Speeding up the Atmosphere : Experimental oxidation studies of ambient and laboratory aerosols using a flow reactor

Abstract

Apart from gases, the air we breath consist of tiny, so called, aerosol particles. A cubic metre of air in a relatively clean environment can consist of several billion aerosol particles. The impact of these particles on human health and on climate is significant. According to WHO, particles affect more humans than any other pollutant, and is closely related to mortality and morbidity. Further, it has been estimated that anthropogenic particles have cooled the climate, masking up to 50% of the warming caused by greenhouse gases. A large portion of the smallest particles consists of organic compounds, much of which is formed by atmospheric oxidation reactions. This material is called secondary organic aerosol (SOA). In this thesis, submicron secondary aerosol particles have been investigated using an oxidation flow reactor (OFR). Inside the reactor, large concentrations of oxidants produce secondary particulate material in a matter of minutes, thereby speeding up the naturally occuring atmospheric processes.

In two laboratory studies, we have investigated the effect of mixing anthropogenic primary and secondary particles with biogenic SOA. In line with expectations, the anthropogenic and biogenic organic precursors mixed, and, in a non-linear way, formed more particulate mass than would otherwise be the case. Further, the effect of wet anthropogenic salt particles on SOA formation was investigated. The produced SOA mass in the presence of wet particles was significantly higher than if the particles were dry. This effect is believed to be very important in the atmosphere since water is always present. In both these studies it was shown that the SOA mass formed in OFRs at low particle mass concentrations, is underestimated due to the limited time for condensation of vapours in the reactor.

In a separate study, the SOA formation from biomass burning was investigated. Biogenic SOA dominates on a global scale, but very high concentrations are only formed in the proximity of anthropogenic sources. It was shown that SOA formation from the emissions of a modern wood stove can be large enough to dominate over the primary particle emissions. To estimate the secondary particle formation potential of ambient air, two field studies were performed. In both studies, the simulated atmospheric processing of the background air did not produce much secondary particle mass. From this, it can be concluded that the chosen measurement sites were relatively clean, but the results also point to the efficiency of atmospheric processing. However, in one of the studies, targeting ship emissions at a coastal site, plumes of secondary material, of the same magnitude as the background aerosol particle concentration, was formed. This demonstrates the importance of considering atmospheric processing and the advantage of using OFRs in field studies.

The relative importance of SOA in the atmospheric aerosol is believed to increase in the future. Due to complex feedbacks and the many variables affecting SOA formation, it is difficult to parameterize in a simple enough manner fit for global models. Both detailed and large-scale processes needs further investigation to improve estimations of SOA radiative forcing and the anthropogenic effect on biogenic SOA. The popularity of oxidation flow reactors in SOA research is likely to increase. The five original research manuscripts included in this thesis contributes specifically to the OFR research community, but also to improved understanding of SOA formation in the the anthropocene in general.

Abstract (Swedish)

Forskningen i denna avhandling handlar i hög grad om att försöka härma kemin i jordens atmosfär. Den sista mätningen till denna avhandling gjordes för bara några veckor sedan, under ett fruktmellanmål tillsammans med mina barn. Jag bestämde mig för att testa ett otroligt påstående som säger att om jorden krymptes ihop till ett äpple är atmosfären lika tunn som äpplets skal. D.v.s.:

tjocklek(äppleskal) / diameter(äpple) = höjd(atmosfären) / diameter(jorden)

