Analyses on the formation of atmospheric particles and stabilized sulphuric acid clusters

Abstract

Aerosol particles have various effects on our life. They affect the visibility and have diverse health effects, but are also applied in various applications, from drug inhalators to pesticides. Additionally, aerosol particles have manifold effects on the Earths radiation budget and thus on the climate. The strength of the aerosol climate effect is one of the factors causing major uncertainties in the global climate models predicting the future climate change. Aerosol particles are emitted to atmosphere from various anthropogenic and biogenic sources, but they are also formed from precursor vapours in many parts of the world in a process called atmospheric new particle formation (NPF). The uncertainties in aerosol climate effect are partly due to the current lack of knowledge of the mechanisms governing the atmospheric NPF. It is known that gas phase sulphuric acid most certainly plays an important role in atmospheric NPF. However, also other vapours are needed in NPF, but the exact roles or even identities of these vapours are currently not exactly known.

In this thesis I present some of the recent advancements in understanding of the atmospheric NPF in terms of the roles of the participating vapours and the meteorological conditions. Since direct measurements of new particle formation rate in the initial size scale of the formed particles (below 2 nm) are so far infrequent in both spatial and temporal scales, indirect methods are needed. The work presented on the following pages approaches the NPF from two directions: by analysing the observed formation rates of particles after they have grown to sizes measurable with widely applied instruments (2 nm or larger), and by measuring and modelling the initial sulphuric acid cluster formation.

The obtained results can be summarized as follows. i) The observed atmospheric new particle formation rates are typically connected with sulphuric acid concentration to the power close to two. ii) Also other compounds, most probably strong bases such as amines and oxidized organic vapours, influence the NPF. In some locations their impact even dictates the observed particle formation rate. iii) Air temperature has an explicit effect on the formation of stable sulphuric acid clusters, in which also the relative humidity seems to play a role. These impacts of meteorological quantities on the initial cluster formation seem to influence also the observed particle formation rate.

Aerosoli- eli pienhiukkaset vaikuttavat elämäämme monin tavoin. Niillä on moninaisia terveysvaikutuksia ja niitä käytetään useissa hyödyllisissä sovelluksissa. Lisäksi ne vaikuttavat Maan säteilytasapainoon ja siten ilmastoon. Epävarmuus aerosolihiukkasten ilmastovaikutusten voimakkuudesta aiheuttaa osaltaan epätarkkuutta ilmastomallien kykyyn ennustaa ilmastonmuutoksen kehittymistä.

Aerosolihiukkasia pääsee ilmaan monista ihmisperäisistä ja luonnollisista lähteistä, mutta niitä muodostuu myös tiivistymällä ilmakehän höyryistä. Näin muodostuneita hiukkasia kutsutaan sekundäärihiukkasiksi. Sekundäärihiukkasia muodostuu ilmakehässä laajoilla alueilla ympäri maailman, mutta muodostumisen aiheuttavaa mekanismia ei nykyään vielä tarkasti tunneta. Tiedetään, että rikkihapolla on muodostumisprosessissa merkittävä rooli, mutta prosessiin tarvitaan muitakin höyryjä. Se, mitä nämä muut höyryt ovat ja miten ne tarkalleen ottaen hiukkasten muodostumiseen vaikuttavat, on edelleen epäselvää.

Tässä väitöskirjassani esittelen viimeaikaisia tuloksia sekundäärihiukkasten muodostumiseen osallistuvien höyryjen pitoisuuksien sekä meteorologisten muuttujien vaikutuksesta hiukkasmuodostukseen. Tutkimuksissa havaittiin ilmakehässä mitatun sekundäärihiukkasten muodostumisnopeuden olevan tyypillisesti verrannollinen rikkihappopitoisuuden toiseen potenssiin. Myös kasvien emittoimien ilmakehässä hapettuneiden orgaanisten höyryjen pitoisuuden havaittiin vaikuttavan hiukkasten muodostumisnopeuteen, joissain olosuhteissa jopa rikkihappopitoisuutta merkittävämmin. Vahvojen emästen, kuten amiinien, vaikutusta hiukkasmuodostukseen tutkittiin mittaamalla ja mallintamalla kaksi rikkihappomolekyyliä sisältävien emästen stabiloimien klustereiden muodostumista. Saatujen tulosten mukaan höyrypitoisuuksien lisäksi ilman lämpötilalla on merkittävä vaikutus stabiilien rikkihappoklustereiden muodostumisessa. Näiden klustereiden kasvu höyryjen tiivistymisen seurauksena on yksi varteenotettavimmista mekanismeista selittämään havaintoja hiukkasmuodostumisesta. Stabiilien klustereiden muodostumisnopeuden hidastuminen kohoavan lämpötilan seurauksena näyttäisi ilmakehämittausten perusteella vähentävän sekundäärihiukkasten muodostumista.