Experimental studies on new particle formation and ions

Atmospheric aerosol particles have significant climatic effects. Secondary new particle formation is a globally important source of these particles. Currently, the mechanisms of particle formation and the vapours participating in this process are, however, not truly understood. The recently developed Neutral cluster and Air Ion Spectrometer (NAIS) was widely used in field studies of atmospheric particle formation. The NAIS was calibrated and found to be in adequate agreement with the reference instruments. It was concluded that NAIS can be reliably used to measure ions and particles near the sizes where the atmospheric particle formation begins. The main focus of this thesis was to study new particle formation and participation of ions in this process. To attain this objective, particle and ion formation and growth rates were studied in various environments - at several field sites in Europe, in previously rarely studied sites in Antarctica and Siberia and also in an indoor environment. New particle formation was observed at all sites were studied and the observations were used as indicatives of the particle formation mechanisms. Particle size-dependent growth rates and nucleation mode hygroscopic growth factors were examined to obtain information on the particle growth. It was found that the atmospheric ions participate in the initial steps of new particle formation, although their contribution was minor in the boundary layer. The highest atmospheric particle formation rates were observed at the most polluted sites where the role of ions was the least pronounced. Furthermore, the increase of particle growth rate with size suggested that enhancement of the growth by ions was negligible. Participation of organic vapours in the particle growth was supported by laboratory and field observations. It was addressed that secondary new particle formation can also be a significant source of indoor air particles. These results, extending over a wide variety of environments, give support to previous observations and increase understanding on new particle formation on a global scale.

Hengittämämme ilma on esimerkki aerosolista. Ilmassa leijuvia pieniä, halkaisijaltaan nanometreistä mikrometreihin olevia hiukkasia kutsutaan aerosolihiukkasiksi. Hiukkasten pitoisuus, koostumus ja koko vaihtelevat ympäristöittäin. Aerosolihiukkaset vaikuttavat globaaliin ilmastoon viilentävästi; ne sirottavat auringon säteilyä takaisin avaruuteen ja toimivat pilvipisaroiden tiivistymisytiminä, vaikuttaen siten pilvien heijastavuuteen ja elinikään. Aerosolihiukkasten lähteitä ovat esimerkiksi aavikon pöly, merien pärskeet, kasvillisuus ja teollisuus. Hiukkasia syntyy myös sekundäärisesti ilmakehässä olevista kaasuista, kaasumolekyylien muodostaessa ryppäitä ja kasvaessa yhä useampien molekyylien tiivistyessä ryppäiden pinnalle. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että tätä sekundääristä hiukkasmuodostusta tapahtuu laajalti ympäri maapalloa ja hyvinkin erilaisissa olosuhteissa. Koska sekundäärisesti muodostuneet hiukkaset ovat pieniä, vain muutaman molekyylin kokoisia, on niiden tutkiminen erityisen haastavaa. Hiukkasmuodostuksen täsmälliset mekanismit, sekä merkittävimmät hiukkasia muodostavat ja kasvattavat kaasut ovat yhä osin epäselviä. On esitetty, että ilmakehässä jatkuvasti läsnä olevat pienet varautuneet hiukkaset, ionit, voisivat olla merkittävä osatekijä hiukkasmuodostuksessa. Väitöskirjassani tutkin sekundääristen, kaasu-hiukkasmuuntuman kautta ilmakehään syntyvien, hiukkasten syntymekanismeja sekä varautuneiden hiukkasten, ionien, vaikutusta hiukkasten muodostumiseen. Mittauksia tehtiin Etelämantereella, Trans-Siperian junamatkalla Venäjällä, 12 paikassa Euroopassa sekä myös sisäilmassa. Kaikissa mittauspaikoissa havaittiin sekundääristä hiukkasmuodostusta. Mittausten perusteella laskettiin mm. hiukkasten muodostumis- ja kasvunopeuksia ja tuloksia hyödynnettiin hiukkasten syntymekanismien ja kasvun tutkimisessa. Johtopäätöksenä todettiin, että ionit voivat osallistua hiukkasmuodostuksen alkuvaiheisiin, joskin ionien merkitys prosessille on alailmakehässä pienehkö. Tulokset myös osaltaan tukevat aiempia tutkimuksia orgaanisten höyryjen osallistumisesta hiukkasten kasvuun. Uutta tietoa saatiin myös hiukkasten ja ionien ominaisuuksista ennestään vähemmän tutkituilla alueilla Etelämantereella ja Siperiassa. Väitöskirjatutkimuksen tulokset auttavat ymmärtämään hiukkasmuodostusta globaalina ilmiönä ja toimivat tärkeänä vertailutietona ilmastomalleille.