Aerosol particles are everywhere in the atmosphere. They are a key factor in many important processes in the atmosphere, including cloud formation, scattering of incoming solar radiation and air chemistry. The aerosol particles have relatively short lifetimes in lower atmosphere, typically from days to weeks, and thus they have a high spatial and temporal variability. This thesis concentrates on the extent and reasons of sub-micron aerosol particle variability in the lower atmosphere, using both global atmospheric models and analysis of observational data.
Aerosol number size distributions in the lower atmosphere are affected strongly by the new particle formation. Perhaps more importantly, a strong influence new particle formation is also evident in the cloud condensation nuclei (CCN) concentrations, suggesting a major role of the sulphuric acid driven new particle formation in the climate system.
In this thesis, the sub-micron aerosol number size distributions in the European regional background air were characterized for the first time from consistent, homogenized and comparable datasets.
Some recent studies have suggested that differences in aerosol emissions between weekdays could also affect the weather via aerosol-cloud interactions. In this thesis, the weekday-to-weekday variation of CCN sized aerosol number concentrations in Europe were found to be much smaller than expected from earlier studies, based on particle mass measurements. This result suggests that a lack of week-day variability in meteorology is not necessarily a sign of weak aerosol-cloud interactions.
An analysis of statistically significant trends in past decades of measured aerosol number concentrations from Europe, North America, Pacific islands and Antarctica generally show decreases in concentrations. The analysis of these changes show that a potential explanation for the decreasing trends is the general reduction of anthropogenic emissions, especially SO2, although a combination of several drivers for these changes in the number concentrations are likely.
The IPCC representative emission pathways prognose radical reductions of anthropogenic emissions in the next decades, especially of sulphur dioxide, that will most likely cause strong reduction in the present-day cooling effect of the atmospheric aerosols. The model simulations of this thesis show that effect will cause strong additional positive forcing on the atmosphere, possibly causing further increase in the near-surface mean temperatures. The effect was further magnified when new particle formation in atmosphere was also considered in the model calculations. Strong reductions in primary aerosol emissions and especially secondary aerosol precursors should be thus considered with caution.Ilmakehässä on kaasujen ja höyryjen lisäksi erittäin pieniä hiukkasia. Nämä usein näkymättömän pienet aerosolihiukkaset ovat hyvin merkittäviä sekä terveys- että ilmastonäkökulmista. Hiukkaset voivat joko lämmittää ilmastoa absorboimalla valoa, tai viilentää ilmastoa sirottamalla auringon säteilyä tai muuttamalla pilvien ominaisuuksia.
Väitöskirjatyössä on tutkittu näiden aerosolihiukkasten lähteitä, vaihtelua ja pitoisuuksia, kartoittaen sekä nykytilannetta että lähimenneisyyttä. Väitöskirjassa on myös arvioitu hiukkasten merkitystä ilmastojärjestelmälle ja arvioitu muutoksia ilmastossa, mikäli arviot tulevaisuuden ihmisperäisten ilmansaasteiden päästöjen kehityksestä pitävät paikkaansa. Välineinä on käytetty globaalia ilmastomallia, sekä pitkien mittausaikasarjojen analyysiä.
Tuloksina on ensimmäinen johdonmukaisesti rakennettu kokoelma Euroopan tausta-ilman aerosolihiukkasten lukumääräkokojakaumista ja -pitoisuuksista, sekä uusi arvio pilviin vaikuttavien aerosolihiukkasten viikoittaisesta vaihtelusta. Ilmastomallisimulaatiot osoittavat sen, että globaalit aerosolihiukkasten pitoisuudet ovat herkkiä ilmakehässä olevan rikkihapon määrälle kaasu-hiukkas muuntuman kautta. Koska rikkihappoa muodostuu ilmakehässä rikkidioksidista, tämä tekee aerosolihiukkaspitoisuudet myös herkäksi rikkidioksidin päästöille.
Väitöskirjassa osoitetaan, että pienhiukkasten pitoisuudet Euroopassa, Pohjois-Amerikassa ja Tyynellä valtamerellä ovat vähentyneet viimeisten vuosikymmenien aikana. Vaikka varmaa syytä vähentymiseen ei vielä tiedetä, nämä pienhiukkasten trendit ovat yhtäpitäviä samanaikaisten rikkidioksidin päästövähennyksien kanssa. Onkin syytä olettaa, että ilmankehän pienhiukkasten määrä, ja siten mahdollisesti myös niiden viilentävät ilmastovaikutukset, seuraavat monilla alueilla rikkidioksidin päästöjä, vaikkakin myös muilla pienhiukkasten lähteillä on toki merkittäviä vaikutuksia hiukkasten pitoisuuksiin.
Kansainvälinen ilmastopaneelin käyttämien arvioiden mukaan rikkidioksidin ihmisperäiset päästöt vähentyvät lähes esiteolliselle tasolle seuraavan sadan vuoden aikana. Väitöskirjassa tehtyjen ilmastosimulaatioissa myös pienhiukkasten ilmastoa viilentävät vaikutukset tällöin vähentyvät merkittävästi. Onkin vaarana, että ilmaston lämpeneminen voi siten olla jopa arvioitua voimakkaampaa tulevaisuudessa. Erilaisten ilmakehän epäpuhtauksien, erityisesti rikin, vähentämisestä sovittaessa olisikin tarpeen pyrkiä selvittää myös tällaiset epäsuorat haitalliset ilmastovaikutukset
