Characterization of atmospheric aerosols in the city of So Paulo, Brazil: comparisons between polluted and unpolluted periods

The objective of this study was to determine the size and composition of atmospheric aerosols in the downtown area of the city of So Paulo, Brazil, for a polluted and an unpolluted period. Aerosols were sampled with a portable air sampler (PAS), Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor (MOUDI), and Scanning Mobility Particle Sizer. At the study site, air quality is poor, especially during the winter, high concentrations of pollutants being emitted primarily by the light- and heavy-duty vehicle fleet. We analyzed mass, black carbon (BC), Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Br, Rb, Sn, Zr, and Pb. During the polluted period, diurnal PM(10) was higher than nocturnal PM(10), whereas the inverse was true during the unpolluted period. The FPM was rich in BC, S, and Pb, whereas CPM was rich in Al, Si, Ca, Ti, and Fe. Mass balance was performed by category: ammonium sulfate, sodium chloride, crustal material, BC, and other. The PAS-determined FPM was mainly BC. The MOUDI-determined FPM crustal material explained more mass than did ammonium sulfate and BC during the polluted period, whereas ammonium sulfate had the largest mass during the unpolluted period. Crustal material was the major CPM component, followed by ammonium sulfate and BC. During the unpolluted period, FPM concentrations were lower, whereas those of ammonium sulfate were relatively higher, especially at night, and particle number was inversely proportional to particle size. Aerosol growth was more intense during the polluted period.

Flugzeuggestützte Messungen des atmosphärischen Aerosols

Flugzeuggestützte Messungen des atmosphärischen Aerosols: Saharastaub, stratosphärisches Hintergrundaerosol und nichtsichtbare Wolken in den Tropen Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden flugzeuggestütze Messungen des atmosphärischen Aerosols durchgeführt. Das hierfür eingesetzten Meßinstrument (FSSP-300) mißt die Intensität des von einzelnen Aerosolpartikeln in Vorwärtsrichtung gestreuten Lichts. Der Meßbereich umfaßt Partikeldurchmesser von ca. 0,4 µm bis 20 µm. Das FSSP-300 wurde auf mehreren Flugzeugen eingesetzt, u. a. auch erstmals auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug Geophysika. Bei der Meßkampagen ACE-2 wurden im Juli 1997 von Teneriffa aus zwei Schichten windgetragenen Sahara-Staubes beobachtet. Die tiefere Schicht reichte bis in 1500 m Höhe, die höhere Schicht bis in 6000 m bei einer Schichtdicke von über 3000 m. In einer Analyse der Wetterlage und von Rückwärtstrajektorien wird der Ursprung des Staubes dargestellt. Die mit dem FSSP-300 gemessenen Größenverteilungen werden durch Messungen anderer Partikel-Meßinstrumente ergänzt und mit Literaturdaten verglichen. Im Rahmen der Untersuchung des stratosphärischen Aerosols wurden Messungen aus zwei Perioden ohne vulkanischen Einfluß und aus der Zeit nach dem Ausbruch des Vulkans Pinatubo verglichen. Die beiden Perioden reinen Hintergrundaerosols lagen mit über fünf Jahren eine vergleichbare Zeitspanne nach großen Vulkanausbrüchen. Die Analyse der Aerosolmessungen umfaßt den zeitlichen Verlauf der Gesamtkonzentration als auch den Vergleich von Größenverteilungen aus den verschiedenen Perioden. Bei den Flügen über dem Indischen Ozean während der Meßkampagne APE-THESEO auf den Seychellen wurden verschiedene Schichten von Cirren im Bereich des Ausläufers eines Cumulonimbus und direkt an der Tropopause beobachtet. Letztere und auch einige Bereiche der ersteren waren nichtsichtbar, d. h. hatten eine optische Dicke von weniger als 0,03 im sichtbaren Licht. Die Partikelmessungen werden auch im Kontext der Ergebnisse anderer Meßinstrumente und einer meteorologischen Analyse der Wettersituation betrachtet. Die gemessenen Größenverteilungen sind eine wichtige Ergänzung der wenigen früheren Veröffentlichungen zu diesem Thema.

