Understanding the chemistry of atmospheric aerosol particle formation via observations of physical properties

It is widely accepted that the global climate is heating up due to human activities, such as burning of fossil fuels. Therefore we find ourselves forced to make decisions on what measures, if any, need to be taken to decrease our warming effect on the planet before any irrevocable damage occurs. Research is being conducted in a variety of fields to better understand all relevant processes governing Earth s climate, and to assess the relative roles of anthropogenic and biogenic emissions into the atmosphere. One of the least well quantified problems is the impact of small aerosol particles (both of anthropogenic and biogenic origin) on climate, through reflecting solar radiation and their ability to act as condensation nuclei for cloud droplets. In this thesis, the compounds driving the biogenic formation of new particles in the atmosphere have been examined through detailed measurements. As directly measuring the composition of these newly formed particles is extremely difficult, the approach was to indirectly study their different characteristics by measuring the hygroscopicity (water uptake) and volatility (evaporation) of particles between 10 and 50 nm. To study the first steps of the formation process in the sub-3 nm range, the nucleation of gaseous precursors to small clusters, the chemical composition of ambient naturally charged ions were measured. The ion measurements were performed with a newly developed mass spectrometer, which was first characterized in the laboratory before being deployed at a boreal forest measurement site. It was also successfully compared to similar, low-resolution instruments. The ambient measurements showed that sulfuric acid clusters dominate the negative ion spectrum during new particle formation events. Sulfuric acid/ammonia clusters were detected in ambient air for the first time in this work. Even though sulfuric acid is believed to be the most important gas phase precursor driving the initial cluster formation, measurements of the hygroscopicity and volatility of growing 10-50 nm particles in Hyytiälä showed an increasing role of organic vapors of a variety of oxidation levels. This work has provided additional insights into the compounds participating both in the initial formation and subsequent growth of atmospheric new aerosol particles. It will hopefully prove an important step in understanding atmospheric gas-to-particle conversion, which, by influencing cloud properties, can have important climate impacts. All available knowledge needs to be constantly updated, summarized, and brought to the attention of our decision-makers. Only by increasing our understanding of all the relevant processes can we build reliable models to predict the long-term effects of decisions made today.

Brännandet av stora mängder fossila bränslen under de senaste århundraden har ökat koldioxidhalten i luften, vilket tros leda till en växthuseffekt som värmer vår planet. Atmosfären är dock ett oerhört komplicerat system där samarbete mellan en mängd olika forskningsgrenar krävs för att förstå alla relevanta processer. En ju mer komplett bild av atmosfären vi har, desto sannolikare kan vi göra de rätta besluten för att trygga vår framtid. En av de processer som anses vara av stor betydelse, men som har visat sig mycket svår att kvantifiera, är aerosolpartiklarnas inverkan på jordens strålningsbalans. Aerosolpartiklar är små luftburna partiklar i antingen fast form eller vätskeform som kan direkt reflektera solljus tillbaka ut i rymden eller fungera som kärnor för molndroppar. Höga halter partiklar leder till flera, men mindre, molndroppar, som i sin tur leder till ljusare och mer långlivade moln som effektivt reflekterar solens strålning och därmed ger upphov till en nedkylande effekt. Aerosolpartiklar produceras både i naturen och av människan, och för att förstå följderna av ökad eller minskad antropogen partikelproduktion måste vi först förstå den naturliga produktionen. Denna avhandling har fokuserat på att ge insikt i den kemiska sammansättningen av de allra minsta (pienempi kuin 50 nm i diameter) partiklarna i situationer där nya partiklar bildas genom nukleation och kondensation av gasmolekyler. P.g.a. de väldigt små massorna hos dessa partiklar, är det mycket svårt att direkt mäta deras kemiska sammansättning. I detta arbete har indirekta metoder använts för att få information om vad partiklarna kan innehålla. Partiklarnas hygroskopisitet, d.v.s. deras förmåga att uppta vatten, samt deras volatilitet, d.v.s. mängden material som förångas från partiklarna vid upphettning, uppmättes i ett barrskogsområde i södra Finland. Därtill studerades sammansättningen hos luftens joner under partikelformation på samma ställe. Resultaten av de indirekta mätningarna tyder på att nukleationsprocessen domineras av svavelsyra som bildar kluster, möjligen stabiliserade av baser såsom ammoniak, som senare växer genom kondensation. Kondensationen som leder till 10-50 nm stora partiklar är dock dominerad av oxiderade organiska föreningar. Dessa organiska föreningar härstammar sannolikt från kolväten som avgetts från de omkringliggande träden, medan svavelsyran, som produceras genom oxidering av svaveldioxid, kan vara influerad av människan. Denna avhandling är ett litet, men viktigt, steg framåt i vår strävan efter en kvantitativ förståelse över hur aerosolpartiklarna inverkar på jordens klimat. Den förståelsen kommer, i sin tur, att hjälpa oss att producera pålitligare klimatmodeller som kan förutspå framtida klimat på basen av olika utsläppsscenarier.