Vaikne nukleatsioon: mõõtmistulemused ja modelleerimine (Quiet phase of atmospheric aerosol nucleation: measurements and models) H. Tammet AEL seminar 6. aprill 2011

Aparatuur SIGMA: Tammet, H. (2011) Symmetric inclined grid mobility analyzer for the measurement of charged clusters and fine nanoparticles in atmospheric air. Aerosol Sci. Technol., 45, Air inlet Air outlet through multi-orifice plate Repelling electrode Attracting electrodes Sheath air filter Repelling electrode Sheath air filter Attracting electrodes Repelling electrode Shield electrode Inlet gate Air ion trajectory Electrometric filter for positive ions Filter batteries Electrometric filter for negative ions Filter batteries Shield electrode Repelling electrode HALVEM POOL MÕÕTMISI PAREM POOL MÕÕTMISI MÜRA (10 min tsüklid)

Mõõtmistulemusi 1.SIGMA abil salvestatud liikuvusjaotustest moodustati kolmetunnikeskmised kasutades ainult kompaktseid tunnikolmikuid: 2.Tartu andmete 1705-st tunnikolmikust valiti edasiseks töötluseks 200 madalama müraga kolmikut ja Tammemäe andmete 242-st tunnikolmikust Tabelid järjestati kergete ja keskmiste ioonide vahelise miinimumi sügavuse järgi. 4.Valiti andmed 12 diagrammi jaoks: U+116×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas U+280×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas U+380×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi linnas U-116×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas U-280×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas U-380×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi linnas R+116×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal R+248×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal R+348×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi maal R-116×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal R-148×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal R-148×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi maal

ZlogZU+1U+2U+3U-1U-2U-3R+1R+2R+3R Keskmiste ioonide madala kontsentratsiooniga liikuvusjaotuste tabel

Keskmiste ioonide jaotuskõverad Tartus, kolm taset Z : cm 2 V -1 s

Keskmiste ioonide jaotuskõverad Tammemäel, kolm taset Z : cm 2 V -1 s

Ioonid ja neutraalid Tähelepanu all on osakesed diameetriga 1.5 kuni 7.5 nm. Mõõta saame laetud osakeste ehk keskmiste ioonide liikuvusi ja kontsentratsioone. Keskmised ioonid on praktiliselt kõik ühelaengulised ning liikuvuse järgi saab üheselt teada diameetri. Ioonid kontsentratsiooni järgi neutraalide kontsentratsiooni hindamine on aga probleemne, sest kasvavad osakesed ei ole tasakaalulises olekus d : nm Kombinatsioonikordaja sõltub osakese diameetrist ja polaarsusest. Lihtsustus: Tasakaal: Laetusolek

Eluiga Kerged ioonid surevad kas aerosooliosakestega ühinedes või vastastikku rekombineerudes A_tools ülesanne “ion_aerosolsink (e.g. on background aerosol)” → S b = 0.01 s -1 Kergete ioonide dünaamika: rekombinatsioonikordaja fooniaerosooli- neel fooniaerosooli kontsentratsioon keskmine kombinatsioonikordaja Monodispersne tüüpfoon → S b ≈ s -1 Kerge iooni keskmine eluiga tüüpfooni korral 1 / S ≈ 100 s

Eluiga Nanoosakesed kaovad kas fooniaerosooliosakestega ühinedes või mõõdust välja kasvades Tüüpfoon Nanoosakeste neel fooniaerosoolil: fooniaerosooli kontsentratsioon nanoosakeste diameeter fooniosakeste diameeter koagulatsioonitegur d n : nm *K cm 3 /s : min τ ≈ 1/S b

Päritolu 100 m Segunemiskõrgus ≈ Hinnangud: Tuulekaugus ≈ ( τ : min) km Segunemiskõrguse hinnangu lähtekoht: Radooni eluiga on ca 100 h ja segunemiskõrgus keskpärase turbulentsi tingimustes ca 1 km. d n : nm τ : min Tuulekaugus km Segunemiskõrgus m NB: segunemiskõrguse hinnang ei kehti rünkpilvede all Järeldus: nanoosakesed on maapinna lähedal toimuva nukleatsiooni tulemus, erand: arenenud konvektsioon atmosfääris

Küsimus enne teooriaga alustamist: Keskmised ioonid pole pole kergetest võrreldamatult suuremad ja kergete ioonidega rekombineerumine võiks neid märgatavalt kasvatada. Kas see nähtus võiks olla keskmiste ioonide kasvu seletamisel oluline?

