Vaikne nukleatsioon: mõõtmistulemused ja modelleerimine

(1)

Vaikne nukleatsioon:

mõõtmistulemused ja modelleerimine

(Quiet phase of atmospheric aerosol nucleation: measurements and models)

H. Tammet

AEL seminar 6. aprill 2011

(2)

Aparatuur

SIGMA:

Tammet, H. (2011) Symmetric inclined grid mobility analyzer for the measurement of charged clusters and fine nanoparticles in atmospheric air. Aerosol Sci. Technol., 45, 468-479.

http://dx.doi.org/10.1080/02786826.2010.546818

Air inlet

Repelli ng electro

de Attracti

ng electro

des Sheath

air filter

Repelli ng electro

de

Sheath air filter

Attracti ng electrod

es

Repellin g electrod

e

Shield electrod

e Inlet

gate

Air ion trajecto

ry

Electrometricfilter for positive ions Filter batteries Electrometricfilter for negative ions Filter batteries

Shield electro

de

Repellin g electrod

HALVEM POOL e

MÕÕTMISI

PAREM POOL MÕÕTMISI

MÜRA

(10 min tsüklid)

(3)

Mõõtmistulemusi

1. SIGMA abil salvestatud liikuvusjaotustest moodustati kolmetunnikeskmised kasutades ainult kompaktseid tunnikolmikuid:

2. Tartu andmete 1705-st tunnikolmikust valiti edasiseks töötluseks 200 madalama müraga kolmikut ja Tammemäe andmete 242-st tunnikolmikust 120.

3. Tabelid järjestati kergete ja keskmiste ioonide vahelise miinimumi sügavuse järgi.

4. Valiti andmed 12 diagrammi jaoks:

U+1 16×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas U+2 80×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas

U+3 80×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi linnas U-1 16×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas U-2 80×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi linnas

U-3 80×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi linnas R+1 16×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal R+2 48×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal

R+3 48×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi maal R-1 16×3 eriti madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal R-1 48×3 madala keskmiste ioonide tasemega tundi maal

R-1 48×3 keskpärase keskmiste ioonide tasemega tundi maal

(4)

Z logZ U+1 U+2 U+3 U-1 U-2 U-3 R+1 R+2 R+3 R-1 R-1 R-1

0.03 65

- 1.43

75 1.43 2.84 4.84 1.05 2.23 4.35 0.98 1.52 3.32 0.09 0.57 1.76 0.0487

-

1.3125 1.11 1.93 3.36 0.84 1.66 3.16 0.77 1.45 3.62 0.36 0.71 1.95

0.06 49

1.18-

75 0.83 1.55 2.79 0.8 1.38 2.69 0.8 1.35 3.87 0.37 0.66 1.85

0.08 66

- 1.06

25 0.76 1.31 2.4 0.66 1.17 2.34 0.73 1.17 3.43 0.36 0.59 1.49

0.11 55

- 0.93

75 0.78 1.15 2.04 0.59 1.03 2.04 0.74 1.04 3.2 0.32 0.51 1.33 0.154

-

0.8125 0.76 1 1.82 0.52 0.93 1.78 0.73 1 3 0.52 0.5 1.26

0.2054

-

0.6875 0.74 0.9 1.7 0.54 0.82 1.75 0.7 0.9 2.64 0.51 0.52 1.26

0.27 38

0.56-

25 0.77 0.9 1.81 0.56 0.77 1.87 0.7 0.84 1.97 0.4 0.52 1.18

0.36 52

- 0.43

75 0.8 1 2.42 0.74 0.84 2.44 0.79 0.86 1.61 0.48 0.46 1.08 0.487

-

0.3125 1.45 1.8 4.83 1.72 1.69 5.01 1.38 2.48 2.7 0.83 1.4 1.88

0.6494

-

0.1875 10.3 10.6

3 18.6

8 7.75 7.27 15.8

7 14.2

3 21.6

1 17.3

3 5.2 10.5

3 8.49

0.86 6

0.06-

25 56.9

2 56.9

3 76.4

1 30.2

3 29.2

7 46.9

1 88.7

7 112.

97 91.2

8 31.0

8 48.5

3 36.7 2 1.1548 0.06

25 123.

59 120.

41 149.

17 74.6 71.6

1 93.4

8 199.

91 233.

44 193.

41 88.3

9 115.

98 90.2 4 1.5399 0.18

75 120.

27 112.

1 134.

05 104.

16 95.8

7 112.

78 206.

32 230.

04 202.

61 144.

98 164.

89 143.

67 2.05

35 0.31

25 67.6

9 61.5

6 72.6

2 80.4

8 72.3

6 82.0

6 122.

26 130.

37 121.

42 114.

96 121.

56 115.

7

Keskmiste ioonide madala kontsentratsiooniga liikuvusjaotuste tabel

(5)

Keskmiste ioonide jaotuskõverad Tartus, kolm taset

0.032 0.063 0.125 0.25 Z : cm²V^-1s^-1 0.5

(6)

Keskmiste ioonide jaotuskõverad Tammemäel, kolm taset

0.032 0.063 0.125 0.25 Z : cm²V^-1s^-1 0.5

(7)

Ioonid ja neutraalid

Tähelepanu all on osakesed diameetriga 1.5 kuni 7.5 nm. Mõõta saame laetud osakeste ehk keskmiste ioonide liikuvusi ja kontsentratsioone. Keskmised ioonid on praktiliselt kõik ühelaengulised ning liikuvuse järgi saab üheselt teada

diameetri. Ioonid kontsentratsiooni järgi neutraalide kontsentratsiooni hindamine on aga probleemne, sest kasvavad osakesed ei ole tasakaalulises olekus.

