Kondensaatio- ja koagulaationielujen vaikutus pilven tiivistymisytimien lukumäärään

Abstract

Aerosolihiukkaset vaikuttavat merkittävästi maapallon säteilytasapainoon toimiessaan pilvien tiivistymisytiminä (CCN). Uusien hiukkasten synty ja kasvu CCN-kokoon riippuvat voimakkaasti ilmakehässä jo valmiiksi esiintyvistä taustahiukkasista, jotka toimivat sekä kondensaatio- että koagulaationieluina. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan, miten taustamoodin hiukkasten lukumääräpitoisuus, koko sekä nielujen tehokkuudet vaikuttavat nukleaatiossa syntyneiden hiukkasten selviytymiseen CCN-kokoon. Tutkimus toteutettiin mallintamalla aerosolia sisältävän ilmapaketin kehitystä AECHAMO2-kokoluokkamallilla. Mallinnuksissa tarkasteltiin erityisesti kondensaationielun suuruutta, alfa-parametrin (engl. mass accommodation coefficient) vaikutusta tiivistymisen tehokkuuteen sekä uutena tekijänä esitetyn efektiivisyysparametrin vaikutusta kondensaatio- ja koagulaatioprosesseihin. CCN-pitoisuus määritettiin simulaatioiden lopussa integroimalla hiukkasten lukumääräkokojakauma 80 nm:n halkaisijasta ylöspäin. Tulosten perusteella todettiin, että taustamoodin kasvaessa sekä lukumäärältään että kooltaan CCN-kokoon selviävien hiukkasten osuus pienenee selvästi. Hiukkasten selviytyminen CCNkokoon onerityisen vähäistä korkeilla kondensaationielun arvoilla, mikä on yhdenmukaista ilmakehämittauksista raportoituun havaintodataan. Lisäksi havaittiin, että alfa-parametrin ja efektiivisyysparametrin arvot voivat merkittävästi muuttaa CCN-kokoon selvinneiden hiukkasten lukumäärää, ja tietyillä arvoalueilla ne voivat lisätä uusien tiivistymisytimien muodostumista verrattuna klassisen teorian ennusteisiin. Tulokset havainnollistavat, miten kondensaatio- ja koagulaationielujen oletettua pienempi tehokkuus vaikuttaisi hiukkasten kasvuun CCN-kokoon. Mallinnusten perusteella on mahdollista, että tällainen mekanismi voisi osaltaan selittää saastuneissa ympäristöissä havaittuja korkeita hiukkaspitoisuuksia, mikäli tehokkuudet poikkeavat klassisen teorian oletuksista.

Aerosol particles play a significant role in the Earth’s radiative balance by acting as cloud condensation nuclei (CCN). The formation of new particles and their growth to CCN sizes are strongly influenced by pre-existing background aerosols in the atmosphere, which act as condensation and coagulation sinks. This bachelor’s thesis investigates how the number concentration and size of background-mode particles, as well as the efficiencies of these sinks, affect the survival of particles formed via nucleation to CCN sizes. The study was conducted by modeling the evolution of an aerosol-containing air parcel using the AECHAMO2 sectional model. The simulations focused in particular on the magnitude of the condensation sink, the effect of the mass accommodation coefficient on condensation efficiency, and the impact of a newly introduced efficiency parameter on condensation and coagulation processes. The CCN concentration was determined at the end of the simulations by integrating the particle number size distribution from a diameter of 80 nm upwards. The results show that an increase in both the number concentration and size of the background mode leads to a clear decrease in the fraction of particles that reach CCN sizes. Particle survival to CCN sizes is especially limited at high condensation sink values, which is consistent with observational data reported from atmospheric measurements. In addition, variations in the mass accommodation coefficient and the efficiency parameter were found to significantly modify the number of particles reaching CCN sizes, and within certain value ranges they can increase the formation of new CCN compared to predictions based on classical theory. The results illustrate how a lower than typically assumed efficiency of condensation and coagulation sinks would affect particle growth to CCN sizes. Based on the modeling results, it is possible that such a mechanism could partly explain the high particle concentrations observed in polluted environments, provided that the sink efficiencies deviate from the assumptions of classical theory.