Kausaalimalli polttoprosessien terveys- ja ilmastovaikutusten arviointiin

Opasnet Suomista
Siirry navigaatioon Siirry hakuun



Kysymys

Tähän arvioinnin pääkysymys. Katso lisäohjeita sivulta Arviointi.

Monitieteinen analyysimme perustuu seuraaville hypoteeseille:

Kausaalisten vaikutusten malli pystyy kuvaamaan hyvin päästöjen profiilit, kemiallisten reaktioiden ”reaktiopolut” ja voimakkuudet sekä toksikologiset ja ilmastorelevantit vasteet. Mallin avulla voidaan tarkastella seuraavia ennakko-oletuksia ja määrittää ilmiöiden voimakkuus:

  • Puunpolton ja ajoneuvopäästöjen vaikutusten välillä voi olla merkittäviä eroja
  • Puunpolttoon käytettävien polttolaitteiden (takat, saunan kiukaat, pellettikattilat) ja niissä poltettavien materiaalien (eri puulajit, pellettityypit) väliset erot ovat merkittäviä
  • Eri ajoneuvopolttoaineiden (diesel, bensiini, bioetanoli) väliset erot ovat merkittäviä
  • Prosesseissa syntyvät primääriset hiukkaspäästöt ja kaasuista nukleaation avulla muodostuvat uudet hiukkaset eroavat toisistaan niin terveys- kuin ilmastovaikutustenkin kannalta
  • Päästöjen muuntuminen ilmakehässä vaikuttaa niiden toksisuuteen


Oletettu käyttö ja käyttäjät

Ketkä käyttävät raportin tuloksia ja mihin tarkoitukseen?

Kehitettävän mallin avulla saaduista tuloksista hyötyy suuresti tutkimusyhteisö, kun palamisen päästöihin liittyvät fysikaaliset ja kemialliset prosessit opitaan tuntemaan paremmin, auttaa se jatkotutkimusten suunnittelussa ja aiempien tutkimustulosten lisätarkastelussa. Saatava uusi tieto on myös hyvin merkittävää polttolaitteiden ja polttoaineiden valmistajille kehitystyön ohjaamiseen. Merkittävintä hankkeessa on kuitenkin suuri yhteiskunnallinen relevanssi, sillä saatava tieto on oleellista päästörajoituksia määritteleville päättäjille, jotta uudet rajoitukset voidaan kohdentaa mahdollisimman tehokkaasti niin terveys- ja ilmastovaikutusten kuin kustannustehokkuudenkin kannalta. Tiedolla tulee olemaan relevanssia erityisesti EU-tasolla, jolla päästörajoituksia koskevat päätökset tehdään. Luonnollisesti päästöjen ympäristö- ja terveysvaikutukset ovat kiinnostavia myös suurelle yleisölle.

Osallistujat

Ketkä osallistuvat arvioinnin tekemiseen? Kenen tietoja tarvitaan, jotta arviointi onnistuu?

Projekti kuuluu suurempaan hankekokonaisuuteen, jossa aineistoa on kerätty pitkän ajan kuluessa eri projektien yhteydessä, ja nyt aineistot on tarkoitus yhdistää ja analysoida uraauurtavalla tavalla. Mittauksia suorittavat yhdessä Itä-Suomen yliopistolla Aerosolifysiikan tutkimusryhmä, Pienhiukkaslaboratorio ja terveysvaikutuksia tarkasteleva Inhalaatiotoksikologian tutkimusryhmä. Kaikkien kolmen ryhmän preferenssit ja tutkimuskysymykset eroavat osin toisistaan Pienhiukkaslaboratorion keskittyessä polttolähteiden ja -aineiden tutkimukseen, Aerosolifysiikan ollessa kiinnostunut päästöjen muuntumisesta ilmakehässä sekä niiden reagoimisesta ilmassa luonnostaan olevien orgaanisten yhdisteiden kanssa ja Inhalaatiotoksikologia keskittyy ainoastaan eri hiukkastyyppien terveysvaikutuksiin. Tämä projekti yhdistää kaikkien näiden kolmen ryhmän keräämät aineistot ja kiinnostuksen kohteet yhteen paremman kokonaiskuvan saamiseksi polton päästöistä.

Rajaus

Miten arviointi rajataan ajallisesti, maantieteellisesti, kysmyksenasettelultaan jne?

Vaihtoehdot

Mitkä ovat tarkasteltavat päätösvaihtoehdot? Miten ne vaikuttavat tarkasteltaviin muuttujiin?

