Vol. 30, issue 08, article # 12

Arshinov M.Yu., Belan B.D., Voronetskaya N.G., Golovko A.K., Davydov D.K., Kozlov A.S., Pevneva G.S., Simonenkov D.V., Fofonov A.V. Organic aerosol in air of Siberia and the Arctic. Part 1. Geographic features and temporal dynamics. // Optika Atmosfery i Okeana. 2017. V. 30. No. 08. P. 716–722 [in Russian].
Copy the reference to clipboard
Abstract:

The concentrations of normal hydrocarbons are studied on the basis of measurements in the surface air layer in different Siberian regions and in the free atmosphere over the Kara Sea water area. The total content of normal hydrocarbons in the aerosol composition is found to change from 244.56 ng/m3 in the surface air layer to 0.08 ng/m3 in the free atmosphere over the Kara Sea. Most organic compounds are from the C15H32–C22H46 range independently of the season; lighter compounds beginning from C9H20 are detected in the mid-seasons (spring and autumn); C18H38 concentration is maximal in autumn; C19H40, in spring and summer, and C20H42, in winter.

Keywords:

atmospheric aerosol, composition, hydrocarbons

References:

  1. Gelencser A. Carbonaceous Aerosol. Dordrecht: Springer, 2004. 350 p.
  2. Vehkamäki H. Classical Nucleation Theory in Multicomponent Systems. Berlin; Heidelberg: Springer, 2006. 176 р.
  3. Cappa C. Unexpected player in particle formation // Nature (Gr. Brit). 2016. V. 533, N 7604. P. 478–429.
  4. Kirkby J., Duplissy J., Sengupta K., Frege C., Gordon H., Williamson Ch., Heinritzi M., Simon M., Chao Yan, Almeida J., Tröstl J., Nieminen T., Ortega I.K., Wagner R., Adamov A., Amorim A.A., Bernhammer A.K., Bianchi F., Breitenlechner M., Brilke S., Chen X., Craven J., Dias A., Ehrhart S., Flagan R.C., Franchin A., Fuchs C., Guida R., Hakala J., Hoyle C.R., Jokinen T., Junninen H., Kangasluoma J., Kim J., Krapf M., Kürten A., Laaksonen A., Lehtipalo K., Makhmutov V., Mathot S., Molteni U., Onnela A., Peräkylä O., Piel F., Petäjä T., Praplan A.P., Pringle K., Rap A., Richards N.A.D., Riipinen I., Rissanen M.P., Rondo L., Sarnela N., Schobesberger S., Scott C.E., Seinfeld J.H., Sipilä M., Steiner G., Stozhkov Yu., Stratmann F., Tomé A., Virtanen A., Vogel A.L., Wagner A.C., Wagner P.E., Weingartner E., Wimmer D., Winkler P.M., Ye P., Zhang X., Hansel A., Dommen J., Donahue N.M., Worsnop D.R., Baltensperger U., Kulmala M., Carslaw K.S., Curtius J. Ion-induced nucleation of pure biogenic particles // Nature (Gr. Brit.). 2016. V. 533, N 7604. P. 521–526.
  5. Tröstl J., Wayne W.K., Gordon H., Heinritzi M., Chao Yan, Molteni U., Ahlm L., Frege C., Bianchi F., Wagner R., Simon M., Lehtipalo K., Williamson Ch., Craven J.S., Duplissy J., Adamov A., Almeida J., Bernhammer A.-K., Breitenlechner M., Brilke S., Dias A., Herhart S., Flagan R.C., Franchin A., Fuchs C., Guida R., Gysel M., Hansel A., Hoyle Ch.R., Jokinen T., Junninen H., Kangasluoma J., Keskinen H., Kim J., Krapf M., Kürten A., Laaksonen A., Lawler M., Leiminger M., Mathot S., Möhler O., Nieminen T., Onnela A., Petäjä T., Piel F.M., Miettinen P., Rissanen M.P., Rondo L., Sarnela N., Schobesberger S., Sengupta K., Sipilä M., Smith J.N., Steiner G., Tomè A., Virtanen A., Wagner A.C., Weingartner E., Wimmer D., Winkler P.M., Ye P., Carslaw K.S., Curtius J., Dommen J., Kirkby J., Kulmala M., Riipinen I., Worsnop D.R., Donahue N.M., Baltensperger U. The role of low-volatility organic compounds in initial particle growth in the atmosphere // Nature (Gr. Brit.). 2016. V. 533, N 7604. P. 527–531.
