Vol. 30, issue 09, article # 2

Abstract:

The vertical distribution of the organic component of aerosol in the boundary air layer and free atmosphere was studied on the basis of sampling from a board of Tu-134 “Optic” airborne-laboratory. The altitude range was divided into two layers: 0.5–2.0 and 3.0–7.0 km. It is shown that the aerosol organic component concentration exponentially decreases with altitude. The drop of the concentration makes 7.5 times from the surface air layer to the free troposphere. The maximal concentration in the surface air layer is observed for n-C₁₉H₄₀; in the boundary layer and free atmosphere, for n-C₁₇H₃₄. In the free troposphere, compounds heavier than n-C₂₂H₄₆ are fixed only at the trace concentration level. Redistribution of the organic component of aerosol between the surface and boundary air layers occurs during the year.

Keywords:

atmospheric aerosol, composition, hydrocarbons

References:

1. Gelencser A. Carbonaceous Aerosol. Dordrecht: Springer, 2004. 350 p.
2. 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. 044013. 7 p.
3. Ge X., Wexler A.S., Clegg S.L. Atmospheric amines – Part 1. A review // Atmos. Environ. 2011. V. 45, N 3. P. 524–545.
4. Virtanen A., Joutsensaari J., Koop T., Kannosto J., Yli- Pirilä P., Leskinen J., Mäkelä J.M., Holopainen J.K., Pöschl 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.
5. 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; Sakerin S.M., Golobokova L.P., Kabanov D.M., Pol’kin V.V., Turchinovich Yu.S., Khodzher T.V., Khuriganova O.I. Spatiotemporal variations in aerosol characteristics along the route of the Indian-Atlantic expedition onboard the research vessel akademik Nikolaj Strakhov // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 4. P. 349–359.
6. 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.
7. 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. V. 26, N 8. P. 628–635; Pol’kin V.V., Kabanov D.M., Sakerin S.M., Golobo-kova L.P. Comparative studies of optical and microphysical characteristics and chemical composition of aerosol over water basin of Caspian  Sea in the 29th and 41st cruises of RV Rift // Atmos. Ocean. Opt. 2014. V. 27, N 1. P. 16–23.
8. 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.
9. 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.
10. Le Breton M., Bacak A., Muller J.B.A., O’Shea S.J., Xiao P., Ashfold M.N.R., Cooke M.C., Batt R., Shall-cross D.E., Oram D.E., Forster G., Bauguitte S.J.-B., Percival C.J. Airborne hydrogen cyanide measurements using a chemical ionisation mass spectrometer for the plume identification of biomass burning forest fires // Atmos. Chem. Phys. 2013. V.13, N 18. P. 9217–9232.
11. Novakov T., Hegg D.A., Hobbs P.V. Airborne mea-surement of carbonaceous aerosols on the East Coast of the United States // J. Geophys. Res. D. 1997. V. 102, N 25. P. 30023–30030.
12. Asa-Awuku A., Moore R.H., Nenes A., Bahreini R., Hol-loway J.S., Brock Ch.A., Middlebrook A.M., Ryerson T.B., Jimenez J.L., DeCarlo P.F., Hecobian A.,  Weber R.J., Stickel R., Tanner D.J., Huey L.G. Airborne cloud condensation nuclei measurements during the 2006 Texas Air Quality Study // J. Geophys. Res. 2011.   V. 116.   D11201.   DOI: 10.1029/2010JD014874.
13. Duong H.T., Sorooshian A., Craven J.S., Hersey S.P., Metcalf A.R., Zhang X., Weber R.J., Jonsson H., Fla-gan R.C., Seinfeld J.H. Water – soluble organic aerosol in the Los Angeles Basin and outflow regions: Airborne and ground measurements during the 2010 CalNex field campaign // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. D00V04. DOI: 10.1029/2011JD016674.
14. Moore R.H., Cerully K., Bahreini R., Brock C.A., Mid-dlebrook A.M., Nenes A. Hygroscopicity and composition of California CCN during summer 2010 // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. D00V12. DOI: 10.1029/ 2011JD017352.
15. Liu K., Quan J., Mu Y., Zhang Q., Liu J., Gao Y., Chen P., Zhao D., Tian H. Aircraft measurements of BTEX compounds around Beijing city // Atmos. Environ. 2013. V. 73. P. 11–15.
16. Heald C.L., Coe H., Jimenez J.L., Weber R.J., Bah-reini R., Middlebrook A.M., Russell L.M., Jolleys M., Fu T.-M., Allan J.D., Bower K.N., Capes G., Crosier J., Morgan W.T., Robinson N.H., Williams P.I., Cubison M.J., DeCarlo P.F., Dunlea E.J. Exploring the vertical profile of atmospheric organic aerosol: Comparing 17 aircraft field campaigns with a global model // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11, N 24. P. 12673–12696.
17. Lerner B.M., Gilman J.B., Aikin K.C., Atlas E.L., Gol-dan P.D., Graus M., Hendershot R., Isaacman-Van-Wertz G.A., Koss A., Kuster W.C., Lueb R.A., McLaugh-lin R.J., Peischl J., Sueper D., Ryerson T.B., Tokarek T.W., Warneke C., Bin Yuan, de Gouw J.A. An improved, automated whole air sampler and gas chromatography mass spectrometry analysis system for volatile organic compounds in the atmosphere // Atmos. Meas. Tech. 2017. V. 10, N 1. P. 291–313.
18. 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.