Aikataulu

Mikä on arvioinnin aikataulu? Mikä on sen päätösprosessin aikataulu, jota arviointi tukee?

Hanke alkoi maaliskuussa 2017 aineiston kokoamisella.

Vastaus

Tulokset

Arviointimallin keskeiset tulokset.

Tutkimus yhdistää uniikin tutkimusympäristön ja tehokkaan, mutta aiemmin hyödyntämättömän analyysimenetelmän. Vaikka kausaalisten vaikutusten mallit on kehitetty nimenomaan tarkastelemaan syy-seuraus yhteyksiä mittausaineistoista, ei niitä ole vielä käytetty ilmaston ja ilmakehän tutkimuksessa. Tutkimus on monitieteinen kokonaisuus jollaista ei ole ennen kyetty toteuttamaan koska kehittyneimpiä mittauslaitteistoja ja hakijan kaltaista analyysimenetelmien osaajaa ei ole aiemmin saatu mukaan samaan hankkeeseen. Tutkimuksen lähtökohtana on eri luonnontieteiden tutkimusalojen osaamista hyödyntävä ympäristöntutkimus mutta se laajenee yhteiskunnallisesti vaikuttavaksi kokonaisuudeksi tutkimusaiheen ollessa merkittävä niin poliittisesta kuin oikeudellisestakin näkökulmasta. Hankkeeseen otetaan mukaan myös Itä-Suomen yliopiston ympäristöoikeuden asiantuntijoita, jotta hankkeen päätteeksi voidaan ottaa kantaa päästörajoitustyöhön. Polttoprosessien haitallisten päästöjen rajoittamisella on suora yhteiskunnallinen vaikutus puun pienpolton ollessa merkittävä lämmitysmuoto Suomessa ja pitkien etäisyksien maassa ajoneuvopäästöjen kustannustehokas vähentäminen on hyvin tärkeää. Päästöjen ilmastovaikutusten selvittäminen taas on ympäristönsuojelun kannalta ensiarvoisen tärkeää.

Riippuvuudet

Vasteet

Tutkimuksen mielenkiinnon kohteena ovat eri polttoprosessien ilmastopäästöt ja terveysvaikutukset. Tutkimushypoteesin mukaan eri polttoprosessien ilmastopäästöjen ja terveysvaikutusten välillä on eroja. Polttoprosessien päästöt kehittyvät ilmakehässä fysikaalisten ja kemiallisten reaktioiden kautta. Näissä reaktioissa muodostuvat yhdisteet ja niiden vaikutusta ilmakehään ja ihmisten terveyteen ei vielä tunneta kovin tarkasti. Ennalta tiedetään, että esimerkiksi hiilidioksidin ja pienhiukkasien määrällä on ilmaston lämpötilaa muokkaava vaikutus. Hiilidioksidin määrän kasvamisen vaikutuksen tiedetään olevan ilmakehää lämmittävä ja aerosolin määrän kasvamisen vaikutuksen oletetaan olevan viilentävä. Tutkimuksessa pyritään löytämään mm. näihin muuttujiin vaikuttavat tekijät, eli ne päästön muuttujat jotka vaikuttavat päästössä vapautuvan ja muodostuvan hiilidioksidin ja pienhiukkasten määrään. Päästöjen terveysvaikutuksiin liittyviä muuttujia tunnetaan useita, tärkeimpinä näistä ovat mm. pienhiukkaset, häkä, typen oksidit ja metallit kuten sinkki. Havaittuihin terveysvaikutuksiin liittyviä muuttujia mitataan useita. Nämä muuttujat saadaan altistamalla erilaisia soluja päästölle ja mittaamalla solujen terveyttä ajassa. Solujen selviytyminen kuvaa ihmisten altistusta päästöille hengitysilman kautta. Tutkimuksessa käytettävät solut vastaavat ihmisen keuhkoissa olevaa solurakennetta. Soluista mitataan erilaisia terveyteen liittyviä muuttujia kuten solukuolemaa ja tulehdusta kuvaavia muuttujia.

Tavalliset muuttujat

Tavallisia muuttujia tutkimuksessa ovat polttoprosessin päästöstä mitattavat kaasujen pitoisuudet, hiukkasten kokojakauma ja kemiallinen kompositio. Muuttujien kehitystä ajassa mitataan toistamalla mittaukset ennalta määritellyin aikavälein ja saamalla näin aikasarja muuttujien kehityksestä ilmakehän olosuhteita mallintavassa kammiossa.