  6. Bialek J., Dall’Osto M., Monahan C., Beddows D., O’Dowd C. On the contribution of organics to the North East Atlantic aerosol number concentration // Environ. Res. Lett. 2012. V. 7. Р. 044013 (7 p.).
  7. Elsasser M., Crippa M., Orasche J., DeCarlo P.F., Oster M., Pitz M., Cyrys J., Gustafson T.L., Pettersson J.B.C., Schnelle-Kreis J., Prevot A.S.H., Zimmermann R. Organic molecular markers and signature from wood combustion particles in winter ambient aerosols: Aerosol mass spectrometer (AMS) and high time-resolved GC-MS measurements in Augsburg, Germany // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 14. P. 6113–6128.
  8. Ge X., Wexler A.S., Clegg S.L. Atmospheric amines – Part 1. A review // Atmos. Environ. 2011. V. 45, N 3. P. 524–545.
  9. Wang Z., Wang T., Guo J., Gao R., Xue L., Zhang J., Zhou Y., Zhou X., Zhang Q., Wang W. Formation of secondary organic carbon and cloud impact on carbonaceous aerosols at Mount Tai, North China // Atmos. Environ. 2012. V. 46, N 1. P. 516–527.
  10. Shakya K.M., Place P.F., Jr., Griffin R.J., Talbot R.W. Carbonaceous content and water-soluble organic functionality of atmospheric aerosols at a semi-rural New England location // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. D03301. DOI: 10.1029/2011JD016113.
  11. Kim K.H., Sekiguchi K., Kudo S., Kinoshita M., Sakamoto K. Carbonaceous and ionic components in ultra fine and fine particles at four sampling sites in the vicinity of roadway intersection // Atmos. Environ. 2013. V. 74. P. 83–92.
  12. Virtanen A., Joutsensaari J., Koop T., Kannosto J., Yli-Pirilä P., Leskinen J., Makela J.M., Holopainen J.K., Poschl U., Kulmala M., Worsnop D.R., Laaksonen A. An amorphous solid state of biogenic secondary organic aerosol particles // Nature (Gr. Brit.). 2010. V. 467, N 7317. P. 824–827.
  13. Kondrat'ev K.Ja. Ajerozol' kak klimatoobrazujushhij komponent atmosfery. 2. Prjamoe i kosvennoe vozdejstvie na klimat // Optika atmosf. i okeana. 2002. V. 15, N 4. P. 301–320.
  14. Fray N., Bardyn A., Cottin H., Altwegg K., Baklouti D., Briois Ch., Colangeli L., Engrand C., Fischer H., Glasmachers A., Grün E., Haerendel G., Henkel H., Höfner H., Hornung K., Jessberger E.K., Koch A., Krüger H., Langevin Y., Lehto H., Lehto K., Le Roy L., Merouane S., Modica P., Orthous-Daunay F.R., Paquette J., Raulin F., Rynö J., Schulz R., Silén J., Siljeström S., Steiger W., Stenzel O., Stephan T., Thirkell L., Thomas R., Torkar K., Varmuza K., Wanczek K.-P., Zaprudin B., Kissel J., Hilchenbach M. High-molecular-weight organic matter in the particles of comet 67P Churyumov–Gerasimenko // Nature (Gr. Brit.). 2016. V. 538, N 7623. P. 72–75.
  15. Hand E. Mars rover finds long-chain organic compounds // Science. 2015. V. 347, N 6229. P. 1402–1403.
  16. Sakerin S.M., Golobokova L.P., Kabanov D.M., Pol'kin V.V., Turchinovich Ju.S., Hodzher T.V., Huriganova O.I. Prostranstvenno-vremennaja izmenchivost' harakteristik ajerozolja na marshrute Indo-Atlanticheskoj jekspedicii NIS «Akademik Nikolaj Strahov» // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, N 1. P. 42–52.
