Experimental studies on nucleation and new particle formation

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7091-39-5
Title: Experimental studies on nucleation and new particle formation
Author: Neitola, Kimmo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Finnish Meteorological Institute
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Aerosols affect our everyday life in many ways. Changes in visibility, allergies to pollen, spray cans and dosing of some medication are just a few examples of common aerosols. Aerosols may have more profound way to affect every one of us; through climate. Possible changes in aerosol particle concentrations and compositions may alter large precipitation patterns and change cloud albedo, and lifetime. To be able to predict future changes in climate, profound understating of physical and chemical processes affecting the atmospheric aerosol population is crucial. Nucleation, i.e. gas-to-liquid phase transition, is the fundamental step in particle formation in the atmosphere. Sulphuric acid is established to be one of key components in atmospheric nucleation, but other stabilizing species are needed to participate in the process to ex-plain atmospheric nucleation. The identity of these species and the mechanisms of the process itself have been elusive. This thesis aims to gain insight on the species participating nucleation and the mechanism of the whole process. This thesis concentrates first to identify meteorological parameters controlling the atmos-pheric new particle formation. The information gathered from the field is used to design laboratory experiments more precise for the purpose of studying nucleation. The laboratory experiments were carried out using different flow tubes, first to test the limits of the Clas-sical Nucleation Theory and later on to investigate sulphuric acid-water binary and sul-phuric acid-water-base compound ternary nucleation. The precursor gas species were measured using mass spectrometers and ion chromatographs. The measured concentration of sulphuric acid from gas and particle phases were compared to theoretical prediction. The magnitude of the effect of base compounds on nucleation was estimated. The clustering of sulphuric acid molecules with other species was detected. Initial growth of clusters were studied in the point of view of sulphate containing species. The results from the laboratory experiments confirmed earlier results found in the literature that base compounds increase nucleation rates significantly. The measurements of the gas-phase concentrations of these compounds set an upper limit, where the increasing effect is saturated. Comparison of the sulphuric acid concentrations measured with different tech-niques and with the theoretical approach showed order-of-magnitude discrepancy. The discrepancy was found to be due to clustering of sulphuric acid molecules with various species. Sulphate-containing species was found to be responsible of the initial growth of clusters in the flow tube measurements. Even though the species participating nucleation are still an open question, the work done in this thesis has helped to identify few of these species and the magnitude of their effect on nucleation. This thesis also helps to under-stand the initial growth of clusters in flow tube experiments and to identify possible limitation on instruments used commonly in atmospheric measurements.Aerosolit vaikuttavat meidän jokapäiväisessä elämässä monin tavoin. Muutokset näkyvyydessä, siitepölyallergiat, suihkepullot ja lääkkeiden annostelut ovat vain muutamia esimerkkejä tyypillisistä aerosoleista. Aerosoleilla voi olla syvällisempi vaikutus meidän kaikkien elämään; ilmaston kautta. Mahdolliset muutokset aerosolihiukkasten pitoisuuksissa ja rakenteessa voivat muuttaa suuria sademalleja ja pilvien albedoa sekä elinaikaa. Jotta voitaisiin ennustaa tulevia muutoksia ilmastossa, aerosolipopulaation vaikuttavat fysikaaliset ja kemialliset prosessit tulee ymmärtää perusteellisesti. Nukleaatio, eli kaasusta nesteeksi-faasitransitio, on ilmakehän aerosolimuodostumisen olennainen askel. Rikkihappo on tunnistettu yhdeksi avainkomponentiksi ilmakehän nukleaatiossa, mutta muita stabilisoivia yhdisteitä tarvitaan mukaan itse prosessiin, jotta ilmakehän nukleaatio olisi selitettävissä. Nämä yhdisteet, sekä itse nukleaatioprosessin mekanismi ovat pysyneet mysteerinä. Tämä väitöskirja pyrkii lisäämään ymmärrystä mitkä yhdisteet osallistuvat nukleatioon ja ymmärtämään nukleaation mekanismia. Tässä väitöskirjassa keskitytään aluksi tunnistamaan meteorologisiin parametreihin, jotka kontrolloivat ilmakehän uusien hiukkasten muodostumista. Kenttämittauksista saatua informaatiota käytettiin laboratorionukleaatiokokeiden tarkkaan suunnitteluun. Laboratoriokokeet suoritettiin käyttämällä erilaisia virtausputkia, joilla testattiin Klassisen nukleaatioteorian rajoja ja rikkihapon ja veden binääristä, sekä rikkihapon, veden ja emäksisen aineen terniääristä nukleaatiota. Nukleaatiota edeltävien kaasujen pitoisuudet mitattiin käyttäen massaspektrometriaa ja ionikromatografiaa. Mitattuja rikkihappopitoisuuksia kaasu- sekä hiukkasfaasissa verrattiin teoreettisiin ennusteisiin. Emäksien aineiden vaikutus nukleaatioon on arvioitu. Rikkihappomolekyylien havaittiin klusteroituvan muiden yhdisteiden kanssa. Työssä tutkittiin sulfaattia sisältävien yhdisteiden vaikutusta klustereiden varhaiseen kasvuun. Laboratoriokokeiden tulokset vahvistivat kirjallisuudessa julkaistuja tuloksia, joiden mukaan emäksiset yhdisteet voivat lisätä nukleaationopeutta huomattavasti. Näiden emäksien yhdisteiden mitatut pitoisuudet kaasufaasissa asettivat ylärajan, jolla nukleaationopeuden kasvu saturoitui. Vertailu eri tekniikoilla mitattujen rikkihappopitoisuuksien, sekä teoreettisten ennusteiden välillä osoitti näiden eroavan yli kertaluokalla. Tämä ero osoittautui johtuvan rikkihappomolekyylien klusteroitumisesta muiden yhdisteiden kanssa. Sulfaattia sisältävien yhdisteiden huomattiin vastaavan klustereiden varhaisesta kasvusta lähes kokonaan virtausputkimittauksissa. Vaikka nukleaatioon osallistuvat yhdisteet ovat vieläkin avoin kysymys, tässä väitöskirjassa tehty työ on auttanut tunnistamaan joitain näistä yhdisteistä, sekä niiden nukleaatiovaikutuksen suuruusluokan. Tämä väitöskirja myös auttaa ymmärtämään klustereiden varhaista kasvua virtausputkikokeissa, sekä ymmärtämään joidenkin yleisesti ilmakehämittauksissa käytettyjen instrumenttien rajoitteita.
URI: URN:ISBN:978-952-7091-39-5
http://hdl.handle.net/10138/157275
Date: 2015-10-30
Subject: fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
experime.pdf 2.078Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record