Arvomuuttujat

Ilmastovaikutuksiin liittyviä vasteita kuvataan käyttämällä apuna globaaleja ilmastomalleja. Syöttämällä ilmastomalliin erilaisia päästön kehityksen skenaarioita, voidaan erilaisten päästöjen kehitystä ja vaikutusta ilmakehään tarkastella monen eri muuttujan kannalta. Esimerkiksi voidaan tarkastella eri päästölähteiden tuottamien päästöjen vaikutusta ilmakehän lämpenemiseen tai pilvien muodostumiseen. Terveysvaikutuksista mitattavista muuttujista voidaan muodostaa ihmisen terveyden kannalta oleellisia tekijöitä kuvaavia muuttujia, joka muodostuu solujen terveyttä kuvaavien muuttujien kombinaationa. Mallin avulla pystytään tarkastelemaan eri polttoainevaihtoehtojen vaikutusta päästön ilmasto- ja terveysvaikutuksiin. Esimerkkinä voidaan tarkastella eri polttoainevaihtoehtojen vaikutusta kaupungin ilmanlaatuun tai yleisemmin suuremman alueen lämmitystavan ilmastovaikutusta. Tarkemmalla tasolla voidaan tarkastella päästön liittyvän yksittäisen muuttujan vaikutusta koko päästön kehitykseen. Tämä on tarpeellista, kun mietitään päästön eri muuttujien erottamista päästöstä esimerkiksi käyttämällä suodattimia. Yhdistämällä tutkimuksesta saatavat tiedot laajempaan kehykseen erilaisten ratkaisuiden tehokkuudesta taloudellisesti ja ympäristön kannalta, pystytään tekemään perustellumpia päätöksiä tulevaisuudessa käytettävistä menetelmistä esimerkiksi lämmityksen ja sähköntuotannon kannalta.

Metodit

Tutkimuksen tulokset koostuvat kahdesta osasta. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa kootaan yhteen useiden eri polttoprosessien päästöjen kehittymistä mittaavia moniulotteisia aikasarjoja, joista on mitattu yllä mainittuja muuttujia. Näiden muuttujien väliset syy-seurausketjut (reaktiopolut) määritetään käyttämällä kausaalimallia. Kausaalimallin avulla voidaan tarkastella yksittäisen polttoprosessin tuottamaa päästöä ja sen kehittymistä ilmakehässä. Päästön saastuttavuutta voidaan tarkastella esimerkiksi muodostettavien ilmasto- ja terveysvaikutuksia kuvaavien muuttujien avulla. Mitattavista muuttujista kootaan kausaalirakenne, jonka avulla voidaan kuvata muuttujien väliset vaikutusketjut. Mitattujen muuttujien lisäksi rakenteeseen voidaan lisätä latentteja muuttujia, joiden tiedetään tai uskotaan kuuluvan graafiin. Kausaalirakenteeksi kutsutaan mitattujen ja latenttien muuttujien välistä suhdetta kuvaavaa graafia, jossa muuttujia kuvataan solmuilla ja muuttujien välisiä vaikutuksia suunnatuilla särmillä, joissa särmän suunta määrittää vaikutuksen suunnan. Käyttämällä kausaalilaskentaa, voidaan muuttujien välisen kausaalirakenteen avulla määrittää muuttujien välisen kausaalivaikutusten todennäköisyysjakaumat. Nämä todennäköisyysjakaumat perustuvat havaittuihin ehdollisiin todennäköisyysjakaumiin. Estimoimalla nämä ehdolliset todennäköisyysjakaumat, voidaan muuttujien väliset kausaalivaikutukset estimoida. Lopputuloksena saadaan estimoitua yksittäisten päästön komponenttien kausaalivaikutukset toisiin kiinnostuksen kohteena oleviin muuttujiin, sekä päästön ilmasto- ja terveysvaikutuksiin. Vertaamalla komponenttien kausaalivaikutuksia keskenään, pystytään estimoimaan päästön ilmasto- ja terveysvaikutuksiltaan tärkeimmät tekijät. Näiden tekijöiden vaikutusta ja mahdollisten rajoitusten vaikutusta päästön ilmasto- ja terveysvaikutuksiin voidaan arvioida mallin avulla. Tutkimuksen toisessa osassa tuodaan ensimmäisessä osassa saadut päästön kehittymistä kuvaava kausaalimalli ja estimoidut ilmasto- ja terveysvaikutukset konkreettisemmalle tasolle. Käyttämällä yleisesti saatavilla olevaa tilastotietoa mm. Suomessa ja maailmalla käytössä olevista lämmitysjärjestelmistä, pystytään muodostamaan käsitys siitä, miten paljon eri vaihtoehdot tuottavat päästöjä suuremmalla alueella ja toisaalta käyttäen kausaalimallia, millaiset ovat eri valintojen ilmasto- ja terveysvaikutukset. Tuloksista tehdään helppokäyttöinen käyttöliittymä, jonka avulla kuka tahansa pystyy tutkimaan omia valintojaan suhteessa ilmasto- ja terveysvaikutuksiin. Lisäksi samassa voidaan tutkia myös esimerkiksi tietyn päästön komponentin rajoittamisen vaikutusta ilmastoon ja ihmisten terveyteen. Tutkimuksen toisen vaiheen avulla saadaan arvioita päätöksenteon tueksi tehdessä päätöksiä mahdollisista päästörajoituksia ja tiettyjen polttoaineiden suosimista kohdistuvaa politiikkaa varten.

