Kokeita homogeenisestä nukleaatiosta ja ilmakehän hiukkasmuodostukseen liittyvien aineiden fysikokemiallisista ominaisuuksista

Aerosol particles play a role in the earth ecosystem and affect human health. A significant pathway of producing aerosol particles in the atmosphere is new particle formation, where condensable vapours nucleate and these newly formed clusters grow by condensation and coagulation. However, this phenomenon is still not fully understood. This thesis brings an insight to new particle formation from an experimental point of view. Laboratory experiments were conducted both on the nucleation process and physicochemical properties related to new particle formation. Nucleation rate measurements are used to test nucleation theories. These theories, in turn, are used to predict nucleation rates in atmospheric conditions. However, the nucleation rate measurements have proven quite difficult to conduct, as different devices can yield nucleation rates with differences of several orders of magnitude for the same substances. In this thesis, work has been done to have a greater understanding in nucleation measurements, especially those conducted in a laminar flow diffusion chamber. Systematic studies of nucleation were also made for future verification of nucleation theories. Surface tensions and densities of substances related to atmospheric new particle formation were measured. Ternary sulphuric acid + ammonia + water is a proposed candidate to participate in atmospheric nucleation. Surface tensions of an alternative candidate to nucleate in boreal forest areas, sulphuric acid + dimethylamine + water, were also measured. Binary compounds, consisting of organic acids + water are possible candidates to participate in the early growth of freshly nucleated particles. All the measured surface tensions and densities were fitted with equations, thermodynamically consistent if possible, to be easily applied to atmospheric model calculations of nucleation and subsequent evolution of particle size.Ilmakehässä esiintyvillä aerosolihiukkasilla on tärkeä osa maapallon ekosysteemissä. Lisäksi ne vaikuttavat ihmisen terveyteen. Eräs tärkeä uusien hiukkasten lähde ilmakehässä on ns. homogeeninen nukleaatio, jossa tiivistymiskykyisistä kaasuista muodostuu uusia hiukkasia. Tätä hiukkasmuodostusilmiötä ei vielä ymmärretä täysin. Tässä väitöskirjassa suoritettiin hiukkasmuodostumiseen liittyviä kokeita laboratorio-olosuhteissa. Kokeita tehtiin itse nukleaatioprosessista, sekä mitattiin hiukkasmuodostukseen osallistuvien yhdisteiden fysikokemiallisia ominaisuuksia. Nukleaatioteorioiden avulla voidaan ennustaa hiukkasmuodostusta ilmakehässä. Koska yleisesti käytössä olevan teorian tiedetään sisältävän useita tuloksiin vaikuttavia yksinkertaistuksia, pyritään teoriaa jatkuvasti parantamaan. Uusia teorioita voidaan verrata laboratoriokokeissa, tarkoissa olosuhteissa, mitattuihin tuloksiin. Tässä väitöskirjassa mitattiin suoraketjuisten alkoholien nukleaationopeuksia. Systemaattiset mittaussarjat samankaltaisista aineista ovat ihanteellisia uusien teorioiden tarkastelua varten. Tärkeää tietoa nukleaatiomittausten virhelähteistä saatiin tekemällä vertaileva tutkimus kahdella diffuusioperiaatteeseen perustuvalla laitteella. Lisäksi tutkittiin, miksi nukleaation havaitaan joissakin kokeissa riippuvan kokonaispaineesta, vaikka yleisesti käytetty teoria ei sitä ennusta. Todettiin, että samankaltainen riippuvuus havaitaan yleisesti diffuusioperiaatteeseen perustuvissa laitteissa, eikä ilmiö todennäköisesti siten ole yhdessä laitteessa havaittava mittausvirhe. Nukleaatiomittausten lisäksi väitöskirjaan mitattiin ilmakehän hiukkasmuodostukseen osallistuvien aineiden pintajännityksiä ja tiheyksiä. Nämä fysikokemialliset ominaisuudet ovat keskeisiä hiukkasmuodostusta kuvaavissa laskukaavoissa. Mittauksia suoritettiin rikkihapon ja ammoniakin vesiseoksista, yhdiste, minkä oletetaan pääsääntöisesti osallistuvan ilmakehän homogeeniseen nukleaatioon. Toinen mitattava kohde oli rikkihappo + dimetyyliamiini + vesi, joka on vaihtoehtoinen yhdiste nukleoitumaan pohjoisilla havumetsäalueilla. Lisäksi mitattiin erilaisten orgaanisten happojen vesiseosten ominaisuuksia. Orgaaniset yhdisteet ottavat todennäköisesti osaa vastamuodostuneiden hiukkasten kasvuun. Suoritetut mittaukset mahdollistavat rakentamaan tarkempia malleja ilmakehän hiukkasmuodostuksesta, ja siten parantavat tietämystä aerosolien vaikutuksesta ilmakehässä

