Advanced

Physicochemical properties and atmospheric ageing of soot - investigated though aerosol mass spectrometry

Eriksson, Axel LU (2015)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Sotpartiklar i atmosfären är en del av klimatfrågan som är i särskilt stort behov av utredning. Dessutom har det visat sig, att samma partiklar orsakar mycket stora hälsoproblem; globalt, på Europeisk nivå, och till och med i förhållandevis förskonade länder som Sverige.



Vi vet nu nästintill helt säkert att mänsklig påverkan leder oss in i ett varmare klimat. Vi behöver bättre förstå hur, och hur fort, för att kunna hitta de bästa lösningarna. Luftburna partiklars påverkan på klimatet är den största källan till osäkerheter, och sot är den viktigaste, men samtidigt mest komplicerade partikeltypen. Många

partiklar har naturligt ursprung: de är inte ett resultat av... (More)
Popular Abstract in Swedish

Sotpartiklar i atmosfären är en del av klimatfrågan som är i särskilt stort behov av utredning. Dessutom har det visat sig, att samma partiklar orsakar mycket stora hälsoproblem; globalt, på Europeisk nivå, och till och med i förhållandevis förskonade länder som Sverige.



Vi vet nu nästintill helt säkert att mänsklig påverkan leder oss in i ett varmare klimat. Vi behöver bättre förstå hur, och hur fort, för att kunna hitta de bästa lösningarna. Luftburna partiklars påverkan på klimatet är den största källan till osäkerheter, och sot är den viktigaste, men samtidigt mest komplicerade partikeltypen. Många

partiklar har naturligt ursprung: de är inte ett resultat av mänskliga aktiviteter. Sotpartiklar däremot kommer i stor utsträckning från utsläpp orsakade av människor. I Europa kommer de flesta sotpartiklar från dieselmotorer och vedeldning, det är de partiklarna som jag har studerat i denna avhandling.



De flesta partikeltyper bidrar till att bromsa klimatförändringarna genom att reflektera tillbaka solljus till rymden. Sotpartiklarna har ju den utmärkande egenskapen att de är svarta, och gör därför istället problemet värre genom att effektivt absorbera solljus. Molnbildning är en mycket viktig del av partiklarnas roll i klimatet. Framförallt sprider molndroppar, likt partiklar, solljus tillbaka till rymden; de

bromsar klimatförändringarna. Moln, och i förlängningen regn, är ju också viktigt för annat än klimatförändringar! Varje molndroppe har från början varit en partikel: utan partiklar, blir det inga moln. Det är dock inte alla partiklar som kan bilda molndroppar.



Våra experiment visar till exempel att sot som nyligen släppts ut av dieselbilar inte alls bildar molndroppar i atmosfären. När utsläppen bestrålas med UV-ljus förändras dock sotpartiklarnas egenskaper, och de kommer därför att börja påverka molnbildning efterhand. Det beror på att organiska föreningar bildas, som kondenserar på sotet. Vi har också visat att avgaser från bensinbilar är en effektiv källa till sådana organiska föreningar. När de organiska föreningarna kondenserar på sotet förändras dess karaktär helt. Det färska sotet består av spretiga agglomerat som vatten inte kan kondensera på. Den organiska beläggningen bidrar förutom till att sotpartikeln kan ta upp vatten, också till att dess form ändras. Man vet inte med säkerhet vilken roll formen spelar för sotpartiklars roll i klimatförändringar, eller för

deras hälsoeffekter, men det finns skäl att tro att formen är viktig till exempel för ljusabsorption.





Vi har också kommit fram till, att dieselsot ändrar karaktär oväntat fort i atmosfären. Vi mätte vintertid sotpartiklar vid en gata i centrala Köpenhamn, och på Söderåsen, cirka sex mil därifrån fågelvägen. Sedan valde vi ut tidpunkter då luften på Söderåsen hade passerat över Köpenhamn. Vi kunde därefter sluta oss till att de partiklar som cirka fem timmar tidigare när de släppts ut i Köpenhamn varit helt färska, hade transformerats till åldrade partiklar under transporten över sundet. Detta var en oväntad upptäckt eftersom det fanns begränsat med UV-ljus, som normalt är själva

drivkraften för transformationen. Vi har kommit fram till att det var samverkan mellan oorganiska föreningar och vatten som åstadkom den snabba transformationen.



