Pienhiukkaset vaikuttavat ilmastoon
Pienhiukkaset ovat nestemäisiä tai kiinteitä ilman epäpuhtauksia. Pienhiukkasten kokonaisvaikutus ilmastoon on viilentävä, mikä osin kumoaa kasvihuonekaasujen aiheuttamaa lämpenemistä. Monet pienhiukkaset ovat haitallisia terveydelle.
Ilmastoa muuttavat hiukkaset ovat lähtöisin polttoprosesseista
Kaasujen ohella ilmakehässä, etenkin sen alaosissa, on vaihtelevia määriä nestemäisiä ja kiinteitä epäpuhtauksia eli aerosolihiukkasia. Tähän ryhmään lukeutuvat sekä ultrapienet hiukkaset (halkaisija alle 0,1 mikrometriä), pienhiukkaset (0,1 - 2,5 mikrometriä) että karkeat hiukkaset (2,5 - noin 100 mikrometriä), mutta yleiskielessä (sekä tässä artikkelissa) näitä kaikkia kutsutaan pienhiukkasiksi. Pienen kokonsa vuoksi nämä hiukkaset ovat yksittäisinä hiukkasina liian pieniä silmin havaittaviksi, mutta suurina pitoisuuksina ne ovat aistittavissa esimerkiksi monissa suurkaupungeissa ajoittain esiintyvänä savusumuna (kuva 1).
Pienhiukkasia on ilmakehässä sekä luonnostaan että ihmisen toiminnan seurauksena, ja molemmat hiukkastyypit vaikuttavat ilmastoon. Ilmastonmuutoksen yhteydessä pienhiukkasten määrää ja ominaisuuksien muuttumista verrataan esiteolliseen ilmastoon. Ilmastonmuutoksen kannalta tärkeimpiä pienhiukkasia ovat sulfaattiaerosolit ja hiilipohjaiset aerosolit.
Sulfaattihiukkasia muodostuu, kun rikkipitoisten aineiden palaessa syntyvä rikkidioksidi reagoi ilmakehässä muodostaen rikkihappoa. Rikkihappo reagoi edelleen esimerkiksi kaasumaisen ammoniakin ja ilman vesihöyryn kanssa muodostaen nestemäisiä tai kiinteitä hiukkasia. Rikkiä on runsaasti muun muassa kivihiilessä ja raskaassa polttoöljyssä. Hiiltä sisältäviä hiukkasia taas syntyy kaikissa polttoprosesseissa sekä eräiden orgaanisten yhdisteiden reagoidessa ilmakehässä.
Kuva 1. Savusumua Pekingissä. Kuva: Niku Kivekäs.
Useimmat pienhiukkaset viilentävät ilmastoa sirottamalla auringonsäteilyä
Ilmakehän pienhiukkaset vaikuttavat maapallon säteilytasapainoon monin tavoin joko suoraan tai välivaiheiden kautta epäsuorasti. Käytännössä kaikki pienhiukkaset samentavat ilmakehää sirottamalla auringon säteilyä. Siroaminen vähentää maanpinnalle tulevan auringonsäteilyn määrää, koska osa sironneesta säteilystä päätyy takaisin avaruuteen ilman että se lämmittää maapalloa. Näin hiukkaset suoraan viilentävät maanpintaa.
Ilmakehän noki- ja pölyhiukkaset taas imevät itseensä osan auringon säteilystä lämmittäen niitä ilmakerroksia, joissa kyseisiä hiukkasia on runsaasti. Hyvin suurina pitoisuuksina tällaiset hiukkaset voivat vaikuttaa ilman virtausliikkeisiin ja veden kiertokulkuun. Lumen tai jään pinnalle laskeutuneet nokihiukkaset imevät tehokkaasti auringon säteilyä ja kiihdyttävät lumen sulamista edistäen siten ilmaston lämpenemistä varsinkin pohjoisilla leveysasteilla. Kaiken kaikkiaan pienhiukkasten vaikutus ilmastoon on kuitenkin jäähdyttävä eli niiden tuottama kokonaissäteilypakote on negatiivinen.
Pienhiukkaset vaikuttavat ilmastoon myös pilvien kautta
Pienhiukkasten epäsuorat vaikutukset välittyvät erityisesti pilvien kautta. Pilvien synty ilmakehässä perustuu aerosolihiukkasten olemassaoloon, sillä jokainen pilvessä oleva vesipisara vaatii muodostuakseen hiukkasmaisen tiivistymisytimen. Parhaita pilvipisaroiden tiivistymisytimiä ovat sulfaatteja tai vesiliukoisia orgaanisia yhdisteitä sisältävät hiukkaset sekä merisuolahiukkaset. Pienhiukkasten toimiminen pilvipisaroiden tiivistymisytiminä saa aikaan sen, että pilvipisaroiden lukumäärä on sitä suurempi, mitä enemmän ilmassa on pienhiukkasia. Koska ilmassa on kuitenkin vain rajallinen määrä vesihöyryä tilavuusyksikköä kohden, jäävät pisarat vastaavasti sitä pienemmiksi, mitä enemmän niitä on.
