Aerosol optical properties, black carbon and their spatio-temporal variation

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-56-3
Title: Aerosol optical properties, black carbon and their spatio-temporal variation
Author: Luoma, Krista
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, INAR – Institute for Atmospheric and Earth System Research
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-02-26
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-56-3
http://hdl.handle.net/10138/325857
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The amount and properties of atmospheric aerosol particles vary both in time and space depending on the proximity of the sources, atmospheric chemistry, and meteorological con-ditions. Atmospheric particulate matter worsens air quality and therefore affects human health. Aerosol particles have a notable effect also on the Earth’s climate by scattering and absorbing the solar radiation and via aerosol-cloud interactions. The absorbing fraction of particles warms the climate, but due to the aerosol-cloud interactions and the greater fraction of scattering particles, the total effect of aerosols on the climate is cooling. To determine the effect that particles have on the climate, it is crucial to know aerosol optical properties (AOPs) that describe the ability of atmospheric aerosol particles to scatter and absorb light at different wavelengths. The AOPs are determined by the size distribution, chemical composition, shape, and mixing state of the particles. This thesis aims to deepen the understanding of the AOPs and their relationships to the aerosol size distribution and chemical composition by combining comprehensive measurements of these parameters. The measurements were conducted at a rural boreal forest measurement site SMEAR II. This thesis also studies the spatial and temporal variation of aerosols, by utilizing long-term aerosol measurements from different environments that vary from background sites to urban locations. The study of the spatio-temporal variation focuses on the variation in equivalent black carbon (eBC), which stands for optically measured black carbon (BC). A majority of the aerosol absorption is caused by BC, and therefore it represents the aerosol particles that have a warming effect on the climate. Since BC is emitted mainly by anthropogenic activi-ties as a by-product of incomplete combustion, measurements of eBC give additional infor-mation on the health effects of aerosol particles since particles emitted from combustion sources are more harmful to health than aerosols from other sources. Studying the spatio-temporal variation in aerosol particles and especially in eBC concentration indicates the effect of anthropogenic activities on the aerosol concentration. The measurements of the AOPs are rather robust, cheap and easy to run, which is why the AOPs are commonly measured properties. However, challenges arise with absorption and eBC measurements, which are typically measured by filter-based methods. In optical filter measurements, also the filter interacts with the radiation causing nonlinearities and uncer-tainties in the measurements. In addition to understand better the AOPs and the spatio-tem-poral variation in the atmospheric particles, this thesis aims to improve the filter-based measurements and to understand better the effect of different instruments and filter loading correction algorithms on the measured AOPs.Aerosolihiukkaset ovat ilmassa leijuvia mikroskooppisen pieniä hiukkasia, jotka voivat olla joko nestemäisiä tai kiinteitä. Aerosolihiukkasia esiintyy kaikkialla maapallon ilmakehässä, mutta niiden määrä ja ominaisuudet vaihtelevat sekä ajallisesti että paikallisesti. Vaihtelu riippuu aerosolihiukkasten päästölähteistä, päästölähteiden etäisyydestä, ilmakehän kemiallisista prosesseista sekä meteorologisesta tilanteesta. Ilmakehän pienhiukkasilla on huomattava vaikutus ilmanlaatuun sekä maapallon ilmastoon. Aerosolihiukkaset vaikuttavat ilmastoon vuorovaikuttamalla sekä auringon säteilyn että pilvien kanssa. Hiukkaset vuorovaikuttavat säteilyn kanssa sirottamalla ja absorboimalla säteilyä. Tätä vuorovaikutusta kutsutaan suoraksi ilmastovaikutukseksi. Absorboiva osuus hiukkasista muuttaa säteilyn energian lämmöksi, mikä lämmittää ilmastoa. Kokonaisuudessa hiukkasten suora vaikutus ilmastoon on kuitenkin viilentävä, sillä suurin osa hiukkasista sirottaa auringon säteilyä, jolloin osa säteilystä heijastuu takaisin avaruuteen. Aerosolihiukkasten suora vaikutus ilmastoon riippuu hiukkasten optisista ominaisuuksista, jotka kuvaavat hiukkasten kykyä sirottaa ja absorboida säteilyä eri aallonpituuksilla. Optiset ominaisuudet riippuvat monesta eri tekijästä, joista tärkeimmät ovat hiukkasten kokojakauma sekä kemiallinen koostumus. Yksi tämän tutkielma tavoitteista onkin ymmärtää paremmin aerosolihiukkasten optisten ominaisuuksien, kokojakauman sekä kemiallisen koostumuksen välisiä riippuvuuksia. Näiden tekijöiden välisiä suhteita on tutkittu hyödyntämällä SMEAR II –asemalla suoritettuja pitkäaikaisia ja kattavia hiukkasmittauksia. Toinen tutkimuksen tavoitteista on selvittää kuinka hiukkasten määrä ja ominaisuudet vaihtelevat ajallisesti sekä paikallisesti. Ajallista ja paikallista vaihtelua tutkittiin hyödyntämällä pitkäaikaismittauksia, jotka on suoritettu erilaisissa ympäristöissä. Tutkitut ympäristöt vaihtelivat havumetsävyöhykkeellä sijaitsevasta tausta-asemasta (SMEAR II) kaupungissa sijaitseviin liikenneasemiin. Hiukkasten ajallisen ja paikallisen vaihtelun tutkiminen keskittyi etenkin mustan hiileen pitoisuuteen. Mustaa hiiltä päätyy ilmakehään polttoprosessien sivutuotteena, minkä vuoksi sen pitoisuus kuvaa hyvin ihmisperäisten hiukkasten lähteitä. Koska musta hiili absorboi säteilyä tehokkaasti, sillä on voimakas ilmastoa lämmittävä vaikutus. Etenkin polttoprosessien päästöt ovat haitallisia ihmisten terveydelle. Koska mustan hiilen pitoisuus edustaa hyvin polttoprosessien päästöjä, se antaa lisätietoa myös ilmanlaadusta. Aerosolihiukkasten säteilyn absorptiota sekä mustan hiilen pitoisuutta mitataan tyypillisesti samoja optisia mittalaitteita hyödyntäen. Nämä mittaukset ovat kuitenkin osoittautuneet haastaviksi, koska mittaukset perustuvat yleensä suodatinpohjaisiin menetelmiin. Suodatin aiheuttaa mittauksiin epävarmuuksia sekä virhelähteitä, koska suodattimelle kerättyjen hiukkasten lisäksi suodattimen kuidut vuorovaikuttavat säteilyn kanssa. Kolmas tämän tutkimuksen tavoitteista liittyykin suodatinpohjaisten mittausmenetelmien epävarmuuksiin, joita on tutkittu vertailemalla erilaisia SMEAR II –asemalla mitanneita laitteita sekä niihin liittyviä korjausalgoritmeja keskenään.
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

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
luoma_krista_dissertation_2021.pdf 1.374Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record