dosentti, laboratorionjohtaja, vastuullinen tutkija (PI)

Julkaisut

• TUHAT-tutkimustietokanta

Tutkimusaiheet

• CARATE – hiilen isotooppisuhteista menneisyyden ilmastoon
• Levänluhta – lähdehaudan 100 vainajaa
• Menneisyyden ilmastonvaihtelut
• Luonnon ja ihmisen vuorovaikutus menneisyydessä
• Hiilen sormenjäljet
• Hiilinielut- ja lähteet

---

Menneisyyden ilmastonvaihtelut

Puu on menneisyyden muistitikku: se tallentaa vuosirenkaisiinsa tietoa menneisyyden ympäristöolosuhteista. Ilmakehän hiilidioksidi päätyy kasvien lehtiin ilmarakojen kautta ja osallistuu valon vaikutuksesta kemiallisiin reaktioihin, joissa syntyy hiilihydraatteja (esim. sokereita) kasvin rakennusaineiksi ja vapautuu happea. Tämä yhteyttäminen ylläpitää hiilidioksidin käytön ja hapentuotannon kautta elämää maapallolla. Puissa jokainen vuosirengas tallentaa tietoa kasvukautensa ilmasto-olosuhteista joko renkaan paksuuteen, tiheyteen tai hiilen pysyvien isotooppien (¹³C, ¹²C) suhteisiin. Yhteyttäminen suosii kevyttä hiilen isotooppia (¹²C), ja tähän vaikuttaa valon määrä, lämpötila ja ilman sekä maaperän kosteus.

                          

Isotooppisuhteita määrittämällä voidaan siis saada tietoa menneisyyden puiden kasvuolosuhteista. Pohjautuen kahteen EU:n tukemaan hankkeeseen (ISONET, Millenium), Suomen Akatemia tukee Helsingin yliopiston ja METLAn yhteistä hanketta Lapin 7500 vuotta pitkän männyn (Pinus sylvestris) vuosirengassarjan hiilen isotooppisuhteiden määrittämiseksi. Osana laajempaa kokonaisuutta luonnon ja ihmisen vuorovaikutusten tutkimiseksi, paneudumme myös tiettyjen ihmisen toiminnan kannalta merkittävien aikakausien ilmasto-olosuhteiden selvittämiseen. Eräs niistä on 1500 vuotta sitten historiallisin lähteinkin todennettu pimeä ja kylmä jakso, joka näkyy puiden vuosirenkaiden kasvussa.    

Baillie MGL (1994) Dendrochronology raises question about the nature of the AD 536 dustveil event. Holocene 4: 212-217.

Helama S, Macias Fauria M, Mielikäinen K, Timonen M & Eronen M (2010) Sub-Milankovitch solar forcing of past climates: mid and late Holocene perspectives. Geological Society of America Bulletin 122 (11/12): 1981-1988.

Hilasvuori E, Berninger F, Sonninen E, Tuomenvirta H and Jungner H (2009) Stability of climate signal in carbon and oxygen isotope records and ring width from Scots pine (Pinus sylvestris L.) in Finland. J. Quaternary Sci. 24(5): 469-480.

Oinonen M & Mielikäinen K (2011) Muinaisympäristöjen kasvifysiologia: keski- ja myöhäis-holoseenikautisten puiden vuosilustojen kasvu- ja hiilen isotooppitietojen fuusioiminen (CARATE). Funding decisions #251287 and 251441 for CARATE project by the Academy of Finland.

---

Luonnon ja ihmisen vuorovaikutus menneisyydessä

Kautta aikojen luonto on vaikuttanut ihmisen toimintaan. Ajoituslaboratoriossa tuotetaan menneisyyden luonnonilmiöiden ja ihmisen toiminnan ikämäärityksiä sekä laajempia ajoitusmalleja sekä tapahtumien ajallisia järjestyksiä. Koska jo tieteenfilosofisin perustein syyn täytyy olla seurausta varhaisempi, aikajanat antavat mahdollisuuden syy-seuraussuhteiden pohdiskeluille. Viimeisimpiä esimerkkejä luonnon ja ihmisen toiminnan vuorovaikutusten tutkimisesta ovat Vuoksen puhkeamisen seuraukset sekä 1500 vuotta sitten tapahtuneen pohjoisen pallonpuoliskon laajuisen ilmastohäiriön vaikutukset Levänluhdan lähdehaudan vainajien elinkeinoihin.  