An extensive data set for in situ microphysical characterization of low-level clouds in a Finnish sub-Arctic site

Continuous, semi-long-term, ground-based in situ cloud measurements were conducted during eight Pallas Cloud Experiments (PaCEs) held in autumn between 2004 and 2019. Those campaigns were carried out in the Finnish sub-Arctic region at the Sammaltunturi station (67 degrees 58'24"N, 24 degrees 06'58"E; 560ma.m.s.l.), the part of the Pallas Atmosphere-Ecosystem Supersite and Global Atmosphere Watch (GAW) program. Two cloud spectrometer ground setups and a weather station were installed on the roof of the station to measure in situ cloud properties and several meteorological variables. Thus, the obtained data sets include the size distribution of cloud droplets as a measured cloud parameter along with the air temperature, dew point temperature, humidity, pressure, horizontal wind speed and direction, (global solar) sun radiation, and visibility at the station. Additionally, the number concentration, effective diameter, median volume diameter, and liquid water content from each instrument were derived. The presented data sets provide a insight into microphysics of low-level clouds in subArctic conditions over a wide range of temperatures (-25.8 to 8.8 degrees C). The data are available in the Finnish Meteorological Institute (FMI) open data repository for each campaign and each cloud spectrometer ground setup individually: https://doi.org/10.23728/FMI-B2SHARE.988739D21B824C709084E88ED6C6D54B (Doulgeris et al., 2021).Peer reviewe

Unraveling the "Pressure-Effect" in Nucleation

The influence of the pressure of a chemically inert carrier-gas on the nucleation rate is one of the biggest puzzles in the research of gas-liquid nucleation. Different experiments can show a positive effect, a negative effect, or no effect at all. The same experiment may show both trends for the same substance depending on temperature, or for different substances at the same temperature. We show how this ambiguous effect naturally arises from the competition of two contributions: nonisothermal effects and pressure-volume work. Our model clarifies seemingly contradictory experimental results and quantifies the variation of the nucleation ability of a substance in the presence of an ambient gas. Our findings are corroborated by results from molecular dynamics simulation and might have important implications since nucleation in experiments, technical applications, and nature practically always occurs in the presence of an ambient gas.Comment: 4 pages, 3 figures. v2: All citations now appear correctly. v3: Updated one point in Fig.

The four-wavelength Photoacoustic Aerosol Absorption Spectrometer (PAAS-4 λ )

In this paper, the Photoacoustic Aerosol Absorption Spectrometer (PAAS-4λ) is introduced. PAAS-4λ was specifically developed for long-term monitoring tasks in (unattended) air quality stations. It uses four wavelengths coupled to a single acoustic resonator in a compact and robust set-up. The instrument has been thoroughly characterized and carefully calibrated in the laboratory using NO$_2$/air mixtures and Nigrosin aerosol. It has an ultimate 1σ detection limit below 0.1 Mm$^{−1}$, at a measurement precision and accuracy of 3 % and 10 %, respectively. In order to demonstrate the PAAS-4λ suitability for long-term monitoring tasks, the instrument is currently validated at the air quality monitoring station Pallas in Finland, about 140 km north of the Arctic circle. A total of 11 months of PAAS-4λ data from this deployment are presented and discussed in terms of instrument performance. Intercomparisons with the filter-based photometers of a continuous soot monitoring system (COSMOS), the Multi-Angle Absorption Photometer (MAAP), and Aethalometer (AE33) demonstrate the capabilities and value of PAAS-4λ, as well as for the validation of the widely used filter-based instruments

