Published July 1, 2022
| Version v1
Publication
Open
Investigation of new particle formation mechanisms and aerosol processes at Marambio Station, Antarctic Peninsula
Creators
- 1. University of Helsinki
- 2. Paul Scherrer Institute
- 3. École Polytechnique Fédérale de Lausanne
- 4. Finnish Meteorological Institute
- 5. National Meteorological Service
- 6. Aerodyne Research
- 7. Cyprus Institute
Description
Abstract. Understanding chemical processes leading to the formation of atmospheric aerosol particles is crucial to improve our capabilities in predicting the future climate. However, those mechanisms are still inadequately characterized, especially in polar regions. In this study, we report observations of neutral and charged aerosol precursor molecules and chemical cluster composition (qualitatively and quantitatively), as well as air ions and aerosol particle number concentrations and size distributions from the Marambio research station (64∘15′ S, 56∘38′ W), located north of the Antarctic Peninsula. We conducted measurements during the austral summer, between 15 January and 25 February 2018. The scope of this study is to characterize new particle formation (NPF) event parameters and connect our observations of gas-phase compounds with the formation of secondary aerosols to resolve the nucleation mechanisms at the molecular scale. NPF occurred on 40 % of measurement days. All NPF events were observed during days with high solar radiation, mostly with above-freezing temperatures and with low relative humidity. The averaged formation rate for 3 nm particles (J3) was 0.686 cm−3 s−1, and the average particle growth rate (GR3.8–12 nm) was 4.2 nm h−1. Analysis of neutral aerosol precursor molecules showed measurable concentrations of iodic acid (IA), sulfuric acid (SA), and methane sulfonic acid (MSA) throughout the entire measurement period with significant increase in MSA and SA concentrations during NPF events. We highlight SA as a key contributor to NPF processes, while IA and MSA likely only contribute to particle growth. Mechanistically, anion clusters containing ammonia and/or dimethylamine (DMA) and SA were identified, suggesting significant concentration of ammonia and DMA as well. Those species are likely contributing to NPF events since SA alone is not sufficient to explain observed nucleation rates. Here, we provide evidence of the marine origin of the measured chemical precursors and discuss their potential contribution to the aerosol phase.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الخلاصة: إن فهم العمليات الكيميائية التي تؤدي إلى تكوين جزيئات الهباء الجوي في الغلاف الجوي أمر بالغ الأهمية لتحسين قدراتنا على التنبؤ بالمناخ المستقبلي. ومع ذلك، لا تزال هذه الآليات غير مميزة بشكل كافٍ، خاصة في المناطق القطبية. في هذه الدراسة، نبلغ عن ملاحظات لجزيئات سلائف الهباء الجوي المحايدة والمشحونة والتكوين العنقودي الكيميائي (نوعيًا وكميًا)، بالإضافة إلى أيونات الهواء وتركيزات عدد جسيمات الهباء الجوي وتوزيعات الحجم من محطة أبحاث مارامبيو (64 15'S، 56 38' W)، الواقعة شمال شبه الجزيرة القطبية الجنوبية. أجرينا قياسات خلال الصيف الأسترالي، بين 15 يناير و 25 فبراير 2018. يتمثل نطاق هذه الدراسة في توصيف معلمات حدث تكوين الجسيمات الجديدة (NPF) وربط ملاحظاتنا لمركبات الطور الغازي بتكوين الهباء الجوي الثانوي لحل آليات النواة على المقياس الجزيئي. حدث NPF في 40 ٪ من أيام القياس. لوحظت جميع أحداث NPF خلال الأيام ذات الإشعاع الشمسي العالي، ومعظمها مع درجات حرارة أعلى من التجمد ورطوبة نسبية منخفضة. كان متوسط معدل تكوين جسيمات 3 نانومتر (J3) 0.686 سم−3 ثانية−1، وكان متوسط معدل نمو الجسيمات (GR3.8–12 نانومتر) 4.2 نانومتر ساعة−1. أظهر تحليل جزيئات سلائف الهباء الجوي المحايدة تركيزات قابلة للقياس من حمض اليوديك (IA) وحمض الكبريتيك (SA) وحمض سلفونيك الميثان (MSA) طوال فترة القياس بأكملها مع زيادة كبيرة في تركيزات MSA و SA خلال أحداث NPF. نسلط الضوء على SA كمساهم رئيسي في عمليات NPF، في حين أن IA و MSA من المحتمل أن تساهم فقط في نمو الجسيمات. من الناحية الميكانيكية، تم تحديد مجموعات الأنيون التي تحتوي على الأمونيا و/أو ثنائي ميثيل الأمين (DMA) و SA، مما يشير إلى تركيز كبير من الأمونيا و DMA أيضًا. من المحتمل أن تساهم هذه الأنواع في أحداث NPF لأن SA وحدها ليست كافية لشرح معدلات النواة المرصودة. هنا، نقدم دليلاً على الأصل البحري للسلائف الكيميائية المقاسة ونناقش مساهمتها المحتملة في مرحلة الهباء الجوي.Translated Description (French)
