How the development of condensation particle counters is reforming our view on atmospheric nucleation

Aerosol particles deteriorate air quality, atmospheric visibility and our health. They affect the Earth s climate by absorbing and scattering sunlight, forming clouds, and also via several feed-back mechanisms. The net effect on the radiative balance is negative, i.e. cooling, which means that particles counteract the effect of greenhouse gases. However, particles are one of the poorly known pieces in the climate puzzle. Some of the airborne particles are natural, some anthropogenic; some enter the atmosphere in particle form, while others form by gas-to-particle conversion. Unless the sources and dynamical processes shaping the particle population are quantified, they cannot be incorporated into climate models. The molecular level understanding of new particle formation is still inadequate, mainly due to the lack of suitable measurement techniques to detect the smallest particles and their precursors. This thesis has contributed to our ability to measure newly formed particles. Three new condensation particle counter applications for measuring the concentration of nano-particles were developed. The suitability of the methods for detecting both charged and electrically neutral particles and molecular clusters as small as 1 nm in diameter was thoroughly tested both in laboratory and field conditions. It was shown that condensation particle counting has reached the size scale of individual molecules, and besides measuring the concentration they can be used for getting size information. In addition to atmospheric research, the particle counters could have various applications in other fields, especially in nanotechnology. Using the new instruments, the first continuous time series of neutral sub-3 nm particle concentrations were measured at two field sites, which represent two different kinds of environments: the boreal forest and the Atlantic coastline, both of which are known to be hot-spots for new particle formation. The contribution of ions to the total concentrations in this size range was estimated, and it could be concluded that the fraction of ions was usually minor, especially in boreal forest conditions. Since the ionization rate is connected to the amount of cosmic rays entering the atmosphere, the relative contribution of neutral to charged nucleation mechanisms extends beyond academic interest, and links the research directly to current climate debate.

Ilmakehän pienhiukkaset huonontavat ilmanlaatua ja näkyvyyttä. Aerosolihiukkasia, esimerkiksi katupölyä, päätyy hengitysilman mukana elimistöön, jossa niillä on kielteisiä terveysvaikutuksia. Hiukkaset vaikuttavat myös maapallon ilmastoon sirottamalla auringonsäteilyä ja muodostamalla pilvipisaroita, sekä monien palauteilmiöiden kautta. Hiukkasten kokonaisvaikutuksen uskotaan olevan ilmastoa viilentävä, eli ne tasapainottavat kasvihuonekaasujen lisääntymisen aiheuttamaa ilmastonmuutosta. Hiukkaset ovat ilmastonmuutoskeskustelun musta hevonen, sillä niiden lähteet ja vaikutukset tunnetaan vielä melko heikosti. Aerosolihiukkasilla on sekä luontaisia että ihmisperäisiä lähteitä, osa päätyy ilmaan hiukkasmuodossa, kun taas osa muodostuu vasta ilmakehässä kaasu-hiukkasmuuntuman seurauksena. Hiukkasten muodostuminen alkaa siitä, että höyrymolekyylejä tarttuu toisiinsa muodostaen pieniä ryppäitä, jotka sopivissa olosuhteissa kasvavat hiukkasiksi, kun niiden päälle tiivistyy lisää höyryä. Hiukkasten muodostumista ilmakehässä ei vielä täysin ymmärretä, sillä kaikista pienimpiä hiukkasia ja niitä muodostavia höyryjä ei ole tähän asti pystytty mittaamaan. Väitöstyön aikana kehitettiin kolme uutta laitteistoa, joilla voidaan mitata kaikista pienimpiä hiukkasia ja molekyyliryppäitä. Menetelmät perustuvat kondensaatiotekniikkaan, jossa hiukkasten päälle tiivistetään höyryä kunnes ne kasvavat optisesti havaittaviin kokoihin. Näin pystyttiin havaitsemaan jopa yhden nanometrin (nm), eli millimetrin miljoonasosan kokoisia hiukkasia, jotka voivat koostua vain muutamista molekyyleistä. Kehitettyjen laitteistojen toimivuus todennettiin laboratoriokokein ja niiden todettiin soveltuvan jatkuviin kenttämittauksin. Väitöstyössä osoitettiin, että pitoisuuden lisäksi kondensaatiohiukkaslaskureilla voidaan saada tietoa myös pienten hiukkasten kokojakaumasta. Ilmakehätutkimuksen lisäksi laitteistoilla voi olla mahdollisia sovelluskohteita esimerkiksi nanoteknologian alalla. Soveltaen em. kondensaatiohiukkaslaskureita, saatiin ensimmäistä kertaa tietoa alle 3 nm kokoisten hiukkasten pitoisuuden ajallisesta ja paikallisesta vaihtelusta. Pitoisuuksia mitattiin kahdella kenttäasemalla, josta toinen sijaitsee Hyytiälässä Pirkanmaalla ja toinen Irlannin länsirannikolla. Nanohiukkasia havaittiin esiintyvän ilmakehässä jatkuvasti, ja pitoisuudet havumetsäympäristössä olivat yleensä selvästi suurempia kuin rannikolla, todennäköisesti johtuen kasvillisuudesta vapautuvista orgaanisista höyryistä, jotka voivat tiivistyä hiukkasiksi. Ilmakehässä on tunnetusti myös pieniä ioneja, joita syntyy kosmisen säteilyn ja maaperän radioaktiivisten aineiden hajoamisen seurauksena. Väitöstyön tuloksena pystyttiin osoittamaan että alle kolmen nanometrin kokoluokassa on silti aina huomattavasti enemmän sähköisesti neutraaleja hiukkasia kuin näitä pieniä ioneja. Väitöstyö ja sen aikana kehitetyt laitteistot auttavat selvittämään ilmakehän hiukkasten syntymekanismeja. Kun hiukkasten muodostumiseen johtavat prosessit tunnetaan, ne voidaan sisällyttää ilmastomalleihin, ja näin saada selville miten pienhiukkaset säätelevät ilmastoa.