Vol. 33, issue 10, article # 7

Arshinov M. Yu., Arshinova V. G., Belan B. D., Davydov D. K., Ivlev G. A., Kozlov A. S., Kujbida L. V., Rasskazchikova T. M., Simonenkov D. V., Tolmachev G. N., Fofonov A. V. Abnormal vertical distribution of organic aerosol over the south of Western Siberia in September 2018. // Optika Atmosfery i Okeana. 2020. V. 33. No. 10. P. 791–797. DOI: 10.15372/AOO20201007 [in Russian].
Copy the reference to clipboard

The abnormal vertical distribution of organic aerosol recorded on September 14, 2018, is analyzed on the basic of aircraft sounding data. The anomaly is that, unlike the long-term average profile, this flight has shown a maximal concentration in the boundary layer, which is more than an order of magnitude higher than the previously measured concentrations. The analysis of possible sources of aerosol particle precursors revealed a fairly large sector, in the territory of which there are boreal forests, which are sources of biogenic compounds, and objects of industrial infrastructure, which emit anthropogenic compounds.


anomaly, vertical distribution, organic aerosol, surface layer, boundary layer, free atmosphere


  1. Climate Change 2013: The Physical Science Basis Contribution of Working Group 1 to the Fifth Assessment Report of the Intergoverment Panel on Climate Change / T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, P.M. Midgley (eds.). Cambridge; New York: Cambridge University Press, 2013. 1552 p.
  2. Peräkylä O., Riva M., Heikkinen L., Quéléver L., Roldin P., Ehn M. Experimental investigation into the volatilities of highly oxygenated organic molecules (HOMs) // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20, N 2. P. 649–669.
  3. Yu F., Luo G., Bates T.S., Anderson B., Clarke A., Kapustin V., Yantosca R.M., Wang Y., Wu S. Spatial distributions of particle number concentrations in the global troposphere: Simulations, observations, and implications for nucleation mechanisms // J. Geophys. Res. 2010. V. 115, N D17205. DOI: 10.1029/2009JD013473.
  4. Sanderson P., Delgado-Saborit J.M., Harrison R.M. A review of chemical and physical characterisation of atmospheric metallic nanoparticles // Atmos. Environ. 2014. V. 94. P. 353–365.
  5. Vehkamäki H. Classical Nucleation Theory in Multicomponent Systems. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. 176 p.
  6. Tröstl J., Wayne W.K., Gordon H., Heinritzi M., Chao Yan, Molteni U., Ahlm L., Frege C., Bianchi F., Wagner R., Simon M., Lehtipalo K., Williamson Ch., Craven J.S., Duplissy J., Adamov A., Almeida J., Bernhammer A.-K., Breitenlechner M., Brilke S., Dias A., Ehrhart S., Flagan R.C., Franchin A., Fuchs C., Guida R., Gysel M., Hansel A., Hoyle Ch.R., Jokinen T., Junninen H., Kangasluoma J., Keskinen H., Kim J., Krapf M., Kürten A., Laaksonen A., Lawler M., Leiminger M., Mathot S., Möhler O., Nieminen T., Onnela A., Petäjä T., Piel F.M., Miettinen P., Rissanen M.P., Rondo L., Sarnela N., Schobesberger S., Sengupta K., Sipilä M., Smith J.N., Steiner G., Tomè A., Virtanen A., Wagner A.C., Weingartner E., Wimmer D., Winkler P.M., Ye P., Carslaw K.S., Curtius J., Dommen J., Kirkby J., Kulmala M., Riipinen I., Worsnop D.R., Donahue N.M., Baltensperger U. The role of low-volatility organic compounds in initial particle growth in the atmosphere // Nature. 2016. V. 533, N 7604. P. 527–531.
  7. 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. 7 p.