Comparing black-carbon- and aerosol-absorption-measuring instruments

We report on an inter-comparison of black-carbon- and aerosol-absorption-measuring instruments with laboratory-generated soot particles coated with controlled amounts of secondary organic matter (SOM). The aerosol generation setup consisted of a miniCAST 5201 Type BC burner for the generation of soot particles and a new automated oxidation flow reactor based on the micro smog chamber (MSC) for the generation of SOM from the ozonolysis of α-pinene. A series of test aerosols was generated with elemental to total carbon (EC  TC) mass fraction ranging from about 90 % down to 10 % and single-scattering albedo (SSA at 637 nm) from almost 0 to about 0.7. A dual-spot Aethalometer AE33, a photoacoustic extinctiometer (PAX, 870 nm), a multi-angle absorption photometer (MAAP), a prototype photoacoustic instrument, and two prototype photo-thermal interferometers (PTAAM-2λ and MSPTI) were exposed to the test aerosols in parallel. Significant deviations in the response of the instruments were observed depending on the amount of secondary organic coating. We believe that the setup and methodology described in this study can easily be standardised and provide a straightforward and reproducible procedure for the inter-comparison and characterisation of both filter-based and in situ black-carbon-measuring (BC-measuring) instruments based on realistic test aerosols

Kalatalouden ympäristöohjelma : loppuraportti

Kalatalouden ympäristöohjelmassa pureuduttiin hankevuosina 2017–2023 hyvin laajasti keskeisiin kalavesien hoidon teemoihin: vesistökunnostuksiin rannikkoalueilla ja virtavesissä, aluesuunnittelun kehittämiseen, velvoitetarkkailuiden tehostamiseen, uusien tulosperusteisten rahoitusmallien soveltamiseen sekä luonnossa menestyvien istukkaiden tuottamiseen. Ohjelma mahdollisti omissa aihepiireissään kalavesien hoidon kehittämisen pidemmällä aikavälillä kuin yksittäisten hankkeiden puitteissa on mahdollista tehdä. Tutkimusperusteinen kehittäminen ja päätöksenteko luonnonvarojen käytössä tuovat mahdollisuuksia myös yhteiskunnalliseen kasvuun. Kokonaiskestävyyden huomioiminen lähteekin pienistä teoista, joten myös Kalatalouden ympäristöohjelmassa koottiin useita suosituksia huomioitavaksi kalavesien hoitotyössä: • Kalavesiä tulisi hoitaa ekosysteemiperustaisesti kokonaisuuksina ja istutukset korvata kalojen luontaisen lisääntymisen tukemisella aina, kun sille on edellytyksiä. • Tietoisuutta rannikkoalueiden merkityksestä kalojen lisääntymisalueina ja niiden kunnostusmahdollisuutta tulisi lisätä. Kunnostuksen vaikuttavuuden seurantaan soveltuvia menetelmiä tulisi vielä kehittää ja vaikuttavuutta seurata tulevissakin hankkeissa. • Kunnostusmenetelmiä tulisi kehittää huomioimaan paremmin sopeutuminen ilmastonmuutokseen. Kalastolla tulisi jatkossakin olla suojapaikkoja kuivuuden tai tulvien ja liian korkeaksi kohoavien veden lämpötilojen varalta. • Virtavesien kunnostusmenetelmiä tulisi kehittää huomioimaan paremmin valuma-alueilta tuleva kuormitus sekä kalaston talviaikaiset elinympäristövaatimukset. Kunnostuksia tulisi myös kohdistaa laajemmille alueille ja huomioida muutos koko ekosysteemissä, jolloin toimenpiteiden vaikuttavuus olisi todennäköisesti suurempi. • Kunnostuksien vaikuttavuutta tulisi seurata muissakin kuin vain erillisissä tutkimushankkeissa. Tällä tavalla toimenpiteitä voitaisiin luotettavasti kohdentaa juuri niihin todellisiin kalastoa ja muuta lajistoa rajoittaviin tekijöihin. Tämä tietenkin edellyttää, että myös seurantaan olisi oltava resursseja käytettävissä. • Erityisesti valuma-alueiden maankäytöstä vesistöihin huuhtoutuvaa kiintoainekuormitusta tulee rajoittaa tehokkaammin kuormituksen syntypaikoilla. Puroissa jo olevan hiekan ja muun kiintoaineen poistamiseksi tulisi kehittää tehokkaampia menetelmiä. • Taimenien vaellus syönnös- ja lisääntymisalueiden välillä tulisi mahdollistaa