  17. Poddubnyj V.A., Pol'kin V.V., Sakerin S.M., Golobokova L.P., Luzheckaja A.P., Markelov Ju.I., Dubinkina E.S., Huriganova O.I. Kompleksnyj ajerozol'nyj jeksperiment na Srednem Urale. Part 2. Harakteristiki ajerozolja v prizemnom sloe atmosfery // Optika atmosf. i okeana. 2016. V. 29, N 12. P. 1011–1022.
  18. Pol'kin V.V., Kabanov D.M., Sakerin S.M., Golobokova L.P. Rezul'taty sravnitel'nyh issledovanij opticheskih, mikrofizicheskih harakteristik i himicheskogo sostava ajerozolja nad akvatoriej Kaspijskogo morja v 29-m i 41-m rejsah NIS «Rift» // Optika atmosf. i okeana. 2013. Т. 26, № 8. С. 628–635.
  19. Mihajlov E.F., Mironova S.Ju., Makarova M.V., Vlasenko S.S., Ryshkevich T.I., Panov A.V., Andreae M.O. Issledovanie sezonnoj izmenchivosti uglerodsoderzhashhej frakcii atmosfernogo ajerozolja Central'noj Sibiri // Izv. RAN. Fiz. atmosf. i okeana. 2015. V. 51, N 4. P. 484–492.
  20. Shevchenko V.P., Starodymova D.P., Vinogradova A.A., Lisicyn A.P., Makarov V.I., Popova S.A., Sivonen V.V., Sivonen V.P. Jelementarnyj i organicheskij uglerod v atmosfernom ajerozole nad severo-zapadnym poberezh'em Kandalashskogo zaliva Belogo morja // Dokl. AN. 2015. V. 461, N 1. P. 70–74.
  21. Anohin G.G., Antohin P.N., Arshinov M.Ju., Barsuk V.E., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Kozlov V.S., Morozov M.V., Panchenko M.V., Penner I.Je., Pestunov D.A., Sikov G.P., Simonenkov D.V., Sinicyn D.S., Tolmachev G.N., Filippov D.V., Fofonov A.V., Chernov D.G., Shamanaev V.S., Shmargunov V.P. Samolet-laboratorija Tu-134 «Optik» // Optika atmosf. i okeana. 2011. V. 24, N 9. P. 805–816.
  22. Voroneckaja N.G., Pevneva G.S., Golovko A.K., Kozlov A.S., Arshinov M.Ju., Belan B.D., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N. Uglevodorodnyj sostav troposfernogo ajerozolja juga Zapadnoj Sibiri // Optika atmosf. i okeana. 2014. V. 27, N 6. P. 496–505.
  23. Hayes P.L., Ortega A.M., Cubison M.J., Froyd K.D., Zhao Y., Cliff S.S., Hu W.W., Toohey D.W., Flynn J.H., Lefer B.L., Grossberg N., Alvarez S., Rappenglück B., Taylor J.W., Allan J.D., Holloway J.S., Gilman J.B., Kuster W.C., de Gouw J.A., Massoli P., Zhang X., Liu J., Weber R.J., Corrigan A.L., Russell L.M., Isaacman G., Worton D.R., Kreisberg N.M., Goldstein A.H., Thalman R., Waxman E.M., Volkamer R., Lin Y.H., Surratt J.D., Kleindienst T.E., Offenberg J.H., Dusanter S., Griffith S., Stevens P.S., Brioude J., Angevine W.M., Jimenez J.L. Organic aerosol composition and sources in Pasadena, California, during the 2010 CalNex campaign // J. Geophys. Res. 2013. V. 118, N 16. P. 9233–9257. DOI: 10.1002/jgrd.50530.
  24. Yee L.D., Craven J.S., Loza C.L., Schilling K.A., Ng N.L., Canagaratna M.R., Ziemann P.J., Flagan R.C., Seinfeld J.H. Effect of chemical structure on secondary organic aerosol formation from C12 alkanes // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, N 21. P. 11121–11140.
  25. Marais E.A., Jacob D.J., Jimenez J.L., Campuzano-Jost P., Day D.A., Hu W., Krechmer J., Zhu L., Kim P.S., Miller C.C., Fisher J.A., Travis K., Yu K., Hanisco T.F., Wolfe G.M., Arkinson H.L., Pye H.O.T., Froyd K.D., Liao J., McNeill V.F. Aqueous-phase mechanism for secondary organic aerosol formation from isoprene: Application to the southeast United States and co-benefit of SO2 emission controls // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 3. P. 1603–1618.