Identifizierung und Quantifizierung von sauren Markersubstanzen für troposphärisches sekundäres organisches Aerosol aus biogenen Kohlenwasserstoffen mittels Kapillar-HPLC-ESI-MS n

Sekundäres organisches Aerosol (SOA) ist ein wichtiger Bestandteil von atmosphärischen Aerosolpartikeln. Atmosphärische Aerosole sind bedeutsam, da sie das Klima über direkte (Streuung und Absorption von Strahlung) und indirekte (Wolken-Kondensationskeime) Effekte beeinflussen. Nach bisherigen Schätzungen ist die SOA-Bildung aus biogenen Kohlenwasserstoffen global weit wichtiger als die SOA-Bildung aus anthropogenen Kohlenwasserstoffen. Reaktive Kohlenwasserstoffe, die in großen Mengen von der Vegetation emittiert werden und als die wichtigsten Vorläufersubstanzen für biogenes SOA gelten, sind die Terpene. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, welche die Quantifizierung von aciden Produkten der Terpen-Oxidation ermöglicht. Die Abscheidung des größenselektierten Aerosols (PM 2.5) erfolgte auf Quarzfilter, die unter Zuhilfenahme von Ultraschall mittels Methanol extrahiert wurden. Nach Aufkonzentrierung und Lösungsmittelwechsel auf Wasser sowie Standardaddition wurden die Proben mit einer Kapillar-HPLC-ESI-MSn-Methode analysiert. Das verwendete Ionenfallen-Massenspektrometer (LCQ-DECA) bietet die Möglichkeit, Strukturaufklärung durch selektive Fragmentierung der Qasimolekülionen zu betreiben. Die Quantifizierung erfolgte teilweise im MS/MS-Modus, wodurch Selektivität und Nachweisgrenze verbessert werden konnten. Um Produkte der Terpen-Oxidation zu identifizieren, die nicht als Standards erhältlich waren, wurden Ozonolysexperimente durchgeführt. Dadurch gelang die Identifizierung einer Reihe von Oxidationsprodukten in Realproben. Neben schon bekannten Produkten der Terpen-Oxidation konnten einige Produkte erstmals in Realproben eindeutig als Produkte des α Pinens nachgewiesen werden. In den Proben der Ozonolyseexperimente konnten auch Produkte mit hohem Molekulargewicht (>300 u) nachgewiesen werden, die Ähnlichkeit zeigen zu den als Dimeren oder Polymeren in der Literatur bezeichneten Substanzen. Sie konnten jedoch nicht in Feldproben gefunden werden. Im Rahmen von 5 Messkampagnen in Deutschland und Finnland wurden Proben der atmosphärischen Partikelphase genommen. Die Quantifizierung von Produkten der Oxidation von α-Pinen, β-Pinen, 3-Caren, Sabinen und Limonen in diesen Proben ergab eine große zeitliche und örtliche Variationsbreite der Konzentrationen. Die Konzentration von Pinsäure bewegte sich beispielsweise zwischen etwa 0,4 und 21 ng/m³ während aller Messkampagnen. Es konnten stets Produkte verschiedener Terpene nachgewiesen werden. Produkte einiger Terpene eignen sich sogar als Markersubstanzen für verschiedene Pflanzenarten. Sabinen-Produkte wie Sabinsäure können als Marker für die Emissionen von Laubbäumen wie Buchen oder Birken verwendet werden, während Caren-Produkte wie Caronsäure als Marker für Nadelbäume, speziell Kiefern, verwendet werden können. Mit den quantifizierten Substanzen als Marker wurde unter zu Hilfenahme von Messungen des Gehaltes an organischem und elementarem Kohlenstoff im Aerosol der Anteil des sekundären organischen Aerosols (SOA) errechnet, der von der Ozonolyse der Terpene stammt. Erstaunlicherweise konnten nur 1% bis 8% des SOA auf die Ozonolyse der Terpene zurückgeführt werden. Dies steht im Gegensatz zu der bisherigen Meinung, dass die Ozonolyse der Terpene die wichtigste Quelle für biogenes SOA darstellt. Gründe für diese Diskrepanz werden in der Arbeit diskutiert. Um die atmosphärischen Prozesse der Bildung von SOA vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.

