Chemical mass closure and source-specific composition of atmospheric particles

Abstract

It has been known for decades that particles can cause adverse health effects as they are deposited within the respiratory system. Atmospheric aerosol particles influence climate by scattering solar radiation but aerosol particles act also as the nuclei around which cloud droplets form. The principal objectives of this thesis were to investigate the chemical composition and the sources of fine particles in different environments (traffic, urban background, remote) as well as during some specific air pollution situations. Quantifying the climate and health effects of atmospheric aerosols is not possible without detailed information of the aerosol chemical composition.

Aerosol measurements were carried out at nine sites in six countries (Finland, Germany, Czech, Netherlands, Greece and Italy). Several different instruments were used in order to measure both the particulate matter (PM) mass and its chemical composition. In the off-line measurements the samples were collected first on a substrate or filter and gravimetric and chemical analysis were conducted in the laboratory. In the on-line measurements the sampling and analysis were either a combined procedure or performed successively within the same instrument. Results from the impactor samples were analyzed by the statistical methods. This thesis comprises also a work where a method for the determination carbonaceous matter size distribution by using a multistage impactor was developed.

It was found that the chemistry of PM has usually strong spatial, temporal and size-dependent variability. In the Finnish sites most of the fine PM consisted of organic matter. However, in Greece sulfate dominated the fine PM and in Italy nitrate made the largest contribution to the fine PM. Regarding the size-dependent chemical composition, organic components were likely to be enriched in smaller particles than inorganic ions. Data analysis showed that organic carbon (OC) had four major sources in Helsinki. Secondary production was the major source in Helsinki during spring, summer and fall, whereas in winter biomass combustion dominated OC. The significant impact of biomass combustion on OC concentrations was also observed in the measurements performed in Central Europe.

In this thesis aerosol samples were collected mainly by the conventional filter and impactor methods which suffered from the long integration time. However, by filter and impactor measurements chemical mass closure was achieved accurately, and a simple filter sampling was found to be useful in order to explain the sources of PM on the seasonal basis. The online instruments gave additional information related to the temporal variations of the sources and the atmospheric mixing conditions.

Ilmakehän hiukkaset vaikuttavat ihmisten terveyteen kulkeuduttuaan hengitysteihin. Hiukkaset vaikuttavat myös ilmastoomme sirottamalla auringosta tulevaa säteilyä joko suoraan tai muodostamalla pilviä. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tarkastella ilmakehän hiukkasten kemiallista koostumusta ja lähteitä erilaisissa ympäristöissä, sillä hiukkasten terveys- ja ilmastovaikutusten arviointiin tarvitaan tietoa hiukkasten kemiasta.

Hiukkasmittauksia tehtiin yhdeksällä eri mittausasemalla kuudessa maassa (Suomessa, Saksassa, Tšekissä, Alankomaissa, Kreikassa ja Italiassa). Mittausasemista suurin osa sijaitsi kaupungissa, mutta mittauksia tehtiin myös tausta-asemilla. Hiukkasnäytteet kerättiin impaktoreilla suodattimille tai muille keräysalustoille. Näytteistä määritettiin hiukkasten massa sekä niiden kemiallinen koostumus laboratoriossa. Impaktorikeräysten lisäksi hiukkasten massaa ja kemiallista koostumusta mitattiin käyttämällä online-laitteita, joissa hiukkasten keräys ja analyysi suoritetaan joko samanaikaisesti tai peräkkäin samassa laitteistossa. Lisäksi tässä väitöskirjassa kehitettiin uusi menetelmä hiilihiukkasten kokojakauman analysoimiseksi moniasteimpaktoria käyttäen.

Hiukkasten kemiallinen koostumus vaihteli eri mittauspaikkojen välillä, mutta koostumukseen vaikutti myös vuorokaudenaika sekä tutkittu hiukkaskoko. Kreikassa suurin osa pienhiukkasista oli sulfaattia, kun taas Italiassa pienhiukkaset koostuivat suurimmaksi osaksi nitraatista. Suomessa suurin osa pienhiukkasista koostui orgaanisista yhdisteistä. Hiukkasten koostumus muuttui kuitenkin selvästi, kun Helsinkiin kulkeutui savua Venäjän metsäpaloista. Kreikassa hiukkasten koostumus taas muuttui, kun ilmavirtaukset toivat mukanaan mineraalihiukkasia Saharan hiekkamyrskyistä. Hiukkasten lähteitä selvitettiin analysoimalla näytteiden tuloksia tilastollisilla menetelmillä. Helsingissä tutkittiin erityisesti hiukkasmaisen orgaanisen hiilen lähteitä. Orgaaniselle hiilelle löydettiin neljä lähdettä, joista hiukkasten muodostuminen ilmakehässä oli vallitseva talvikuukausia lukuun ottamatta. Talvella biomassan poltto tuotti eniten orgaanista hiiltä. Biomassan polton merkittävä osuus orgaanisen hiilen lähteenä havaittiin myös Keski-Euroopassa.

Suurin osa tämän väitöskirjan hiukkasmitttauksista tehtiin keräämällä näytettä suodattamalla tai impaktoreilla, jolloin keräysaika on tyypillisesti vähintään vuorokauden pituinen. Huolimatta pitkästä keräysajasta näytteet sopivat hyvin kemiallisen massasulkeuman määritykseen sekä hiukkasten lähteiden vuodenaikavaihteluiden tarkasteluun. Online-laitteet taas sopivat nopeasti muuttuvien tilanteiden tarkastelun.