Aerosol number size distribution in the boreal environment: spatio-temporal variation

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7091-68-5
Title: Aerosol number size distribution in the boreal environment: spatio-temporal variation
Author: Väänänen, Riikka
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Division of atmospheric sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Atmospheric aerosols have an impact on the global radiation budget, and thus on climate, they reduce the air quality and visibility, and have multiple harmful health effects. The climatic significance of aerosols result from their ability to scatter and absorb solar radiation, and, if being large enough, mediate the cloud albedo and lifetime by acting as cloud condensation nuclei (CCN). The climatic effect, however, has a notable uncertainty. Particles can be either directly emitted to atmosphere or they can form there from precursor vapors. The latter is called new particle formation (NPF). Globally, NPF has been estimated to be responsible for even half of CCN sized tropospheric particles. The understanding of the NPF mechanisms and the spatial and temporal variation of NPF in many scales is necessary to correctly represent aerosols in climate models. In this work, we quantified the importance of biogenic organic vapours and anthropogenic sulfuric emissions in the NPF in northern boreal environment. Aerosol number size distribution data from three measurement sites were used to calculate the average continuous increase in aerosol particle diameter and number concentration when air masses travelled over land. A 14-year-long time series of aerosol and gas measurements were used to determine the effect of reduced Kola Peninsula SO2 emissions on aerosol population at Eastern Finnish Lapland. Secondly, this thesis describes in-situ aerosol measurements conducted with a light aircraft within the lowest 4 km of the troposphere. The data were used to determine the vertical and horizontal extent and variability of the NPF events in the surroundings of the Hyytiälä SMEAR II station. The airborne and ground level measurements were compared to find out the representativeness of the on ground measurements in the lowest parts of the atmosphere, in the planetary boundary layer. The results showed that the Aitken mode particles grew, on average, at the apparent rate of around 1 nm h−1 when they travelled over the northern boreal environment during the growing season. The average calculated growth rates during the NPF events were 3 6 times higher than this apparent average growth rate. The result implied that the condensation has a significant role in the particle growth even when NPF is not explicit. Also, the NPF events inside the planetary boundary layer were found to occur in area over a hundred kilometers. However, within this area, a notable variation in nucleation mode particles was observed.Pienhiukkaset voivat emittoitua ilmakehään suoraan kiinteinä tai nestemäisinä hiukkasina, tai ne voivat muodostua vasta ilmakehässä, kun ilmassa leijuvat sopivat höyryt tiivistyvät molekyyliryppäiksi. Näin syntyneitä pienhiukkasia kutsutaan sekundaarisiksi hiukkasiksi. Sopivissa olosuhteissa kaasumolekyylit voivat jatkaa tiivistymistään vastamuodostuneiden hiukkasten päälle. Lopulta nämä hiukkaset voivat saavuttaa koon, jossa ne voivat toimia pilvipisaroiden tiivistymisytiminä. On arvioitu, että jopa puolet näistä tiivistymisytimistä olisi sekundaarisia pienhiukkasia. Ilmakehässä olevat pienhiukkaset huonontavat ilmanlaatua ja näkyvyyttä, ja aiheuttavat lukuisia terveyshaittoja. Lisäksi ne vaikuttavat maapallon ilmastoon absorboimalla ja sirottamalla auringon säteilyä sekä toimimalla pilvipisaroiden tiivistymisytiminä vaikuttaen pilvien ominaisuuksiin. Maailmanlaajuisesti pienhiukkaset viilentävät ilmastoa. Toisaalta johtuen hiukkaslähteiden epätasaisesta jakautumisesta ajallisesti ja paikallisesti, sekä pienhiukkasten lyhyestä eliniästä, liittyy ilmiön suuruuteen vielä epätarkkuutta. Tässä väitöstyössä on tutkittu pienhiukkasten muodostumista ja koon kasvua havumetsävyöhykkeellä, sekä näissä prosesseissa olevia paikallisia ja ajallisia vaihteluita. Työssä selvitettiin miten hiukkaspopulaatio muuttuu pienhiukkasten kulkeutuessa ilmavirtausten mukana pohjoisen Skandinavian päällä. Työssä kehitettiin menetelmä määrittää hiukkasten koon muutos metsän päällä kuljetun ajan funktiona. Lisäksi väitöstyössä selvitettiin, miten Kuolan rikkipäästöjen pieneneminen 90-luvulta alkaen on vaikuttanut Itä-Lapissa havaittuun pienhiukkasjakaumaan. Lisäksi väitöstyössä tutkittiin kokeellisesti pienhiukkasten muodostumista ja kasvua Keski-Suomessa sijaitsevan Hyytiälän mittausaseman ympäristössä. Tutkimusta varten pienlentokone varustettiin sopivalla mittalaitteistolla, ja mittauslentoja suoritettiin eri vuodenaikoina vuosien 2009-2015 aikana. Tulokset osoittivat, että vaikka hiukkaskasvuepisodi voikin tapahtua tunnetusti yhtä aikaa satojen kilometrien laajuisella alueella, liittyy siihen huomattavia paikallisia eroja kilometrien tai kymmenien kilometrien mittakaavassa. Tulos on merkittävä alueellisten ja maailmanlaajuisten pienhiukkasmallien kehittämiselle ja kiinteillä mittausasemilla suoritettujen mittaustulosten tulkintaan.
URI: URN:ISBN:978-952-7091-68-5
http://hdl.handle.net/10138/169206
Date: 2016-12-09
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
aerosoln.pdf 15.98Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record