molempiin suuntiin. Tämä voi tarkoittaa alueesta riippuen sekä vaellusesteiden poistamista tai kunnostamista että kalastuksen rajoittamista. • Täpläravun, kuten muidenkin vieraslajien, leviämistä uusiin vesistöihin tulee estää ja poistaa kohteista, missä se aiheuttaa haittaa esimerkiksi jokiravun suojelulle. • Täpläravun poistopyyntikokeiluja tulisi jatkaa usean vuoden ajan ja leviämisesteen tehokkuutta kokeilla erilaisissa kohteissa. • Tietoisuutta kunnostusmenetelmistä, toteutuksesta ja vaikuttavuudesta tulisi jatkaa. Kunnostuskurssin materiaaleja voitaisiin hyödyntää myös uusilla kursseilla ja muussakin opetuksessa. Osaamisen jakamiselle ja myös pidempimuotoisen koulutuksen varmistamiselle on olemassa selkeä tarve. • Kalatalousalueiden toimintaa tulee tukea tuottamalla laadukasta tutkimus- ja seurantatietoa alueiden kalastosta, kalastuksesta ja vesienhoidosta. Toimintaa tulee tukea myös kouluttamalla eri tahoja kalastuksen ohjaukseen ja kalakantoja sekä vesienhoitoa koskevan tutkimustiedon hyödyntämiseen. • Kalavesien tuottokykyä tulisi arvioida ja kalastusta mitoittaa nykyistä tietoperustaisemmin. Alamittasäätelyä tulisi toteuttaa perustuen vesistökohtaisesti kerättäviin aineistoihin. • Vesistökohtaisia rauhoitusalueita suojaamaan kalakantojen lisääntymistä sekä geneettistä monimuotoisuutta tulisi kartoittaa ja toteuttaa. • Virikekasvatus voitaisiin ottaa käyttöön laajemminkin ja emokalastoja villiyttää luonnossa menestyvien uhanalaisten lohikalakantojen elvytys- ja palautusistutuksia varten. • Vieraiden kalakantojen käyttö istutuksissa tulisi lopettaa, mikäli saatavilla on vesistöön sopeutunutta kalakantaa. • Hoitokantojen ja säilytyksessä olevien uhanalaisten kalakantojen emokalastojen perustamisessa, säilytyksessä ja käytössä tulisi ottaa käyttöön uusin tutkimustieto, välttää haitallista geneettistä laitostumista sekä pyrkiä villiyttämään näitä kalakantoja palautusistutusten onnistumismahdollisuuksien lisäämiseksi. • Nykyinen resursseja tuhlaileva kalataloustarkkailujärjestelmä tulee uudistaa. • Rahoituksia voitaisiin sitoa tulosperusteisuuteen, jolloin toimenpiteiden vaikuttavuus voisi kasvaa. Samalla luotaisiin myös mahdollisuuksia vaikuttavuussijoittamiseen, yksityisen pääoman hyödyntämiseen ja tehokkaampaan verkostoitumiseen. Valtaosa ohjelman tuloksista on jo julkaistu aiemmin tieteellisinä artikkeleina tai erillisinä raportteina, joten tämän raportin tavoitteena on vetää yhteen ohjelmassa toteutettuja erillisiä kokeita ja selvityksiä keskittyen erityisesti tuloksiin ja vaikuttavuuteen. Yksityiskohtaisempia tietoja kaipaavia lukijoita suosittelemme tutustumaan raportin lopussa olevaan viiteluetteloon sekä liitteiden sisältöön. Ohjelmaa koordinoi Luonnonvarakeskus, mutta valtaosa toimenpiteistä toteutettiin partnereiden tuella: Suomen ympäristökeskus, Jyväskylän yliopisto, Oulun yliopisto, Helsingin yliopiston Tvärminnen biologinen asema, Itä-Suomen yliopisto, Valonia ja Länsi-Uudenmaan Vesi ja Ympäristö Oy (LUVY). Lisäksi kiinteää yhteistyötä tehtiin Voimalohi Oy:n ja Montan Lohi Oy:n kanssa. Varsinaisen EMKR-rahoituksen lisäksi ohjelma mahdollisti myös useiden muiden kansallisten ja kansainvälisten rahoituksien saamisen, millä edistettiin osittain samoja teemoja ympäristöohjelman lisäksi. Kalatalouden ympäristöohjelma oli yksi viidestä Euroopan meri- ja kalatalousrahaston rahoittamista innovaatio-ohjelmista rahoituskaudella 2014–2020. Rahoituksen ympäristöohjelmalle myönsi Lapin Ely-keskus. Kalatalouden ympäristöohjelma toteutettiin muiden innovaatio-ohjelmien tapaan kaksivaiheisena: vaihe I toteutettiin vuosina 2017–2020 ja vaihe II vuosina 2021–2023. Isot kiitokset partnereillemme onnistuneesta ohjelman toteutuksesta ja tämän loppuraportin toteutuksesta! Hankeorganisaatioita ovat edustaneet Anssi Karvonen, Pekka Kilpeläinen, Hannu Marttila, Jukka Syrjänen, Craig Primmer, Janne Tolonen, Jarno Turunen, Anssi Vainikka ja Juha-Pekka Vähä