Massenspektrometrische Untersuchungen und Nachweise von organischen Hydroperoxiden und höhermolekularen Verbindungen im biogenen sekundären organischen Aerosol

Atmosphärische Aerosole beeinflussen den Strahlungshaushalt und damit das Klima der Erde. Dies geschieht sowohl direkt (Streuung und Absorption), als auch indirekt (Wolkenkondensationskeime). Das sekundäre organische Aerosol (SOA) bildet einen wichtigen Bestandteil des atmosphärischen Aerosols. Seine Bildung erfolgt durch Reaktionen von Kohlenwasserstoffen mit atmosphärischen Oxidationsmitteln (z.B. Ozon, OH-Radikalen). Eine Klasse dieser Kohlenwasserstoffe sind die Terpene. Sie werden in großen Mengen durch die Vegetation emittiert und gelten als wichtige Vorläufersubstanzen des biogenen SOAs. In den Reaktionen von Monoterpenen und Sesquiterpenen mit atmosphärischen Reaktionspartnern wird eine große Vielfalt an multifunktionellen Reaktionsprodukten gebildet, von denen bis heute nur ein Bruchteil identifiziert werden konnte. In der vorliegenden Arbeit soll im Speziellen die Bildung von organischen Peroxiden und oligomeren Verbindungen im biogenen SOA untersucht und Nachweise einzelner Moleküle erbracht werden.rnFür eine Identifizierung von organischen Peroxiden aus der Oxidation einzelner Monoterpene und Sesquiterpene mit Ozon wurden die Reaktionsprodukte direkt in eine bei Atmosphärendruck arbeitende chemische Ionisationsquelle überführt und massenspektrometrisch untersucht (online-APCI-MS). Hierdurch konnten organische Hydroperoxide in der Partikelphase nachgewiesen werden, welche sich durch eine signifikante Abspaltung von H2O2 im Tandem-Massenspektrum (MS/MS) auszeichneten. Des Weiteren sollte die Bildung von höhermolekularen Verbindungen („Dimere“) im SOA des α-Pinens untersucht werden. Hierfür wurden zunächst die Reaktionsprodukte des Cyclohexens, das als einfache Modellverbindung des α-Pinens dient, mittels online-APCI-MS und offline durch Flüssigkeitschromatographie und Elektrospray-Ionenfallenmassenspektrometrie (HPLC/ESI-MS) untersucht. Verschiedene Produkte der Cyclohexen-Ozonolyse konnten hierbei als Esterverbindungen identifiziert werden, wobei eigens synthetisierte Referenzsubstanzen für die Identifizierung verwendet wurden. In einem weiteren Experiment, indem gleichzeitig Cyclohexen und α-Pinen mit Ozon umgesetzt wurden, konnten ebenfalls eine Bildung von höhermolekularen Estern nachgewiesen werden. Es handelte sich hierbei um „Mischester“, deren Struktur aus Reaktionsprodukten der beiden VOC-Vorläufermoleküle aufgebaut war. Durch diese neuen Erkenntnisse, über die Bildung von Estern im SOA des Cyclohexens, wurden die Dimer-Bildung einer reinen α-Pinen/Ozon-Reaktion online und offline massenspektrometrisch untersucht. Hier stellten sich als Hauptprodukte die Verbindungen mit m/z 357 und m/z 367 ([M-H]--Ionen) heraus, welche zudem erstmals auf einem Filter einer Realprobe aus Hyytiälä, Finnland nachgewiesen werden konnten. Aufgrund ihrer Fragmentierung in MS/MS-Untersuchungen sowie den exakten Summenformeln aus FT-MS Messungen konnte für die Struktur der höhermolekularen Verbindung mit m/z 367 ebenfalls ein Ester und für m/z 357 ein Peroxyhemiacetal vorgeschlagen werden. Die vorgeschlagene Struktur der Verbindung m/z 367 konnte im Anschluss über eine Reaktion aus Hydroxypinonsäure mit Pinsäure bestätigt werden. Die Identifizierung der Esterverbindung des α-Pinen-SOA erfolgte ebenfalls mit Hilfe von LC-MSn-Messungen.rnDie bisher diskutierten Ergebnisse, sowie die meisten in der Literatur beschriebenen Studien befassen sich jedoch mit einzelnen Vorläuferverbindungen, im Gegensatz zu den komplexen SOA-Proben aus den Emissionen der Vegetation. Im Rahmen einer Messkampagne am Forschungszentrum Jülich erfolgte eine massenspektrometrische Charakterisierung (online-APCI-MS) des SOAs aus direkten VOC-Emissionen von Pflanzen. Durch einen Vergleich der Produktverteilung dieser erhalten online-Massenspektren mit denen aus den Reaktionen einzelner VOCs, konnten Aussagen über die in den Reaktionen umgesetzten VOCs gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass in stressbedingten Situationen die untersuchten Exemplare der Betula pendula (Birke) hauptsächlich Sesquiterpene, Picea abies (Fichte) eher Monoterpene und Eucalyptus (Eukalyptus) sowohl Sesquiterpene als auch Monoterpene emittieren. Um die atmosphärischen Prozesse, die zur Bildung der Produkte im SOA führen vollständig zu verstehen, müssen jedoch noch weitere Anstrengungen unternommen werden.rn