Med parametrar från ett äpple (Royal Gala tror jag det var) och jordens diameter, får vi att atmosfärens höjd är 74 km. Åker man så långt upp ligger mer än 99,9 % av atmosfärens massa under en, så påståendet stämmer rätt bra (med denna typ av äpple). Men allt väder, nästan alla utsläpp och den kemin vi försökt simulera, sker i troposfären vilket är de lägsta ca 10 km av atmosfären. Tar man bara hänsyn till troposfären skulle äpplet behöva vara nära en halvmeter i diameter, men behålla samma skal, för att påståendet skulle gälla. Exemplet med äpplet ger en bra bild av hur tunn vår atmosfär är, och att vad vi släpper ut spelar roll.
Utan vår atmosfär skulle inget levande klara sig. Den ger oss ett gynnsamt klimat, skyddar oss från farlig strålning och bidrar med vatten och syre. Syret, som kommer från fotosyntesen, gör att atmosfären är väldigt reaktiv och kan rena sig själv från en mängd skadliga ämnen. Men det finns en gräns för hur mycket atmosfären kan hantera. Somliga föroreningar stannar bara några timmar eller dagar i atmosfären innan de reagerar eller faller ut, medan andra kan stanna i mer än ett århundrade. Ofta omvandlas en typ av förorening till en annan, till exempel kan gaser klumpa ihop sig till större partiklar. Dessutom kan reaktioner med en förorening påverka livstiden hos andra. Alla dessa återkopplingar, tillsammans med meteorologisk dynamik, gör att föroreningars påverkan på klimatet kan vara svår att förutspå.
Luftföroreningar är inget nytt fenomen. När John Evelyn skrev Fumifugium (1661), ett tidigt arbete om luftföroreningar, var han mycket bekymrad över kungens hälsa och de oestetiska effekterna av partiklar och gaser från stadens koleldning. Fortfarande har många städer i världen liknande synliga problem, men även till synes ren luft innehåller små partiklar som påverkar både hälsa och klimatet. I en normalren miljö i Sverige andas vi in ett par miljoner sådana partiklar per andetag och upp emot 100 miljarder per dag. Det är faktiskt ganska lite, om man jämför med de gasmolekyler vi andas in (ca 1022 stycken per andetag, och ungefär 10-250 miljoner gånger mer massa), men på grund av partiklarnas egenskaper kan de skapa stora hälsoproblem och påverka klimatet på ett helt annat sätt än gaser. Partiklarna sprider ljus på ett sätt som motverkar växthuseffekten och påverkar molnen så till den grad att varenda molndroppe bildas runt en partikel. Genom dessa effekter maskerar partiklar en stor andel av de klimatförändringar som mänskliga utsläpp av växthusgaser borde gett upphov till. Tyvärr är partiklarnas klimatpåverkan mycket osäker, vilket gör att mycket forskning krävs.
Partiklarna i atmosfären är både naturliga och från mänskliga aktiviteter, typiskt förbränning av något slag (ved, olja, kol, bensin). Globalt sett dominerar naturliga partiklar, medan de från mänskliga aktiviteter ofta dominerar i städer. De största partiklarna kan vara damm, små sandkorn eller pollen. De minsta partiklarna, som är i fokus i denna avhandling, består ofta av organiska ämnen och salter. De senaste decennierna har det blivit allt tydligare att en stor andel av de minsta partiklarna bildas genom reaktioner mellan gasmolekyler och så kallade oxidanter (väldigt reaktiva molekyler) i atmosfären. Dessa kallas sekundära partiklar, i kontrast till primära partiklar som släpps ut direkt från källan, såsom en skorsten. Ofta kan man själv ana när det finns mycket partikelbildande gaser i närheten. Det luktar t.ex. skarpt av aromater när du tankar bilen. Den mer angenäma doften av skog och träd, kommer även den från gaser som bildar partiklar i atmosfären, och dessa naturliga utsläpp är faktiskt mycket större än de som vi människor släpper ut. Genom att skapa höga koncentrationer av samma oxidanter som finns i atmosfären, och blanda med dessa gaser, kan man simulera den sekundära partikelbildning som sker i atmosfären. Oxidation i atmosfären kallas också åldring.
I denna avhandling har en kammare med höga oxidantkoncentrationer använts för att studera sekundära partiklar, både i laboratorie- och utomhusmiljö. Grundforskning rörande den experimentella metoden har varit en viktig del av arbetet, men den bakomliggande frågan har varit miljövetenskaplig: -hur påverkar människan? Resultaten visar att mänskliga utsläpp, från t.ex. vedeldning eller transport, kan skapa stora mängder sekundära partiklar, ibland flera gånger mer än de primära partikelutsläppen. Men, eftersom växternas utsläpp av partikelbildande gaser är större, handlar människans påverkan också mycket om förändrade förutsättningar för de naturliga sekundära partiklarna. Partikelbildning är oftast inte en linjär process, vilket gör att ett plus ett ofta blir större än två. När mänskliga och naturliga utsläpp blandas i atmosfären kan partiklar bildas både snabbare och i större mängd, än om de isolerats från varandra. De naturliga sekundära partiklarna är därför inte alltid helt naturliga. Alltså, för att kunna redogöra för hur människan påverkar klimatet genom atmosfäriska partiklar krävs en stor mängd kunskap om detaljerade och invecklade processer som dessutom ofta är återkopplade. Denna avhandling är ett litet bidrag till denna kunskap.

• author: Ahlberg, Erik
• supervisor: Birgitta Svenningsson; Adam Kristensson; Thomas Holst
• opponent: Dr. Hoyle, Christopher, WSL Institute for Snow and Avalanche Research SLF, Switzerland
• organization: Centre for Environmental and Climate Science (CEC); Nuclear physics; MERGE: ModElling the Regional and Global Earth system
• publishing date: 2017-11
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Environmental Sciences; Meteorology and Atmospheric Sciences
• keywords: Secondary organic aerosols, oxidation flow reactor, volatile organic compounds, climate
• pages: 168 pages
• defense location: Lecture hall “Blå hallen”, Ecology building, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2017-12-15 09:15:00
• ISBN: 978-91-7753-495-2
• ISBN: 978-91-7753-496-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 9b230987-e0ca-44df-8756-3ea9c161218d
• date added to LUP: 2017-11-20 12:15:40
• date last changed: 2023-05-08 14:59:12