Characterisation and source identification of pollution episodes caused by long-range transported aerosols

Aerosol particles can cause detrimental environmental and health effects. The particles and their precursor gases are emitted from various anthropogenic and natural sources. It is important to know the origin and properties of aerosols to efficiently reduce their harmful effects. The diameter of aerosol particles (Dp) varies between ~0.001 and ~100 μm. Fine particles (PM2.5: Dp < 2.5 μm) are especially interesting because they are the most harmful and can be transported over long distances. The aim of this thesis is to study the impact on air quality by pollution episodes of long-range transported aerosols affecting the composition of the boundary-layer atmosphere in remote and relatively unpolluted regions of the world. The sources and physicochemical properties of aerosols were investigated in detail, based on various measurements (1) in southern Finland during selected long-range transport (LRT) pollution episodes and unpolluted periods and (2) over the Atlantic Ocean between Europe and Antarctica during a voyage. Furthermore, the frequency of LRT pollution episodes of fine particles in southern Finland was investigated over a period of 8 years, using long-term air quality monitoring data. In southern Finland, the annual mean PM2.5 mass concentrations were low but LRT caused high peaks of daily mean concentrations every year. At an urban background site in Helsinki, the updated WHO guideline value (24-h PM2.5 mean 25 μg/m3) was exceeded during 1-7 LRT episodes each year during 1999-2006. The daily mean concentrations varied between 25 and 49 μg/m3 during the episodes, which was 3-6 times higher than the mean concentration in the long term. The in-depth studies of selected LRT episodes in southern Finland revealed that biomass burning in agricultural fields and wildfires, occurring mainly in Eastern Europe, deteriorated air quality on a continental scale. The strongest LRT episodes of fine particles resulted from open biomass-burning fires but the emissions from other anthropogenic sources in Eastern Europe also caused significant LRT episodes. Particle mass and number concentrations increased strongly in the accumulation mode (Dp ~ 0.09-1 μm) during the LRT episodes. However, the concentrations of smaller particles (Dp < 0.09 μm) remained low or even decreased due to the uptake of vapours and molecular clusters by LRT particles. The chemical analysis of individual particles showed that the proportions of several anthropogenic particle types increased (e.g. tar balls, metal oxides/hydroxides, spherical silicate fly ash particles and various calcium-rich particles) in southern Finland during an LRT episode, when aerosols originated from the polluted regions of Eastern Europe and some open biomass-burning smoke was also brought in by LRT. During unpolluted periods when air masses arrived from the north, the proportions of marine aerosols increased. In unpolluted rural regions of southern Finland, both accumulation mode particles and small-sized (Dp ~ 1-3 μm) coarse mode particles originated mostly from LRT. However, the composition of particles was totally different in these size fractions. In both size fractions, strong internal mixing of chemical components was typical for LRT particles. Thus, the aging of particles has significant impacts on their chemical, hygroscopic and optical properties, which can largely alter the environmental and health effects of LRT aerosols. Over the Atlantic Ocean, the individual particle composition of small-sized (Dp ~ 1-3 μm) coarse mode particles was affected by continental aerosol plumes to distances of at least 100-1000 km from the coast (e.g. pollutants from industrialized Europe, desert dust from the Sahara and biomass-burning aerosols near the Gulf of Guinea). The rate of chloride depletion from sea-salt particles was high near the coasts of Europe and Africa when air masses arrived from polluted continental regions. Thus, the LRT of continental aerosols had significant impacts on the composition of the marine boundary-layer atmosphere and seawater. In conclusion, integration of the results obtained using different measurement techniques captured the large spatial and temporal variability of aerosols as observed at terrestrial and marine sites, and assisted in establishing the causal link between land-bound emissions, LRT and air quality.

