Observations on the first steps of atmospheric particle formation and growth

Atmospheric aerosol particles have a significant impact on air quality, human health and global climate. The climatic effects of secondary aerosol are currently among the largest uncertainties limiting the scientific understanding of future and past climate changes. To better estimate the climatic importance of secondary aerosol particles, detailed information on atmospheric particle formation mechanisms and the vapours forming the aerosol is required. In this thesis we studied these issues by applying novel instrumentation in a boreal forest to obtain direct information on the very first steps of atmospheric nucleation and particle growth. Additionally, we used detailed laboratory experiments and process modelling to determine condensational growth properties, such as saturation vapour pressures, of dicarboxylic acids, which are organic acids often found in atmospheric samples. Based on our studies, we came to four main conclusions: 1) In the boreal forest region, both sulphurous compounds and organics are needed for secondary particle formation, the previous contributing mainly to particle formation and latter to growth; 2) A persistent pool of molecular clusters, both neutral and charged, is present and participates in atmospheric nucleation processes in boreal forests; 3) Neutral particle formation seems to dominate over ion-mediated mechanisms, at least in the boreal forest boundary layer; 4) The subcooled liquid phase saturation vapour pressures of C3-C9 dicarboxylic acids are of the order of 1e-5 1e-3 Pa at atmospheric temperatures, indicating that a mixed pre-existing particulate phase is required for their condensation in atmospheric conditions. The work presented in this thesis gives tools to better quantify the aerosol source provided by secondary aerosol formation. The results are particularly useful when estimating, for instance, anthropogenic versus biogenic influences and the fractions of secondary aerosol formation explained by neutral or ion-mediated nucleation mechanisms, at least in environments where the average particle formation rates are of the order of some tens of particles per cubic centimeter or lower. However, as the factors driving secondary particle formation are likely to vary depending on the environment, measurements on atmospheric nucleation and particle growth are needed from around the world to be able to better describe the secondary particle formation, and assess its climatic effects on a global scale.

Hengittämämme ilma ei koostu pelkästään kaasumolekyyleistä: jokaisessa kuutiosenttimetrissä ilmaa on tyypillisesti tuhansia kiinteitä tai nestemäisiä pienhiukkasia. Nämä ilmakehän aerosolihiukkaset vaikuttavat merkittävästi ilmanlaatuun, ihmisten terveyteen ja maapallon ilmastoon. Hallitustenvälisen ilmastopaneelin (IPCC) viimeisimmän raportin mukaan epävarmuus pienhiukkasten globaaleista ilmastovaikutuksista on suurin ilmastonmuutoksen tieteellistä ymmärtämistä rajoittava yksittäinen tekijä. Jotta arvioita pienhiukkasten vaikutuksia ilmastoon voitaisiin tarkentaa, hiukkasten synty- ja kasvumekanismit sekä niihin ilmakehässä osallistuvat höyryt tulee selvittää. Tässä työssä tutkittiin pienhiukkasten muodostumista tiivistyvistä höyryistä pohjoisissa havumetsissä. Työssä yhtäältä havainnoitiin nanohiukkasten muodostumista ja kasvua vastikään kehitetyillä mittalaitteilla Hyytiälän metsäasemalla Juupajoella. Toisaalta selvitettiin eräiden ilmakehässä tavallisesti esiintyvien orgaanisten happojen, niin sanottujen dikarboksyylihappojen, tiivistymisominaisuuksia laboratoriokokeiden sekä massan- ja lämmönsiirron mallittamisen keinoin. Tutkimuksen neljä tärkeintä johtopäätöstä ovat 1) hiukkasten muodostumiseen pohjoisella havumetsävyöhykkeellä osallistuu sekä pääosin ihmisen toiminnasta peräisin olevia rikkiyhdisteitä että puiden emittoimia orgaanisia höyryjä; 2) ilmakehän hiukkasmuodostuksessa on merkittävä rooli 1-2 nanometrin molekyyliryppäillä, jotka toimivat tiivistymisytiminä höyryille, ja joita näyttäisi olevan ilmassa jatkuvasti; 3) hiukkasmuodostusprosessit ovat pääosin sähköisesti neutraaleja, toisin sanoen kosmisista säteistä ja maaperän radonista peräisin olevan ionisoivan säteilyn merkitys pohjoisten metsien hiukkasmuodostuksessa näyttäisi olevan pieni; 4) dikarboksyylihapot eivät ilmakehän olosuhteissa muodosta sellaisenaan hiukkasia, vaan voivat osallistua vain jo muodostuneiden hiukkasten kasvattamiseen. Tässä tutkimuksessa esitettyjä tuloksia voidaan käyttää arvioitaessa tiivistyvistä höyryistä muodostuneiden pienhiukkasten globaaleja ilmastovaikutuksia sekä esimerkiksi sitä, mikä on ollut ihmisen toiminnan vaikutus ilmakehän hiukkaspitoisuuksiin menneisyydessä ja miten se tulee tulevaisuudessa muuttumaan.