Professor, kes uurib metsalõhna kliimamõju ja pilvepisaraid

Horisondi intervjuu atmosfäärifüüsik Heikki Junnineniga

Juuni lõpus valiti Heikki Junninen Tartu ülikooli keskkonnafüüsika professoriks. Vastse professoriga vestles planeeti jahutavatest nanoosakestest, kliimamuutusega seonduvast ning alusteaduste olulisusest Horisondi toimetaja Helen Rohtmets-Aasa.

Esiteks palju õnne professoriks valimise puhul!

Tänan!

Tulid kaks aastat tagasi tippteadlase grandiga Eestisse, jättes maha maineka uurimisrühma Helsingi ülikooli juures. Nüüd hakkad Tartus keskkonnafüüsika suunda juhtima. Miks otsustasid oma karjääri just Tartu ülikooliga siduda?

Selle grandiga langes toona kokku mitu head asja – esiteks uurimisraha ja teiseks, et sellega sai tulla Tartusse, et proovida oma tiibu siinses aerosoolifüüsika uurimisrühmas. Pean kohe ütlema, et mind ei seo Tartuga varasem side, olen pärit Pärnust ega ole kunagi Tartus elanud ega õppinud, nii et ma ei tulnud Tartusse tagasi, vaid edasi. Tartus on tehtud aastakümneid maailmatasemel aerosooliteadust ja siin on olemas väga tugev vana koolkond. Mina tõin Helsingist omakorda kaasa teadmised ja oskused, mille olen saanud kõige uuemate tehnoloogiate arendamisel ja kasutamisel. See, et meil on täna võimalik mõõta nanoosakesi otse atmosfäärist ja arvutada välja nende keemilist koostist, avab atmosfäärifüüsikas täiesti uusi võimalusi ja perspektiive. Ja see kõik on saanud võimalikuks alles viimasel kümnel aastal. Nii et minu osaks on teatud mõttes silla ehitamine varasema võimsa pärandi ning tuleviku vahele. Loodan väga, et oskan siinseid teadmisi selle käigus kõige paremal viisil ära kasutada.

Kuulud 1 protsendi maailma enimtsiteeritud teadlaste hulka. Kuidas selline tippujõudmine käib?

On üks väga selge edu valem ja see on teha hästi palju koostööd võimalikult paljude uurimisrühmadega. See 1% hulka sattumine on seetõttu paljuski Helsingi rühma teene, sest nad teevad pööraselt palju koostööd ja on seetõttu kaasatud väga paljudesse projektidesse ja artiklitesse. Ise aga olen välja töötanud erinevaid uurimismeetodeid ja tööriistu, mida kasutavad mitmed rühmad, ja see on seda kaasatust veelgi suurendanud. Nii et võtmesõna on tihe koostöö, ainult nii on see võimalik.

Uurid oma teadustöös pilvi tekitavaid atmosfääriosakesi. Kuidas Sa selgitaksid laiemale auditooriumile, miks neid osakesi on oluline uurida?

Kõige põnevam ongi selle asja juures see, et ilma nende osakesteta ei oleks elu Maal üldse võimalik. Pilved kaitsevad planeeti ülekuumenemise eest, sest nad lasevad läbi vaid osa energiast ning peegeldavad liigse päikesekiirguse kosmosesse tagasi. Nii et kliimamuutuse vaatevinklist on nende osakeste ja nende kaudu pilvede teke see päästev mehhanism, mis kliimat jahutab. See, et mul teadlasena on võimalik uurida midagi nii olulist, midagi, mis pole üksnes põnev, vaid ka meie planeedile eksistentsiaalselt oluline, motiveerib mind hommikul tööle tulema.

Kuidas need osakesed tekivad?

Keemilise reaktsiooni kaudu, mis on alles üsna uus avastus, sest seadmeid, millega nende osakeste koostist saab otse atmosfääris mõõta, polnud enne 2010. aastat olemas. Praegu uurin nende osakeste teket metsas, aga seda võib teha ka kõikvõimalikes teistes keskkondades.