Using sulfur isotope fractionation to understand the atmospheric oxidation of SO 2

Sulfate aerosol plays an important but uncertain role in cloud formation and radiative forcing of the climate, and is also important for acid deposition and human health. The oxidation of SO2 to sulfate is a key reaction in determining the impact of sulfate in the environment through its effect on aerosol size distribution and composition. This thesis presents a laboratory investigation of sulfur isotope fractionation during SO2 oxidation by the most important gas-phase and heterogeneous pathways occurring in the atmosphere. The fractionation factors are then used to examine the role of sulfate formation in cloud processing of aerosol particles during the HCCT campaign in Thuringia, central Germany. The fractionation factor for the oxidation of SO2 by ·OH radicals was measured by reacting SO2 gas, with a known initial isotopic composition, with ·OH radicals generated from the photolysis of water at -25, 0, 19 and 40°C (Chapter 2). The product sulfate and the residual SO2 were collected as BaSO4 and the sulfur isotopic compositions measured with the Cameca NanoSIMS 50. The measured fractionation factor for 34S/32S during gas phase oxidation is αOH = (1.0089 ± 0.0007) − ((4 ± 5) × 10−5 )T (°C). Fractionation during oxidation by major aqueous pathways was measured by bubbling the SO2 gas through a solution of H2 O2

Das Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) : Aufbau, Charakterisierung und Feldeinsatz

Um die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse besser verstehen zu können, ist es wichtig dort vorhandene Partikel gut charakterisieren zu können. Dazu gehört unter anderem die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Partikel. Zur Analyse insbesondere organischer Partikel wurde dazu in einer früheren Promotion das Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) entwickelt.Im Rahmen dieser Arbeit wurden Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um die Charakteristiken des Prototypen zu verbessern sowie es für den Feldeinsatz tauglich zu machen. Die durchgeführten Veränderungen betreffen mechanische und elektrische Komponenten sowie das LabView Steuerungsprogramm. So wurde z.B. die Ionenquelle derart modifiziert, dass die Ionen nicht mehr permanent erzeugt werden, sondern nur innerhalb des Zeitraums wenn sie auch in der Ionenfalle gespeichert werden können. Durch diese Modifikation konnte das Signal-zu-Rausch Verhältnis deutlich verbessert werden. Nach Beendigung der Umbauten wurden in ausführlichen Laborstudien die einzelnen Instrumentenparameter detailliert charakterisiert. Neben den Spannungen die zur Fokussierung oder zur Speicherung der Ionen in der Ionenfalle dienen, wurden die unterschiedlichen Arten der resonanten Anregung, mittels der die Ionen in der Ionenfalle gezielt zu Schwingungen angeregt werden können, sehr genau untersucht. Durch eine gezielte Kombination der unterschiedlichen Arten der resonanten Anregung ist es möglich MSn-Studien durchzuführen. Nach erfolgreicher Charakterisierung konnte in weiteren Laborstudien die MSn-Fähigkeit des AIMS demonstriert werden. Für Tryptophan (C11H12N2O2) wurde anhand von MS4-Studien ausgehend von m/z 130 ein möglicher Fragmentierungsweg identifiziert. Für die einzelnen Stufen der MS4-Studien wurden die Nachweisgrenzen abgeschätzt. Im Rahmen der PARADE (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) Messkampagne im August/September 2011 auf dem kleinen Feldberg in der Nähe von Frankfurt am Main wurde die Feldtauglichkeit des AIMS demonstriert. Die Nachweisgrenzen liegen für eine Mittelungszeit von 60 Minuten für Organik bei 1,4 µg m-3, für Nitrat bei 0,5 µg m-3 und für Sulfat bei 0,7 µg m-3, was ausreichend ist um atmosphärisches Aerosol messen zu können. Dies ist ein signifikanter Fortschritt im Vergleich zum Prototypen, der aufgrund schlechter Reproduzierbarkeit und Robustheit noch nicht feldtauglich war. Im Vergleich zum HR-ToF-AMS, einem Standard-Aerosolmassenspektrometer, zeigte sich, dass beide Instrumente vergleichbare Trends für die Spezies Nitrat, Sulfat und Organik messen.