Våra studier av vedrök visar att det är väldigt viktigt för utsläppen hur eldningen sköts. Våra mätningar visar att när det brinner för intensivt i en vedkamin, ökar utsläppen av klimat- och hälsopåverkade partiklar. Det är ju tydligt för envar att för långsam eldning, där veden ligger och pyr, är dåligt. Det våra resultat visar är att

motsatsen: för intensiv, snabb eldning, leder till andra typer av utsläpp. De utsläppen kan ha minst lika stor påverkan på hälsa och klimat, men är mindre uppenbara. Mycket av partikelmassan från sådan eldning bildas till exempel efter att utsläppen åldrats flera dagar i atmosfären!



En av anledningarna till att just sotpartiklar är så komplicerade att reda ut är att det är svårt att mäta deras egenskaper. Till både form och innehåll skiljer de sig nämligen från de flesta av de luftburna partiklarna. De består till stor del av grafitliknande material som inte enkelt går att lösa upp, och kräver mycket höga temperaturer för att förånga. Luftburna partiklar i allmänhet är en utmaning för mättekniken: de väger tillsammans normalt sett mindre än en tiondels miljondel av luften som bär upp dem. Om man samlar in partiklarna på ett filter påverkar man ofta egenskaperna som mäts. Därför har jag använt ett nyligen utvecklat mätinstrument: sotpartikelaerosolmasspektrometer (SPAMS). SPAMSen förångar sotpartiklarna utan filterinsamling med hjälp av en kraftfull laser, och sedan analyseras ångorna. Eftersom analysen sker i princip i realtid går det att följa snabba förlopp som vedeldning. Ingen

av studierna i avhandlingen hade varit möjlig utan SPAMS. (Less)
Abstract
Aerosol particles contribute significantly to the global burden of disease, and remain the main source of uncertainty in assessments of human-induced climate change. The microphysical characterization of particles is necessary to understand the roles they play in the detrimental effects of air pollution on human health, and in the energy budget of our planet. Soot particles are especially relevant for climate and health, but the main component of soot – black carbon

– is uniquely challenging to characterize. To meet this challenge, I have deployed a Soot-Particle Aerosol Mass Spectrometer (SP-AMS) to elucidate the physicochemical properties and atmospheric ageing processes of soot particles. The sources under investigation were... (More)
Aerosol particles contribute significantly to the global burden of disease, and remain the main source of uncertainty in assessments of human-induced climate change. The microphysical characterization of particles is necessary to understand the roles they play in the detrimental effects of air pollution on human health, and in the energy budget of our planet. Soot particles are especially relevant for climate and health, but the main component of soot – black carbon

– is uniquely challenging to characterize. To meet this challenge, I have deployed a Soot-Particle Aerosol Mass Spectrometer (SP-AMS) to elucidate the physicochemical properties and atmospheric ageing processes of soot particles. The sources under investigation were appliances for residential heating, and light-duty vehicles.



Wood combustion emissions of particulate polyaromatic hydrocarbons (PAHs) are strongly dependent on combustion intensity: intense combustion results in oxygen deficiency in the appliance, which favors PAH emission. While most (>90%) of the particulate PAH mass was C24 or smaller, the observed distributions continued up to C48, with exponentially decreasing abundances. Excessively intense combustion also results in elevated emissions of secondary organic aerosol (SOA) precursors and soot. Contrary to expectations, the absorption Ångström exponent of the soot emitted was found to be fairly insensitive to photochemical processing, and similar to that of diesel exhaust particles.



Exhausts from gasoline powered light-duty vehicles were shown to readily form secondary organic aerosol (SOA). Roughly half of the SOA mass formed could be explained from reaction products of C6-C9 aromatics, which are known SOA precursors. The SOA had a similar elemental composition, volatility and density as the SOA formed by

such precursors alone. The diesel exhaust particles were found to exhibit progressively enhanced hygroscopicity with photochemical processing due to the condensation of water-soluble material. The process of SOA condensation induced irreversible soot restructuring which was substantially accelerated by water uptake under humid (RH90)

conditions.



The diesel particles observed in urban air were similar to the particles investigated in the laboratory in terms of size, shape, and mass spectral signature. Pure carbon ions as well as ions containing carbon and oxygen were unambiguously assigned to the refractory soot cores, in both laboratory and ambient air. In roughly five hours, highly aspherical, lightly coated, and hydrophobic fresh diesel exhaust particles were found to have aged into near spherical, more coated, and by inference hygroscopic accumulation mode particles. The transformation occurred under cold and humid conditions, despite limited photochemistry. Coupled ammonium nitrate and liquid water condensation was identified as the main cause of the transformation.



