Tutkimus, Yleinen 1.11.2019

Mustan hiilen mittaamiseksi kehitetään yhtenäistä tapaa

Musta hiili eli noki on synnyttänyt kiinnostusta samalla, kun ilmastonmuutoksesta on ryhdytty puhumaan laajemmin. Ilmatieteen laitokselle mustan hiilen tutkiminen ei ole uutuus: laitoksen tutkijoilla on jopa 30 vuoden kokemus mustan hiilen mittaamisesta sekä mustan hiilen ilmanlaatu- ja ilmastovaikutuksien tutkimisesta. Osaaminen on maailmankin mittakaavassa ainutlaatuista.

Mustaa hiiltä sisältävät ilman pienhiukkaset syntyvät epätäydellisen palamisen tuloksena, esimerkiksi kun diesel, kaasu tai kotitalouksien polttama puu palavat huonosti. Mustan hiilen elinikä ilmakehässä on muutamasta päivästä muutamaan viikkoon. Mustan hiilen ilmanlaatu- ja terveysvaikutukset ovat siten paikallisia ja hetkellisiä, toisin kuin kasvihuonekaasujen, jotka leviävät maapallon laajuisesti.

”Mustaa hiiltä voi mitata suoraan päästölähteistä, kuten autojen pakoputkista tai tehtaiden savupiipuista, jolloin saadaan tietoa kunkin lähteen päästöistä. Toisaalta mustaa hiiltä voi mitata ilmasta tai lumesta, jolloin se kertoo kyseisen alueen mustan hiilen päästölähteistä”, kertoo Ilmatieteen laitoksen erikoistutkija Hilkka Timonen.

Mustan hiilen päästöjä syntyy esimerkiksi liikenteessä ajoneuvojen moottoreista. Kuva: Antonin Halas / Studio Halas

Ilmatieteen laitos on osallistunut projekteihin, jossa mustan hiilen mittauksia on tehty eri päästölähteistä, esimerkiksi voimalaitoksista, laivoista ja autoista. Lisäksi ilmatieteen laitos mittaa mustan hiilen ilmapitoisuuksia erilaisilla alueilla: niin tiheään asutuissa kaupungeissa kuin arktisella alueella.

Kaupunkimittauksissa pitoisuuksia kartoitetaan asukkaiden hengittämästä ulkoilmasta, voimalaitosten läheisyydestä tai kulkuneuvojen pakokaasuista. Puhtailla tausta-alueilla puolestaan mitataan pääasiassa mustan hiilen kaukokulkeumaa sekä ilmasta että lumesta.

Vaikutuksia ilmastoon, ilmanlaatuun ja terveyteen

Musta hiili poikkeaa muista pienhiukkasista, sillä tyypillisesti pienhiukkaset viilentävät ilmastoa. Musta hiili kuitenkin lämmittää sitä. Jos musta hiili poistettaisiin ilmakehästä, maapallon ilmasto viilenisi nopeasti. Tämä ei kuitenkaan ole realistista.

”Vaikka esimerkiksi dieselkäyttöisten ajoneuvojen päästöjä pystytään vähentämään teknologian avulla merkittävästi, kaikkia mustan hiilen päästöjä ei saada vähennettyä yhtä helposti. Tällaisia ovat esimerkiksi puun pienpolton aiheuttamat päästöt”, kertoo Ilmatieteen laitoksen erikoistutkija Eija Asmi.

Mustan hiilen päästöjä halutaan kuitenkin vähentää tulevaisuudessa, sillä mustalla hiilellä on haitallisia vaikutuksia ilmaston lisäksi ilmanlaatuun ja terveyteen.

Suomen mustan hiilen päästöt ovat alle prosentin suurten Aasian maiden, kuten Kiinan ja Intian, päästöistä. Suomen arktinen sijainti on kuitenkin päästöjen ilmastovaikutusten kannalta ratkaiseva.

”Suomen mustan hiilen päästöt ovat ongelma etenkin talvisaikaan, jolloin osa nokihiukkasista laskeutuu lähialueiden lumi- ja jääpinnoille ja aiheuttaa ennenaikaista lumen sulamista. Se aiheuttaa myös muutoksia maanpinnan kykyyn heijastaa auringonsäteilyä. Tätä kutsutaan albedoefektiksi”, Eija Asmi kertoo.

Reilu puolet noen kokonaispäästöistä syntyy Suomessa puun pienpoltosta. Päästöjen taittamisessa korostuvat siten puun oikeat polttotavat – etenkin taajamissa, joissa myös ilmanlaatu voi paikallisesti heikentyä puunpolton seurauksena. Toinen puolikas mustan hiilen päästöistä syntyy Suomessa liikenteestä, työkoneista ja teollisuudesta.

Kotitaloudet voivat vähentää mustan hiilen päästöjä polttamalla tulisijoissa puuta oikein. Kuva: Eija Vallinheimo

Tavoitteena yhtenäinen mittaustapa

Mustan hiilen mittaamiseen ei ole vielä standardisoitua menetelmää. Ilmakehästä sitä mitataan useimmiten osana aerosolin kokonaishiukkasmassaa tekniikalla, joka perustuu mustan hiilen valoa imevään ominaisuuteen. Toisaalta mustaa hiiltä voidaan mitata myös termisillä, akustisilla sekä hiukkasten kokoon perustuvilla menetelmillä.

Menetelmien yhtenäistämistä, mittausten jäljitettävyyttä ja mustan hiilen standardia kehitetään eurooppalaisrahoitteisessa hankkeessa, jossa Ilmatieteen laitos on mukana.

