Al Natsheh Anas (M.Sc.) 17.6.2006

Luonnontieteiden ja ympäristötieteiden tiedekunta

Ympäristötieteet

Quantum Mechanics Study of Molecular Clusters Composed of Atmospheric Nucleation Precursors (Ilmakehän epäpuhtauksien aiheuttamien molekyyliklustereiden muodostumisen tutkiminen kvanttimekaanisilla malleilla)

Vastaväittäjä: Professori Kenneth Ruud, Tromssan yliopisto, Norja
Kustos: Professori Juhani Ruuskanen, Kuopion yliopisto


Väitöskirjan tiivistelmä:


Ilmakehän epäpuhtauksien aiheuttamien molekyyliklustereiden muodostuminen

Energiantuotannon kaasumaisista päästöistä ilmakehässä muodostuvat hiukkaset ovat merkittäviä monissa ilmakehän prosesseissa, joilla on suora yhteys kasvihuoneilmiöön ja hiukkasmuodostumiseen stratosfäärissä, mikä puolestaan vaikuttaa UV-säteilyn lisääntymiseen maan pinnalla. Ilmakehän hiukkasten muodostumisprosessien tietämys ja ymmärtäminen on erittäin tärkeää, jotta niiden vaikutusta ilmaston lämpenemiseen ja otsonikatoon voidaan tarkastella kvantitatiivisesti erilaisten ympäristövaikutusten arviointien kannalta.

Huolimatta intensiivisestä tutkimuksesta hiukkasten muodostumismekanismit ilmakehässä ovat osittain vielä selvittämättömiä. Äskettäin on havaittu, että kaasumolekyylien ja niistä muodostuneiden molekyyliklustereiden välisten vuorovaikutusten huomiotta jättäminen tai mallinnus perinteisillä menetelmillä muodostavat merkittävän virhelähteen mallilaskelmissa. Pienten, muutaman molekyylin kokoisten molekyyliklustereiden muodostamisen tarkkaa mallintamista ei voida tehdä klassista muodostumisteoriaa hyödyntävillä malleilla, vaan se vaatii kvantti- ja molekyylimekaanisten laskentamallien soveltamista klustereiden muodostumiseen.

Tämän väitöskirjatutkimuksen tarkoituksena oli tutkia hiukkasia muodostavien molekyylien ja molekyyliklusterien (esim. rikki- ja typpidioksidista muodostuvien rikki- ja typpihappohydraattien) rakennetta ja ominaisuuksia sekä niiden vaikutuksia hiukkasten muodostumisprosesseihin ilmakehässä, erityisesti stratosfääriolosuhteissa.

Koska muodostuvien klustereiden koko on erittäin pieni, alle 3 nanometriä, työssä sovellettiin sekä kvanttimekaanisia että molekyylimekaanisia laskentamalleja sekä näiden mallien yhdistelmiä. Tämä uusi lähestymistapa antoi yksityiskohtaista rakenne- ja termodynaamista informaatiota molekyyliklusterien ominaisuuksista, jotka vaikuttavat klustereiden pysyvyyteen sekä termodynaamisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin ilmakehän hiukkasten muodostumisprosesseissa.

Tavoitteena oli luoda uusia hiukkasmuodostumis- ja klusteroitumismalleja, laskea muodostumistehokkuuksia sekä tutkia hydraatio- ja klusteroitumisprosessien termodynaamisia ominaisuuksia. Lisäksi tutkittiin typpihappohydraatin merkitystä polaaripyörteiden aiheuttamien hiukkasten muodostumiseen ja sitä kautta klooriyhdisteiden käyttäytymiseen stratosfäärissä, mikä on yhteydessä otsonikadon muodostumiseen.

Keskeisimmät tulokset mahdollistivat eri tekijöiden vaikutusten tarkan kvantitatiivisen tarkastelun ilmakehän hiukkasten muodostumismekanismeille, määrittelemään dominoivat mekanismit, klusterirakenteet ja avaintekijät, joilla voidaan kontrolloida muodostumisnopeuksia. Väitöskirjatutkimuksen tuloksia ilmakehän kemiallisten ja fysikaalisten prosessien lisäksi voidaan soveltaa esimerkiksi nanoteknologian eri osa-alueilla.


Väitöskirja on julkaistu sarjassa Kuopion yliopiston julkaisuja C. Luonnontieteet ja ympäristötieteet. ISBN 951-27-0356-4. Sitä voi tilata yliopiston kirjaston julkaisumyynnistä sähköposti: yrjo.valtanen@uku.fi tai verkko-osoitteesta http://www.uku.fi/kirjasto/julkaisutoiminta/julkmyyn.shtml


Kuopion yliopisto
Viestintä
tiedotus_at_uku.fi