Microscopic and spectroscopic analysis of biogenic aerosols

Aerosol particles are important actors in the Earth’s atmosphere and climate system. They scatter and absorb sunlight, serve as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds and precipitation, and are a subject of concern for public health. Atmospheric aerosols originate from both natural and anthropogenic sources, and emissions resulting from human activities have the potential to influence the hydrological cycle and climate. An assessment of the extent and impacts of this human force requires a sound understanding of the natural aerosol background. This dissertation addresses the composition, properties, and atmospheric cycling of biogenic aerosol particles, which represent a major fraction of the natural aerosol burden. The main focal points are: (i) Studies of the autofluo-rescence of primary biological aerosol particles (PBAP) and its application in ambient measure-ments, and (ii) X-ray microscopic and spectroscopic investigations of biogenic secondary organic aerosols (SOA) from the Amazonian rainforest.rnAutofluorescence of biological material has received increasing attention in atmospheric science because it allows real-time monitoring of PBAP in ambient air, however it is associated with high uncertainty. This work aims at reducing the uncertainty through a comprehensive characterization of the autofluorescence properties of relevant biological materials. Fluorescence spectroscopy and microscopy were applied to analyze the fluorescence signatures of pure biological fluorophores, potential non-biological interferences, and various types of reference PBAP. Characteristic features and fingerprint patterns were found and provide support for the operation, interpretation, and further development of PBAP autofluorescence measurements. Online fluorescence detection and offline fluorescence microscopy were jointly applied in a comprehensive bioaerosol field measurement campaign that provided unprecedented insights into PBAP-linked biosphere-atmosphere interactions in a North-American semi-arid forest environment. Rain showers were found to trigger massive bursts of PBAP, including high concentrations of biological ice nucleators that may promote further precipitation and can be regarded as part of a bioprecipitation feedback cycle in the climate system. rnIn the pristine tropical rainforest air of the Amazon, most cloud and fog droplets form on bio-genic SOA particles, but the composition, morphology, mixing state and origin of these particles is hardly known. X-ray microscopy and spectroscopy (STXM-NEXAFS) revealed distinctly different types of secondary organic matter (carboxyl- vs. hydroxy-rich) with internal structures that indicate a strong influence of phase segregation, cloud and fog processing on SOA formation, and aging. In addition, nanometer-sized potassium-rich particles emitted by microorganisms and vegetation were found to act as seeds for the condensation of SOA. Thus, the influence of forest biota on the atmospheric abundance of cloud condensation nuclei appears to be more direct than previously assumed. Overall, the results of this dissertation suggest that biogenic aerosols, clouds and precipitation are indeed tightly coupled through a bioprecipitation cycle, and that advanced microscopic and spectroscopic techniques can provide detailed insights into these mechanisms.rn

Untersuchungen von Aerosolpartikeln und Wolkenresidualpartikeln mittels Einzelpartikel-Massenspektrometrie und optischen Methoden