Microdebrider is less aerosol-generating than CO2 laser and cold instruments in microlaryngoscopy

Objective COVID-19 spreads through aerosols produced in coughing, talking, exhalation, and also in some surgical procedures. Use of CO2 laser in laryngeal surgery has been observed to generate aerosols, however, other techniques, such cold dissection and microdebrider, have not been sufficiently investigated. We aimed to assess whether aerosol generation occurs during laryngeal operations and the effect of different instruments on aerosol production. Methods We measured particle concentration generated during surgeries with an Optical Particle Sizer. Cough data collected from volunteers and aerosol concentration of an empty operating room served as references. Aerosol concentrations when using different techniques and equipment were compared with references as well as with each other. Results Thirteen laryngological surgeries were evaluated. The highest total aerosol concentrations were observed when using CO2 laser and these were significantly higher than the concentrations when using microdebrider or cold dissection (p < 0.0001, p < 0.0001) or in the background or during coughing (p < 0.0001, p < 0.0001). In contrast, neither microdebrider nor cold dissection produced significant concentrations of aerosol compared with coughing (p = 0.146, p = 0.753). In comparing all three techniques, microdebrider produced the least aerosol particles. Conclusions Microdebrider and cold dissection can be regarded as aerosol-generating relative to background reference concentrations, but they should not be considered as high-risk aerosol-generating procedures, as the concentrations are low and do not exceed those of coughing. A step-down algorithm from CO2 laser to cold instruments and microdebrider is recommended to lower the risk of airborne infections among medical staff.Peer reviewe