Pilvipisaroiden runsaudella saastuneen ilman pilvissä on kaksi tärkeää vaikutusta. Ensinnäkin paljon, mutta pieniä pisaroita sisältävä pilvi heijastaa suuremman osuuden siihen osuvasta auringonsäteilystä takaisin avaruuteen (kuva 2). Toiseksi tällaisessa pilvessä olevat pienet pisarat eivät kovin helposti kasva sadepisaroiksi, ja siten pilven elinikä pitenee. Molemmat ilmiöt lisäävät auringonsäteilyn heijastumista takaisin avaruuteen ja pyrkivät siten viilentämään ilmastoa.
Kuva 2. Auringon säteilyn kulku puhtaan ja saastuneen ilman pilvessä.
Maailmanlaajuisesti ilmakehän pienhiukkaset siis viilentävät maapalloa ja toimivat näin ilmastonmuutoksen jarrumiehinä. Hiukkasten vaikutusten todellista suuruutta on kuitenkin hyvin vaikea arvioida. Tämä johtuu ensinnäkin siitä, että pienhiukkasten ilmastoa jäähdyttävä vaikutus riippuu paitsi hiukkasten lukumäärästä myös niiden koosta ja kemiallisesta koostumuksesta. Nämä ominaisuudet vaihtelevat niin ajallisesti kuin paikallisestikin ilmakehän eri osissa, ja ovat vaikeasti ennustettavia. Toinen ongelma on, että luonnon ja ihmisten tuottamia pienhiukkasia ilmakehässä on hyvin vaikea erottaa toisistaan. Kolmas ja ehkä suurin epävarmuustekijä piilee siinä, ettei pienhiukkasten vuorovaikutusta pilvien kanssa ymmärretä vielä riittävän hyvin.
Ilmaston lämmetessä luonnon omat pienhiukkaset lisääntyvät vähän
Ilmaston muuttuminen voi vaikuttaa luonnollisten pienhiukkasten syntyyn monin tavoin. Esimerkiksi ilmaan joutuvien pöly- ja merisuolahiukkasten määrä lisääntyy siellä, missä tuulet voimistuvat. On varsin todennäköistä, että tuulten nopeudet muuttuvat ilmaston lämmetessä: tulevaisuudessa jollakin alueella tuulee nykyistä heikommin, toisella taas navakammin.
Jo 1980-luvulla alettiin epäillä, että tulevaisuudessa valtamertistä peräisin olevat rikkiyhdisteiden päästöt saattaisivat ilmaston lämmetessä kasvaa. Tämä lisäisi sulfaattihiukkasten määrää valtamerten yllä, mikä puolestaan jarruttaisi lämpenemistä. Kyseistä "ilmastotermostaattia" on tutkittu jo kahden vuosikymmenen ajan, eikä ilmiön voimakkuutta ole pystytty vielä täysin selvittämään.
Tämän vuosituhannen alussa huomattiin, että myös metsien tuottamien pienhiukkasten määrä todennäköisesti lisääntyy ilmaston lämmetessä. Valtameret ja metsät voivat siis pienhiukkasia tuottamalla toimia jonkinlaisina ilmastopuskureina, mutta ilmastonmuutoksen pysäyttäjiksi niistä tulevina vuosikymmeninä tuskin on.
Pienhiukkasten merkitys ilmaston viilentäjänä pienenee tulevaisuudessa
Useimpien kasvihuonekaasujen pitkästä eliniästä johtuen niiden pitoisuus ilmakehässä riippuu siitä, kuinka paljon niitä on yhteensä päästetty ilmakehään viimeisten vuosisatojen aikana. Lyhytikäisten pienhiukkasten pitoisuus sen sijaan riippuu siitä, kuinka paljon niitä kullakin hetkellä pääsee ilmakehään. Näyttää ilmeiseltä, että ihmisten tuottamien hiukkaspäästöjen määrä ei tulevaisuudessa enää ainakaan ratkaisevasti lisäänny nykyisestä. Tästä johtuen pienhiukkasten ilmastoa viilentävä vaikutus jää yhä enemmän lisääntyvien kasvihuonekaasujen aikaansaaman lämpenemisen varjoon.