Atmospheric particle formation in spatially and temporally varying conditions

Atmospheric particles affect the radiation balance of the Earth and thus the climate. New particle formation from nucleation has been observed in diverse atmospheric conditions but the actual formation path is still unknown. The prevailing conditions can be exploited to evaluate proposed formation mechanisms. This study aims to improve our understanding of new particle formation from the view of atmospheric conditions. The role of atmospheric conditions on particle formation was studied by atmospheric measurements, theoretical model simulations and simulations based on observations. Two separate column models were further developed for aerosol and chemical simulations. Model simulations allowed us to expand the study from local conditions to varying conditions in the atmospheric boundary layer, while the long-term measurements described especially characteristic mean conditions associated with new particle formation. The observations show statistically significant difference in meteorological and back-ground aerosol conditions between observed event and non-event days. New particle formation above boreal forest is associated with strong convective activity, low humidity and low condensation sink. The probability of a particle formation event is predicted by an equation formulated for upper boundary layer conditions. The model simulations call into question if kinetic sulphuric acid induced nucleation is the primary particle formation mechanism in the presence of organic vapours. Simultaneously the simulations show that ignoring spatial and temporal variation in new particle formation studies may lead to faulty conclusions. On the other hand, the theoretical simulations indicate that short-scale variations in temperature and humidity unlikely have a significant effect on mean binary water sulphuric acid nucleation rate. The study emphasizes the significance of mixing and fluxes in particle formation studies, especially in the atmospheric boundary layer. The further developed models allow extensive aerosol physical and chemical studies in the future.Ilmakehän pienhiukkaset vaikuttavat maapallon säteilytasapainoon ja siten ilmastoon. Pienhiukkasten muodostumista olomuodon muuttuessa kaasusta nesteeksi on havaittu ympäri maapalloa, mutta varsinainen muodostumismekanismi on edelleen tuntematon. Havaittuja pienhiukkasten muodostumisolosuhteita voidaan hyödyntää, kun esitettyjä muodostumismekanismeja halutaan arvioida. Tutkimus pyrkii parantamaan ymmärrystämme pienhiukkasten muodostumisessa ilmakehän olosuhteet huomioiden. Työssä on tutkittu ilmakehän olosuhteiden merkitystä pienhiukkasten muodostumisessa mittausten, teoreettisen mallinnusten ja havaintoihin perustuvien tietokonemallinnusten avulla. Työssä on kehitetty edelleen ilmakehän kemiallisia ja aerosolifysikaalisia malleja, jotka mahdollistavat kaasujen ja pienhiukkasten muodostumisen esittämisen ilmakehän alimmassa osassa, rajakerroksessa. Kehitetyillä malleilla pystytään huomioimaan kasvuston merkitys aikaisempaa paremmin. Mallikokeiden lisäksi on analysoitu keskimääräisten meteorologisten ja fysikaalisten olosuhteiden merkitystä pienhiukkasten muodostumisessa havaintoihin pohjautuen. Havainnot osoittavat merkitsevää eroa ilmakehän olosuhteissa päivinä, jolloin hiukkasten muodostumista havaitaan verrattuna päiviin, jolloin muodostumista ei havaita. Työssä on esitetty yhtälö, jolla voidaan arvioida hiukkasten muodostumistodennäköisyyttä vallitsevissa olosuhteissa. Mallikokeet kyseenalaistavat, voiko esitetty kineettinen rikkihapponukleaatio olla ensisijainen muodostumismekanismi pohjoisella havumetsävyöhykkeellä; orgaaniset aineet huomioiva muodostumismekanismi vastaa havaintoja paremmin kuin kineettinen rikkihapponukleaatio. Tutkimus painottaa sekoittumisen ja ilmakehän pystysuuntaisten olosuhde-erojen merkitystä pienhiukkasten muodostumisessa erityisesti ilmakehän alimmassa osassa. Kehitetyt mallit mahdollistavat entistä monipuolisemmat aerosolitutkimukset tulevaisuudessa

