keskenään muodostaen uusia yhdisteitä ja lopulta pienhiukkasia.
– Ainemäärät ovat todella pieniä, yksi miljardisosa ilmasta, tai vielä vähemmän. Massaspektrometrimme pystyy havaitsemaan sen yhden molekyylin miljardista. Kokeiden välillä täytyy odottaa aina parisen tuntia, että kammion ilma tasapainottuu.
– Tutkimme tällä hetkellä muun muassa sitä, kuinka metsä- ja merialueiden pienhiukkaset eroavat toisistaan, sanoo tutkijatohtori Angela Buchholz.
Vaikka yhdessä mittauskampanjassa tehdäänkin töitä kolmessa vuorossa, se ei kuitenkaan riitä – riittävän data-aineiston saamiseksi mittauksia täytyy tehdä useiden vuosien ajan.
– Seuraavat mittaukset tehdään ensi syksynä. Sitä ennen täytyy tietenkin taas suunnitella, mitä haluamme tutkia. Koko projektissa tuotettu mittausdata on avoimessa käytössä kaikilla tutkimusryhmillä. Sovimme yhdessä uusista kampanjoista, keskustelemme tuloksista ja kirjoitamme yhteisiä julkaisuja.
Mittaustulosten avulla voidaan vaikuttaa lainsäädäntöön
Tutkijoiden elämä keskittyy mittauskampanjan aikana tiiviisti tutkimuskeskukseen, he asuvat alueen hostelleissa ja syövät ruokalassa, omaa huonetta ei tarvitse edes siivota itse.
– CERN on tutkijoiden taivas – mihin tahansa menetkään, näet tiedettä. Siellä voi todella keskittyä tieteen tekemiseen. CERNissä on myös hyvin rento tiedeyhteisö, johon pääsee helposti mukaan, sanoo Buchholz.
Teknisissä asioissa isolla tutkimuskeskuksessa on myös puolensa, sillä tutkijoille on tarjolla paljon teknistä apua. Muilta tutkimusryhmiltä voidaan lainata laitteita, tai niitä voidaan rakentaa myös itse tarpeen mukaan.
- Mittauskampanjoissa maisteriopiskelijatkin saavat jo vastuuta työssä, mikä on mahtavaa! Yksi työvuoro kestää kahdeksan tuntia, ja öisin vahtivuoroa tekevät saattavat joutua herättelemään ihmisiä vaikkapa sähkökatkon sattuessa. Olemme täällä kuin ihan omassa maailmassamme ja aikavyöhykkeellämme – sen jälkeen paluu normaaliin elämään aiheuttaa vähän kuin jet lagin, kuvaillee Buchholz.
- Lukuisista monitoreista voi koko ajan seurata mikä tilanne mittauksissa on meneillään. Vapaa-ajalla voi vaikka ulkoilla, mutta jotkut tutkijat haluavat viettää koko aikansa tutkimuslaitoksessa, lisää Nieminen.
- CERNissä ja CLOUDissa voimme verkostoitua, saamme kansainvälistä näkyvyyttä ja voimme näin vahvistaa omaa tutkimustamme merkittävästi. Uusia ihmisiä tapaamalla löytyy myös uusia tutkimustapoja, ja se taas on korvaamattoman arvokasta. Yhteisten intressien löytäminen on verkostossamme helppoa, toteavat tutkijat.
Pienhiukkasten muodostuminen onkin monimutkaisempaa kuin ajateltiin
Tulevaisuudessa tutkijat saavat tehtyä entistä tarkemman kuvan ilmastonmuutoksesta, ja voidaan ennustaa, mitä ehkä voi tapahtua.
- Mittausten avulla voidaan todistaa, että pienilläkin muutoksilla on suuria vaikutuksia ilmastoon, ja näin voimme vaikuttaa myös lainsäädäntöön. Myös tavallisen ihmisen on helpompaa ymmärtää mekanismeja ilmastonmuutoksen taustalla.
- Pienhiukkasten käyttäytyminen täytyy tuntea varsinkin silloin, jos halutaan aktiivisesti vaikuttaa ilmastoon vaikkapa keinotekoisia pilviä valmistamalla. Tämä on ehkä tulevaisuudessa mahdollista, mutta itse olen hieman huolissani tästä vaihtoehdosta, miettii Nieminen.
- Seuraavat kampanjat, CLOUD 13 ja CLOUD 14 ovat jo suunnitteilla, ja olemme ovat niissäkin mukana. CERN tulee jatkossakin olemaan kaikkein kehittynein tutkimusympäristö aerosolitutkimukseen, lisää Schobesberger.
- Tutkittavaa riittää, sillä pienhiukkasten muodostuminen onkin osoittautunut monimutkaisemmaksi kuin ajateltiin. Erityisesti kemian osalta mittaukset kestävät kauan, sillä vain pientä määrää eri kemikaaleja ehditään tutkia yhden mittauskampanjan aikana.