Atmosphärische Partikel beeinflussen das Klima durch Prozesse wie Streuung, Reflexion und Absorption. Zusätzlich fungiert ein Teil der Aerosolpartikel als Wolkenkondensationskeime (CCN), die sich auf die optischen Eigenschaften sowie die Rückstreukraft der Wolken und folglich den Strahlungshaushalt auswirken. Ob ein Aerosolpartikel Eigenschaften eines Wolkenkondensationskeims aufweist, ist vor allem von der Partikelgröße sowie der chemischen Zusammensetzung abhängig. Daher wurde die Methode der Einzelpartikel-Laserablations-Massenspektrometrie angewandt, die eine größenaufgelöste chemische Analyse von Einzelpartikeln erlaubt und zum Verständnis der ablaufenden multiphasenchemischen Prozesse innerhalb der Wolke beitragen soll.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde zur Charakterisierung von atmosphärischem Aerosol sowie von Wolkenresidualpartikel das Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA (Aircraft-based Laser Ablation Aerosol Mass Spectrometer) verwendet. Zusätzlich wurde zur Analyse der Partikelgröße sowie der Anzahlkonzentration ein optischer Partikelzähler betrieben. rnZur Bestimmung einer geeigneten Auswertemethode, die die Einzelpartikelmassenspektren automatisch in Gruppen ähnlich aussehender Spektren sortieren soll, wurden die beiden Algorithmen k-means und fuzzy c-means auf ihrer Richtigkeit überprüft. Es stellte sich heraus, dass beide Algorithmen keine fehlerfreien Ergebnisse lieferten, was u.a. von den Startbedingungen abhängig ist. Der fuzzy c-means lieferte jedoch zuverlässigere Ergebnisse. Darüber hinaus wurden die Massenspektren anhand auftretender charakteristischer chemischer Merkmale (Nitrat, Sulfat, Metalle) analysiert.rnIm Herbst 2010 fand die Feldkampagne HCCT (Hill Cap Cloud Thuringia) im Thüringer Wald statt, bei der die Veränderung von Aerosolpartikeln beim Passieren einer orographischen Wolke sowie ablaufende Prozesse innerhalb der Wolke untersucht wurden. Ein Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Hintergrundaerosol und Wolkenresidualpartikeln zeigte, dass die relativen Anteile von Massenspektren der Partikeltypen Ruß und Amine für Wolkenresidualpartikel erhöht waren. Dies lässt sich durch eine gute CCN-Aktivität der intern gemischten Rußpartikel mit Nitrat und Sulfat bzw. auf einen begünstigten Übergang der Aminverbindungen aus der Gas- in die Partikelphase bei hohen relativen Luftfeuchten und tiefen Temperaturen erklären. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass bereits mehr als 99% der Partikel des Hintergrundaerosols intern mit Nitrat und/oder Sulfat gemischt waren. Eine detaillierte Analyse des Mischungszustands der Aerosolpartikel zeigte, dass sich sowohl der Nitratgehalt als auch der Sulfatgehalt der Partikel beim Passieren der Wolke erhöhte. rn

Characterization of water-soluble organic compounds in ambient aerosol using ultrahigh-resolution elctrospray ionization fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry.

Atmospheric aerosol water-soluble organic compounds (WSOC) exist in a complex mixture of thousands of organic compounds which may have a significant influence on the climate-relevant properties of the atmospheric aerosol. To understand the potential influences, the ambient aerosol was collected at a nonurban mountainous site near Steamboat Springs, CO. The WSOC fraction was analyzed using positive and negative electrospray ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Approximately 2400 and 4000 molecular formulas were identified from the detected positive and negative ions, respectively. The formulas contained carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N), and sulfur (S) atoms over the mass range of 100-800 Da in both ionization modes. The number range of double bond equivalents (DBE), the mean O:C, H:C, and oxidation state of carbon for the positive ions were 0 – 18, 0.25 ± 0.15, 1.39 ± 0.29, and -0.89 ± 0.23, respectively. Comparatively, the negative ion values were 0 – 14, 0.53 ± 0.20, 1.48 ± 0.30, and -0.41 ± 0.45, respectively. Overall, the positive ion molecular formulas were less oxygenated than negative ions as seen with the lower O:C and OSc values. Molecular formulas of the positive ions classified as aliphatic, olefinic, and aromatic compound classes based on the aromaticity index values. Aliphatic compounds were the CHNO and CHO formulas that had mean DBE values of about 5 and 3, respectively. However, a majority of the CHOS, CHNOS, and CHS formulas were defined as olefinic compounds and had mean DBE values of about 12, 13, and 10, respectively. Overall, more than half of the assigned molecular formulas contained sulfur and were olefinic to aromatic compounds with a DBE range of 7-18. Source of the unsaturated sulfur containing compounds is currently unknown. Several nitrogen containing compounds were in common with the field and laboratory studies of the biomass burning aerosol and aged secondary organic aerosol products of the limonene ozonolysis.

Airborne minerals and related aerosol particles: Effects on climate and the environment

