Ilmakehän otsonipitoisuutta voidaan mitata yhä tarkemmin
Kirjoittaja: Harri Auvinen, Helsingin yliopisto ja Lappeenrannan teknillinen yliopisto
Artikkeli pdf-muodossa (Positio 2/2010)
Väitöstutkimuksen tuloksena maapallon otsonikerrosta voidaan mitata epäsuorilla satelliittimittauksilla.
Ilmakehän tutkimukselle on ensiarvoisen tärkeää, että ilmakehän koostumusta voidaan mitata mahdollisimman tarkasti ja kattavasti. Toisaalta ilmakehän mallinnukseen liittyvien epävarmuuksien tunteminen on merkittävässä roolissa laadittaessa pitkäkestoisia ennusteita ilmakehän tilasta. Otsoni (O3) on yksi ilmakehän tärkeimmistä komponenteista, sillä stratosfäärin otsoni suojaa ilmakehän elämää auringon haitalliselta ultravioletti (UV) -säteilyltä. Ultraviolettisäteily on aallonpituudeltaan näkyvää valoa lyhyempää elektromagneettista säteilyä, joka vahingoittaa DNA:ta. UV-säteily onkin elinympäristömme karsinogeeni.
Otsonikatoon ei ensin uskottu
Ensimmäiset empiiriset todisteet ilmakehän otsonin vähenemisestä dokumentoitiin 1980-luvulla, jolloin tiedemiehet löysivät Maasta tehdyin mittauksin suuren otsonikerroksen ohentuman Etelämantereen yltä. Otsonipitoisuuden muutos oli hyvin merkittävä, sillä stratosfäärin otsoni oli vähentynyt noin kolmanneksella verrattuna 1960-luvun keskimääräiseen pitoisuuteen.
Mittauksia pidettiin aluksi virheellisinä, mutta tulokset vahvistettiin vuonna 1985, jolloin löydettiin ensimmäinen otsoniaukko. Otsonikerroksen oheneminen näkyy selvimmin keväisin, jolloin ilmakehän stratosfäärissä on otsonia muutenkin vähiten. 2000-luvulla on löydetty otsoniaukko eli merkittävä ohentuma myös pohjoisen napa-alueen yläpuolelta.
Ilmakehän otsonipitoisuus ei luonnollisesti lisäänny mittaamalla, mutta mittaustulokset yhdessä otsonikemian ymmärtämisen kanssa vaikuttavat ihmiskunnan valintoihin ja poliittisiin päätöksiin.
Varsin nopeasti otsoniaukon löytymisen jälkeen vuonna 1987 hyväksyttiin kansainvälinen Montrealin sopimus, joka tähtää otsonikerroksen suojeluun. Sittemmin sopimusta on täydennetty neljä kertaa, viimeiseksi Pekingissä vuonna 1999. Montrealin sopimusta pidetään onnistuneena kansainvälisenä ympäristösopimuksena. Ilman tiedeyhteisön ponnisteluja ja kattavia mittauksia sopimus olisi jäänyt tekemättä.
Otsonilla on myös kytkös ilmastonmuutoksen tutkimukseen, sillä otsonipitoisuus vaikuttaa ilmakehän säteilytasoon, joka puolestaan vaikuttaa ilmakehän lämpötilaan sekä mm. kasvien, puiden ja planktoneiden elinolosuhteisiin. Ilmastonmuutoksen tutkimisessa juuri satelliittimittaukset ja luotettava ilmakehämallinnus ovat ratkaisevia.
Otsoni vaikuttaa auringon valon spektriin
Ilmatieteen laitos on osallistunut viime vuosikymmeninä aktiivisesti ilmakehän otsonin satelliittimittausprojekteihin. Otsonia mittaavia instrumentteja ovat esimerkiksi OSIRIS (Optical Spectrograph and Infrared Imaging System), joka laukaistiin ruotsalaisen Odin-satelliitin mukana maata kiertävälle radalle helmikuussa 2001, ja GOMOS (Global Ozone Monitorin System), joka laukaistiin Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Envisat-satelliitin mukana maaliskuussa 2002.
Nykyisin monet satelliitti-intrumentit mittaavat ilmakehän koostumusta jatkuvasti. Ilmakehän otsonipitoisuus voidaan analysoida varsin kattavasti käyttämällä satelliittimittauksia, jotka mittaavat auringon tai tähtien säteilyn kulkeutumisen ilmakehän eri kerrosten läpi. Mitattavat kaasut, kuten yläilmakehän otsoni, vaikuttavat auringon spektriin kullekin kaasulle ominaisella tavalla.