Growth of nanoparticles with deposited small ions Volume growth rate G V = dV/dt and diameter growth rate G = dd p /dt: V = (π/6)d p 3 and dV/dt = (π/2)d p 2 G. Conclusion: G = 2G V / (πd p 2 ). Flux of ion number to a particle is nβ(d p ) and ion volume is (π/6)d o 3. Thus the volume growth rate G V = (π/6)d o 3 nβ(d p ). Theoretical estimate: G = 2(π/6)d o 3 nβ(d p ) / (πd p 2 ) = (1/3)(d o 3 / d p 2 )nβ(d p ). If the nanoparticle is charged then β = β* else β = βº. Let d o = 0.75 nm and n = 500 cm –3. Then for dp := 1 to 9 do begin c := (1/3) * 0.75 * 0.75 * 0.75 / (dp * dp); gneutral := c * 500 * attachment_coefficient ( 0, 0.73, 2, dp, 273, 1013); gcharged := c * 500 * attachment_coefficient (-1, 0.73, 2, dp, 273, 1013); writeln (dp, 3600 * gneutral :9:4, 3600 * gcharged :9:4); end; charge d ion density of ionic matter hour / second n

Kasvu kiirus G : nm/h neutral charged d p G o G * Järeldus: ……………………

The model is designed using approximations, which are explained in publications: Tammet, H., Kulmala, M. (2005) Simulation tool for atmospheric aerosol nucleation bursts. J. Aerosol Sci., 36, Tammet, H., Kulmala, M. (2007) Simulating aerosol nucleation bursts in a coniferous forest, Boreal Env. Res., 12, Lihne teoreetiline mudel

Evolution of nanometer particles in a sectional model SECTION i SECTION i - 1 SECTION i + 1 didi d i-1 d i+1 NiNi N i-1 N i+1 G i-1 GiGi

BACKGROUND AEROSOL Evolution of nanometer particles in a sectional model SINK OUTGROWINTAKE CHARGE CONVERSION SECTION i SECTION i - 1 SECTION i + 1

Dynamics of neutral particles in section i = concentration of neutral particles in section i = growth rate of neutral particle out from section i = attachment coefficient of –ion to +particle of size d i = concentration of positive small ions = sink of neutral particles on the background aerosol NB: if i = 1 then is to be replaced with J o

Simplifications:,, If i = 1 then else Dynamics of neutral particles in section i background particles are monodisperse but polycharged Sink of nanoparticles on background aerosol S i probability to carry charge q concentration of particles of size d bck coagulation coefficient

Steady state of neutral particles in section i Intake: Dynamics: Steady state: What is known and what is unknown in these equations?

If both N o and N * are measured and any of G i is known then would be possible to calculate step by step G i+1, G i+1, G i+1, … Unfortunately, only N * can be directly measured. If the particles would not grow then in the steady state: Kerminen, V.-M., T. Anttila, T. Petäjä, L. Laakso, S. Gagne, K. E. J. Lehtinen, and M. Kulmala (2007), Charging state of the atmospheric nucleation mode: Implications for separating neutral and ion-induced nucleation, J. Geophys. Res., 112, D21205, doi: /2007JD The growing particles “remember” the charging state of the smaller particles. A simple approximation is: First approximation:

Experiment 1: Test distribution

p = 1013 mb, T = 0 C, ionization rate = 5 nucleation: neutral = 1.88 charged = 0.00 n_ion = 497, Z_ion = 1.50, d_CST = 2.00 background aerosol N = /cm3, d = 300 nm dN*/dd dN0/dd Sb:1/h Gr:nm/h intake dn*/dt CST

Modelleerimine puhangusimulaatori abil Burstgrowthtable d GR I = 5 Z ion = 1.5 J = 3 Background aerosol d = 300 nm, N =1500 Birthsize 1.63

eest tähelepanu Täname