Aerosolihiukkaset ovat ilmassa leijuvia nestemäisiä ja kiinteitä hiukkasia, joiden koko vaihtelee 0,001 ja 100 μm (mikrometri = millimetrin tuhannesosa) välillä. Erityisesti pienhiukkaset (PM2,5 eli koko alle 2,5 μm) voivat aiheuttaa vakavia ympäristö- ja terveyshaittoja. Suomessa, sekä maaseudulla että kaupungeissa, suurin osa ilmassa leijuvasta pienhiukkasmassasta on kaukokulkeutunut maan rajojen ulkopuolelta. Jotta hiukkasten haitallisia vaikutuksia voitaisiin torjua mahdollisimman tehokkaasti, tarvitaan entistä tarkempaa tietoa niiden ominaisuuksista ja lähteistä. Tässä työssä tutkittiin, kuinka kaukokulkeutuneiden aerosolien aiheuttamat saaste-episodit vaikuttavat ilmanlaatuun. Hiukkasten lähteitä ja fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia selvitettiin monilla mittauksilla, jotka tehtiin (1) Etelä-Suomessa valikoitujen kaukokulkeumaepisodien ja puhtaiden jaksojen aikaan sekä (2) Atlantin valtamerellä Euroopan ja Etelämantereen välisen merimatkan aikana. Lisäksi pienhiukkasten kaukokulkeumaepisodien yleisyyttä tutkittiin ilmanlaadun seurantatulosten perusteella Etelä-Suomessa kahdeksan vuoden jaksolla. Pienhiukkaspitoisuudet ovat vuositasolla matalia Etelä-Suomessa, mutta kaukokulkeumaepisodit aiheuttavat korkeita vuorokausipitoisuushuippuja joka vuosi. Maailman terveysjärjestön (WHO) ohjearvo pienhiukkasten vuorokausipitoisuudelle (25 µg/m3) ylittyi Helsingin kaupunkitausta-asemalla Kalliossa 1-7 kaukokulkeumaepisodin aikana vuosittain jaksolla 1999-2006. Pienhiukkaspitoisuudet nousivat pääkaupunkiseudulla episodien vuoksi suunnilleen samalle tasolle kuin Euroopan saasteisimpien kaupunkien tavanomaiset pitoisuudet. Suurin osa kaukokulkeutuneesta hiukkasmassasta kuului pienhiukkasten kokoluokkaan. Voimakkaimpien kaukokulkeumaepisodien aikaan Suomeen kulkeutui Itä-Euroopan maastopalojen ja peltojen kulotusten päästöistä peräisin olevia hiukkasia. Myös muut Itä-Euroopan ihmistoiminnasta peräisin olevat päästöt (mm. energiantuotannosta, liikenteestä, teollisuudesta ja pienpoltosta) aiheuttivat melko voimakkaita kaukokulkeumajaksoja Etelä-Suomessa. Avopaloista ja ihmistoiminnasta peräisin olevien hiukkastyyppien (mm. tervapallot, metallioksidit/hydroksidit, pallomaiset lentotuhkahiukkaset ja kalsiumrikkaat hiukkaset) lukumääräosuudet kasvoivat kaukokulkeumaepisodien aikaan. Merisuolahiukkasten osuus kasvoi, kun ilmamassat saapuivat pohjoisesta hyvin puhtailla mittausjaksoilla. Kaukokulkeutumisen aikana yksittäishiukkasiin oli kertynyt ja sekoittunut useita kemiallisia komponentteja (ns. internal mixing), mikä voi muuttaa voimakkaasti hiukkasten aiheuttamia ympäristö- ja terveysvaikutuksia. Atlantin valtamerellä mantereilta peräisin olevat aerosolit vaikuttivat hiukkaskoostumukseen ainakin 100-1000 km etäisyydellä rannikosta (mm. saasteita Euroopasta, autiomaapölyä Saharasta ja biomassan poltosta peräisin olevia aerosoleja Guineanlahden lähettyviltä). Mantereisista lähteistä peräisin olevilla aerosoleilla on näin ollen merkittäviä vaikutuksia sekä ilmakehän että meriveden koostumukseen kaukana niiden lähdealueista. Useita mittausmenetelmiä yhdistelemällä saadut tulokset osoittivat, että erilaisten kaukokulkeutuneiden aerosolien vaikutus ilmanlaatuun vaihtelee voimakkaasti ajan ja paikan suhteen sekä mantereella että merellä.