See, mida ma mõõdan, on osakeste tekkeprotsessi kõige esimene ots – hetk, kus männimetsalõhnast hakkavad tekkima esimesed osakesed. Selleks on vaja reaktsiooni, mis muudab mändidest eralduvad gaasilised ained mittelenduvateks molekulideks. Piltlikult öeldes algab nende osakeste teke sellest, et gaasid otsustavad, et nad ei taha enam olla gaasilises olekus, vaid nad tahavad olla osakesed. Nad reageerivad osooniga ja seejärel oksüdeeruvad, imevad end hapnikku täis, muutuvad mittelenduvateks molekulideks ja tahavad seejärel kusagile kondenseeruda. Kuna nad ei leia midagi, millele kondenseeruda, hakkavad nad iseeneslikult kondenseeruma ja ühtlasi kasvama, moodustades järjest suuremaid klastreid, osakesi. Ning selliseid osakesi tekib korraga tohutult palju. See on tõeline puhang, kus ühel ajahetkel on õhus vaid paar osakest kuupsentimeetris ja järgmisel juba 10 000, nii et see protsess meenutab mõneti laviini.

Kui need osakesed, mis on kasvanud juba sedavõrd suureks, et neid võib nimetada pilve algtuumakesteks, kantakse soojade õhuvooludega kõrgele atmosfääri, kus on kõrge vee küllastus, hakkab vesi nende ümber kondenseeruma ja moodustuvad pilvepisarad.

Tegelikult teati juba varem, et neid osakesi tekitab metsas mingisugune orgaanika. Aga mis protsess seal täpsemalt toimub ja mis molekulist need osakesed alguse saavad, seda ei teatud. Esimene artikkel, kus me seda mehhanismi veidi avasime, ilmus 2014. aastal ajakirjas Nature. See oli täiesti uus avastus, tänu millele me tunneme nüüdseks kogu seda ahelat – molekulist pilvede ja kliimani – ning teame, kui olulist rolli mängib pilvede tekkes mets.

Kui tavaline või haruldane see uute osakeste tekkepuhang on?

Enamasti toimuvad need puhangud üks kord päevas, hommikul kuskil kella 9–11 ajal, kui päikesekiirgust on piisavalt, et alustada fotokeemilist OH-radikaalide (väga reaktiivsete «aktiveeritud» vee molekulide) toodangut. Ja käivitubki puhang. Et puhang toimuks, peab olema selge päikesepaisteline päev ning ei tohi olla liiga palju õhusaastet ehk varasemalt atmosfääris olevaid osakesi. Samuti peab sobilik olema õhuniiskus. Kõik need tingimused langevad kokku umbes 30 protsendil päevadest. Kõige rohkem kevadeti, märtsist maini, ja kõige vähem talvel. Keskeltläbi võime öelda, et meil Eestis toodab atmosfäär igal kolmandal päeval juurde 10 000 osakest kuupsentimeetri kohta. Puhangute tihedus varieerub planeedi eri paigus päris palju, näiteks Lõuna-Aafrikas toimub see 95 protsendil päevadest, Amazonase vihmametsas aga vaid 1–2 protsendil päevadest.

Kui suured need osakesed on?

Protsessi alguses on nad umbes 1–1,5 nanomeetri suurused. Et neist saaks pilvetuumake, millele vesi võiks hakata kondenseeruma, peavad nad olema juba 50–200-nanomeetrised. Pilvepisaraid saab mõõta aga juba mikromeetrites ning piisku, mis alla sajavad, millimeetrites. Nii et mõõteskaala, millest me räägime, on täiesti pöörane – nanomeetritest, milles on üheksa nulli pärast koma, millimeetriteni, kus nulle on kolm, nii et suuruste vahe on sajatuhandekordne.

Kuidas nii pisikesi asju üldse uuritakse?