The processes controlling soot emission and transformation are elusive. Understanding has been impeded, despite considerable attention from the scientific community, by two inherent soot properties: stability and irregular shape. The same properties were exploited here, using state-of-the-art instrumentation to measure the physicochemical properties and atmospheric transformation of soot particles. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Slowik, Jay, Gasphase and Aerosol Chemistry Group, Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Black carbon, soot, vehicle exhausts, wood stove emissions, atmospheric processing, SP-AMS
pages
73 pages
defense location
Rydbergssalen, Fysiska instutitionen, Professorsgatan 1, Lund University, Faculty of Engineering, LTH.
defense date
2015-06-12 10:15
ISBN
978-91-7623-370-2
language
Swedish
LU publication?
yes
id
019667c1-0eea-43b2-9c07-7f9b2c34783e (old id 5403448)
date added to LUP
2015-05-19 14:28:49
date last changed
2016-09-19 08:45:17
@phdthesis{019667c1-0eea-43b2-9c07-7f9b2c34783e,
  abstract     = {Aerosol particles contribute significantly to the global burden of disease, and remain the main source of uncertainty in assessments of human-induced climate change. The microphysical characterization of particles is necessary to understand the roles they play in the detrimental effects of air pollution on human health, and in the energy budget of our planet. Soot particles are especially relevant for climate and health, but the main component of soot – black carbon<br/><br>
– is uniquely challenging to characterize. To meet this challenge, I have deployed a Soot-Particle Aerosol Mass Spectrometer (SP-AMS) to elucidate the physicochemical properties and atmospheric ageing processes of soot particles. The sources under investigation were appliances for residential heating, and light-duty vehicles.<br/><br>
<br/><br>
Wood combustion emissions of particulate polyaromatic hydrocarbons (PAHs) are strongly dependent on combustion intensity: intense combustion results in oxygen deficiency in the appliance, which favors PAH emission. While most (&gt;90%) of the particulate PAH mass was C24 or smaller, the observed distributions continued up to C48, with exponentially decreasing abundances. Excessively intense combustion also results in elevated emissions of secondary organic aerosol (SOA) precursors and soot. Contrary to expectations, the absorption Ångström exponent of the soot emitted was found to be fairly insensitive to photochemical processing, and similar to that of diesel exhaust particles.<br/><br>
<br/><br>
Exhausts from gasoline powered light-duty vehicles were shown to readily form secondary organic aerosol (SOA). Roughly half of the SOA mass formed could be explained from reaction products of C6-C9 aromatics, which are known SOA precursors. The SOA had a similar elemental composition, volatility and density as the SOA formed by<br/><br>
such precursors alone. The diesel exhaust particles were found to exhibit progressively enhanced hygroscopicity with photochemical processing due to the condensation of water-soluble material. The process of SOA condensation induced irreversible soot restructuring which was substantially accelerated by water uptake under humid (RH90)<br/><br>
conditions.<br/><br>
<br/><br>
The diesel particles observed in urban air were similar to the particles investigated in the laboratory in terms of size, shape, and mass spectral signature. Pure carbon ions as well as ions containing carbon and oxygen were unambiguously assigned to the refractory soot cores, in both laboratory and ambient air. In roughly five hours, highly aspherical, lightly coated, and hydrophobic fresh diesel exhaust particles were found to have aged into near spherical, more coated, and by inference hygroscopic accumulation mode particles. The transformation occurred under cold and humid conditions, despite limited photochemistry. Coupled ammonium nitrate and liquid water condensation was identified as the main cause of the transformation.<br/><br>
<br/><br>
The processes controlling soot emission and transformation are elusive. Understanding has been impeded, despite considerable attention from the scientific community, by two inherent soot properties: stability and irregular shape. The same properties were exploited here, using state-of-the-art instrumentation to measure the physicochemical properties and atmospheric transformation of soot particles.},
  author       = {Eriksson, Axel},
  isbn         = {978-91-7623-370-2},
  keyword      = {Black carbon,soot,vehicle exhausts,wood stove emissions,atmospheric processing,SP-AMS},
  language     = {swe},
  pages        = {73},
  school       = {Lund University},
  title        = {Physicochemical properties and atmospheric ageing of soot - investigated though aerosol mass spectrometry},
  year         = {2015},
}