                    

Itäisessä Fennoskandiassa ihmisasutus seurasi sulavan mannerjään reunaa jo yli 10000 vuotta sitten. Holoseenikauden keskivaiheilla 8000-5000 vuotta sitten ilmasto oli keskimäärin pari astetta nykyistä lämpimämpi ja samaan aikaan alueen ja aikakauden ihmisasutus oli suurimmillaan.Tähän ajanjaksoon ajoittuu myös muinaisen Saimaan purkautuminen Salpausselän läpi kohti Laatokkaa – Vuoksen virta syntyi ja Saimaan vedenpinta aleni 4 metriä. Tämä ympäristökatastrofi vaikutti alueen luontoon paljastamalla tuhansia neliökilometrejä maata, joka biodiversiteetiltään rikkaana edisti myös ihmisasutuksen vahvistumista itäisessä Suomessa. Ajoittamalla Vuoksen synty ja aikakauden kulttuurivaiheet voidaan pohtia luonnonilmiön vaikutuksia paikalliseen asutukseen. Asutus hiljalleen taantui luonnon ehdoilla varsinkin eteläisessä ja keskisessä Suomessa ja ajoitettujen muinaislöytöjen määrä nousee tuon optimi-ilmastovaiheen tasolle vasta noin 2500 vuotta sitten.

Rautakaudella 1700 – 1300 vuotta sitten upotettiin vainajia Isonkyrön Levänluhdan lähdehautaan. Vainajien luihin on tallentunut tietoa heidän käyttämästään ravinnosta hiilen ja typen isotooppien kautta ja siten ne kertovat hiljaista tarinaansa peltojen, metsien ja vesien haltijoilta pyydetyistä antimista. Noin 1500 vuotta sitten lähes koko pohjoista pallonpuoliskoa peitti Välimerelläkin auringon  puoleksitoista vuodeksi pimentänyt “mysteeripilvi”. Tämä puulustoissakin näkyvä ilmastohäiriö osui ajallisesti keskelle Levänluhdan hautausten aikakautta ja on siten saattanut vaikuttaa Levänluhdan vainajien elinkeinoihin. Yhdistämällä radiohiiliajoitukset ja isotooppimääritykset puiden vuosilustoista ja vainajien luista voimme pohtia "mysteeripilven" roolia levänluhtalaisten elinkeinojen ajallisissa muutoksissa.  

Oinonen M, Pesonen P, Tallavaara M (2010) Archaeological Radiocarbon Dates for Studying the Population History in Eastern Fennoscandia. Radiocarbon 52: 393–407.

Tallavaara M, Pesonen P, Oinonen M (2010) Prehistoric population history in eastern Fennoscandia. J Archaeol Sci 37: 251-260.

Pesonen P, Oinonen M, Carpelan C, Onkamo P (2012) Early Subneolithic ceramic sequences in Eastern Fennoscandia - a Bayesian approach. Radiocarbon 54(3-4): 661–676.

Oinonen M, Pesonen P, Alenius T, Heyd V, Holmqvist-Saukkonen E, Kivimäki S, Nygrén T, Sundell T, Onkamo P (2013) Event reconstruction by timing – Massive mid-Holocene lake burst triggered a large-scale ecological and cultural change. Submitted.

Wessmann A et al. (2011) The Levänluhta site – Multidisciplinary research into a unique mystery in Northern European prehistory. Funding decision by Emil Aaltonen foundation for 3-year project 2012-2014.

---

Hiilen sormenjäljet

Jopa 90 % Itämeren altaaseen jokien kuljettamana päätyvästä orgaanisesta hiilestä on veteen liuenneessa muodossa (dissolved organic carbon, DOC). Ihmisen toiminnalla (esim. maankäytöllä) on suuri vaikutus tämän orgaanisen aineksen päätymiseen vesistöihin. Hiilen lähteitä pystytään tunnistamaan radiohiilimääritysten, isotooppisuhteiden ja muiden samanaikaisten määritysten antaman sormenjäljen kautta.

              

Ajoituslaboratorio on tuottanut radiohiili- ja stabiili-isotooppimäärityksiä Suomen ympäristökeskuksen koordinoimaan ja Maj ja Tor Nesslingin säätiön tukemaan hankkeeseen Itämeren altaaseen vetensä purkavien jokien orgaanisen hiilen alkuperän tutkimiseksi. Koska turve on vanhempaa kuin tyypillinen metsäisen maaperän hiili, menetelmää voidaan hyödyntää esimerkiksi myös järviin päätyneen hiilen alkuperän selvittämiseksi.        