Aerosol particles are ubiquitous in the troposphere and exert an important influence on global climate and the environment. They affect climate through scattering, transmission, and absorption of radiation as well as by acting as nuclei for cloud formation. A significant fraction of the aerosol particle burden consists of minerals, and most of the remainder— whether natural or anthropogenic—consists of materials that can be studied by the same methods as are used for fine-grained minerals. Our emphasis is on the study and character of the individual particles. Sulfate particles are the main cooling agents among aerosols; we found that in the remote oceanic atmosphere a significant fraction is aggregated with soot, a material that can diminish the cooling effect of sulfate. Our results suggest oxidization of SO2 may have occurred on soot surfaces, implying that even in the remote marine troposphere soot provided nuclei for heterogeneous sulfate formation. Sea salt is the dominant aerosol species (by mass) above the oceans. In addition to being important light scatterers and contributors to cloud condensation nuclei, sea-salt particles also provide large surface areas for heterogeneous atmospheric reactions. Minerals comprise the dominant mass fraction of the atmospheric aerosol burden. As all geologists know, they are a highly heterogeneous mixture. However, among atmospheric scientists they are commonly treated as a fairly uniform group, and one whose interaction with radiation is widely assumed to be unpredictable. Given their abundances, large total surface areas, and reactivities, their role in influencing climate will require increased attention as climate models are refined.

The role of vegetation in enhancing radon concentration and ion production in the atmosphere

The role of ions in the production of atmospheric particles has gained wide interest due to their profound impact on climate. Away from anthropogenic sources, molecules are ionized by alpha radiation from radon exhaled from the ground and cosmic gamma radiation from space. These molecular ions quickly form into ‘cluster ions’, typically smaller than about 1.5 nm. Using our measurements and the published literature, we present evidence to show that cluster ion concentrations in forest areas are consistently higher than outside. Since alpha radiation cannot penetrate more than a few centimetres of soil, radon present deep in the ground cannot directly contribute to the measured cluster ion concentrations. We propose an additional mechanism whereby radon, which is water soluble, is brought up by trees and plants through the uptake of groundwater and released into the atmosphere by transpiration. We estimate that, in a forest comprising eucalyptus trees spaced 4m apart, approximately 28% of the radon in the air may be released by transpiration. Considering that 24% of the earth’s land area is still covered in forests; these findings have potentially important implications for atmospheric aerosol formation and climate.

Investigation of the effect of organics on the water uptake of marine aerosols

Water uptake refers to the ability of atmospheric particles to take up water vapour from the surrounding atmosphere. This is an important property that affects particle size and phase and therefore influences many characteristics of aerosols relevant to air quality and climate. However, the water uptake properties of many important atmospheric aerosol systems, including those related to the oceans, are still not fully understood. Therefore, the primary aim of this PhD research program was to investigate the water uptake properties of marine aerosols. In particular, the effect of organics on marine aerosol water uptake was investigated. Field campaigns were conducted at remote coastal sites on the east coast of Australia (Agnes Water; March-April 2007) and west coast of Ireland (Mace Head; June 2007), and laboratory measurements were performed on bubble-generated sea spray aerosols. A combined Volatility-Hygroscopicity-Tandem Differential Mobility Analyser (VH-TDMA) was employed in all experiments. This system probes the changes in the hygroscopic properties of nanoparticles as volatile organic components are progressively evaporated. It also allows particle composition to be inferred from combined volatility-hygroscopicity measurements. Frequent new particle formation and growth events were observed during the Agnes Water campaign. The VH-TDMA was used to investigate freshly nucleated particles (17-22.5 nm) and it was found that the condensation of sulphate and/or organic vapours was responsible for driving particle growth during the events. Aitken mode particles (~40 nm) were also measured with the VH-TDMA. In 3 out of 18 VH-TDMA scans evaporation of a volatile, organic component caused a very large increase in hygroscopicity that could only be explained by an increase in the absolute water uptake of the particle residuals, and not merely an increase in their relative hygroscopicity. This indicated the presence of organic components that were suppressing the hygroscopic growth of mixed particles on the timescale of humidification in the VH-TDMA (6.5 secs). It was suggested that the suppression of water uptake was caused by either a reduced rate of hygroscopic growth due to the presence of organic films, or organic-inorganic interactions in solution droplets that had a negative effect on hygroscopicity. Mixed organic-inorganic particles were rarely observed by the VH-TDMA during the summer campaign conducted at Mace Head. The majority of particles below 100 nm in clean, marine air appeared to be sulphates neutralised to varying degrees by ammonia. On one unique day, 26 June 2007, particularly large concentrations of sulphate aerosol were observed and identified as volcanic emissions from Iceland. The degree of neutralisation of the sulphate aerosol by ammonia was calculated by the VH-TDMA and found to compare well with the same quantity measured by an aerosol mass spectrometer. This was an important verification of the VH-TMDA‘s ability to identify ammoniated sulphate aerosols based on the simultaneous measurement of aerosol volatility and hygroscopicity. A series of measurements were also conducted on sea spray aerosols generated from Moreton Bay seawater samples in a laboratory-based bubble chamber. Accumulation mode sea spray particles (38-173 nm) were found to contain only a minor organic fraction (< 10%) that had little effect on particle hygroscopicity. These results are important because previous studies have observed that accumulation mode sea spray particles are predominantly organic (~80% organic mass fraction). The work presented here suggests that this is not always the case, and that there may be currently unknown factors that are controlling the transfer of organics to the aerosol phase during the bubble bursting process. Taken together, the results of this research program have significantly improved our understanding of organic-containing marine aerosols and the way they interact with water vapour in the atmosphere.