Uusin Ilmatieteen laitoksella käytössä oleva tekniikka pystyy erottamaan mustan hiilen osuuden myös yksittäisistä ilmakehän hiukkasista. Lisäksi mustan hiilen määrää tutkitaan luminäytteistä esimerkiksi OCEC-thermo-optisella menetelmällä sekä sirontaspektrin tai haihduttamistekniikan avulla.

”Ilman yhtenevää mittaustapaa päästörajoja ei käytännössä voida toteuttaa.”

”Lisähaasteen mustan hiilen mittaamiselle aiheuttaa se, että nykyiset mittausmenetelmät ovat epäsuoria. Mustan hiilen pitoisuus määritetään sen ominaisuuksien, kuten valon imemiskyvyn tai haihtumattomuuden, perusteella sovelluksesta riippuen”, selventää Hilkka Timonen.

Maailman terveysjärjestö WHO on määritellyt tavoitteen ulkoilman pienhiukkasten enimmäispitoisuudelle. Näin pyritään vähentämään niiden haitallisia vaikutuksia ilmanlaatuun ja terveyteen. Mustalle hiilelle ei ole määritelty vastaavia rajoja, vaikka niiden ilmasto- ja terveysvaikutukset on osoitettu tieteellisessä tutkimuksessa. Yksittäisille lähteille, kuten laivojen mustan hiilen pakokaasupäästöille, on kuitenkin suunnitteilla yhteisiä kansainvälisiä rajoja.

”Tämä on havaittu haastavaksi, koska mustan hiilen pitoisuuden määrittämiselle ei tällä hetkellä ole olemassa yhtenäistä mittauskäytäntöä, kuten kasvihuonekaasuille. Ilman yhtenevää mittaustapaa päästörajoja ei käytännössä voida toteuttaa”, toteaa Hilkka Timonen.

Suunnitteilla on kansainväliset raja-arvot esimerkiksi laivojen mustan hiilen pakokaasupäästöille. Yhtenäinen päästöjen mittauskäytäntö kuitenkin vielä uupuu. Kuva: Shuttersrtock

Kesällä 2019 käynnistyneessä BC Footprint -hankkeessa keskitytään mustan hiilen tutkimukseen ja luodaan uusi Black Carbon Footprint -konsepti. Se voisi toimia tulevaisuudessa yhtenäisenä mustan hiilen metriikkana useilla tieteen ja tekniikan aloilla.

”Tavoitteena on, että hankkeessa luotavaa mittauskäytäntöä ja konseptia voitaisiin hyödyntää mustan hiilen päästöjen, ilmakehäpitoisuuksien sekä ilmasto- ja terveysvaikutusten arvioinnissa”, Hikka Timonen kertoo.

Musta hiili on erityisen haitallista arktisella alueella

Musta hiili on erityisen tuhoisaa, kun se laskeutuu lumelle ja jäätiköille. Mustan hiilen peittämän lumen heijastavuus laskee, ja lumi sulaa nopeammin. Jopa neljännes arktisen alueen lämpenemisestä johtuu mustasta hiilestä.

Suurin osa arktisen alueen mustasta hiilestä on kulkeutunut sinne etelästä, varsinkin lähialueilta, kuten Suomesta. Arktisen alueen omilla päästöillä, kuten öljy- ja kaasukenttien soihdutuksella, laivaliikenteellä ja metsäpaloilla arvioidaan myös olevan merkittävä vaikutus mustan hiilen pitoisuuksiin.

Arktisen alueen ja lähialueiden päästöjä ja niiden vaikutuksia tutkitaan parhaillaan Suomen Akatemian rahoittamassa NABCEA-konsortiohankkeessa, jota johtaa Ilmatieteen laitos.

”Hankkeessa mustan hiilen mittauksia tehdään lumesta ja ilmasta. Mittauksia tehdään Suomen lisäksi arktisen Venäjän alueella”, Eija Asmi kertoo.

Mustan hiilen merkitystä arktiseen ilmastonmuutokseen arvioidaan myös Ilmatieteen laitoksen vetämässä IBA-projektissa, jota rahoittaa ulkoministeriö.

”Projekti kokoaa Arktisen neuvoston AMAP-työryhmän käyttöön mustan hiilen tutkimustuloksia ja osaajia erityisesti Suomesta, Islannista ja Venäjältä”, kertoo Ilmatieteen laitoksen vanhempi tutkija Outi Meinander.

”Kansainvälinen yhteistyö on merkittävässä osassa arktisen alueen tutkimuksessa.”

Myös mustan hiilen vaikutus lumen ja jään heijastavuuteen, eli albedoon, ja sulamiseen kuuluu olennaisesti projektin sisältöön. Vaikka musta hiili on ilmakehässä lyhytikäinen, lumessa se kertyy ja vaikuttaa pidempään albedo-takaisinkytkennän kautta. Mustan hiilen määrää arktisessa ympäristössä tutkitaan myös H2020 EU Interact-projektissa. Työ toteutetaan Islannissa, Färsaarilla ja Skotlannin ylämaalla.

Kansainvälinen yhteistyö on merkittävässä osassa arktisen alueen tutkimuksessa päästöjen kehittymisen ja vaikutusten seurannassa.

”Vuonna 2018 julkaistu laaja kuuden arktisen mittausaseman tuloksiin perustuva tutkimus osoitti, että mustan hiilen pitoisuuksissa on merkittäviä eroja myös alueen sisällä”, Eija Asmi kertoo.

Ilmatieteen laitoksen jatkuvat mustan hiilen mittaukset seuraavat pitoisuuksien kehitystä Euraasian puoleisella arktisella alueella.