Aerosolihiukkaset vaikuttavat sekä ihmisten terveyteen että ilmastoon. Erityisesti ylempänä ilmakehässä (troposfäärin yläosissa n. 10 km korkeudella) hiukkasten vaikutus ilmastoon on merkittävä, sillä ne toimivat pilvipisaroiden ja jääkristallien ytiminä, ja näin osallistuvat pilvien muodostamiseen. Aiemmin uskottiin, että hiukkasia muodostuu ylätroposfäärissä pääasiassa rikkihaposta ja vedestä. Uusi tutkimus kuitenkin osoittaa, että kylmissä lämpötiloissa typpihappo, rikkihappo ja ammoniakki voivat muodostaa hiukkasia yhdessä.

– Tämä mekanismi tuottaa hiukkasia jopa 10–1000 kertaa nopeammin kuin rikkihappo ja vesi. Troposfäärin yläosassa muita hiukkaslähteitä on vähän, joten uudella mekanismilla voi olla suuri merkitys hiukkaspitoisuuteen, sanoo apulaisprofessori Katrianne Lehtipalo Helsingin Yliopiston Ilmakehätieteen keskuksesta sekä Ilmatieteen laitokselta.

Aiemmin ei uskottu typpihapon vaikuttavan merkittävästi aerosolihiukkasten muodostumiseen, vaikka typpiyhdisteitä esiintyykin yleisesti isommissa hiukkasissa. Saman ryhmän aiemmassa tutkimuksessa kuitenkin osoitetaan, että kylmässä ilmassa typpihappo voi merkittävästi edistää hiukkasten kasvua, ja alle
-15 celsiusasteen lämpötiloissa jopa muodostaa hiukkasia yhdessä ammoniakin kanssa.

– Tämä on merkittävää, koska typpihappoa ja ammoniakkia on alailmakehässä jopa tuhat kertaa enemmän kuin rikkihappoa, sanoo Lehtipalo.

Typpihappoa syntyy myös ylempänä ilmakehässä salamoinnin seurauksena, kun taas pääosin maataloudesta peräisin olevaa ammoniakkia kulkeutuu sinne ajoittain ilmakehän alemmista kerroksista. Ammoniakin määrä ylätroposfäärissä tunnetaan kuitenkin vielä huonosti.

Tuoreessa tutkimuksessa pystyttiin vahvistamaan mekanismi, jolla rikkihappo, typpihappo ja ammoniakki osallistuvat yhdessä hiukkasmuodostukseen aivan molekyylitasolta saakka. Lisäksi voitiin osoittaa, että näin syntyneet hiukkaset ovat tehokkaita jäänukleaatioytimiä. Mallinnusten avulla arvioitiin, että mekanismi lisää troposfäärin yläosien hiukkaspitoisuutta erityisesti Aasian monsuunialueilla, jossa ammoniakkia pääsee konvektion seurauksena nousemaan ylemmäksi. Syntyneet hiukkaset voivat kuitenkin kulkeutua ilmakehässä pitkiäkin matkoja, vaikuttaen hiukkaspitoisuuteen laajalla alueella.

Tutkimus tehtiin simuloimalla ylemmän troposfäärin olosuhteita laboratoriossa. Euroopan Hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä sijaitsevassa CLOUD-kammiossa on mahdollista tutkia aerosolihiukkasten muodostumista ja kasvua ennennäkemättömällä tarkkuudella. Kammio voidaan jäähdyttää alle -50°C lämpötiloihin ja protonisynkrotronin avulla voidaan simuloida kosmista säteilyä ilmakehän eri kerroksissa. Suomesta tutkimuksessa olivat mukana Helsingin Yliopiston Ilmakehätieteen keskus INAR ja Fysiikan tutkimuslaitos HIP, sekä Ilmatieteen laitos.