Pölyhiukkasten muoto voi tuntua mitättömältä asialta, mutta sillä on suuri vaikutus esimerkiksi ilmastomallien oikeellisuuteen.

 

Osku Kemppinen tutki väitöskirjatyössään Aalto-yliopistossa laskennallisten muotomallien avulla pölyhiukkasten yksityiskohtien kuten pinnan karheuden ja sisäisen rakenteen vaikutusta valon sirontaan, sekä näiden yksityiskohtien huomioimista yksinkertaistuksilla. Työssä tutkittiin myös kuinka hyvin pölyhiukkasten materiaalikoostumusta voi määrittää sirontamittauksista käyttäen yksinkertaistettuja muotomalleja.

Tulokset osoittavat, että pinnan karheudella sekä tietyillä sisäisillä rakenteilla, kuten rautaoksidikimpaleilla ja ilmakuplilla, on selvä vaikutus sirontaominaisuuksiin. Erityisesti lidar-mittauksiin liittyvät suureet muuttuivat kymmeniä prosentteja näiden rakenteiden johdosta.

Lisäksi tulevaisuudessa yleistyvät polarisaatiomittaukset ovat herkkiä pölyhiukkasten muodon ja rakenteen yksityiskohdille. Työssä näytettiin myös, että yleisimmät materiaalikeskiarvoistusmenetelmät eivät kykene toistamaan sisäisiä rakenteita sisältävien hiukkasten sirontaominaisuuksia. Työn keskeinen sanoma onkin, että sironnan mallintamisen alalla olisi syytä jatkaa muotomallien kehittämistä, sillä nykyiset mallit ovat ongelmallisia.

Työn toisessa osassa osoitettiin, että materiaalikoostumuksen määrittäminen mittauksista suoraviivaisesti käyttäen yksinkertaisia muotomalleja johtaa suuriin virheisiin. Nämä virheet kertautuvat, kun virheellisiä materiaalikoostumuksia käytetään mallintamaan auringon säteilyn käyttäytymistä ilmakehässä. Virheet säteilymäärissä olivat kymmeniä prosentteja verrattuna oikeilla materiaalikoostumuksilla laskettuihin arvoihin.

Tieteellisten tulosten lisäksi väitöstyössä tuotettiin tiedeyhteisöä hyödyttäviä työkaluja. Tilavuuselementeiksi diskretoitujen mallihiukkasten pinnan karhentamiseen kehitetty menetelmä soveltuu lähes mielivaltaisen muotoisille hiukkasille, ja mahdollistaa tuotetun karheuden säätämisen hyvin vapaasti.

Lisäksi työssä kehitettiin menetelmä todenmukaisen muotoisten epähomogeenisten pölyhiukkasmuotojen luomiseen. Tämä mahdollistaa yksittäisten hiukkasten sironnan tutkimisen lisäksi myös hiukkaspopulaatioiden sironnan tutkimisen epäsäännöllisen muotoisilla hiukkasilla.