Experiments on homogeneous nucleation and physicochemical properties related to atmospheric new particle formation

Abstract

Aerosol particles play a role in the earth ecosystem and affect human health. A significant pathway of producing aerosol particles in the atmosphere is new particle formation, where condensable vapours nucleate and these newly formed clusters grow by condensation and coagulation. However, this phenomenon is still not fully understood. This thesis brings an insight to new particle formation from an experimental point of view. Laboratory experiments were conducted both on the nucleation process and physicochemical properties related to new particle formation.

Nucleation rate measurements are used to test nucleation theories. These theories, in turn, are used to predict nucleation rates in atmospheric conditions. However, the nucleation rate measurements have proven quite difficult to conduct, as different devices can yield nucleation rates with differences of several orders of magnitude for the same substances. In this thesis, work has been done to have a greater understanding in nucleation measurements, especially those conducted in a laminar flow diffusion chamber. Systematic studies of nucleation were also made for future verification of nucleation theories.

Surface tensions and densities of substances related to atmospheric new particle formation were measured. Ternary sulphuric acid + ammonia + water is a proposed candidate to participate in atmospheric nucleation. Surface tensions of an alternative candidate to nucleate in boreal forest areas, sulphuric acid + dimethylamine + water, were also measured. Binary compounds, consisting of organic acids + water are possible candidates to participate in the early growth of freshly nucleated particles. All the measured surface tensions and densities were fitted with equations, thermodynamically consistent if possible, to be easily applied to atmospheric model calculations of nucleation and subsequent evolution of particle size.

Ilmakehässä esiintyvillä aerosolihiukkasilla on tärkeä osa maapallon ekosysteemissä. Lisäksi ne vaikuttavat ihmisen terveyteen. Eräs tärkeä uusien hiukkasten lähde ilmakehässä on ns. homogeeninen nukleaatio, jossa tiivistymiskykyisistä kaasuista muodostuu uusia hiukkasia. Tätä hiukkasmuodostusilmiötä ei vielä ymmärretä täysin. Tässä väitöskirjassa suoritettiin hiukkasmuodostumiseen liittyviä kokeita laboratorio-olosuhteissa. Kokeita tehtiin itse nukleaatioprosessista, sekä mitattiin hiukkasmuodostukseen osallistuvien yhdisteiden fysikokemiallisia ominaisuuksia.

Nukleaatioteorioiden avulla voidaan ennustaa hiukkasmuodostusta ilmakehässä. Koska yleisesti käytössä olevan teorian tiedetään sisältävän useita tuloksiin vaikuttavia yksinkertaistuksia, pyritään teoriaa jatkuvasti parantamaan. Uusia teorioita voidaan verrata laboratoriokokeissa, tarkoissa olosuhteissa, mitattuihin tuloksiin.

Tässä väitöskirjassa mitattiin suoraketjuisten alkoholien nukleaationopeuksia. Systemaattiset mittaussarjat samankaltaisista aineista ovat ihanteellisia uusien teorioiden tarkastelua varten. Tärkeää tietoa nukleaatiomittausten virhelähteistä saatiin tekemällä vertaileva tutkimus kahdella diffuusioperiaatteeseen perustuvalla laitteella. Lisäksi tutkittiin, miksi nukleaation havaitaan joissakin kokeissa riippuvan kokonaispaineesta, vaikka yleisesti käytetty teoria ei sitä ennusta. Todettiin, että samankaltainen riippuvuus havaitaan yleisesti diffuusioperiaatteeseen perustuvissa laitteissa, eikä ilmiö todennäköisesti siten ole yhdessä laitteessa havaittava mittausvirhe. Nukleaatiomittausten lisäksi väitöskirjaan mitattiin ilmakehän hiukkasmuodostukseen osallistuvien aineiden pintajännityksiä ja tiheyksiä. Nämä fysikokemialliset ominaisuudet ovat keskeisiä hiukkasmuodostusta kuvaavissa laskukaavoissa. Mittauksia suoritettiin rikkihapon ja ammoniakin vesiseoksista, yhdiste, minkä oletetaan pääsääntöisesti osallistuvan ilmakehän homogeeniseen nukleaatioon. Toinen mitattava kohde oli rikkihappo + dimetyyliamiini + vesi, joka on vaihtoehtoinen yhdiste nukleoitumaan pohjoisilla havumetsäalueilla. Lisäksi mitattiin erilaisten orgaanisten happojen vesiseosten ominaisuuksia. Orgaaniset yhdisteet ottavat todennäköisesti osaa vastamuodostuneiden hiukkasten kasvuun. Suoritetut mittaukset mahdollistavat rakentamaan tarkempia malleja ilmakehän hiukkasmuodostuksesta, ja siten parantavat tietämystä aerosolien vaikutuksesta ilmakehässä.