An experimental investigation of the design variables for NACA submerged duct entrances

Information concerning the parameters and design variables affecting an NACA submerged duct design is presented

Contribution of mixing in the ABL to new particle formation based on observations

The connection between new particle formation and micro- and mesoscale meteorology was studied based on measurements at SMEAR II station in Southern Finland. We analyzed turbulent conditions described by sodar measurements and utilized these combined with surface layer measurements and a simple model to estimate the upper boundary layer conditions. Turbulence was significantly stronger on particle formation days and the organic vapor saturation ratio increase due to large eddies was stronger on event than nonevent days. We examined which variables could be the best indicators of new particle formation and concluded that the formation probability depended on the condensation sink and temporal temperature change at the top of the atmospheric boundary layer. Humidity and heat flux may also be good indicators for particle formation

An Experimental Investigation of NACA Submerged-Duct Entrances

The results of an investigation of submerged-duct entrances are presented. It is shown that this type of entrance possesses the following characteristics: 1) very high-critical-compressibility speeds throughout the range of high-speed inlet velocity ratios; 2) very low pressure losses for the air entering the duct at all inlet-velocity ratios; and, 3) low external drag. These characteristics are obtained by the proper shaping of the contour of the upstream approach to the submerged inlets and by proper alignment of the duct lip. Design data are presented and the application of these data to a specific high-speed fighter-airplane design is discussed

SOSA – a new model to simulate the concentrations of organic vapours and sulphuric acid inside the ABL – Part 1: Model description and initial evaluation

Chemistry in the atmospheric boundary layer (ABL) is controlled by complex processes of surface fluxes, flow, turbulent transport, and chemical reactions. We present a new model SOSA (model to simulate the concentration of organic vapours and sulphuric acid) and attempt to reconstruct the emissions, transport and chemistry in the ABL in and above a vegetation canopy using tower measurements from the SMEAR II at Hyytiälä, Finland and available soundings data from neighbouring meteorological stations. Using the sounding data for upper boundary condition and nudging the model to tower measurements in the surface layer we were able to get a reasonable description of turbulence and other quantities through the ABL. As a first application of the model, we present vertical profiles of organic compounds and discuss their relation to newly formed particles

Particle concentration and flux dynamics in the atmospheric boundary layer as the indicator of formation mechanism

We carried out column model simulations to study particle fluxes and deposition and to evaluate different particle formation mechanisms at a boreal forest site in Finland. We show that kinetic nucleation of sulphuric acid cannot be responsible for new particle formation alone as the simulated vertical profile of particle number concentration does not correspond to observations. Instead organic induced nucleation leads to good agreement confirming the relevance of the aerosol formation mechanism including organic compounds emitted by the biosphere. <br><br> The simulation of aerosol concentration within the atmospheric boundary layer during nucleation event days shows a highly dynamical picture, where particle formation is coupled with chemistry and turbulent transport. We have demonstrated the suitability of our turbulent mixing scheme in reproducing the most important characteristics of particle dynamics within the boundary layer. Deposition and particle flux simulations show that deposition affects noticeably only the smallest particles in the lowest part of the atmospheric boundary layer