Résumé. Comprendre les processus chimiques conduisant à la formation de particules d'aérosols atmosphériques est crucial pour améliorer nos capacités à prédire le climat futur. Cependant, ces mécanismes sont encore insuffisamment caractérisés, en particulier dans les régions polaires. Dans cette étude, nous rapportons des observations de molécules précurseurs d'aérosols neutres et chargées et de composition d'agrégats chimiques (qualitativement et quantitativement), ainsi que des concentrations en ions atmosphériques et en nombre de particules d'aérosols et des distributions de taille de la station de recherche Marambio (64∘15′ S, 56∘38′ O), située au nord de la péninsule antarctique. Nous avons effectué des mesures pendant l'été austral, entre le 15 janvier et le 25 février 2018. Le but de cette étude est de caractériser de nouveaux paramètres d'événements de formation de particules (NPF) et de relier nos observations de composés en phase gazeuse à la formation d'aérosols secondaires pour résoudre les mécanismes de nucléation à l'échelle moléculaire. La FPN s'est produite sur 40 % des jours de mesure. Tous les événements de FPN ont été observés pendant les jours où le rayonnement solaire était élevé, principalement avec des températures au-dessus du point de congélation et avec une faible humidité relative. Le taux de formation moyen pour les particules de 3 nm (J3) était de 0,686 cm−3 s−1, et le taux de croissance moyen des particules (GR3,8-12 nm) était de 4,2 nm h−1. L'analyse des molécules précurseurs d'aérosols neutres a montré des concentrations mesurables d'acide iodique (IA), d'acide sulfurique (SA) et d'acide méthane sulfonique (MSA) tout au long de la période de mesure avec une augmentation significative des concentrations de MSA et de SA lors des événements NPF. Nous soulignons que l'AS est un contributeur clé aux processus de la FPN, tandis que l'AI et l'ASM ne contribuent probablement qu'à la croissance des particules. Mécaniquement, des grappes d'anions contenant de l'ammoniac et/ou de la diméthylamine (DMA) et de l'AS ont été identifiées, suggérant également une concentration importante d'ammoniac et de DMA. Ces espèces contribuent probablement aux événements NPF puisque l'AS seule n'est pas suffisante pour expliquer les taux de nucléation observés. Ici, nous fournissons des preuves de l'origine marine des précurseurs chimiques mesurés et discutons de leur contribution potentielle à la phase d'aérosol.Translated Description (Spanish)
Resumen. Comprender los procesos químicos que conducen a la formación de partículas de aerosoles atmosféricos es crucial para mejorar nuestras capacidades de predicción del clima futuro. Sin embargo, esos mecanismos aún se caracterizan de manera inadecuada, especialmente en las regiones polares. En este estudio, informamos las observaciones de moléculas precursoras de aerosol neutras y cargadas y la composición química del grupo (cualitativa y cuantitativamente), así como las concentraciones de iones en el aire y el número de partículas de aerosol y las distribuciones de tamaño de la estación de investigación Marambio (64°15'S, 56°38' O), ubicada al norte de la Península Antártica. Realizamos mediciones durante el verano austral, entre el 15 de enero y el 25 de febrero de 2018. El alcance de este estudio es caracterizar nuevos parámetros de eventos de formación de partículas (NPF) y conectar nuestras observaciones de compuestos en fase gaseosa con la formación de aerosoles secundarios para resolver los mecanismos de nucleación a escala molecular. NPF ocurrió en el 40 % de los días de medición. Todos los eventos de NPF se observaron durante los días con alta radiación solar, principalmente con temperaturas por encima del punto de congelación y con baja humedad relativa. La tasa de formación promedio para partículas de 3 nm (J3) fue de 0.686 cm−3 s−1, y la tasa de crecimiento de partículas promedio (GR3.8–12 nm) fue de 4.2 nm h−1. El análisis de las moléculas