Ilmakehämallinnuksen 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?
Väitöstutkimukseni aiheena on aerosoliprosessien ja aerosolien ilmastovaikutusten ymmärtämisen parantaminen käyttämällä prosessitason ja globaalin skaalan malleja. Aihepiiriä on tärkeä tutkia, koska aerosolihiukkaset vaikuttavat ilmastoon suorasti sirottamalla, heijastamalla ja absorboimalla auringon säteilyä, sekä epäsuorasti vaikuttamalla pilvien ominaisuuksiin.
Vaikka aerosolien ominaisuuksia ja ilmakehäprosesseja tiedetään osittain hyvinkin tarkasti, nykyisissä ilmastomalleissa tiettyjen aerosolihiukkasten termodynaamisten ominaisuuksien tiedoissa on puutteita, joka aiheuttaa epävarmuuksia niiden mallintamiseen prosessi- ja globaalitason malleissa. Lisäksi nykyisissä globaalin mittakaavan malleissa aerosolihiukkasten kaukokulkeumaa sekä päästölähteitä mallinnetaan heikosti, joka aiheuttaa epävarmuuksia aerosolien säteilypakotteen arvioinnissa.
Väitöstyössä näitä puutteita ja heikkouksia tutkittiin arvioimalla termodynaamisen tasapainomallin kykyä kuvata dimetyyliamiinia, rikkihappoa ja ammoniakkia sisältävien aerosolihiukkasten vedenottokykyä, vertaamalla mallituloksia ja mittauksia. Väitöstyössä kehitettiin myös fysikaalisempi pilvensisäinen märkäpoistumajärjestelmä globaalin skaalan malleille, jotka käyttävät kokoon perustuvaa aerosolikuvausta, parantamaan hiukkasten kaukokulkeuman mallintamista. Lisäksi väitöstyössä tutkittiin havumetsäpuihin kohdistuneen bioottisen stressin vaikutusta sekundaarisen orgaanisen aerosolin (SOA) muodostumiseen, pilvien ominaisuuksiin, sekä säteilyvaikutuksiin globaalin skaalan mallissa, jotta SOA:n lähteiden tietämystä voitaisiin parantaa globaaleissa malleissa.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Väitöstutkimuksessa havaittiin, että termodynaaminen tasapainomalli, E-AIM, ei pystynyt tarkasti kuvaamaan dimetyyliamiinia, rikkihappoa sekä ammoniakkia sisältävien hiukkasten vedenottokykyä, kun hiukkasten halkaisijat olivat kymmenien nanometrien luokkaa. Täten voitiin todeta, että dimetyyliamiinia sisältävien systeemien termodynamiikassa on vieläkin puutteita ja täten lisätutkimuksille on tarvetta.
Vasta kehitetty märkäpoistumajärjestelmä tuotti harhaanjohtavia aerosolihiukkasten pystyprofiileja sekä mustan hiilen elinikää verrattuna aiempaan järjestelmään, kun käytettiin ECHAM-HAMMOZ-SALSA globaalia aerosoli-ilmastomallia. Täten vasta kehitetyn järjestelmän herkkyyttä tutkittiin muuntelemalla mustan hiilen sisäistä sekoittumista ja päästökokojakaumia, sekä aerosoliyhdisteiden ikääntymistä.
Parhaat tulokset verrattuna havaintoihin, sekä muiden mallien keskiarvoihin saatiin, kun musta hiili vapautettiin ilmakehään sisäisesti sekoittuneena liukoisten yhdisteiden kanssa. Bioottisen stressin lisääminen havumetsävyöhykkeen puissa lisäsi SOA:n muodostumista, koska puiden vapauttamien orgaanisten kaasujen päästöt lisääntyivät. SOA:n lisääntyessä lisääntyi myös pilvipisaroiden lukumäärä pilvien yläpinnassa. SOA:n lisääntyminen aiheutti myös voimakkaamman negatiivisen suoran säteilypakotteen.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää parantamaan nykyisten prosessitason ilmastomallien tarkkuutta aerosolien termodynaamisten ominaisuuksien osalta. Erityisesti dimetyyliamiinia sisältävien systeemien termodynamiikan ymmärtämisessä on vielä puitteita, joten lisätutkimuksia kaivataan, jotta niiden ilmastovaikutusta voitaisiin kuvata tarkasti. Lisäksi tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää parantamaan nykyisten globaalin skaalan ilmastomallien tarkkuutta aerosolien märkäpoistuman ja SOA:n lähteiden osalta. Nämä lisäävät globaalien aerosoli-ilmastomallien tarkkuutta kuvata aerosolihiukkasten säteilyominaisuuksia nykyisissä ja tulevaisuuden simulaatioissa.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Väitöstutkimukseni alkoi tutustumalla E-AIM prosessitason malliin, joka tuolloin oli yksi ainoa termodynaaminen tasapainomalli, joka sisälsi amiinien termodynamiikkaa. Lisäksi tutustuin globaaliin aerosoli-ilmastomalliin, ECHAM-HAMMOZ, sekä sen sektionaaliseen aerosoli kokojakaumakuvaukseen SALSA. Sekä E-AIM, että ECHAM-HAMMOZ mallilla suoritin mallisimulaatioita, joita verrattiin Itä-Suomen yliopiston Aerosolifysiikan tutkimusryhmän tekemiin mittauksiin, NASAn lentokonemittauksiin sekä muihin malleihin (AEROCOM).
Tutkimus suoritettiin yhteistyössä Ilmatieteen laitoksen Itä-Suomen ilmatieteellisen tutkimuskeskuksen, sekä Itä-Suomen yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen Aerosolifysiikan tutkimusryhmän kanssa.
FM Eemeli Holopaisen ilmakehämallinnuksen alaan kuuluva väitöskirja Aerosol modelling: Improving the understanding of aerosol processes and their effects on the climate at process and global-scale (Aerosolimallinnus: Aerosoliprosessien ja aerosolien ilmastovaikutusten ymmärtämisen parantaminen prosessi- ja globaalitasolla) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii Research Associate Marc Salzmann, University of Leipzig, ja kustoksena dosentti Thomas Kühn, Ilmatieteen laitos. Tilaisuuden kieli on englanti.
Lisätietoja:
Eemeli Holopainen, eemeli.holopainen@uef.fi