  26. Kürten A., Bergen A., Heinritzi M., Leiminger M., Lorenz V., Piel F., Simon M., Sitals R., Wagner A.C., Curtius J. Observation of new particle formation and measurement of sulfuric acid, ammonia, amines and highly oxidized organic molecules at a rural site in central Germany // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 19. P. 12793–12813.
  27. Ehn M., Kleist E., Junninen H., Petaja T., Lonn G., Schobesberger S., Dal Maso M., Trimborn A., Kulmala M., Worsnop D.R., Wahner A., Wildt J., Mentel Th.F. Gas phase formation of extremely oxidized pinene reaction products in chamber and ambient air // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 11. P. 5113–5127.
  28. Kourtchev I., Fuller S.J., Giorio C., Healy R.M., Wilson E., O’Connor I., Wenger J.C., McLeod M., Aalto J., Ruuskanen T.M., Maenhaut W., Jones R., Venables D.S., Sodeau J.R., Kulmala M., Kalberer M. Molecular composition of biogenic secondary organic aerosols using ultrahigh-resolution mass spectrometry: Comparing laboratory and field studies // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14, N 4. P. 2155–2167.
  29. Jokinen T., Kausiala O., Garmash O., Peräkylä O., Junninen H., Schobesberger S., Chao Yan, Sipilä M., Rissanen M.P. Production of highly oxidized organic compounds from ozonolysis of b-caryophyllene: Laboratory and field measurements // Boreal Environ. Res. 2016. V. 21, N 3–4. P. 262–273.
  30. Crippa M., Canonaco F., Slowik J.G., Haddad I.El, DeCarlo P.F., Mohr C., Heringa M.F., Chirico R., Marchand N., Temime-Roussel B., Abidi E., Poulain L., Wiedensohler A., Baltensperger U., Prevot A.S.H. Primary and secondary organic aerosol origin by combined gas-particle phase source apportionment // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, N 16. P. 8411–8426.
  31. Han Y., Iwamoto Y., Nakayama T., Kawamura K., Mochida M. Formation and evolution of biogenic secondary organic aerosol over a forest site in Japan // J. Geophys. Res. Atmos. 2014. V. 119. P. 259–273. DOI: 10.1002/2013JD020390.
  32. Querol X., Alastuey A., Viana M., Moreno T., Reche C., Minguillon M.C., Ripoll A., Pandolfi M., Amato F., Karanasiou A., Perez N., Pey J., Cusack M., Vazquez R., Plana F., Dall’Osto M., de la Rosa J., de la Campa Sanchez A., Fernandez-Camacho R., Rodriguez S., Pio C., Alados-Arboledas L., Titos G., Artinano B., Salvador P., Dos Santos Garcia S., Patier R.F. Variability of carbonaceous aerosols in remote, rural, urban and industrial environments in Spain: Implications for air quality policy // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, N 13. P. 6185–6206.
  33. Kawana K., Nakayama T., Mochida M. Hygroscopicity and CCN activity of atmospheric aerosol particles and their relation to organics: Characteristics of urban aerosols in Nagoya, Japan // J. Geophys. Res. Atmos. 2016. V. 121, N 8. P. 4100–4121. DOI: 10.1002/2015JD023213.
  34. Yuan G.-L., Wu M.-Z., Sun Y., Li J., Li J.-C., Gen-Hou Wang G.-H. One century of air deposition of hydrocarbons recorded in travertine in North Tibetan Plateau, China: Sources and evolution // Sci. Total Environ. 2016. V. 560–561. P. 212–217.
  35. Brito J., Rizzo L.V., Morgan W.T., Coe H., Johnson B., Haywood J., Longo K., Freitas S., Andreae M.O., Artaxo P. Ground-based aerosol characterization during the South American Biomass Burning Analysis (SAMBBA) field experiment // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14, N 22. P. 12069–12083.
  36. Bikkina S., Kawamura K., Miyazaki Y., Fu P. High abundances of oxalic, azelaic, and glyoxylic acids and methylglyoxal in the open ocean with high biological activity: Implication for secondary OA formation from isoprene // Geophys. Res. Lett. 2014. V. 41, N 10. P. 3649–3657. DOI: 10.1002/2014GL059913.
