Observational insights on the evolution of organic aerosol in the boreal environment

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-46-4
Title: Observational insights on the evolution of organic aerosol in the boreal environment
Author: Heikkinen, Liine
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-12-08
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-46-4
http://hdl.handle.net/10138/321654
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Aerosol particles, which are solid or liquid particles suspended in the air reduce air quality as well as influence Earth’s radiative balance through their direct and indirect interactions with solar radiation. The sensitivity of Earth’s climate to aerosol particles has remained elusive despite a wealth of studies conducted. Some of this uncertainty arises from the highly dynamic manner the physicochemical properties of aerosol particles evolve in the atmosphere. Recent advances in mass spectrometric measurement techniques have helped to assess the aerosol chemical (trans)formation altering many climate-relevant aerosol properties such as aerosol particle size, volatility and water affinity. The scope of my thesis is the formation and evolution of organic aerosol (OA) in the boreal environment. Boreal forests emit a wide variety of volatile organic compounds (VOCs), which can form secondary organic aerosol (SOA) after oxidation. Notably, the mechanisms behind the VOC to SOA conversion is not straightforward and depends highly on the type of VOC, oxidants and evnironmental conditions. This process can therefore be sensitive to the changes projected to take place within the boreal biome along with the changing climate. Changes regarding tree species can alter the composition and relative abundances of the emitted VOCs, which can further influence boreal SOA formation. Anthropogenic emissions can also affect natural VOC to SOA conversion and further SOA processing (aging) even in the pristine regions of the boreal biome. Due to attempts in air quality improvements in several locations worldwide, many anthropogenic species have shown declining trends with potential consequences in SOA formation and aging. The studies conducted within this thesis can be divided into two categories: 1) examining the accumulated OA composition and its seasonal dynamics in the boreal forest to understand the present state of boreal OA (field studies), and 2) zooming in on the early stages of SOA formation and evolution and the potential impacts of anthropogenic emissions on them (laboratory studies). The measurements were conducted via online mass spectrometry. The results highlight the importance of aged low-volatility oxygenated OA (LV-OOA) within the boreal environment throughout the year, with highly season-dependent sources. The LV-OOA production was found to be extremely sensitive to heat waves. In the laboratory, we examined the volatilities and fates of highly oxygenated organic molecules (HOMs), which form in boreal VOC oxidation. HOMs were shown to be primarily of low volatility and therefore good candidates as SOA precursors. In the presence of nitrogen oxides, which imply anthropogenic influence, HOMs of relatively higher volatilities were formed, potentially reducing HOM condensate formation. HOM condensate has been previously shown to be labile, and fragment quickly after formation. In our studies, this reaction was boosted in the presence of acidic aerosol particles. SOA formation was influenced by aerosol acidity also by significantly enhancing the SOA yield from semi- or intermediate volatility precursors and simultaneous oligomerisation reactions. The formation of high molecular weight oligomers significantly reduced SOA volatility. However, the difference observed between the ambient LV-OOA and fresh laboratory SOA composition underlines the importance of photochemical aging needed for the formation of the highly oxidised ambient OA.Ilmakehän aerosolihiukkaset ovat kiinteitä tai nestemäisiä hiukkasia ilmassa. Pienestä koostaan huolimatta niillä on suuria vaikutuksia elämiimme: ne huonontavat merkittävästi ilmanlaatua sekä vaikuttavat ilmastoon vuorovaikuttaessaan säteilyn kanssa. Säteilyvuorovaikutus voi tapahtua joko suoraan, missä tapauksessa aerosolihiukkanen sirottaa tai absorboi säteilyä. Epäsuorat vaikutukset liittyvät aerosolihiukkasten rooliin pilvipisaroiden tiivistymisytiminä: jos tiivistymisytimiä on paljon, niiden kautta muodostuneet pilvet heijastavat auringonsäteilyä ja siten viilentävät ilmastoa tehokkaammin kuin tapauksessa, jossa tiivistymisytimiä olisi tarjolla vain vähän. Vaikka aerosolihiukkasten ilmastovaikutuksia on tutkittu laajalti, niihin liittyy suuria epävarmuuksia. Osa tästä epävarmuudesta johtuu siitä, että aerosolihiukkasten ominaisuudet ovat hyvin muutosherkkiä ilmakehässä. Massaspektrometria on osoittautunut hyväksi työkaluksi arvioimaan erityisesti hiukkasten kemiallisia muutoksia, joiden tiedetään vaikuttavan moniin hiukkasten ilmaston kannalta tärkeisiin ominaisuuksiin, kuten niiden kokoon, haihtuvuuteen sekä niiden kykyyn absorboida vettä. Tässä tutkielmassa perehdyn orgaanisen aerosolin muodostumiseen ja kemialliseen kehitykseen pohjoisella havumetsävyöhykkeellä. Havumetsien kasvillisuus tuottaa laajalti erilaisia haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, jotka voivat ilmakehässä hapettuessaan muodostaa sekundääristä orgaanista aerosolia (SOA). SOA-muodostus riippuu monista tekijöistä, kuten siitä minkälainen haihtuva orgaaninen yhdiste on kyseessä tai ilmakehän olosuhteista, kuten esimerkiksi lämpötilasta. Näiden seikkojen vuoksi SOA-muodostus pohjoisella havumetsävyöhykkeellä voi muuttua samalla kun ilmasto näillä leveysasteilla muuttuu. Ilmastonmuutoksen on arvioitu aiheuttavan muutoksia pohjoisen havumetsän kasvillisuuteen, mikä voi vaikuttaa muun muassa haihtuvien orgaanisten yhdisteiden suhteellisiin osuuksiin. Myös ihmiskunnan aiheuttamat päästöt voivat vaikuttavat SOA-muodostukseen sekä sen kemialliseen kehitykseen. Täten esimerkiksi päästörajoitukset vaikuttavat tulevaisuuden SOA pitoisuuksiin ja ominaisuuksiin yhdessä ilmastonmuutoksen kanssa. Näillä muutoksilla on mahdollisia vaikutuksia sekä paikalliseen että globaaliin ilmastoon. Tämän väitöskirjan tutkimukset voidaan jakaa kahteen osaan, joista ensimmäisessä tutkin orgaanisen aerosolin koostumusta ja vuodenaikaisvaihtelua suomalaisessa havupuumetsässä hyödyntäen kahdeksanvuotista aikasarjaa. Koska aerosolihiukkaset elävät ilmakehässä noin viikon verran, nämä tulokset edustavat täten erityisesti ilmakehään kerääntynyttä orgaanista aerosolia. Jotta ymmärtäisimme paremmin myös orgaanisen aerosolin elämänkaaren alkumetrejä, tutkielman toisessa osassa tutkin SOA-muodostusta ja transformaatiota laboratoriossa, jossa aerosolihiukkasten keskimääräinen elinaika oli noin tunnin verran. Tutkielman tulokset korostivat boreaalisen SOA-muodostuksen ja kemiallisen kehityksen herkkyyttä erityisesti hellejaksoille ja ihmiskunnan päästöille.
Subject: ilmakehätieteet
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