Arktisten pilvien muodostus on ilmastomallien heikoin lenkki

28.10.2015

Pilvien muodostuminen on tärkeä tekijä, kun ilmastomalleja kehitetään vastaamaan paremmin todellisuutta. Ilmiötä tunnetaan kuitenkin puutteellisesti, ja erityisen vähän tiedetään arktisten alueiden pilvien muodostumisesta ja ominaisuuksista. Arktisen akatemiaohjelman hankkeessa yhdistetään pilvimuodostuksen teoriaa ja kokeelliset tulokset arktisen ilmaston simuloimiseksi.

Pilvillä tiedetään olevan sekä lämmittävä että viilentävä vaikutus maapallon ilmastoon. Toisaalta pilvet viilentävät heijastamalla ulkoa tulevaa auringonsäteilyä. Toisaalta ne toimivat ilmakehän eristeenä ja estävät maapinnan lähellä olevaa lämpösäteilyä karkaamasta avaruuteen.

Aurinko- ja lämpösäteilymittaukset ilmakehän yläosassa osoittavat, että maailmanlaajuisena keskiarvona pilvillä on ilmastoa viilentävä vaikutus.

Ilmastonmuutos korostuu arktisilla alueilla, jotka lämpenevät noin kaksi kertaa nopeammin kuin maapallo keskimäärin. Arktiset pilvet ovat alueellisesti erityisen tärkeitä, koska niiden lämmittävä vaikutus voi johtaa auringonsäteilyä tehokkaasti heijastavan lumen ja jään sulamiseen. Tumma sulanut maanpinta tai avomeri ei enää heijasta, vaan sitoo itseensä säteilyenergiaa, ja lämpenee näin entisestään.

 

Jääkiteiden muodostumista ei vielä ymmärretä

Ilmastomalleja varten tarvitaan mahdollisimman realistinen kuvaus arktisten pilvien muodostumisesta ja ominaisuuksista.

"Käytössä olevat ilmastomallit sisältävät kyllä jotakin tietoa arktisten pilvien muodostumisesta. Mutta jos vertaa jääkiteiden muodostumismittauksia malleihin, yhteensopivuus on ihan mitä sattuu, eikä tiedetä miksi", sanoo professori Hanna Vehkamäki Helsingin yliopiston Ilmakehätieteiden osastolta.

Vehkamäki johtaa Suomen Akatemian Arktisen akatemiaohjelman nelivuotista projektia Jääkidepilvet ja jäänukleaatio arktisella alueella (ICINA). Projektissa on myös mukana tutkimusryhmiä Tampereen teknillisestä yliopistosta, Ilmatieteen laitoksesta sekä Itä-Suomen yliopistosta.

Erityisen merkittävä tekijä arktisten pilvien ominaisuuksille on niin sanottu jäänukleaatio, jossa pilviin muodostuu jääkiteitä nestepisaroiden lisäksi tai niiden sijaan. Kuten vesipisaratkin, jääkiteet tarvitsevat muodostuakseen tiivistymisytimen. Arktisen ilmakehän aerosolihiukkasten pitoisuudet ja niiden aktiivisuus jääkiteiden muodostumisessa tunnetaan kuitenkin huonosti.

"Jäänukleaatiotutkimus on lapsenkengissä samalla tavalla kuin aerosolihiukkasten muodostumistutkimus oli 20 vuotta sitten. Siinäkään ei alussa ymmärretty yhtään mitään, mutta edistys on ollut valtavaa ja nyt hiukkasmuodostusmallit ovat suhteellisen kohdallaan laboratorio-olosuhteissa", Vehkamäki sanoo.

"Mitä sitten tapahtuu oikeassa ilmakehässä, jossa on tuhansia erilaisia yhdisteitä, on jotakin aivan muuta. Ymmärrämme minkä tyyppisestä prosessista on kyse, mutta sen mallintaminen tarkasti molekyylitasolla on käytännössä mahdotonta."

Teoria ja kokeellinen osa kehitetään yhdessä

"Aerosolitutkimuksessa kehitettyä työkalupakkia voimme nyt käyttää uuteen aiheeseen. Tietokoneiden laskentakapasiteetti on myös parantunut huomattavasti ‒ suurteholaskennalla tehtävät molekyylisimulaatiot ovat tulleet mahdollisiksi vasta viime vuosina", Vehkamäki toteaa.