  37. Voroneckaja N.G., Pevneva G.S., Golovko A.K., Kozlov A.S., Arshinov M.Ju., Belan B.D., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N. Prostranstvennaja izmenchivost' organicheskoj komponenty ajerozolja v prizemnom sloe i svobodnoj atmosfere // Optika atmosf. i okeana. 2015. V. 28, N 9. P. 825–829.
  38. Chang R.Y.-W., Leck C., Graus M., Muller M., Paatero J., Burkhart J.F., Stohl A., Orr L.H., Hayden K., Li S.-M., Hansel A., Tjernstrom M., Leaitch W.R., Abbatt J.P.D. Aerosol composition and sources in the central Arctic Ocean during ASCOS // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11, N 20. P. 10619–10636.
  39. Schmale J., Schneider J., Nemitz E., Tang Y.S., Dragosits U., Blackall T.D., Trathan P.N., Phillips G.J., Sutton M., Braban C.F. Sub-Antarctic marine aerosol: Dominant contributions from biogenic sources // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, N 17. P. 8669–8694.
  40. Fu P.Q., Kawamura K., Chen J., Charriere B., Sempere R. Organic molecular composition of marine aerosols over the Arctic Ocean in summer: Contributions of primary emission and secondary aerosol formation // Biogeosciences. 2013. V. 10, N 2. P. 653–667.
  41. Arshinov M.Ju., Belan B.D., Voroneckaja N.G., Golovko A.K., Davydov D.K., Kozlov A.S., Malyshkin S.B., Pevneva G.S., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N. Godovaja dinamika organicheskoj sostavljajushhej ajerozolja v svobodnoj atmosfere nad jugom Zapadnoj Sibiri // Optika atmosf. i okeana. 2015. V. 28, N 10. P. 879–882.
  42. Zhang X., Liu Z., Hecobian A., Zheng M., Frank N.H., Edgerton E.S., Weber R.J. Spatial and seasonal variations of fine particle water-soluble organic carbon (WSOC) over the southeastern United States: Implications for secondary organic aerosol formation // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 14. P. 6593–6607.
  43. Ziemba L.D., Griffi R.J., Whitlow S., Talbot R.W. Characterization of water-soluble organic aerosol in coastal New England: Implications of variations in size distribution // Atmos. Environ. 2011. V. 45, N 39. P. 7310–7329.
  44. Pöhlker Ch., Wiedemann K.T., Sinha B., Shiraiwa M., Gunthe S.S., Smith M., Su H., Artaxo P., Chen Q., Cheng Y., Elbert W., Gilles M.K., Kilcoyne A.L.D., Moffet R.C., Weigand M., Martin S.T., Pöschl U., Andreae M.O. Biogenic potassium salt particles as seeds for secondary organic aerosol in the Amazon // Science. 2012. V. 337, N 6098. P. 1075–1078.
  45. Park J., Lee S., Kang M., Cho H.-J., Lee K., Park K. Seasonal characteristics of submicrometer organic aerosols in urban Gwangju, Korea using an aerosol mass spectrometer // Atmos. Environ. 2013. V. 80. P. 445–454.
  46. Vestenius M., Hellén H., Levula J., Kuronen P., Helminen K.J., Nieminen T., Kulmala M., Hakola H. Acidic reaction products of monoterpenes and sesquiterpenes in atmospheric fine particles in a boreal forest // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14, N 15. P. 7883–7893.
  47. Nieminen T., Asmi A., Dal Maso M., Aalto P.P., Keronen P., Petäjä T., Kulmala M., Kerminen V.-M. Trends in atmospheric new-particle formation: 16 years of observations in a boreal-forest environment // Boreal Environ. Res. 2014. V. 19, suppl. B. P. 191–214.
  48. Jokinen T., Kausiala O., Garmash O., Peräkylä O., Junninen H., Schobesberger S., Chao Yan, Sipilä M., Rissanen M.P. Production of highly oxidized organic compounds from ozonolysis of b-caryophyllene: Laboratory and field measurements // Boreal Environ. Res. 2016. V. 21, N 3–4. P. 262–273.

Back