precursoras de aerosol neutras mostró concentraciones medibles de ácido yódico (IA), ácido sulfúrico (SA) y ácido metanosulfónico (MSA) a lo largo de todo el período de medición con un aumento significativo en las concentraciones de MSA y SA durante los eventos de NPF. Destacamos a SA como un contribuyente clave a los procesos de NPF, mientras que IA y MSA probablemente solo contribuyan al crecimiento de partículas. Mecánicamente, se identificaron grupos aniónicos que contenían amoníaco y/o dimetilamina (DMA) y SA, lo que sugiere una concentración significativa de amoníaco y DMA también. Es probable que esas especies contribuyan a los eventos de NPF, ya que la SA por sí sola no es suficiente para explicar las tasas de nucleación observadas. Aquí, proporcionamos evidencia del origen marino de los precursores químicos medidos y discutimos su posible contribución a la fase de aerosol.Files
acp-22-8417-2022.pdf.pdf
Files
(7.9 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:f413a86fa5f91aa359fc18497dad3b71
|
7.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التحقيق في آليات تكوين الجسيمات الجديدة وعمليات الهباء الجوي في محطة مارامبيو، شبه جزيرة أنتاركتيكا
- Translated title (French)
- Étude de nouveaux mécanismes de formation de particules et de processus d'aérosol à la station de Marambio, dans la péninsule Antarctique
- Translated title (Spanish)
- Investigación de nuevos mecanismos de formación de partículas y procesos de aerosoles en la Estación Marambio, Península Antártica
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4283750096
- DOI
- 10.5194/acp-22-8417-2022
References
- https://openalex.org/W1968188655
- https://openalex.org/W1970717265
- https://openalex.org/W1974435099
- https://openalex.org/W1979355679
- https://openalex.org/W1995109133
- https://openalex.org/W2000908471
- https://openalex.org/W2011254556
- https://openalex.org/W2011483598
- https://openalex.org/W2040914461
- https://openalex.org/W2045617521
- https://openalex.org/W2058056833
- https://openalex.org/W2071365809
- https://openalex.org/W2074627137
- https://openalex.org/W2091700437
- https://openalex.org/W2100314936
- https://openalex.org/W2100989243
- https://openalex.org/W2106999449
- https://openalex.org/W2108582364
- https://openalex.org/W2109057255
- https://openalex.org/W2111570465
- https://openalex.org/W2112644788
- https://openalex.org/W2116795237
- https://openalex.org/W2117746361
- https://openalex.org/W2126774210
- https://openalex.org/W2127722963
- https://openalex.org/W2132259315
- https://openalex.org/W2155433774
- https://openalex.org/W2156400173
- https://openalex.org/W2157203601
- https://openalex.org/W2169882454
- https://openalex.org/W2169954448
- https://openalex.org/W2177865389
- https://openalex.org/W2182221714
- https://openalex.org/W2187037364
- https://openalex.org/W2315074291
- https://openalex.org/W2319467448
- https://openalex.org/W2395517506
- https://openalex.org/W2402503711
- https://openalex.org/W2507780804
- https://openalex.org/W2534069928
- https://openalex.org/W2545978408
- https://openalex.org/W2624116582
- https://openalex.org/W2767984518
- https://openalex.org/W2782177296
- https://openalex.org/W2785906388
- https://openalex.org/W2796664872
- https://openalex.org/W2799614504
- https://openalex.org/W2801866690
- https://openalex.org/W2886916178
- https://openalex.org/W2892158917
- https://openalex.org/W2900363876
- https://openalex.org/W2901148959
- https://openalex.org/W2902694464
- https://openalex.org/W2911524572
- https://openalex.org/W2917630884
- https://openalex.org/W2948492688
- https://openalex.org/W2954612054
- https://openalex.org/W2979982792
- https://openalex.org/W2991260297
- https://openalex.org/W3005468578
- https://openalex.org/W3006056037
- https://openalex.org/W3027373216
- https://openalex.org/W3040193202
- https://openalex.org/W3091658583
- https://openalex.org/W3116662980
- https://openalex.org/W3125090955
- https://openalex.org/W3126504940
- https://openalex.org/W3163584457
- https://openalex.org/W3203687261
- https://openalex.org/W3208278347
- https://openalex.org/W4206246993
- https://openalex.org/W4213327538