Ilmansaasteita sisältävän ilmakerroksen korkeutta määritelty

Valtaosa ihmiskunnan tuottamista saasteista pääsee ilmakehän alimpaan kerrokseen, rajakerrokseen. Tämän kerroksen paksuus määrittelee sen tilavuuden, jossa saasteet pääsevät sekoittumaan, ja siten myös osaltaan määrittelee ilmakehän saastepitoisuutta.

Ilmatieteen laitoksen tutkimuksessa käytettiin Vaisala Oyj:n kehittämää ceilometria, jota on alun perin käytetty pilvenkorkeuden mittaamiseen. Ceilometri lähettää pystysuoraan ylöspäin laserpulssin, joka heijastuu ilmakehän sisältämistä pienistä hiukkasista takaisin laitteen vastaanottajaan. Jos hiukkaset ovat maanpinnalta peräisin olevia saastehiukkasia, voidaan olettaa rajakerroksen korkeuden olevan sama kuin ceilometrilla mitatun voimakkaan takaisinsirontakaiun korkeuden.

Tutkimuksessa analysoitiin takaisinsirontaprofiileja korkeuden funktiona. Rajakerroksesta vapaaseen ilmakehään siirryttäessä takaisinsironta heikkenee voimakkaasti lyhyellä matkalla. Aivan suoraviivaista ei mittaustulosten tulkinta kuitenkaan ole, vaan mittalaitteen kohina, ilmakehän muuttuvat ominaisuudet ja pilvipisarat vaikeuttavat mitattujen takaisinsirontaprofiilien tulkintaa. Työn tärkein tavoite olikin automaattisen mittausmenetelmän kehittäminen. Kehitetyssä menetelmässä kolmiportainen todennäköisyysjakauma sovitetaan alkuperäiseen takaisinsirontaprofiiliin.

Matala rajakerros voi johtaa huonoon ilmanlaatuun

Matala rajakerros, jossa sekoittumista tapahtuu vain vähän, voi johtaa heikenneeseen ilmanlaatuun. Syvässä, hyvin sekoittuneessa rajakerroksessa ilmansaasteet puolestaan pääsevät hyvin sekoittumaan puhtaaseen ilmaan ja kulkeutumaan kauemmas päästölähteistä.

Ilmatieteen laitoksen kehittämää menetelmää testattiin Helsinki Testbed -hankkeessa tammikuun 2006 ja maaliskuun 2007 välillä kerätyllä aineistolla. Ceilometrin avulla määritettyjä sekoituskerroksen korkeuksia verrattiin samanaikaisesti luotausprofiilien perusteella arvioituihin sekoituskerroksen korkeuksiin. Pilvettömissä tilanteissa uusi automaattinen menetelmä osoittautui menestyksekkääksi – korrelaatiokerroin näiden kahden menetelmän välillä on 91 %. Hankkeen seuraava askel onkin menetelmämme testaaminen erilaisissa olosuhteissa ja mittausmenetelmän sisällyttäminen ilmanlaatua ennustavaan malliin.

Rajakerroksen yläpuolisessa ilmakehässä, nk. vapaassa ilmakehässä, olosuhteet määräytyvät laaja-alaisten sääilmiöiden liikkeen perusteella mutta rajakerroksessa ilmahiukkasten liike johtuu pääasiassa turbulenssista. Rajakerros on suoraan vaikutuksessa maanpinnan kanssa ja sen ominaisuudet riippuvat voimakkaasti vuorokaudenajasta, sääolosuhteita sekä maanpinnan ominaisuuksista. Tyypillisesti rajakerroksen korkeus vaihtelee muutamista kymmenistä metreistä aina 2-3 km paksuun kerrokseen.

Vaikka rajakerroksen ominaisuudet tunnetaankin hyvin ei sen korkeuden määrittämiseksi ole olemassa yksinkertaista mutta tarkkaa menetelmää. Rajakerroksen korkeuden määrittämiseksi onkin olemassa useita menetelmiä sekä laskentakaavoja, mutta ne voivat tuottaa hyvinkin erilaisia tuloksia.

Tutkimusta rahoittivat European Research Council, Tekes, Vaisala Oy sekä EU:n 7. t&k-puite ohjelma.

Lisätietoja:

Tutkija Jari Härkönen, jari.harkonen@fmi.fiTutkimusprofessori Sylvain Joffre, sylvain.joffre@fmi.fi

Eresmaa N.E., J. Härkönen, S. M. Joffre, D.M. Schultz, A. Karppinen and J. Kukkonen, 2012: A three-step method for estimating the mixing height using ceilometer data from the Helsinki Testbed. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 51, 12, 2172-2187.