ICINA-projektissa yhdistyvät pilvien muodostuksen teoria ja laskentamallit mittaustekniikan kehittelyyn. Laboratorio- ja kenttäkokeissa selvitetään, mitkä hiukkaset parhaiten toimivat jäänmuodostuksen ytiminä. Vehkamäen ala on laskennallinen molekyylimallinnus, missä mallinnetaan erilaisten aerosolihiukkasten molekyylirakenne ja niiden yhteensopivuus vesimolekyylin rakenteen kanssa.

"Laskennallinen mallinnus ei ole mielekästä, ellei ole koetuloksia, joihin laskelmia voi verrata. Tässä projektissa meillä on jatkuva yhteys mallinnuksen ja kokeiden välillä, jotta saamme mielekkään vertailukohdan", hän sanoo.

Vehkamäen mukaan suurin hidaste alan kansainvälisessä tutkimuksessa on ollut, että teorian kehitys ja kokeellinen osa on tehty erillään.

"Teoria ja kokeellinen osa on saatava yhteen, jotta läpimurto tapahtuisi. Tässä on suomalaisten vahvuus: pienessä maassa on niin rajatut tutkijapiirit, että kaikki saadaan yhteistyöhön."

Hän haluaa lisätä poikkitieteellisyyttä ja saada tietoa muiltakin aloilta, esimerkiksi materiaalifysiikan puolelta. Siellä tutkitaan pintailmiöitä, jotka muodostuvat, kun molekyylejä on enemmän kuin yksi. Varsinkin vesimolekyyliä tutkitaan monesta syystä eri aloilla.

 

Miksi jotkut aineet muodostavat jääkiteitä?

"Jäänukleaatiosta tiedetään sen verran, että jotkut aineet ovat parempia jääytimiä kuin jotkut toiset, mutta ei tiedetä miksi. Esimerkiksi hopeajodidi ja eräät orgaaniset yhdisteet toimivat herkästi jääytiminä", Vehkamäki sanoo.

"Voi spekuloida, liittyykö aineen jäänukleaatiokyky kiderakenteen vastaavuuteen. Onko aineen kiderakenteen geometria tai koko sama kuin jääkiteellä? Vai toimivatko virheet kiteessä aktiivisina kohtina? Tätä on yritetty ymmärtää monella yksinkertaisella tavalla, siinä onnistumatta."

Kokeellisesti jäänukleaatiota voi tutkia koekammiossa, tiivistämällä vettä yhdessä määrättyjen hiukkasten kanssa ja mittaamalla, paljonko jääkiteitä syntyy. Vaihtoehtoisesti voi ilmasta kerätä jääkiteitä, haihduttaa veden pois ja analysoida, mitä muuta jääkiteissä oli. Tulos verrataan ilmanäytteeseen, missä on sekä jääkiteitä että kaikkia ilmassa olevia aerosolihiukkasia. Vertailusta näkee, mitkä hiukkaset toimivat jäänukleaatioytiminä ja mitkä eivät.

Muun muassa maasälpäpölyn on todettu olevan tärkeä jääkiteiden muodostaja luonnossa. Sitä esiintyy ilmakehässä yleisesti ympäri maapalloa, mutta eniten Saharan ja Aasian autiomaiden yläpuolella, josta se leviää tuulten mukana. Hyvin korkealla olevat pilvet päiväntasaajallakin ovat pääosin jääkidepilviä.

"Yritämme saada aikaan perusperiaatteiden mukaan toimivan mallin, jolla voisi ennustaa jotakin vielä mittaamatonta", Vehkamäki sanoo.

"Nelivuotisessa projektissa pyrimme saamaan aikaan ensimmäiset satsit tuloksia, missä jonkin tietyn aineen jäänmuodostus on mallinnettu ja aineella on tehty kokeita, jotta ymmärrämme teorian ja kokeiden yhteyden. Haluamme luoda tieteidenvälistä yhteistyötä ja kanavia toimintaan. Se on motivoiva tie jatkaa mallinnusta ja kokeiden tekemistä."

Teksti ja henkilökuva: Harriet Öster
Maisemakuva: Anita Westerback

Viimeksi muokattu 2.11.2015
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »