Measuring hygroscopic properties of aerosol particles

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7091-61-6
Title: Measuring hygroscopic properties of aerosol particles
Author: Hakala, Jani
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Ilmakehätieteiden osasto
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Atmospheric aerosols are omnipresent. They affect health via inhalation or skin and eye contact, and reduce visibility. They also contribute to climate directly by absorbing and scattering solar radiation, and indirectly by acting as cloud condensing nuclei, thus affecting the cloud formation process. The climate has been affected by human activity since the preindustrial times. Both anthropogenic aerosol particle and greenhouse gas emissions have seen a drastic increase since the industrial revolution. As far as is known, most of the anthropogenic aerosol particles excluding black carbon or soot particles have a cooling effect on climate, partially negating the warming effect of increased greenhouse gas emissions. All in all, the effects of aerosol particles, be their origin anthropogenic on not, are considered to cause the highest uncertainty in climate models, making aerosol studies crucial for more accurate future climate predictions. The particle size is one of the most important properties to know, as it has a great impact on the effects and fate of aerosol particles in the atmosphere, or inside our respiratory system. The hygroscopicity of aerosol particles, or their ability to absorb water, determines the size of the particles in different relative humidity (RH) conditions. Dry water-soluble salt particles can double their size in diameter at the RH of 90%, whereas soot particles and fresh organics experience little to no growth. By studying the hygroscopic growth of aerosol particles, we gain important knowledge on the particle size and phase state in varying RH conditions, chemical composition, and mixing state both external and internal. This thesis is focused on measuring the hygroscopic properties of aerosol particles. Most of the hygroscopicity studies contained here were conducted using the volatility-hygroscopicity tandem differential mobility analyzer (VH-TDMA) that we built within our group in University of Helsinki. The main conclusions we arrived at are: 1) The VH-TDMA we built is indeed an accurate and versatile tool for aerosol hygroscopicity and volatility studies. It is capable of determining the external mixing state of aerosol particles (in terms of hygroscopicity and volatility) and a good indirect method for estimating the chemical composition of aerosol particles. 2) The hygroscopicity studies conducted at sub- and supersaturation conditions may have significantly different results when measuring organic aerosols. The hygroscopic growth measured in supersaturation may greatly overestimate the growth in subsaturation, which in turn overestimates the scattering and the cooling effect of aerosols on climate. 3) The lensing effect by refractive material on the surface of soot particles and its absorption enhancement may have been exaggerated in previous studies. Our field measurements showed an average enhancement of 6%, while previous estimates have been as high as 200%. Lastly, one of the key points of this thesis is to promote the use of H-TDMA technique in the field of aerosol science. The technique has been mostly replaced by the use of cloud condensing nuclei counters (CCNC). H-TDMA technique is far more accurate and versa-tile, and, in my opinion, it is easier to measure in subsaturation and predict the outcome in supersaturation, than vice versa.Pienhiukkasia, eli aerosolihiukkasia, on kaikkialla ilmakehässä. Ne vaikuttavat terveyteen kulkeutumalla hengitysilman mukana kehoon, tai ihon ja silmien kautta. Aerosolihiukkaset vaikuttavat myöskin ilmastoon, joko suoraan absorboimalla ja sirottamalla auringon sätilyä, tai epäsuorasti toimimalla pilvien tiivistymisytiminä ja osallistumalla pilvien muodostumiseen. Teollistumisen jälkeen ihmisen toiminta on vaikuttanut ilmastoon lisäämällä merkittävästi aerosolihiukkasten lukumäärää ja kasvihuonekaasuja ilmakehässä. Ihmisten toiminnasta aihetuvien aerosolihiukkasten vaikutus nokihiukkasia lukuunottamatta on pääasiassa viilentävä, mikä osittain kumoaa lisääntyneiden kasvihuonekaasujen aiheuttaman ilmaston lämpenemisen. Aerosolihiukkasten vaikutus ilmastoon on suurin epävarmuustekijä ilmastomalleissa, joten niiden tutkiminen on välttämätöntä tarkempien ilmastoennusteiden laadinnassa. Hiukkaskoko on yksi tärkeimmistä aerosolihiukkasia määrittävistä tekijöistä. Sillä on suuri vaikutus siihen, millasia ilmastovaikutuksia hiukkaset aiheuttavat, tai kuinka ne kulkeutuvat hengityselimistössä. Hiukkasten hygroskooppisuus, eli kuinka paljon hiukkaset sitovat vettä, määrittää hiukkaskoon eri kosteusolosuhteissa. Kuivien suolahiukkasten halkaisija voi kasvaa yli kaksinkertaiseksi 90% ilmankosteudessa, kun taas nokihiukkaset eivät kasva juuri lainkaan. Tutkimalla hiukkasten hygroskooppista kasvua saadaan tärkeää tietoa hiukkasten koosta, olomuodosta, kemiallisesta koostumuksesta ja siitä, millaisia erilaisia hiukkasia aerosolipopulaatio sisältää. Tämä väitöskirja keskittyy hiukkasten hygroskooppisten ominaisuuksien mittaamiseen. Suurin osa väitöskirjan sisältämästä hygroskooppisuustutkimuksesta on tehty käyttäen apuna differentiaalista tandem-liikkuvuusanalysaattoria, jolla mitataan hiukkasten hygroskooppisuutta ja haihtuvuutta (Volatility-Hygroscopicity Tandem Differential Mobility Analyzer, VH-TDMA). Kyseinen mittalaite on rakennettu mittausryhmässämme Helsingin Yliopistolla. Väitöskirjassa päädyttiin seuraaviin johtopäätöksiin: 1) VH-TDMA on tarkka ja monipuolinen mittalaite hiukkasten hygroskooppisuuden ja haihtuvuuden tutkimisessa. 2) Hygroskooppisuustutkimukset voivat johtaa eri tuloksiin riippuen siitä, suoritetaanko mittaukset veden suhteen ylikyllästystilassa, vai ei. Orgaanisten hiukkasten ylikyllästystilassa tehdyt mittaukset saattavat yliarvioida hiukkaskokoa, kun ilmankosteus on alle 100%. Tämä puolestaan yliarvioi hikkasten aiheuttamaa sirontaa ja siten myös niiden ilmastoa viilentävää vaikutusta. 3) Nokihiukkasen pinnalla olevan kirkkaan ja valoa taittavan kerroksen absorptiota tehostava vaikutus on yliarvioitu. Väitöskirjaan kuuluvan kenttätutkimuksen mukaan absorptio tehostuu keskimäärin vain 6%, kun edeltävien tutkimusten mukaan tehostuminen on jopa 200%.
URI: URN:ISBN:978-952-7091-61-6
http://hdl.handle.net/10138/166927
Date: 2016-09-30
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

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record