Kaartokallio H et al 2010. Fingerprinting riverine dissolved organic carbon entering the Baltic Sea. Application to Maj and Tor Nessling foundation.

Hulatt CJ, Kaartokallio H, Asmala E, Autio R, Stedmon CA, Sonninen E, Oinonen M, Thomas DN (2013) Biodegradation of fluvial dissolved organic matter (DOM) from a northern peatland-dominated catchment: Effect of land-use change. Submitted to Biogeochemistry.

---

Hiilinielut ja -lähteet

Hiilenkierto on eräs elämää ylläpitävistä alkuaineiden kiertokuluista maapallolla. Radiohiilen määrä luonnonnäytteessä kertoo ajankohdasta, jolloin ilmakehän hiilidioksidi on sitoutunut näytteeseen yhteyttämisen kautta. Siten radiohiilimääritykset tuovat ajallisen ulottuvuuden hiilen kiertokulun tutkimuksiin. Maaperän hiili muodostaa erään suurimmista hiilivarannoista maapallolla. Siten maapallon hiilitaseen kannalta on olennaista tietää, miten maaperän hiili vaikuttaa ilmakehän hiilidioksidin määrään, ja sitä kautta tulevaisuuden ilmasto-olosuhteisiin. Kehitämme menetelmiä ja teemme tutkimusta yliopistojen, Suomen ympäristökeskuksen sekä Metsäntutkimuslaitoksen kanssa maaperän hiilen vaikutuksista maapallon hiilitaseeseen. 

             

Tutkimukset pohjautuvat sekä orgaanisten näytteiden että niistä vapautuvan hiilidioksidin radiohiilipitoisuuksien määrittämiseen. Hiilidioksidinäytteet otetaan talteen erityisellä mekaanisella molekyyliloukulla, jonka herkkyys on hiottu äärimmilleen. Pohjois-Euroopan maaperän hiilen vapautuminen on havaittu olevan osin lämpötilasta riippuvaa. Ilmaston muuttuessa myös hiilen vapautumisnopeus muuttuu ja siten tällä on merkitystä maapallon hiilitaseen kannalta. Huoli tulevaisuuden ilmasto-olosuhteista on globaali. Siten on olennaista vahvistaa tietämystä myös muista globaalisti merkittävistä hiilivarannoista:  Amazonin alueen turvekerrostumat muodostavat suuren hiilinielun, jonka kohtaloon tulevaisuuden maankäytöllä on suuri vaikutus.

Biasi C, Tavi N, Jokinen S, Shurpali N, Hämäläinen K, Jungner H, Oinonen M & Martikainen P (2011) Differentiating sources of CO2 from organic soil under bioenergy crop cultivation: A field-based approach using 14C. Soil Biology & Biochemistry 43: 2406-2409.

Hilasvuori E, Akujärvi A, Fritze H, Karhu K, Laiho R, Mäkiranta P, Oinonen M, Palonen V, Vanhala P & Liski J (2013) Temperature sensitivity of decomposition in a peat profile. Soil Biology & Biochemistry 67: 47-54.

Hämäläinen K, Fritze H, Jungner H, Karhu K, Oinonen M, Sonninen E, Spetz P, Tuomi M, Vanhala P and Liski J (2010) Molecular sieve sampling of CO2 from decomposition of soil organic matter for AMS radiocarbon measurements. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 268: 1067-1069.

Karhu K, Fritze H, Hämäläinen K, Vanhala P, Jungner H, Oinonen M, Sonninen E, Tuomi M, Spetz P & Liski J (2010) Temperature sensitivity of soil carbon fractions in boreal forest soil. Ecology 91(2): 370-376.

Lähteenoja O, Ruokolainen K, Schulman L, Oinonen M (2009) Amazonian peatlands: an ignored C sink and potential source. Global Change Biology 15: 2311–2320.

Lähteenoja O, Reategui YR, Räsänen M, Torres DDC, Oinonen M & Page S (2012) The large Amazonian peatland carbon sink in the subsiding Pastaza-Maranon foreland basin, Peru. Global Change Biology 18: 164-178

Palonen V & Oinonen M (2013) Molecular Sieves in 14CO2 Sampling and Handling. Radiocarbon 55: 416-420.