Mass Spectrometry Studies on Vapours Forming Atmospheric Aerosol Particles

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-48-8
Title: Mass Spectrometry Studies on Vapours Forming Atmospheric Aerosol Particles
Author: Garmash, Olga
Other contributor: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Science, I
Ilmakehätieteiden tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i atmosfärvetenskap
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-12-15
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-48-8
http://hdl.handle.net/10138/322100
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Aerosol particles present in the atmosphere can affect climate, visibility and human health. Low-volatility vapours form a large fraction of aerosol particles through gas-to-particle conversion. Our knowledge of chemical composition of low-volatility vapours has greatly improved in recent years with the development of more sensitive analytical tools. It is now widely accepted that in addition to sulphuric acid (SA), bases (e.g., ammonia and amines) and ions, which have been identified already a decade ago, highly oxygenated organic molecules (HOM) are crucial for the first steps of particle formation and growth. The main goal of this thesis was to identify which organic and inorganic vapours contribute to atmospheric particle formation in different environments. In this thesis, I aimed to 1) determine the role of HOM and SA in forming clusters and particles in the boreal forest; 2) identify the aerosol precursor vapours in a megacity; and 3) determine HOM composition and yield in laboratory oxidation of selected compounds emitted from these two environments. The primary tool that I used for investigating the vapours and clusters was an atmospheric pressure interface time-of-flight mass spectrometer (APi-TOF). It was applied to detect either natural ions or, when equipped with a nitrate chemical ionisation, electrically neutral vapours. To achieve the aims of the thesis, we conducted measurements at a boreal forest station in Finland and in Shanghai, China. In addition, we performed laboratory experiments in a flow reactor and an atmospheric simulation chamber. In the boreal forest, we observed that neutral HOM and SA concentrations influenced the composition of natural negatively charged clusters. Specifically, the ratio between HOM and SA controlled which chemical pathway initiated charged particle formation at this site. In contrast, by comparing our Shanghai observations to laboratory studies, we could conclude that SA-dimethylamine clustering initiated the formation of particles and their initial growth. In the laboratory experiments, we studied HOM formation in oxidation of sesquiterpenes and aromatics, which are emitted from the boreal forest and human activity, respectively. Both experiments showed that HOM formed at high yields. In aromatic oxidation, multi-step oxidation reactions were very important in HOM formation. The results of this thesis increased our understanding of vapours that participate in secondary aerosol formation in the atmosphere. Finally, the results underlined the utmost importance of combining ambient investigations with laboratory experiments in atmospheric science.Ilmakehän pienhiukkaset vaikuttavat ilmastoon, näkyvyyteen sekä terveyteen. Suuri osa näistä pienhiukkasista muodostuu heikosti haihtuvista höyryistä kaasu-hiukkasmuunnoksen kautta. Tiedämme näistä höyryistä huimasti enemmän kuin ennen viime vuosien mittalaitekehityksen ansiosta. Rikkihapon, emästen ja ionien, joiden tiedettiin vaikuttavan hiukkasmuodostukseen jo vuosikymmen sitten, lisäksi nykyään tiedetään, että myös korkeasti hapettuneet orgaaniset molekyylit (engl. highly oxygenated organic molecules, HOM) ovat tärkeitä hiukkasten muodostumisen ja kasvun kannalta. Tässä väitöskirjassa tutkin, mitkä orgaaniset ja epäorgaaniset höyryt ottavat osaa hiukkasten muodostumiseen erilaisissa ympäristöissä. Tässä väitöskirjatyössä pyrin 1) selvittämään HOM-yhdisteiden ja rikkihapon vaikutuksen molekyyliryppäiden ja pienhiukkasten muodostukseen havumetsän yllä, 2) määrittämään pienhiukkasia muodostavat aineet suurkaupungissa, ja 3) määrittämään laboratoriokokeissa HOM-yhdisteiden koostumuksen ja muodostumistehokkuuden näitä ympäristöjä edustavista yhdisteistä. Pääasiallinen väitöskirjassa käytetty mittalaite oli ilmanpaineliitäntäinen lentoaikamassaspektrometri (engl. atmospheric pressure interface time-of-flight mass spectrometer, APi-TOF). Sitä käytettiin sekä luonnollisesti varautuneiden höyryjen ja molekyylirypäiden havaitsemiseen, että, kemiallisen ionisaation suulakkeella varustettuna, sähköisesti neutraalien höyryjen havaitsemiseen. Käytimme näitä mittalaitteita suomalaisessa havumetsässä, sekä Shanghain megakaupungissa Kiinassa. Näiden kenttämittausten lisäksi käytimme samoja laitteita laboratoriokokeissa, niin virtausputkimittauksissa kuin ilmakehää simuloivassa kammiossakin. Havaitsimme, että havumetsässä mitatut, neutraalit HOM-yhdisteet ja rikkihappo vaikuttivat myös sähköisesti varattujen ionien koostumukseen. HOM-rikkihappo-suhde määritti, mikä mekanismi aloitti varattujen hiukkasten muodostumisen. Shanghaissa havaitsimme, laboratoriotuloksiin vertaamalla, että rikkihappo-dimetyyliamiini-ryvästyminen aloitti hiukkasmuodostuksen. Laboratoriossa tutkimme seskviterpeenien ja aromaattisten yhdisteiden muodostamia HOM-yhdisteitä. Näistä ensimmäistä pääsee ilmaan havumetsistä, ja toista ihmistoimien kautta. Havaitsimme kummastakin muodostuvan reippaasti HOM-yhdisteitä, ja että aromaattisten yhdisteiden tapauksessa monivaiheinen hapetus oli erittäin tärkeää yhdisteiden muodostumiselle. Väitöskirjan tulokset lisäävät ymmärrystämme höyryistä, jotka muodostavat pienhiukkasia ilmakehässä. Ne myös osoittavat kenttä- ja laboratoriomittauksien yhdistämisen tärkeyden ilmakehätieteissä.
Subject: atmospheric Science
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
garmash_olga_dissertation_2020.pdf 2.133Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record