Dynamics of neutral and charged aerosol particles

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-5822-67-0
Title: Dynamics of neutral and charged aerosol particles
Author: Leppä, Johannes
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Atmospheric Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Report series in aerosol scince - URN:ISSN:0784-3496
Abstract: Atmospheric aerosol particles have various climate effects and adverse health effects, which both depend on the size and number concentration of the particles. Freshly-formed particles are not large enough to impact neither health nor climate and they are most susceptible to removal by collisions with larger pre-existing particles. Consequently, the knowledge of both the formation and the growth rate of particles are crucially important when assessing the health and climate effects of atmospheric new particle formation. The purpose of this thesis is to increase our knowledge of the dynamics of neutral and charged aerosol particles with a specific interest towards the particle growth rate and processes affecting the aerosol charging state. A new model, Ion-UHMA, which simulates the dynamics of neutral and charged particles, was developed for this purpose. Simple analytical formulae that can be used to estimate the growth rate due to various processes were derived and used to study the effects of charged particles on the growth rate. It was found that the growth rate of a freshly-formed particle population due to condensation and coagulation could be significantly increased when a considerable fraction of the particles are charged. Finally, recent data-analysis methods that have been applied to the aerosol charging states obtained from the measurements were modified for a charge asymmetric framework. The methods were then tested on data obtained from aerosol dynamics simulations. The methods were found to be able to provide reasonable estimates on the growth rate and proportion of particles formed via ion-induced nucleation, provided that the growth rate is high enough and that the charged particles do not grow much more rapidly than the neutral ones. A simple procedure for estimating whether the methods are suitable for analysing data obtained in specific conditions was provided. In this thesis, the dynamics of neutral and charged aerosol particles were studied in detail. Combined with the current field and chamber measurements of neutral and charged particles, the analytical tools provided here can be used to study the atmospheric new particle formation and growth more comprehensively and, eventually, to decrease the uncertainty related to climate effects of aerosol particles.Ilmakehän aerosolihiukkasilla on moninaisia vaikutuksia ilmastoon sekä haitallisia terveysvaikutuksia. Näiden vaikutusten suuruus määräytyy hiukkasten koon ja lukumääräpitoisuuden mukaan. Vastamuodostuneet hiukkaset ovat liian pieniä vaikuttaakseen ilmastoon tai terveyteen ja pienimmät hiukkaset ovat kaikkein alteimpia poistumaan yhdistymällä suurempiin hiukkasiin. Näin ollen sekä hiukkasten muodostumisen että kasvun tunteminen on ensiarvoisen tärkeää arvioitaessa ilmakehässä tapahtuvan hiukkasmuodostuksen vaikutusta ilmastoon ja terveyteen. Tämän väitöskirjan tarkoitus on lisätä tietämystämme sähköisesti varattujen ja neutraalien aerosolihiukkasten dynamiikasta, erityisesti hiukkasten kasvuun ja aerosolin varaustilan muutokseen liittyvistä prosesseista. Tätä tarkoitusta varten kehitettiin uusi malli, Ion-UHMA, joka simuloi neutraalien ja varattujen aerosolihiukkasten dynamiikkaa. Lisäksi johdettiin yksinkertaisia yhtälöitä, joita voidaan käyttää eri prosessien aiheuttaman kasvunopeuden määrittämiseen. Käyttämällä näitä yhtälöitä uudella mallilla tuotettuun aineistoon pystyttiin osoittamaan, että vastamuodostuneen hiukkasjoukon kasvunopeus voi olla selkeästi suurempi, mikäli merkittävä osa hiukkasista on varattuja. Lopuksi, kaksi mittauksissa havaitun aerosolin varaustilan analysointiin käytettyä menetelmää muokattiin huomioimaan tilanteet, joissa erimerkkisten varausten ei voida olettaa käyttäytyvän symmetrisesti. Näitä menetelmiä testattiin käyttämällä niitä simulaatioista saatuun aineistoon. Testissä havaittiin, että menetelmillä pystyttiin arvioimaan hiukkasten kasvunopeutta ja varattuina muodostuneiden hiukkasten osuutta, mikäli hiukkasten kasvunopeus oli riittävän korkea ja varatut hiukkaset eivät kasvaneet huomattavasti nopeammin kuin neutraalit. Tässä väitöskirjassa on tutkittu yksityiskohtaisesti neutraalien ja varattujen aerosolihiukkasten dynamiikkaa. Yhdistämällä tässä työssä tuotettuja analyyttisiä menetelmiä ja tämänhetkisiä kenttä- ja laboratoriomittauksia voidaan ilmakehän aerosolihiukkasten kasvua ja muodostumista tutkia aikaisempaa perusteellisemmin ja siten vähentää aerosolihiukkasten ilmastovaikutuksiin liittyviä epävarmuuksia.
URI: URN:ISBN:978-952-5822-67-0
http://hdl.handle.net/10138/37494
Date: 2012-11-23
Subject: fysiikka
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
leppa_dissertation.pdf 530.5Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record