Kiinteän pyöreän sirottajan vaikutukset tilaäänikentissä

Spatial audio reproduction can be used to recreate real life auditory environments in a laboratory setting. The reproduction is produced with an arrangement of loudspeakers, that is able to pan sound sources around the array. The quality of reproduction is affected by the complexity of the speaker arrangement, as well as the panning method used. This thesis studies the effects of a rigid spherical scatterer in simulated spatial audio environments. The sphere is used to mimic the effects from a human head. Five different virtual loudspeaker arrangements are utilized in Matlab computing environment. Two different methods are used to pan virtual sound sources around the speaker arrangements: Higher Order Ambisonics (HOA) and Vector Base Amplitude Panning (VBAP). The obtained results show that adding a sphere to a spatial audio reproduction field introduces more errors from the contralateral side of the sphere. These errors are caused by the shadowing effect of the sphere, which is stronger in higher frequencies. In the case of directional microphone responses, it is shown that a sphere steers the microphone capturing areas to the ipsilateral side of the sphere, and the contralateral responses are attenuated. In a diffuse field, a scatterer is shown to increase the measured pressure levels in higher frequencies. In practical loudspeaker arrangements with 16-36 speakers, the results show good reproduction quality in two-dimensional arrangements. This is, when the speakers are positioned in the horizontal plane, where the source signals are also positioned. Three-dimensional setups are able to recreate a sound field with decent efficiency, but in order to obtain higher performance, speakers should be placed in the assumed source directions. In addition to the simulations, measurement results from a real loudspeaker setup in an acoustically treated listening room are presented. The results show that room responses from a reverberant space have a big impact on the measured responses. The anechoic simulations are therefore difficult to compare with the measurements. However, the measurements show that the whole human body has an effect to the responses next to the head, which cannot be replicated with just a simple sphere.Tilaäänikenttiä voidaan käyttää realistisen äänikenttien luomiseen laboratorio-olosuhteissa. Kenttä voidaan luoda kautinjärjestelmällä, jonka avulla äänilähteitä voidaan sijoittaa ympäri kenttää. Reproduktion laatu riippuu kaiutinjärjestelmän sommitelmasta, ja käytetystä lähteiden sijoitusmetodista. Tämä diplomityö tutkii kiinteän pyöreän sirottajan vaikutusta simuloiduissa tilaäänikentissä. Siroavan pallon tarkoitus on simuloida ihmisen päästä aiheutuvia heijastuksia. Viittä erilaista virtuaalista kaiutinjärjestelmää simuloidaan Matlab-laskentaympäristössä. Kahta eri metodia käytetään äänilähteiden sijoittamiseen kentässä: Higher Order Ambisonics (HOA) ja Vector Base Amplitude Panning (VBAP). Saadut tulokset osoittavat, että sirottajan lisääminen äänikenttään lisää reproduktiovirheitä sirottajan vastakkaiselta puolelta. Pallosta johtuva varjostaminen aiheuttaa nämä virheet. Varjostaminen on voimakkaampaa suurilla taajuuksilla, jolloin myös virheet kasvavat. Suuntaavien mikrofonien tapauksessa sirottaja kääntää mikrofonien suuntaavuutta sirottajasta poispäin. Pallon takaa tulevat vasteet taas heikkenevät. Diffuusissa kentässä sirottaja lisää mitattuja äänenpainetasoja korkeilla taajuuksilla. Tulokset osoittavat, että käytännöllisen kokoisissa 16-36 kaiuttimen järjestelmissä reproduktio on hyvä, kun kaiuttimet on sijoitettu horisontaaliseen tasoon, jossa myös lähdesignaalit sijaitsevat. Kolmiulotteisilla kaiutinjärjestelmillä on mahdollista saavuttaa kohtuullisen hyvä reproduktiokenttä, mutta korkeamman laadun saavuttaminen vaatii kaiuttimien sijoittamisen lähdesignaalien oletettuihin suuntiin. Simulointien lisäksi tässä työssä esitetään saatuja mittaustuloksia todellisesta kautinjärjestelmästä, joka on sijoitettu kuunteluhuoneeseen. Mittaustulokset osoittavat, että kaikuvasta huoneesta johtuvilla huonevasteilla on suuri vaikutus mittauksiin. Tästä syystä kaiuttomia simulointeja on vaikea verrata mittaustuloksiin. Mittaukset kuitenkin osoittavat, että koko ihmisen keholla on vaikutusta pään läheihisiin vasteisiin, ja että näitä vasteita ei voida replikoida pelkällä pallomaisella sirottajalla

Notes et informations

Lauros J., Servière D. Notes et informations. In: Échos d'Orient, tome 16, n°102, 1913. pp. 461-468