Matemaattisten inversio- eli käänteismenetelmien avulla ilmakehän eri korkeuksilta mitatuista spektreistä voidaan arvioida tutkittavien kaasujen pitoisuudet vastaavilta korkeuksilla ilmakehässä. Mittausmenetelmä on siis epäsuora, sillä mittaustekniikka perustuu valon spektrin mittaamiseen, johon ilmakehän otsonipitoisuus on osaltaan vaikuttanut.
Arkipäivän ”epäsuora mittaus” voisi olla esimerkiksi tuulen suunnan ja voimakkuuden arvioiminen puiden lehvistöjen liikkeitä seuraamalla. Kilpapurjehtija tekee saman sukuista arviointia jatkuvasti veden laineiden perusteella.
Satelliittimittaukset avuksi
Suoran ongelman ratkaisemista on mallintaa otsonitutkimuksessa satelliitti-instrumentin mittausvaste eli laitteen mittaama valon spektri, kun ilmakehän koostumus oletetaan tunnetuksi. Mikäli ilmakehän koostumus tunnettaisiin, voitaisiin siis ennustaa satelliittimittaukset. Käytännössä tilanne on päinvastainen. Käytettävissä on epäsuorat satelliittimittaukset, joiden perusteella ilmakehän koostumus tulisi analysoida.
Käänteis- eli inversio-ongelman ratkaisemista on päätellä ilmakehän paikallinen koostumus käyttämällä satelliittimittauksia sekä mallia valon sironnasta ja vaimentumisesta ilmakehässä. Matemaattisemmin ilmaistuna; inversio-ongelmaa ratkaistaessa sovitetaan mallinnetut mittaustulokset satelliitin todellisiin mittauksiin ilmakehän paikallisen koostumuksen funktiona.
Väitöskirjatyössä kehitettiin inversiomenetelmä, jolla kanadalaisen OSIRIS-instrumentin mittaustietoa analysoidaan operatiivisesti Ilmatieteen laitoksella. Menetelmää voidaan soveltaa myös niiden mittausten analysointiin, joita GOMOS tekee päivällä auringon valaistessa ilmakehää.
Pitoisuudet muuttuvat jatkuvasti
Ilmatieteen laitos seuraa ilmakehän otsonitilannetta maailmanlaajuisesti. Erityinen huomio on kiinnitetty Euroopan yläpuoliseen ilmakehän osaan. Mittaukset toistuvat yksittäisen paikan yllä päivittäin. Eri instrumenteista kerättävää tietoa kertyy jopa hieman useammin. Tämä onkin tärkeää, sillä ilmakehän otsonipitoisuuksissa tapahtuu nopeita muutoksia virtauksien vuoksi. Otsonilla on myös suuri vuorokausittainen vaihtelu, joka johtuu auringon valon vaikutuksesta otsonin kemiallisiin reaktioihin.
OSIRIS mittaa sironnutta ja vaimentunutta auringon valoa ilmakehän halki aallonpituuksilla 280?470 ja 530?800 nm. Lisäksi instrumentissa on kolme infrapunakanavaa, jotka on keskitetty aallonpituuksille 1260 nm, 1270 nm ja 1560 nm.
OSIRIS-intrumentin tekemistä mittauksista on esimerkiksi voitu todentaa Etelämantereen otsoniaukon sijainti jo heti ensimmäisen toimintavuoden aikana.
Vaikka satelliittimittaukset kattavat globaalisti koko ilmakehän, mittaukset toistuvat
tietyn paikan yllä verrattain harvoin suhteessa ilmakehässä tapahtuviin nopeisiin muutoksiin, jotka johtuvat virtauksista ja kemiallista reaktioista. Tämän ongelman motivoimana työssä kehitettiin edelleen assimilaatiomenetelmiä, jotka mahdollistavat satelliittimittauksien ja ilmakehämallien tarjoaman informaation yhdistämisen.
Assimilaatiomenetelmien avulla kahdesta tai useammasta eri lähteestä tuleva tieto yhdistetään, jolloin mallien ennustuskyky paranee ratkaisevasti. Kehitettyjä assimilaatiomenetelmiä voidaan soveltaa myös muilla tutkimusaloilla. Menetelmällä voisi olla käyttöä esimerkiksi ennustettaessa säätilan muutoksia.
Kirjoittaja työskentelee Helsingin yliopiston matematiikan ja tilastotietotieteen laitoksen sekä Lappeenrannan teknillisen yliopiston matematiikan ja fysiikan laitoksen tutkijatohtorina. Hänen sovelletun matematiikan alaan kuuluva väitöskirjansa ”Inversion and Assimilation Methods with Applications in Geophysical Remote Sensing” tarkastettiin Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa joulukuussa 2009. sähköposti: harri.auvinen[at]helsinki.fi.
31.5.2010 08:53