Mõõdame neid seal, kus need osakesed tekivad. Hetkel toimub proovivõtt 1,5 meetri kõrgusel maapinnast, kuigi osakesi tekib terves atmosfääri alumises kihis, mis võib ulatuda kuni 5 kilomeetri kõrgusele.

Teeme seda praegu Järvselja metsas SMEAR Estonia mõõtejaamas. Minu spetsialiteet on massispektromeetrid, millega saab mõõta osakesi, mis on just gaasilisest olekust lahkunud. Ma ei saa aga võtta metsast proove, et neid laboris analüüsida, vaid pean minema selle seadmega, mis maksab pool miljonit eurot, metsa kohapeale. Ehk teisisõnu peame rajama kõrgetasemelised keemia- ja füüsikalaborid välitingimustesse – metsa, rannikule või mäe otsa –, sinna, kus me osakeste teket mõõta soovime. Meie füüsikahoones asuvast laborist on saanud aga justkui masinate haigla, kuhu neid viiakse vaid selleks, et neid hooldada ja kalibreerida. Seejärel liiguvad nad kohe metsa tagasi. Samamoodi käib asi Helsingis, kus ma varem töötasin.

Ja see seade mõõdab üliväikeste osakeste massi?

Mõõdab massi, aga teeb seda lennuaja põhjal. See tähendab, et ta mõõdab nii suure täpsusega osakese lennuaega vaakumis, et sellest saab jällegi väga täpselt, nelja komakoha täpsusega, välja arvutada selle osakese massi. Sellest saame omakorda välja arvutada, millest osake tehtud on ehk elementaarkoostise.

Kas metsades tekib selliseid pilvede algtuumakesi rohkem kui näiteks heinamaal?

Kui vaadata Järvselja ürgmetsa, siis seal oksüdeerub ja tekitab osakesi kõige agressiivsemalt selline molekul nagu alfapineen. Kui männimets maha lõigata, nii et selle asemele tekib heinamaa, siis sealsed taimed ei paiska õhku alfapineeni, vaid midagi muud, näiteks isopreene, mis ei tekita nii palju osakesi. Ja siin tulebki mängu maakasutuse efekt – kui me võtame metsad maha, siis muudame sellega pilvetekke potentsiaali ja selles mõttes pilt kindlasti muutub.

Rääkisid metsa võimest osakesi tekitada, aga kuidas on lood inimesega? Milline on inimtegevuse mõju pilvetekkele?

Üks inimtegevuse tagajärgi on see, et pilved on valgemad. Mida rohkem inimesed väikesi osakesi õhku paiskavad, seda rohkem tekib pilvetuumakesi ja seda pisemad on neist moodustuvad pilvepisarad, sest kõrgemates õhukihtides on kindel kogus vett, mis nende osakeste ümber saab kondenseeruda. Ja mida väiksemad on pilvepisarad, seda valgemad on pilved ja seda enam nad päikesekiirgust kosmosesse tagasi peegeldavad. Nii et see on üks neid inimtegevuse mõjusid, mis on käsiteldav positiivsena, mis jahutab planeeti. CO₂ ja teiste inimtekkeliste kasvuhoonegaaside puhul on lugu vastupidi – mida rohkem neid õhku paiskame, seda rohkem me planeeti soojendame, sest nendest gaasidest atmosfääri moodustuv kiht laseb energial vabalt maapinnale pääseda, kuid takistab energial, nüüd juba soojuse näol, maapinnalt kosmosesse tagasi kiirguda.

Kui rääkida neist osakestest, mida tööstus ja liiklus linnades õhku paiskavad, siis toimiksid needki pilvetuumana suurepäraselt. Aga meile endile on need ohtlikud, sest lähevad sisse hingates sügavale kopsu ning kui tegu on agressiivsete, näiteks põlemise tagajärjel tekkinud osakestega, võib see vähki tekitada. Selliseid osakesi peaks seega võimalikult vähe sisse hingama.