  8. Elsasser M., Crippa M., Orasche J., DeCarlo P.F., Oster M., Pitz M., Cyrys J., Gustafson T.L., Pettersson J.B.C., Schnelle-Kreis J., Prevot A.S.H., Zimmermann R. Organic molecular markers and signature from wood combustion particles in winter ambient aerosols: aerosol mass spectrometer (AMS) and high time-resolved GC-MS measurements in Augsburg, Germany // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 14. P. 6113–6128.
  9. Markovic M.Z., VandenBoer T.C., Baker K.R., Kelly J.T., Murphy J.G. Measurements and modeling of the inorganic chemical composition of fine particulate matter and associated precursor gases in California’s San Joaquin Valley during CalNex 2010 // J. Geophys. Res.: Atmos. 2014. V. 119, N 11. P. 6853–6866.
  10. Ge X., Wexler A.S., Clegg S.L. Atmospheric amines – Part 1. A review // Atmos. Environ. 2011. V. 45, N 3. P. 524–545.
  11. Wang Z., Wang T., Guo J., Gao R., Xue L., Zhang J., Zhou Y., Zhou X., Zhang Q., Wang W. Formation of secondary organic carbon and cloud impact on carbonaceous aerosols at Mount Tai, North China // Atmos. Environ. 2012. V. 46, N 1. P. 516–527.
  12. Shakya K.M., Place P.F. Jr., Griffin R.J., Talbot R.W. Carbonaceous content and water-soluble organic functionality of atmospheric aerosols at a semi-rural New England location // J. Geophys. Res. 2012. V. 117, N D03301. DOI: 10.1029/2011JD016113.
  13. Kim K.H., Sekiguchi K., Kudo S., Kinoshita M., Sakamoto K. Carbonaceous and ionic components in ultra fine and fine particles at four sampling sites in the vicinity of roadway intersection // Atmos. Environ. 2013. V. 74. P. 83–92.
  14. Mahajan A.S., Sorribas M., Martin J.C.M., MacDonald S.M., Gil M., Plane J.M.C., Saiz-Lopez A. Concurrent observations of atomic iodine, molecular iodine and ultrafine particles in a coastal environment // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11, N 6. P. 2545–2555.
  15. Allan J.D., Williams P.I., Najera J., Whitehead J.D., Flynn M.J., Taylor J.W., Liu D., Darbyshire E., Carpenter L.J., Chance R., Andrews S.J., Hackenberg S.C., McFiggans G. Iodine observed in new particle formation events in the Arctic atmosphere during ACCACIA // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15, N 10. P. 5599–5609.
  16. Taylor N.F., Collins D.R., Lowenthal D.H., McCubbin I.B., Hallar A.G., Samburova V., Zielinska B., Kumar N., Lynn R. Mazzoleni L.R. Hygroscopic growth of water soluble organic carbon isolated from atmospheric aerosol collected at US national parks and Storm Peak Laboratory // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17, N 4. P. 2555–2571.
  17. Zhang X., Liu J., Parker E.T., Hayes P.L., Jimenez J.L., de Gouw J.A., Flynn J.H., Grossberg N., Lefer B.L., Weber R.J. On the gas-particle partitioning of soluble organic aerosol in two urban atmospheres with contrasting emissions: 1. Bulk water-soluble organic carbon // J. Geophys. Res. 2012. V. 117, N D00V16. DOI: 10.1029/2012JD017908.
  18. Zhang X., Liu Z., Hecobian A., Zheng M., Frank N.H., Edgerton E.S., Weber R.J. Spatial and seasonal variations of fine particle water-soluble organic carbon (WSOC) over the southeastern United States: implications for secondary organic aerosol formation // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 14. P. 6593–6607.
  19. Ziemba L.D., Griffi R.J., Whitlow S., Talbot R.W. Characterization of water-soluble organic aerosol in coastal New England: Implications of variations in size distribution // Atmos. Environ. 2011. V. 45, N 39. P. 7310–7329.
  20. Lee D.Y., Wexler A.S. Atmospheric amines – Part III: Photochemistry and toxicity // Atmos. Environ. 2013. V. 71. P. 95–103.