Particle nucleation in urban subtropical atmosphere

New particle formation (NPF) and growth have been observed in different environments all around the world and NPF affects the environment by forming cloud condensation nuclei (CCN). Detailed characterisation of NPF events in a subtropical urban environment is the main aim of this study. Particle size distribution (PSD) of atmospheric aerosol particles in range 9-414 nm were measured using a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS), within the framework of the “Ultrafine Particles from Traffic Emissions and Children’s Health” (UPTECH) study, which seeks to determine the relationship between exposure to traffic related ultrafine particles and children’s health (http://www.ilaqh.qut. edu.au/Misc/UPTECH%20Home.htm). The UPTECH study includes measurements of air quality, meteorological and traffic parameters in 25 randomly selected state primary school within the Brisbane metropolitan area, in Queensland, Australia. Measurements at 17 schools have been completed so far.

Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography: Instrumental and Methodological Development

Comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC×GC) offers enhanced separation efficiency, reliability in qualitative and quantitative analysis, capability to detect low quantities, and information on the whole sample and its components. These features are essential in the analysis of complex samples, in which the number of compounds may be large or the analytes of interest are present at trace level. This study involved the development of instrumentation, data analysis programs and methodologies for GC×GC and their application in studies on qualitative and quantitative aspects of GC×GC analysis. Environmental samples were used as model samples. Instrumental development comprised the construction of three versions of a semi-rotating cryogenic modulator in which modulation was based on two-step cryogenic trapping with continuously flowing carbon dioxide as coolant. Two-step trapping was achieved by rotating the nozzle spraying the carbon dioxide with a motor. The fastest rotation and highest modulation frequency were achieved with a permanent magnetic motor, and modulation was most accurate when the motor was controlled with a microcontroller containing a quartz crystal. Heated wire resistors were unnecessary for the desorption step when liquid carbon dioxide was used as coolant. With use of the modulators developed in this study, the narrowest peaks were 75 ms at base. Three data analysis programs were developed allowing basic, comparison and identification operations. Basic operations enabled the visualisation of two-dimensional plots and the determination of retention times, peak heights and volumes. The overlaying feature in the comparison program allowed easy comparison of 2D plots. An automated identification procedure based on mass spectra and retention parameters allowed the qualitative analysis of data obtained by GC×GC and time-of-flight mass spectrometry. In the methodological development, sample preparation (extraction and clean-up) and GC×GC methods were developed for the analysis of atmospheric aerosol and sediment samples. Dynamic sonication assisted extraction was well suited for atmospheric aerosols collected on a filter. A clean-up procedure utilising normal phase liquid chromatography with ultra violet detection worked well in the removal of aliphatic hydrocarbons from a sediment extract. GC×GC with flame ionisation detection or quadrupole mass spectrometry provided good reliability in the qualitative analysis of target analytes. However, GC×GC with time-of-flight mass spectrometry was needed in the analysis of unknowns. The automated identification procedure that was developed was efficient in the analysis of large data files, but manual search and analyst knowledge are invaluable as well. Quantitative analysis was examined in terms of calibration procedures and the effect of matrix compounds on GC×GC separation. In addition to calibration in GC×GC with summed peak areas or peak volumes, simplified area calibration based on normal GC signal can be used to quantify compounds in samples analysed by GC×GC so long as certain qualitative and quantitative prerequisites are met. In a study of the effect of matrix compounds on GC×GC separation, it was shown that quality of the separation of PAHs is not significantly disturbed by the amount of matrix and quantitativeness suffers only slightly in the presence of matrix and when the amount of target compounds is low. The benefits of GC×GC in the analysis of complex samples easily overcome some minor drawbacks of the technique. The developed instrumentation and methodologies performed well for environmental samples, but they could also be applied for other complex samples.

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.