Kui pilvetekke mustrid on selged, kas siis järgmine samm oleks hakata neid molekule ise kokku panema?

Mnjaa... See on juba geoinseneeria. Nii kaugele ma ei julgeks minna, et hakata seda peent tasakaalu rikkuma. Ega me kõiki neid komponente nagunii päris täpselt selgeks ei saa ja üllatusi tuleb alati ette. Kui me tõesti leiame, et oleme nüüd piisavalt targad, et paisata õhku väävelhapet või alfapineeni, et see tekitaks pilve, mis planeeti jahutaks, siis need kogused peaksid olema kolossaalsed... Õnneks ei pea ma praeguses rollis selliseid otsuseid vastu võtma.

Osa ikkagi eitab inimtekkelist kliimamuutust. Kuidas neile veenvalt vastu vaielda?

Teadlasele pole nendes muutustes veendumiseks vaja muud kui graafikuid ja mõõtmistulemusi. Loomulikult on kliima ajaloo vältel palju muutunud, aga selles pole mingit kahtlust, et tööstusrevolutsiooni järel on CO₂ ja metaani kontsentratsioonid kasvanud kiiremini ja globaalne soojenemine olnud suurem kui eelnenud aastatuhandeil. Meil on õnnestunud oma elukeskkonda nii pööraselt mõjutada, et see võib kõige mustemate stsenaariumite järgi meie eksistentsi sellel planeedil võimatuks muuta. Ma arvan, et neil, kes ei usu, et kliimamuutus on inimtekkeline, on mingi selge motivatsioon, miks niimoodi mõelda. Näiteks majanduslikud huvid. Või siis lihtsalt häbi (muigab).

Suurim probleem on muidugi nafta, mille väljapumpamisel ja kasutamisel vabaneb maa sees peidus olnud fossiilne CO2, mille kasvanud hulk nüüd atmosfääris planeeti soojendab. Samas on nafta meile vajalik energiaallikana ja siit tekibki konflikt. Kui meil oleksid olemas alternatiivsed energiaallikad, siis oleks kliimamuutuste inimtekkelisusse uskujaid tõenäoliselt rohkem. Ja eelkõige käib see muidugi otsustajate, poliitikute ja riigijuhtide kohta, kes seavad esikohale oma riigi heaolu ja majanduslikud huvid kõige lähemas tulevikus. See lähitulevik on siinkohal periood järgmiste valimisteni.

1990. aastatel räägiti meedias palju happevihmadest ja osooniaugu suurenemisest. Kas need probleemid on nüüdseks seljatatud?

Happevihmade probleemi lahendas suuresti väävlisisalduse piiramine kütuses, mille tulemusena paisatakse nüüd õhku tunduvalt vähem väävliühendeid. Sest põhiline happevihmade tekitaja oli väävelhape. Osooniaugu suurenemisele pani aga piiri freoonide keelustamine. Need freoonid, mis on juba üles saadetud, ei kao sealt küll kuhugi, kuid nad lahjenevad aegamööda ja juurde neid enam ei tehta, mille tulemusel on osoonikihi olukord hakanud parenema. Need mõlemad on väga head näited, kuidas meid kõiki puudutanud probleemist suudeti tänu julgetele poliitilistele otsustele jagu saada, ehkki tõenäoliselt oli see kellelegi korraks majanduslikult kahjulik. Need on näited, kus teadlaste avastustel põhinev sõnum jõudis avalikkuse kaasabil poliitikuteni, kes võtsid vastu julge otsuse, mis meie kõikide keskkonda paremaks muutis. Nii need asjad käima peaksidki.

Kas Sinu uuritavate osakeste olemasolu saab mingitel juhtudel ka palja silmaga näha?

