Joka päivä yli 10 000 ihmistä kuolee ilmakehän ilmansaasteisiin. Halkaisijaltaan alle 2,5 mikrometrin kokoisten ilmakehässä esiintyvien hiukkasten suurimittaista kertymistä on pidetty suurimpana uhkana ihmisten terveydelle: mitä suurempi massa ja mitä heikompi näkyvyys, sitä suurempi uhka.

Vasta tuoreimmissa tutkimuksissa on kiinnitetty enemmän huomiota halkaisijaltaan alle 100 nanometrin pienhiukkasiin, sillä niiden paino ja pinta-ala ovat verrattain mitättömät. Ei ole ollut varmaa, voivatko tällaiset hiukkaset kasvaa niin suuriksi, että ne alkavat vaikuttaa näkyvyyteen ja ihmisten terveyteen.

Helsingin yliopiston Ilmakehätieteiden keskuksen tutkijat ovat yhdessä kiinalaisten yhteistyökumppaneidensa kanssa havainneet, että jos suurimpien hiukkasten kertymiseen halutaan ratkaisu, on aloitettava pienimmistä hiukkasista.

– Huomasimme, että pienimpien hiukkasten vaikutus on kaikkein suurin, kertoo akateemikko Markku Kulmala Ilmakehätieteiden keskuksesta (INAR).

Kahden vastikään valmistuneen tutkimuksen tulokset julkaistiin Faraday Discussions- ja Nature NPJ climate and atmospheric science -tiedelehdissä.

Mikä saa hiukkaset pysymään koossa ja kasvamaan tietyn kokoisiksi?

Kun ilmakehässä on tarpeeksi hiukkasten muodostumiselle vaadittavia höyryjä ja kun olosuhteet ovat suotuisat, ilmaan ilmestyy yhtäkkiä halkaisijaltaan noin yhden nanometrin kokoisia hiukkasia. Tätä ilmakehässä tapahtuvaa uusien pienhiukkasten muodostumista havaitaan monissa eri ympäristöissä ympäri maailmaa. Ilmiö tunnetaan kaasu-hiukkasmuuntumana.

– Hiukkasia on satoja tuhansia yhtä kuutiosenttimetriä kohden etenkin suurkaupungeissa, joissa yhdistyvät kasvava väkiluku ja saasteiden lisääntyminen, kertoo Lubna Dada Ilmakehätieteiden keskuksesta.

Onko näillä kaikkein pienimmillä hiukkasilla vaikutusta saastesumun muodostumiseen, näkyvyyteen ja ilmansaasteisiin? Tutkijat ottivat tämän pitkäaikaisen kiistakapulan käsittelyyn. Kahdessa rinnakkaistutkimuksessa tutkittiin Pekingin keskustan saastesumua uusimpien huippututkimusvälineiden avulla.

Ensimmäisessä tutkimuksessa tarkkailtiin juuri muodostuneiden, arviolta yhden nanometrin kokoisten hiukkasten kasvua ja kemiallista koostumusta. Kasvua seurattiin niin kauan, että niiden koko alkoi vaikuttaa hiukkasmassan kertymiseen. Näin selvitettiin hiukkasten muodostumisen syitä sekä sitä, miksi ne pysyvät koossa ja kasvavat kertymisen kannalta riittävän suuriksi.

Toisessa tutkimuksessa tutkijat arvioivat maan tasolla sijaitsevien lähteiden osuutta saastesumun muodostumiseen ja kertymiseen. Mittauksia tehtiin katutasolla ja 260 metriä sen yläpuolella.

Pienimmälläkin on merkitystä

Tutkimustulosten perusteella Pekingin ja muiden suurkaupunkien pienimmät hiukkaset muodostuvat kaasuolomuotoisesta rikkihaposta sekä ammoniakista tai amiineista, joita esiintyy kaikkialla. Samoin kaikkialla kaupungeissa esiintyy orgaanisia yhdisteitä ja nitraattia, joiden tiivistyminen saa hiukkaset kasvamaan.

Suorat hiukkaspäästöt liikenteestä ja muusta ihmislähtöisestä toiminnasta kyllä lisäävät saastesumun muodostumista, mutta yhtä merkittäviä tekijöitä ovat uusien hiukkasten muodostuminen ja kasvu.

Ilmansaasteiden aiheuttamien ongelmien lievittämiseksi ja saastesumun vähentämiseksi tutkijat ehdottavat, että huomio kiinnitettäisiin kaikkein pienimpiin hiukkasiin ja höyryihin.

– On ratkaisevan tärkeää hallita hiukkasten muodostumiseen ja kasvuun vaadittavia höyryjä, Dada toteaa.

Kupla estää laimentumisen

Tutkimuksissa havaittiin myös, että uusien hiukkasten muodostuminen on alueellinen, yli 100 kilometrin alueen kattava ilmiö. Toisaalta ilmiön voimistuminen ja hiukkasten kasvu saastesumun kertymisen kannalta riittävän suureksi on pikemminkin paikallista.

Maan tasolla lisääntyneet saasteet sekä korkeat rakennukset ja muut kiihtyvän kaupungistumisen ilmentymät muodostavat yhdessä eräänlaisen kuplan, joka eristää kaupungin ylemmästä ilmakehästä.

Mitä enemmän saasteita kuplan sisälle jää, sitä vakaammaksi kupla muuttuu, jolloin saasteet eivät pääse laimentumaan ylemmäs ilmakehään, vaan keskittyvät ihmisten asuttamaan kaupunkiin. Ilmiö on luonteeltaan itseään voimistava: saasteiden lisääntyminen edistää niiden jäämistä kuplaan. Se puolestaan pahentaa maan tasolla olevaa saastesumua entisestään.

– Toisin sanoen liikenteestä, teollisuudesta ja muusta ihmisen toiminnasta suoraan lähtöisin olevien hiukkasten lisäksi on hillittävä myös vastaavista päästölähteistä peräisin olevia höyryjä, jotka kykenevät muodostamaan siemenhiukkasia omin voimin tai kasvattamaan ilmakehässä jo esiintyviä hiukkasia. Ison ongelman ratkaiseminen alkaa pienestä, Dada tiivistää.

Julkaisut:

Kulmala et al. (2021) Is reducing new particle formation a plausible solution to mitigate particulate air pollution in Beijing and other Chinese megacities? Faraday Discussions.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/FD/D0FD00078G#!divAbstract

Du and Dada et al. (2021) A 3D study on the amplification of regional haze and particle growth by local emissions. Nature NPJ climate and atmospheric science.
https://www.nature.com/articles/s41612-020-00156-5

Lisätietoja:

Markku Kulmala
Akateemikko, professori, Helsingin yliopisto
Ilmakehätieteiden keskus (INAR)
markku.kulmala@helsinki.fi
040 596 2311
Twitter: @MarkkuKulmala1

Lubna Dada
Tohtori, tutkijatohtori, Helsingin yliopisto
Ilmakehätieteiden keskus (INAR)
lubna.dada@helsinki.fi
050 448 8568
Twitter: @Dadalubna

Wei Du
Tohtori, tutkijatohtori, Helsingin yliopisto
Ilmakehätieteiden keskus (INAR)
wei.du@helsinki.fi