19. 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; Voronetskaya N.G., Pevneva G.S. Golovko A.K., Kozlov A.S., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N. Hydrocarbon composition of tropospheric aerosol in the south of Western Siberia // Atmos. Ocean. Opt. 2014. V. 27, N 6. P. 547–557.
20. Arshinov M.Ju., Belan B.D., Voroneckaja N.G., Golovko A.K., Davydov D.K., Kozlov A.S., Pevneva G.S., Simonenkov D.V., Fofonov A.V. Organicheskij ajerozol' v atmosfere Sibiri i Arktiki. Part 1. Geograficheskie osobennosti i vremennaja dinamika // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, № 8. C. 716–722.
21. Belan B.D. Dinamika sloja peremeshivanija po ajerozol'nym dannym // Optika atmosf. i okeana. 1994. V. 7, N 8. P. 1045–1054.
22. Balin Ju.S., Ershov A.D. Vertikal'naja struktura ajerozol'nyh polej pogranichnogo sloja atmosfery po dannym lazernogo zondirovanija // Optika atmosf. i okeana. 1999. V. 12, N 7. P. 616–623.
23. Arshinov M.Ju., Belan B.D. Vertikal'noe raspredelenie nanochastic v troposfere kontinental'nogo rajona // Optika atmosf. i okeana. 2004. V. 17, N 7. P. 547–557.
24. Hossaini R., Mantle H., Chipperfield M.P., Montz-ka S.A., Hamer P., Ziska F., Quack B., Krüger K., Tegtmeier S., Atlas E., Sala S., Engel A., Bönisch H., Keber T., Oram D., Mills G., Ordóñez C., Saiz-Lopez A., Warwick N., Liang Q., Feng W., Moore F., Miller B.R., Maréca V., Richards N.A.D., Dorf M., Pfeilsticker K. Evaluating global emission inventories of biogenic bromocarbons // Atmos.  Chem.  Phys.  2013.  V. 13,  N 23.  P. 11819–11838.
25. Hodzic A., Kasibhatla P.S., Jo D.S., Cappa Ch.D., Jimenez J.L., Madronich S., Park R.J. Rethinking the global secondary organic aerosol (SOA) budget: Stronger production, faster removal, shorter lifetime // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 12. P. 7917–7941.
26. Ivlev L.S. Himicheskij sostav i struktura atmosfernyh ajerozolej. L.: Izd-vo LGU, 1982. 268 p.
27. Jaenicke R. Tropospheric aerosols, in Aerosol-Cloud-Climate Interactions / P.V. Hobs (ed.). San Diego: Academic Press, 1993. P. 1–31.
28. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics: From air pollution to climate change. New York: John Wiley & Sons, 1998. 1327 p.
29. Jones B.T., Muller J.B.A., O'Shea S.J., Bacak A., Le Breton M., Bannan T.J., Leather K.E., Booth A.M., Illingworth S., Bower K., Gallagher M.W., Allen G., Shallcross D.E., Bauguitte S.J.B., Pyle J.A., Percival C.J. Airborne measurements of HC(O)OH in the European Arctic: A winter summer comparison // Atmos. Environ. 2014. V. 99. P. 556–567.
30. Brown S.S., Dubé W.P., Bahreini R., Middlebrook A.M., Brock C.A., Warneke C., de Gouw J.A., Washenfel-der R.A., Atlas E., Peischl J., Ryerson T.B., Hollo-way J.S., Schwarz J.P., Spackman R., Trainer M., Par-rish D.D., Fehshenfeld F.C., Ravishankara A.R. Biogenic VOC oxidation and organic aerosol formation in an urban nocturnal boundary layer: Aircraft vertical profiles in Houston, TX // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, N 22. P. 11317–11337.
31. Williams J.E., Le Bras G., Kukui A., Ziereis H., Bren-ninkmeijer C.A.M. The impact of the chemical production of methyl nitrate from the NO + CH₃O₂ reaction on the global distributions of alkyl nitrates, nitrogen oxides and tropospheric ozone: A global modelling study // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14, N 5. P. 2363–2382.
32. Li J., Mao J., Min K.-E., Washenfelder R.A., Brown S.S., Kaiser J., Keutsch F.N., Volkamer R., Wolfe G.M., Hanisco T.F., Pollack I.B., Ryerson T.B., Graus M., Gilman J.B., Lerner B.M., Warneke C., de Gouw J.A., Middlebrook A.M., Liao J., Welti A., Henderson B.H., McNeill V.F., Hall S.R., Ullmann K., Donner L.J., Paulot F., Horowitz L.W. Observational constraints on glyoxal production from isoprene oxidation and its contribution to organic aerosol over the Southeast United States // J. Geophys. Res.: Atmos. 2016. V. 121, N 16. P. 9849–9861.
33. 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.: Atmos. 2013. V. 118, N 16. P. 9233–9257. DOI: 10.1002/jgrd.50530.
34. 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.
35. 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.
36. Jokinen T., Kausiala O., Garmash O., Peräkylä O., Jun-ninen H., Schobesberger S., Chao Yan, Sipilä M., Ris-sanen M.P. Production of highly oxidized organic compounds from ozonolysis of β-caryophyllene: Laboratory and field measurements // Boreal Environ. Res. 2016. V. 21, N 3–4. P. 262–273.
37. Belan B.D., Rasskazchikova T.M., Skljadneva T.K. Sinopticheskij rezhim Tomska za 1993–2004 years // Optika atmosf. i okeana. 2005. V. 18, N 10. P. 887–892.
38. 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.
39. Vestenius M., Hellén H., Levula J., Kuronen P., Hel-minen 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.
40. Nieminen T., Asmi A., Dal Maso M., Aalto P.P., Ke-ronen 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.
41. 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 β-caryophyllene: Laboratory and field measurements // Boreal Environ. Res. 2016. V. 21, N 3–4. P. 262–273.
42. 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.
43. 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.
44. 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.