Võtame näiteks horisondil sinavad metsad. Kui õhus on palju osakesi, hajutavad nad valgust, eriti just sinist valgust, ning see hajunud valgus teeb eemal olevad objektid hägusemaks ja sinakamaks. Kui õhk oleks puhas, siis poleks need metsad distantsilt vaadates sinised, vaid sama selged ja rohelised nagu lähedal olev mets. Või võtame päikeseloojangu – mida rohkem on sel ajal õhus osakesi, seda uhkem ja punasem loojang on, sest need osakesed peegeldavad loojuva päikese viimaseid kiiri, mis on teadupärast punased.

Millised teemad Sul praegu töölaual on?

Üks, mida me Tartu rühmaga teeme, on uuringute jätkamine Järvseljal. See massispektromeeter, mille me mullu septembris Helsingi ülikoolist laenuks saime, on mõõtnud seal juba varsti aasta aega. Püüame saada kaheaastase aegrea, et hinnata Eesti segametsa atmosfääri keemilist koostist. Varasemates artiklites oleme kirjeldanud osakeste teket Soome boreaalses metsas. Nüüd tahame vaadata, kas Eestis, kus kasvab eelkõige segamets, on pilt kuidagi erinev. Selle uuringuga on muide seotud ka üks väga oluline, otseselt kliimamuutusega seotud küsimus: mis juhtub siis, kui kliima peaks sedavõrd palju soojenema, et metsavööndid nihkuvad ja põhjapoolse boreaalse metsa, mis on vihmametsa järel meie planeedi suurim kops, võtab üle selline segamets nagu kasvab Eestis ja siit lõuna pool. Soome boreaalset metsa, mis on enamasti kuuse- ja männimets, on hästi põhjalikult uuritud. Meie uuring Järvseljal on esimene, mis mõõdab täpselt samasuguste vahenditega ja sama põhjalikult segametsa ja see annab esmakordselt võimaluse neid kahte metsatüüpi võrrelda.

Aga lisaks me modelleerime, teeme mudeleid nanoosakeste liikuvusest ja keemilisest koostisest, et seda pilti keskkonnamõõtmistega siduda ja toetada. Need mudelid annavad võimaluse ennustada osakeste teket keskkondades, kuhu me ei saa või kuhu meil on raske ise kohale minna, näiteks atmosfääri kõrgemad kihid või lausa Marsi atmosfäär. Pealegi on mudelite tegemine hea õppimisprotsess – püüe mõista, miks meie mõõtmistulemused on sellised, nagu nad on, ning leida neile taha füüsikalisi teooriaid, et seda pilti kirjeldada ja sellest lõpuni aru saada.

Professoriamet tähendab ilmselt, et Su tegevusvaldkond muutub ja laieneb?

Õpetamiskohustust tuleb kindlasti juurde, aga see ei ole halb, sest õpetamine on hea investeering tulevikku, see aitab noortega kontakti leida. Üks asi, millele tuleb kindlasti tähelepanu pöörata, on keskkonnafüüsika populariseerimine. Minna näiteks keskkoolidesse ja tekitada õpilastes teema vastu huvi, sest neid tudengeid, kes tulevad keskkonnateadusi õppima, on üllatavalt vähe. Mulle ei tundu see õige – kusagil on miski valesti läinud, kas ei lähe sõnum kohale või ei leita meid üles. Inimesed on ju tänapäeval väga keskkonnateadlikud, noored hakkavad taimetoitlasteks, et keskkonda päästa. Kuidas siis nii, et nad ei taha tulla õppima keskkonnateadusi? Kusagil on midagi nihkes.

Miks ma räägin keskkonnateadustest, mitte vaid keskkonnafüüsikast? Sest ainult füüsikaga tegeledes jääb vaatenurk piiratuks, et kogu kliimaprobleemi mõista. Me peame tegema meeletult erialadevahelist koostööd keemikute, bioloogide ja paljude teiste teadusharudega. Peame ütlema selgemalt välja, et siin saab omandada teadmisi sedavõrd tähtsate asjade kohta nagu keskkond ja kliima, ning inimene, kes tuleb neid asju siia õppima, satub nii Physicumi, Chemicumi kui ka ökoloogia instituuti Vanemuise tänaval. Igalt poolt peab ammutama põhiteadmisi, et saada tervikpilti, ja seejärel saab igaüks juba spetsialiseeruda.

