Numerical approaches to new particle formation and growth in the atmosphere

Abstract

Aerosols impact the planet and our daily lives through various effects, perhaps most notably those related to their climatic and health-related consequences. While there are several primary particle sources, secondary new particle formation from precursor vapors is also known to be a frequent, global phenomenon. Nevertheless, the formation mechanism of new particles, as well as the vapors participating in the process, remain a mystery. This thesis consists of studies on new particle formation specifically from the point of view of numerical modeling.

A dependence of formation rate of 3 nm particles on the sulphuric acid concentration to the power of 1-2 has been observed. This suggests nucleation mechanism to be of first or second order with respect to the sulphuric acid concentration, in other words the mechanisms based on activation or kinetic collision of clusters. However, model studies have had difficulties in replicating the small exponents observed in nature. The work done in this thesis indicates that the exponents may be lowered by the participation of a co-condensing (and potentially nucleating) low-volatility organic vapor, or by increasing the assumed size of the critical clusters. On the other hand, the presented new and more accurate method for determining the exponent indicates high diurnal variability. Additionally, these studies included several semi-empirical nucleation rate parameterizations as well as a detailed investigation of the analysis used to determine the apparent particle formation rate.

Due to their high proportion of the earth's surface area, oceans could potentially prove to be climatically significant sources of secondary particles. In the lack of marine observation data, new particle formation events in a coastal region were parameterized and studied. Since the formation mechanism is believed to be similar, the new parameterization was applied in a marine scenario. The work showed that marine CCN production is feasible in the presence of additional vapors contributing to particle growth.

Finally, a new method to estimate concentrations of condensing organics was developed. The algorithm utilizes a Markov chain Monte Carlo method to determine the required combination of vapor concentrations by comparing a measured particle size distribution with one from an aerosol dynamics process model. The evaluation indicated excellent agreement against model data, and initial results with field data appear sound as well.

Pienhiukkaset vaikuttavat monin tavoin maapalloon ja jokapäiväiseen elämäämme. Ne voivat esimerkiksi toimia pilvien tiivistymisytimiä, jolloin ne epäsuorasti viilentävät ilmastoa. Hengitettyinä pienhiukkaset voivat koostumuksestaan ja koostaan riippuen aiheuttaa vakaviakin oireita, mikä on Suomessakin havaittu erityisesti Venäjän metsäpalojen aikana. Pienhiukkaset ovat siis varsin luonnollinen ilmiö, vaikka ihminenkin toki pystyy niitä toiminnallaan tuottamaan.

Luonnostaan hiukkasmuotoisen aineen (esimerkiksi hiekkamyrskyn) lisäksi pienhiukkasten muodostumista ympäröivistä kaasuista tiivistymällä on havaittu ympäri maailmaa. Muodostustapahtumaan liittyvien mekanismien tuntemus on kuitenkin yhä puutteellista. Lukuisat havainnot viittaavat kaasumaisen rikkihapon tärkeyteen, mutta toisaalta rikkihappoa ei kaikkialla ole tarpeeksi. Siksi on esitetty, että esimerkiksi pohjoisissa havumetsissä monimuotoiset mitattavat orgaaniset höyryt osallistuisivat joko hiukkasmuodostukseen tai ainakin hiukkasten varhaiseen kasvuun. Merialueilla puolestaan levistä ja planktonkasvustosta vapautuvat jodikaasut saattavat osoittautua tärkeiksi. Näiden hypoteesien kokeellista varmentamista on toistaiseksi vaikeuttanut kyseisten höyryjen mittaamista hankaloittavat fysikaaliset ominaisuudet.

Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu hiukkasmuodostusta ja vastamuodostuneiden hiukkasten kasvua laskennallisista lähtökohdista. Tutkimuksessa on käytetty kaikkia oleellisia fysikaalisia prosesseja kuvaavaa 0-ulotteista tietokonemallia, jonka kehitys on tässä työssä ollut suuressa osassa. Muita merkittäviä osa-alueita ovat olleet aineiston käsittelyyn tarvittavien menetelmien kehitys, erilaisten herkkyystarkastelujen suorittaminen sekä tietenkin malliajojen tuottaman aineiston tulkinta.

Tässä työssä tehtyjä parametrisaatioita käyttäen tietokonemalli pystyy kuvaamaan luonnossa havaittuja hiukkasmuodostustapahtumia niin pohjoisten havumetsien, rannikkoalueiden kuin myös avomeren olosuhteissa. Hiukkasten muodostumisnopeuden määrittämistä on kehitetty ja ympäröivien olosuhteiden vaikutusta hiukkasmuodostustapahtumaan tarkasteltu. Lisäksi työssä kuvataan uusi laskennallinen menetelmä hiukkasia kasvattavien höyryjen määrittämiseksi.