Uudenlainen mittalaite mahdollistaa aiempaa herkempiä mustan hiilen mittauksia

Valoa absorboivilla hiukkasilla, kuten mustalla hiilellä, on tärkeä rooli ilmastonmuutoksessa. Ne imevät valon säteilyä itseensä ja siten lämmittävät ympäristöä. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että uuden mittaustekniikan avulla voidaan mitata entistä tarkemmin säteilyn imeytymistä esimerkiksi ilmakehän hiukkasiin.

Kuva: Outi Meinander

Ilmatieteen laitos tutki yhdessä Helsingin yliopiston sekä Gasera Oy:n kanssa fotoakustiseen mittaustekniikkaan perustuvan mittalaitteen kykyä mitata hiukkasten valon absorptiota. Tutkimuksen tavoitteena oli määritellä mittalaitteen alin havainnointiraja, eli herkkyys, sekä todentaa sen soveltuvuus ulkoilmamittauksiin. Mittalaitteessa hyödynnettiin Gasera Oy:n kehittämää fotoakustista mittausmoduulia, joka on alun perin suunniteltu kaasumaisten yhdisteiden mittaamiseen.

Laboratoriomittauksissa mittalaitteella saavutettiin noin kymmenkertaisesti parempi herkkyys, kuin mitä muilla fotoakustiikkaan perustuvilla hiukkasmittalaitteilla on koskaan saavutettu. Lisäksi laitteen todettiin soveltuvan ulkoilmamittauksiin, kunhan hiukkasmaisten yhdisteiden mittaamiseen liittyvät erityisvaatimukset, kuten näytelinjahäviöt, otetaan huomioon.

Tutkimuksessa käytetyn mittalaitteen erottaa muista fotoakustisista mittalaitteista sen ilmaisin. Tyypillisessä fotoakustisessa mittalaitteessa valon absorptiosta johtuva hiukkasten lämpiäminen ja ympäröivän ilmanpaineen muutos havaitaan perinteisellä, kalvon venymiseen perustuvalla mikrofonilla. Tutkimuksessa käytetyssä mittalaitteessa ilmanpaineen muutos havaitaan kalvomikrofonin sijaan piistä valmistetulla läpällä, jonka taipumista mitataan interferometrillä. Tämä mahdollistaa aiempaa herkemmän mittauksen.

Testatun mittalaitteen poikkeuksellisen alhainen havainnointiraja avaa useita uusia tutkimuskohteita. Mustan hiilen mittaukset erittäin puhtaissa ympäristöissä, kuten Etelämantereella, voidaan toteuttaa aiempaa paremmalla tarkkuudella. Lisäksi mustan hiilen hiukkaskoosta riippuvaisia valon absorption ilmiöitä voidaan tutkia aiempaa yksityiskohtaisemmin.

Tutkimusta jatketaan Jane ja Aatos Erkon säätiön myöntämällä kaksivuotisella rahoituksella.

Lisätietoja:

Tutkija Joel Kuula, Ilmatieteen laitos, joel.kuula@fmi.fi

Karhu J., Kuula J., Virkkula A., Timonen H., Vainio M. & Hieta T. (2021) Cantilever-enhanced photoacoustic measurement of light-absorbing aerosols, Aerosol Science and Technology, DOI: 10.1080/02786826.2021.1998338

Tieteellinen artikkeli saatavilla täällä

TiedeuutinenMusta hiiliIlmastonmuutos