  21. Park J.-H., Goldstein A.H., Timkovsky J., Fares S., Weber R., Karlik J., Holzinger R. Active atmosphere-ecosystem exchange of the vast majority of detected volatile organic compounds // Science. 2013. V. 341, N 6146. P. 643–647.
  22. Isidorov V.A. Organicheskaya himiya atmosfery. SPb.: Himiya, 2001. 352 p.
  23. Ravindra K., Sokhi R., Van Grieken R. Atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons: Source attribution, emission factors and regulation // Atmos. Environ. 2008. V. 42, N 13. P. 2895–2921.
  24. Gilardoni S. Advances in organic aerosol characterization: From complex to simple // Aer. Air Qual. Res. 2017. V. 17, N 6. P. 1347–1351.
  25. Leino K., Lampilahti J., Poutanen P., Väänänen R., Manninen A., Mazon S.B., Dada L., Franck A., Wimmer D., Aalto P.P., Ahonen L.R., Enroth J., Kangasluoma J., Keronen P., Korhonen F., Laakso H., Matilainen T., Siivola E., Manninen H.E., Lehtipalo K., Kerminen V.-M., Petäjä T., Kulmala M. Vertical profiles of sub-3 nm particles over the boreal forest // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19, N 6. P. 4127–4138.
  26. Heintzenberg H., Birmili W., Wiedensohler A., Nowak A., Tuch T. Structure, variability and persistence of the submicrometre marine aerosol // Tellus B. 2004. V. 56, N 4. P. 357–367.
  27. Nair V.S., Moorthy K.K., Babu S.S. Influence of continental outflow and ocean biogeochemistry on the distribution of fine and ultrafine particles in the marine atmospheric boundary layer over Arabian Sea and Bay of Bengal // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118, N 13. P. 7321–7331.
  28. Karl M., Leck C., Gross A., Pirjola L. A study of new particle formation in the marine boundary layer over the central Arctic Ocean using a flexible multicomponent aerosol dynamic model // Tellus B. 2012. V. 64. DOI: 10.3402/tellusb.v64i0.17158.
  29. Burkart J., Willis M.D., Bozem H., Thomas J.L., Law K., Hoor P., Aliabadi A.A., Köllner F., Schneider J., Herber A., Abbatt J.P.D., Leaitch W.R. Summertime observations of elevated levels of ultrafine particles in the high Arctic marine boundary layer // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17, N 8. P. 5515–5535.
  30. Altstädter B., Platis A., Wehner B., Scholtz A., Wildmann N., Hermann M., Käthner R., Baars H., Bange J., Lampert A. ALADINA – an unmanned research aircraft for observing vertical and horizontal distributions of ultrafine particles within the atmospheric boundary layer // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8, N 4. P. 1627–1639.
  31. Platis A., Altstädter B., Wehner B., Wildmann N., Lampert A., Hermann M., Birmili W.,  Bange J. An observational case study on the influence of atmospheric boundary-layer dynamics on new particle formation // Bound.-Lay. Meteorol. 2016. V. 158, N 1. P. 67–92.
  32. Wang J., Krejci R., Giangrande S., Kuang C., Barbosa H.M.J., Brito J., Carbone S., Chi X., Comstock J., Ditas F., Lavric J., Manninen H.E., Mei F., Moran-Zuloaga D., Pöhlker C., Pöhlker M.L., Saturno J., Schmid B., Souza R.A.F., Springston S.R., Tomlinson J.M., Toto T., Walter D., Wimmer D., Smith J.N., Kulmala M., Machado L.A.T., Artaxo P., Andreae M.O., Petäjä T., Martin S.T. Amazon boundary layer aerosol concentration sustained by vertical transport during rainfall // Nature. 2016. V. 539, N 7629. P. 416–419.
  33. Novakov T., Hegg D.A., Hobbs P.V. Airborne measurement of carbonaceous aerosols on the East Coast of the United States // J. Geophys. Res. 1997. V. 102, N D25. P. 30023–30030.
  34. Asa-Awuku A., Moore R.H., Nenes A., Bahreini R., Holloway J.S., Brock C.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, N D11201. DOI: 10.1029/2010JD014874.