Analyysit

Päästön kehittymistä varten rakennetaan mitattujen ja latenttien muuttujien välinen kausaalirakenne. Käytettävällä kausaalimallilla analysoidaan jokaisen muuttujan vaikutukset kiinnostuksen kohteena oleviin muuttujiin: esimerkiksi pienhiukkasten kokojakaumaan, hiilidioksidin määrään, ilmasto- ja terveysvaikutuksiin. Mallin avulla saadaan määritettyä muuttujien suorat ja epäsuorat vaikutukset kiinnostuksen kohteena oleviin muuttujiin. Tämä mahdollistaa päästön muokkaamisen vaikutusten tarkastelut: mitä esimerkiksi tietyn päästökomponentin suodattaminen tai jonkin aineen lisääminen päästöön polttoprosessin aikana vaikuttaisi päästön kehittymiseen ilmakehässä ja täten myös sen vaikutuksiin ilmakehässä ja maan pinnalla. Polttotavoista kerättävien tilastojen perusteella voidaan yleistää kausaalimalleilla saatavat tulokset konkreettiseksi työkaluksi, jonka avulla voidaan verrata yhden polttoprosessin sijaan yleisemmin halutun alueen polttoaineiden ja polttotapojen merkitystä alueen ilmasto- ja terveysvaikutuksiin. Käyttämällä mallista ja tilastoista saatavia estimoituja päästöjä lähtöarvoina ilmastomallissa, voidaan arvioida esimerkiksi alueen ilmastovaikutusta erilaisiin ilmastoa koskeviin muuttujiin, kuten lämpötilaan, sademäärään ym. Näin voidaan verrata esimerkiksi ilmastonmuutoksen voimakkuutta eri päästöskenaarioiden tapauksissa entistä tarkemmin, koska päästöjen kehittyminen ilmakehässä tunnetaan entistä tarkemmin. Uusinta tutkimustietoa polttoprosessien päästöjen terveysvaikutuksiltaan merkittävimmistä tekijöistä voidaan hyödyntää arvioidessa halutun alueen kokonaisterveysvaikutusta eri polttoaineenkulutusskenaarioissa. Polttoaineiden ihmisten terveysvaikutuksen kannalta merkittävimpiä tekijöitä voidaan verrata.

Perustelut

Arvioinnin yksityiskohtainen kuvaus. Linkit muuttujasivuihin. Kaaviokuva syysuhdeverkosta.

Katso myös

Hankkeen tuotoksena tehty tutkimusjulkaisu:

Leinonen, V., Tiitta, P., Sippula, O., Czech, H., Leskinen, A., Isokääntä, S., Karvanen, J. and Mikkonen, S. (2022) Modeling atmospheric aging of small-scale wood combustion emissions: distinguishing causal effects from non-causal associations Environ. Sci. Atmos., https://doi.org/10.1039/D2EA00048B

Lähteet


Kommentoi arviointia

Voit kommentoida mitä tahansa arvioinnin sivua tässä. Selkeyden vuoksi kirjoita alempaan kenttään sen sivun nimi, jonka asioita kommentoit.

Noudettu kohteesta ”https://fi.opasnet.org/index.php?title=Kausaalimalli_polttoprosessien_terveys-_ja_ilmastovaikutusten_arviointiin&oldid=36893”