On the formation and growth of sub-3 nm atmospheric particles and molecular clusters

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7091-66-1
Title: On the formation and growth of sub-3 nm atmospheric particles and molecular clusters
Author: Kontkanen, Jenni
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Atmospheric Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Air consists of different gas molecules but also liquid or solid aerosol particles. Despite their small size, aerosol particles significantly affect human life: they deteriorate air quality and influence the climate directly by scattering and absorbing solar radiation, and indirectly by modifying the properties of clouds. The majority of atmospheric aerosol particles are formed in the process called new particle formation. New particle formation proceeds by the formation of nanometer-sized clusters from low-volatile vapors and their following growth to larger particles. If the particles produced in this process reach large enough sizes they can finally act as cloud condensation nuclei and thus affect the climate. Due to the climate effects of atmospheric particle formation, it has been widely studied in recent decades. However, because of challenges in detecting nanometer-sized clusters and particles and their precursor vapors, many questions remain open. The aim of this thesis is to elucidate some of the unresolved issues related to the first steps of particle formation and growth by investigating the dynamics of sub-3 nm atmospheric particles and molecular clusters. The research in this thesis was conducted by analyzing measurements performed with novel instrumentation in different environments in the field and in the laboratory. The primary instrument was the Particle Size Magnifier (PSM), which is a recently developed condensation particle counter able to detect particles down to even 1 nm. The measurements with ion mobility spectrometers measuring atmospheric ions, and chemical ionization mass spectrometers detecting low-volatile gaseous compounds were also utilized. In addition, cluster population simulations were performed. The concentration of sub-3 nm particles was observed to vary strongly between different environments. The highest concentrations were detected in polluted environments, likely due to anthropogenic sources of precursor vapors. In boreal forest sub-3 nm particle concentration was higher in summer than in winter, suggesting the importance of biogenic precursor vapors. At all the study sites, sub-3 nm particle concentration was higher during daytime than at night. Electrically neutral particles were observed to dominate the sub-3 nm particle population in polluted environments and in boreal forest during spring and summer. The formation of sub-2 nm molecular clusters and their further growth were found to be two separate processes. Neutral particle formation mechanisms were observed to dominate over ion-mediated mechanisms. The results indicate that sulfuric acid is a key compound in particle formation but low-volatile organic compounds are likely also important, especially in accelerating particle growth. In the system containing only sulfuric acid, base compounds, and ions, small acid base clusters and ions can also enhance the growth. The understanding of the first steps of particle formation and growth obtained in this thesis is essential when trying to reduce the uncertainties in the climate predictions related to the indirect effects of aerosol particles. In addition, the knowledge of aerosol formation mechanisms is needed to solve air quality problems faced in polluted environments.Ilma koostuu paitsi erilaisista kaasumolekyyleistä myös nestemäisistä tai kiinteistä aerosolihiukkasista. Vaikka aerosolihiukkaset ovat pienikokoisia, ne vaikuttavat merkittävästi ihmisten elämään: aerosolihiukkaset huonontavat ilmanlaatua ja vaikuttavat ilmastoon suorasti sirottamalla ja absorboimalla auringon säteilyä ja epäsuorasti muokkaamalla pilvien ominaisuuksia. Suurin osa ilmakehän aerosolihiukkasista muodostuu prosessissa, jota kutsutaan hiukkasmuodostukseksi. Hiukkasmuodostus alkaa nanometrin kokoluokkaa olevien molekyyliklusterien muodostumisella ilmakehän höyryistä, minkä jälkeen klusterit kasvavat isommiksi aerosolihiukkasiksi. Jos nämä hiukkaset saavuttavat riittävän ison koon, ne voivat lopulta toimia pilvipisaroiden tiivistymisytiminä ja siten vaikuttaa ilmastoon. Hiukkasten muodostumista ilmakehässä on tutkittu laajalti viime vuosikymmeninä. Nanometrin kokoluokkaa olevien klusterien ja hiukkasten sekä heikosti haihtuvien höyryjen havaitseminen mittalaitteilla on kuitenkin haasteellista ja sen takia moni hiukkasmuodostukseen liittyvä asia on yhä epäselvä. Tämän väitöskirjan tavoitteena on saada uutta tietoa hiukkasten muodostumisen ja kasvun ensimmäisistä vaiheista. Tämä tehdään tarkastelemalla alle 3 nm:n kokoisten ilmakehän hiukkasten ja molekyyliklusterien dynamiikkaa. Väitöskirjatyön tutkimus tehtiin analysoimalla uudella laitteistolla saatuja mittaustuloksia sekä ilmakehästä että laboratoriokokeista. Keskeisin mittalaite oli hiukkaskoonsuurentaja (PSM; Particle Size Magnifier), joka on äskettäin kehitetty kondensaatiohiukkaslaskuri. PSM pystyy havaitsemaan jopa 1 nm:n kokoisia hiukkasia. Työssä hyödynnettiin myös ionispektrometreillä tehtyjä mittauksia ilmakehän ioneista ja kemiallinen ionisaatio -massaspektrometreillä tehtyjä mittauksia heikosti haihtuvista kaasumaisista yhdisteistä. Mittausten analysoinnin lisäksi klusteripopulaation käyttäytymisestä tutkittiin simulaatioiden avulla. Alle 3 nm:n kokoisten hiukkasten pitoisuuden todettiin vaihtelevan voimakkaasti. Korkeimmat hiukkaspitoisuudet havaittiin saastuneissa ympäristöissä, mikä todennäköisesti johtuu ihmisperäisistä heikosti haihtuvien höyryjen lähteistä. Boreaalisessa metsässä alle 3 nm:n kokoisten hiukkasten pitoisuus oli korkeampi kesällä kuin talvella, mikä viittaa kasvillisuudesta peräisin olevien höyryjen tärkeyteen tässä ympäristössä. Kaikissa tutkituissa paikoissa alle 3 nm:n hiukkasten pitoisuus oli korkeampi päivällä kuin yöllä. Sähköisesti neutraaleja hiukkasia havaittiin olevan enemmän kuin varattuja hiukkasia saastuneissa ympäristöissä sekä boreaalisessa metsässä keväällä ja kesällä. Molekyyliklusterien muodostumisen ja sitä seuraavan kasvun todettiin olevan kaksi erillistä prosessia. Neutraalien hiukkasmuodostusmekanismien havaittiin olevan voimakkaampia kuin varattujen mekanismien. Työn tulokset viittaavat siihen, että rikkihappo on merkittävässä osassa hiukkasmuodostuksessa, mutta myös heikosti haihtuvat orgaaniset yhdisteet ovat todennäköisesti tärkeitä etenkin hiukkasten kasvulle. Systeemissä, joka sisältää vain rikkihappoa, emäksisiä yhdisteitä ja ioneja, pienet happo−emäs -klusterit ja ionit voivat myös voimistaa hiukkasten kasvua. Tässä väitöskirjatyössä saatua tietoa hiukkasten muodostumisen ja kasvun ensimmäisistä vaiheista voidaan hyödyntää, kun pyritään pienentämään ilmastoennusteiden epävarmuuksia liittyen aerosolihiukkasten epäsuoriin ilmastovaikutuksiin. Lisäksi tietoa aerosolihiukkasten muodostumismekanismeista tarvitaan ilmanlaatuongelmien ratkaisemiseen.
URI: URN:ISBN:978-952-7091-66-1
http://hdl.handle.net/10138/168770
Date: 2016-11-25
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
onthefor.pdf 1.542Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record