  35. Duong H.T., Sorooshian A., Craven J.S., Hersey S.P., Metcalf A.R., Zhang X., Weber R.J., Jonsson H., Flagan 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. D. 2011. V. 116. DOI: 10.1029/2011JD016674.
  36. Moore R.H., Cerully K., Bahreini R., Brock C.A., Middlebrook A.M., Nenes A. Hygroscopicity and composition of California CCN during summer 2010 // J. Geophys. Res. D. 2012. V. 117. DOI: 10.1029/2011JD017352.
  37. 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.
  38. Heald C.L., Coe H., Jimenez J.L., Weber R.J., Bahreini 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. Р. 12673–12696.
  39. Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Voronetskaya N.G., Golovko A.K., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.S., Malyshkin S.B., Pevneva G.S., Simonenkov D.V., Fofonov A.V. Organicheskij aerozol' v atmosfere Sibiri i Arktiki. Pt. 2. Vertikal'noe raspredelenie // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, N 9. P. 733–739.
  40. Vlasenko S.S., Volkova K.A., Ionov D.V., Ryshkevich T.I., Ivanova O.A., Mihajlov E.F. Izmenchivost' uglerodsoderzhashchej fraktsii atmosfernogo aerozolya vblizi Sankt-Peterburga // Izv. RAN. Fiz. atmosf. i okeana. 2019. V. 55, N 6. P. 147–156.
  41. Nemirovskaya I.A. Organicheskie soedineniya v ekosisteme pribrezhnyh rajonov Antarktiki // Meteorol. i gidrol. 2020. N 2. P. 78–93.
  42. Voronetskaya N.G., Pevneva G.S., Golovko A.K., Kozlov A.S., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N. Uglevodorodnyj sostav troposfernogo aerozolya yuga 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 4. P. 547–557.
  43. Voronetskaya N.G., Pevneva G.S., Golovko A.K., Kozlov A.S., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N. Prostranstvennaya izmenchivost' organicheskoj komponenty aerozolya v prizemnom sloe i svobodnoj atmosfere // Optika atmosf. i okeana. 2015. V. 28, N 9. P. 825–829.
  44. Arshinov M.Yu., Belan B.D., Voronetskaya N.G., Golovko A.K., Davydov D.K., Kozlov A.S., Pevneva G.S., Simonenkov D.V., Fofonov A.V. Organicheskij aerozol' v atmosfere Sibiri i Arktiki. Pt. 1. Geograficheskie osobennosti i vremennaya dinamika // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, N 8. P. 716–722.
  45. Antohin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Voronetskaya N.G., Golovko A.K., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Kozlov A.S., Malyshkin S.B., Pevneva G.S., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Organicheskij aerozol' v atmosfere Sibiri i Arktiki. Pt. 3. Produkty lesnyh pozharov // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, N 9. P. 740–749.
  46. Anohin G.G., Antohin P.N., Arshinov M.Yu., 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.E., Pestunov D.A., Sikov G.P., Simonenkov D.V., Sinitsyn D.S., Tolmachev G.N., Filippov D.V., Fofonov A.V., Chernov D.G., Shamanaev V.S., Shmargunov V.P. Samolet-laboratoriya Tu-134 «Optik» // Optika atmosf. i okeana. 2011. V. 24, N 9. P. 805–816.
  47. Schroder J.C., Campuzano-Jost P., Day D.A., Shah V., Larson K., Sommers J.M., Sullivan A.P., Campos T., Reeves J.M., Hills A., Hornbrook R.S., Blake N.J., Scheuer E., Guo H., Fibiger D.L., Mc Duffie E.E., Hayes P.L., Weber R.J., Dibb J.E., Apel E.C., Jaeglé L., Brown S.S., Thornton J.A., Jimenez J.L. Sources and secondary production of organic aerosols in the northeastern United States during WINTER // J. Geophys. Res.: Atmos. 2018. V. 123, N 14. P. 7771–7796.
