Experimental studies on nucleation and atmospheric aerosol particle formation down to the molecular level

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978‐952-­5822-­85-­4
Title: Experimental studies on nucleation and atmospheric aerosol particle formation down to the molecular level
Author: Schobesberger, Siegfried
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Atmospheric aerosols have important effects on health and climate. An important source is the formation of aerosol particles from gas-phase precursors. In this thesis, the goal was to improve our understanding of how exactly this atmospheric particle formation proceeds. Attempts have been made to describe aerosol particle formation by classical nucleation theory. To test this theory, the heterogeneous nucleation of n-propanol vapor on 4 11 nm seed particles was investigated. The choice of seed particle material was found to determine if classical theories could be applied or not, probably because of material-specific inter-molecular interactions between the vapor and the seed particle. The classical theories fail to describe these interactions, which can be crucial in microscopic systems. The critical processes of atmospheric particle formation occur at sizes below 2 nm. In this thesis, novel techniques were employed to access this size range, primarily the atmospheric pressure interface time-of-flight (APi-TOF) mass spectrometer that can directly measure the composition of ions and ionic clusters up to a size of about 2 nm. APi-TOFs were employed at the CLOUD facility at CERN during experiments that focused on exploring particle formation from various systems of vapors. The results of the APi-TOF measurements were the key in revealing the detailed mechanisms of how clusters were initially formed by which vapors, and how these clusters grew to sizes > 2 nm. Clusters of sulfuric acid + ammonia and sulfuric acid + dimethylamine were shown to form and grow via strong hydrogen bonds. The APi-TOF measurements also showed that certain large monoterpene oxidation products, some of them very highly oxidized, can directly bind with bisulfate ions and with sulfuric acid molecules. The clusters then grow by the addition of more of these large oxidized organics and sulfuric acid molecules. Similarities with results from measurements in the boreal forest suggest that large oxidized organics indeed play a crucial role in ambient particle formation events. A light airplane was used to explore how the mechanisms of actual aerosol particle formation vary throughout the atmosphere above the boreal forest, from the canopy up into the free troposphere. They confirmed the extent of boundary layer new particle formation events, and showed indications of an important role of dynamical processes at the top of the boundary layer. Local enhancements of particle formation were observed in connection with clouds. This thesis goal was achieved chiefly by using state-of-the-art experimental techniques together with high-quality laboratory experiments as well as in the field, and by taking ambient measurements aloft. Hopes are that this work will prove to be an important contribution in advancing our knowledge of the detailed mechanisms of atmospheric aerosol particle formation.Pienhiukkasia on kaikkialla maapallon ilmakehässä. Niiden haitallisten terveysvaikutusten lisäksi ne voivat heijastaa auringon valoa takaisin avaruuteen ja toimia pilvien tiivistymisytiminä. Näin pienhiukkaset vaikuttavat jäähdyttävästi ilmastoon. Monet pienhiukkasista muodostuvat tietyistä kaasuista, joita on ilmakehässä hyvin pieninä pitoisuuksina. Tämän väitöskirjan päätavoitteena on parantaa ymmärrystä siitä, mistä kaasuista hiukkaset muodostuvat ja vastata yksityiskohtaisesti kysymykseen, miten hiukkasmuodostus tapahtuu alusta alkaen. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa tehtiin kokeita joilla tutkittiin klassisten hiukkasmuodostusteorioiden paikkansa pitävyyttä. Kokeilla saatiin selville, että klassiset teoriat voivat olla riittämättömiä, kun halutaan kuvata alle kymmenen nanometrin kokoisten hiukkasten tärkeitä prosesseja. Kuitenkin, pienhiukkaset jotka muodostuvat kaasuista ilmakehässä ovat aluksi alle kahden nanometrin kokoisia, ja ne koostuvat vain muutamista molekyyleistä. Tässä väitöskirjassa käytettiin uusia mittausmenetelmiä , jotta voidaan tutkia näitä hiukkasmuodostusprosesseja molekyylitasolla. Uutta massaspektrometriä (APi-TOF) käytettiin mittamaan molekyylien ja molekyyliklusterien kemiallista koostumusta. APi-TOF:it vietiin CLOUD-kammioon CERN-tutkimuskeskukseen, joka on tällä hetkellä edistyksellisin paikka tutkia, mitkä kaasut ja höyryt muodostavat pienhiukkasia. APi-TOF:illa saadut tutkimustulokset todellakin pystyivät paljastamaan mitkä kaasut muodostivat ja myöhemmin kasvattivat hiukkaset yli kahden nanometrin kokoihin. Erityisesti klusteroituneet rikkihapon ja emästen (esim. ammoniakki ja amiineja) molekyylit muodostavat ja kasvattavat hiukkasia, siten että ne tekevät vahvoja vetysidoksia happo- ja emäsmolekyylien välille. Lisäksi APi-TOF mittaukset paljastivat, että rikkihappo voi muodostaa sidoksia tiettyjen orgaanisten molekyylien kanssa, jotka ovat syntyneet esim. puiden erittämien yhdisteiden hapettuessa. (Nämä orgaaniset yhdisteet muodostavat tutun metsän tuoksun.) Vastaavia tuloksia saatiin myös ulkoilmamittauksissa havumetsävyöhykkeellä Etelä-Suomessa. Täten nuo hapettuneet orgaaniset yhdisteet näyttävät olevan merkittäviä pienhiukkasten muodostumisessa myös havumetsissä. Väitöskirja sisältää myös lentokonemittauksia Etelä-Suomen havumetsien yläpuolella. Näissä lentomittauksissa tutkittiin, kuinka hiukkasmuodostus muuttuu kun siirrytään puiden latvan tasolta neljän kilometrin korkeuteen. Nämä mittaukset näyttivät, että eri ilmakehän osien sekoittuminen toistensa kanssa saattaa olla tärkeää, koska ilman sekoittuminen voi mahdollistaa juuri hiukkasmuodostukselle suotuisat olosuhteet. Tämän väitöskirjan tavoitteet saavutettiin käyttäen huippumittaustekniikkaa luotettavissa laboratoriokokeissa ja ulkoilmamittauksissa, sekä vieden mittaukset myös yläilmoihin. Toivottavasti tämä työ tarjoaa merkittävän panoksen parantamaan ymmärrystämme mekanismeista, joilla ilmakehän hiukkaset muodostuvat.
URI: URN:ISBN:978‐952-­5822-­85-­4
http://hdl.handle.net/10138/42962
Date: 2014-03-14
Subject: physics
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
experime.pdf 1.476Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record