Nii et esmajärjekorras tuleb tegeleda noorte järelkasvuga. Doktoriõppesse ja järeldoktorantuuri saab muidugi meelitada inimesi ka väljapoolt, aga bakalaureuse- ja magistriõppe puhul on asi keerulisem. Ja tegelikult tulekski ju harida just Eesti noori, et viia Eesti ühiskonda rohkem teadmispõhist mõtlemist.

Kuidas Sinust teadlane sai?

Ma ei saa öelda, et ma sain teadlaseks, pigem nagu kasvasin. Ma pole seda kunagi niimoodi plaaninud. Selles lineaarses torus, mida mööda ma justkui esimesest klassist peale kulgesin, ei olnud kõrvaluksi, või kui oli, siis ma ei pannud neid tähele. Olen terve elu olnud kuidagi teaduse poole kaldu, sihuke piisavalt põikpäine, mittepraktiline ja piisavalt motiveeritud otsima vastust küsimustele, miks ja kuidas. Ja mind pole kunagi heidutanud, et sellel pole alati olnud praktilist väljundit. Mulle on piisanud, et minu töö kaudu saab inimkond targemaks.

Kõike ei pea saama kohe äris ära kasutada. Hea on, kui saab, aga alati ei saagi või saab hiljem. See on see alusteaduste võlu ja valu, et nad uurivad asju, mis ei tundu esmapilgul olevat inimesele kuigivõrd olulised. Aga see olulisus võib tulla ootamatult ja avalduda mõne täiesti üllatava nurga alt. Võid pusida kaua mingi probleemi kallal, mis tundub sulle endale huvitav, aga on absoluutselt ebaoluline, kuni see täiesti ootamatult oluliseks muutub. Kuni keegi avastab, et me saame selle abil äri teha. Näiteks avastasime Helsingi kolleegidega metsas orgaanilisi ühendeid mõõtes, et sama mehhanismiga on võimalik mõõta lõhkeainete sisaldust õhus. Sellest mõttest kasvas välja firma, mis arendab massispektromeetrial põhinevat lõhkeainete tuvastamise tehnoloogiat, seadmeid, millega saab mõõta, kas sul on taskus pomm või ei ole. Metsas männimetsalõhna mõõtes ei osanud keegi meist aimatagi, et neidsamu atmosfäärifüüsika uurimismeetodeid kasutav firma on saanud paar aastat hiljem juba mitme miljoni eest investeeringuid.

Seega oleks väga lühinägelik rahastada ainult rakendusteadust ja äritegevust, sest tõelised innovatsioonid tulevad ikkagi alusteadustest. See on see koht, kus mõeldakse välja midagi täiesti uut või siis midagi sellist, millele keegi pole varem mõelnud ja millele leitakse rakendus alles hiljem. See on investeering tulevikku. On ju küll avastusi, mis on olnud aastakümneid lauasahtlis, enne kui nad on jõudnud mõne firma patendiriiulisse.

Kuidas Pärnu poisina Tartuga harjunud oled?

See, et meri on kaugel, tekitas alguses küll kerget klaustrofoobiat, aga õnneks on siin jõgi, nii et polegi väga hull (muigab). Meil on olemas ka väike kummipaat, nii et läheme selgi suvel perega Lõuna-Eesti jõgesid ja järvesid avastama.

Tegelikult on Tartu väga äge koht, kus elada. Kui valid õige sõiduvahendi, siis saab igale poole 15 minutiga ja see on imeline ajavõit. Helsingis elasin äärelinnas, nii et suur osa ajast läks transpordi peale. Seda ma kohe kindlasti taga ei igatse. •