  48. Schulz C., Schneider J., Holanda B.A., Appel O., Costa A., de Sá S.S., Dreiling V., Fütterer D., Jurkat-Witschas T., Klimach T., Knote C., Krämer M., Martin S.T., Mertes S., Pöhlker M.L., Sauer D., Voigt C., Walser A., Weinzierl B., Ziereis H., Zöger M., Andreae M.O., Artaxo P., Machado L.A.T., Pöschl U., Wendisch M., Stephan Borrmann S. Aircraft-based observations of isoprene-epoxydiol-derived secondary organic aerosol (IEPOX-SOA) in the tropical upper troposphere over the Amazon region // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18, N 20. Р. 14979–15001.
  49. Rogge W.F., Hildemann L.M., Mazurek M.A., Cass G.R., Simoneit B.R.T. Sources of fine organic aerosol. 5. Natural gas home appliances // Environ. Sci. Technol. 1993. V. 27, N 13. P. 2736–2744.
  50. Rogge W.F., Hildemann L.M., Mazurek M.A., Cass G.R., Simoneit B.R.T. Sources of fine organic aerosol. 2. Noncatalyst and catalyst-equipped automobiles and heavy-duty diesel trucks // Environ. Sci. Technol. 1993. V. 27, N 4. P. 636–651.
  51. Mazurek M.A., Cass G.R., Simoneit B.R.T. Interpretation of high-resolution gas chromatography and high-resolution gas chromatography/mass spectrometry data acquired from atmospheric organic aerosol samples // Aerosol Sci. Technol. 1989. V. 10. P. 408–420.
  52. Rogge W.F., Hildemann L.M., Mazurek M.A., Cass G.R., Simoneit B.R.T. Sources of fine organic aerosol. 4. Particulate abrasion products from leaf surfaces of urban plants // Environ. Sci. Technol. 1993. V. 27, N 13. P. 2700–2711.
  53. Boreddy S.K.R., Haque M.M., Kawamura K., Fu P., Kim Y. Homologous series of n-alkanes (C19–C35), fatty acids (C12–C32) and n-alcohols (C8–C30) in atmospheric aerosols from central Alaska: Molecular distributions, seasonality and source indices // Atmos. Environ. 2018. V. 184. P. 87–97.
  54. Chen Z., Millet D.B., Singh H.B., Wisthaler A., Apel E.C., Atlas E.L., Blake D.R., Bourgeois I., Brown S.S., Crounse J.D., de Gouw J.A., Flocke F.M., Fried A., Heikes B.G., Hornbrook R.S., Mikoviny T., Min K.-E., Müller M., Neuman J.A., O’Sullivan D.W., Peischl J., Pfister G.G., Richter D., Roberts J.M., Ryerson T.B., Shertz S.R., Thompson C.R., Treadaway V., Veres P.R., Walega J., Warneke C., Washenfelder R.A., Weibring P., Yuan B. On the sources and sinks of atmospheric VOCs: An integrated analysis of recent aircraft campaigns over North America // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19, N 14. Р. 9097–9123.
  55. Alwe H.D., Millet D.B., Chen X., Raff J.D., Payne Z.C., Fledderman K. Oxidation of volatile organic compounds as the major source of formic acid in a mixed forest canopy // Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46, N 5. P. 2940–2948.
  56. Gomez M.C., Durana N., García J.A., de Blas M., de Camara E.S., García-Ruiz E., Gangoiti G., Torre-Pascual E., Iza J. Long-term measurement of biogenic volatile organic compounds in a rural background area: Contribution to ozone formation // Atmos. Environ. 2020. V. 224, N 117315.
  57. Ovadnevaite J., Zuend A., Laaksonen A., Sanchez K.J., Roberts G., Ceburnis D., Decesari S., Rinaldi M., Hodas N., Facchini M.C., Seinfeld J.H., ODowd C. Surface tension prevails over solute effect in organic-influenced cloud droplet activation // Nature. 2017. V. 546, N 7660. P. 637–641.