0 +

-

+ +

- -



o



*



o



*

N

eq

N

^

d : nm 2 3 5 7

180 100 50 33



*









^ ^

Kombinatsioonikordaja sõltub osakese diameetrist ja polaarsusest.

Lihtsustus:



*



 N

^



^

N

_eq

Tasakaal:

*

CST

N

eq

 N

Laetusolek







^*



^*

CST

N N

(8)

Eluiga

Kerged ioonid surevad kas aerosooliosakestega ühinedes või vastastikku rekombineerudes

A_tools ülesanne “ion_aerosolsink (e.g. on background aerosol)” → S_b = 0.01 s^-1 Kergete ioonide dünaamika:

n S n

dt I dn



b







²

S

_b

  N

_b

rekombinatsioonikordaja

fooniaerosooli- neel

fooniaerosooli kontsentratsioon keskmine

kombinatsioonikordaja

/s cm 10

6 cm 1500

, nm

300 

^-³



^o

 

^⁶ ³



_b

b

N

d

Monodispersne tüüpfoon

→ S_b ≈ 0.009 s^-1

Kerge iooni keskmine eluiga tüüpfooni korral 1 / S ≈ 100 s

(9)

Eluiga

Nanoosakesed kaovad kas fooniaerosooliosakestega ühinedes või mõõdust välja kasvades

3

cm

-

1500

, nm

300 

 N

_b

d

Tüüpfoon

Nanoosakeste neel fooniaerosoolil:

S

_b

 K ( d

_n

, d

_b

) N

_b

fooniaerosooli kontsentratsioon nanoosakeste

diameeter

fooniosakeste diameeter koagulatsioonitegur

KN

b

d _n: nm

1

2 3 5 7

11 22 55 90 10⁷*K

cm³/s : min 10

5 2 1.2

τ ≈ 1/S _b

(10)

Päritolu



 : h

^{100 m}

Segunemiskõrgus ≈ Hinnangud:

Tuulekaugus ≈ (

τ

^{: min) km}

Segunemiskõrguse hinnangu lähtekoht:

Radooni eluiga on ca 100 h ja segunemiskõrgus keskpärase turbulentsi tingimustes ca 1 km.

d _n: nm 2 3 5 7

11 22 55 90

τ

^{: min} Tuulekaugus km

Segunemiskõrgus m

11 22 55 90

43 60 95 120

NB: segunemiskõrguse hinnang ei kehti

rünkpilvede all

Järeldus: nanoosakesed on maapinna lähedal toimuva nukleatsiooni tulemus, erand: arenenud konvektsioon atmosfääris

(11)

Küsimus enne teooriaga alustamist:

Keskmised ioonid pole pole kergetest

võrreldamatult suuremad ja kergete

ioonidega rekombineerumine võiks

neid märgatavalt kasvatada. Kas see

nähtus võiks olla keskmiste ioonide

kasvu seletamisel oluline?

(12)

Growth of nanoparticles with deposited small ions

Volume growth rate G

_V

= dV/dt and diameter growth rate G = dd

_p

/dt:

V = (π/6)d

_p³

and dV/dt = (π/2)d

_p²

G. Conclusion: G = 2G

_V

/ (πd

_p²

).

Flux of ion number to a particle is nβ(d

_p

) and ion volume is (π/6)d

_o³

. Thus the volume growth rate G

_V

= (π/6)d

_o³

nβ(d

_p

).

Theoretical estimate: G = 2(π/6)d

_o³

nβ(d

_p

) / (πd

_p²

) = (1/3)(d

_o³

/ d

_p²

)nβ(d

_p

).

If the nanoparticle is charged then β = β* else β = βº.

Let d

_o

= 0.75 nm and n = 500 cm

^–3

. Then

for dp := 1 to 9 do begin

c := (1/3) * 0.75 * 0.75 * 0.75 / (dp * dp);

gneutral := c * 500 * attachment_coefficient ( 0, 0.73, 2, dp, 273, 1013);

gcharged := c * 500 * attachment_coefficient (-1, 0.73, 2, dp, 273, 1013);

writeln (dp, 3600 * gneutral :9:4, 3600 * gcharged :9:4);

charge

d_ion

density of ionic matter

hour / second n

(13)

Kasvu kiirus G : nm/h neutral charged d

_p

G

^o

G

^*

1 0.0010 0.3747 2 0.0004 0.0808 3 0.0003 0.0362 4 0.0003 0.0208 5 0.0003 0.0136 6 0.0002 0.0096 7 0.0002 0.0072 8 0.0002 0.0056 9 0.0002 0.0045

Järeldus: ………

(14)

The model is designed using approximations,

which are explained in publications:

Tammet, H., Kulmala, M. (2005)

Simulation tool for atmospheric aerosol nucleation bursts.

J. Aerosol Sci., 36, 173-196.

Tammet, H., Kulmala, M. (2007)

Simulating aerosol nucleation bursts in a coniferous forest, Boreal Env. Res., 12, 421-430.

http://ael.physic.ut.ee/tammet/a_tools/

Lihne teoreetiline mudel

(15)

Evolution of nanometer particles in a sectional model

SECTION i

SECTION i - 1 SECTION i + 1

d

_i

d

_i-1

d

_i+1

N

_i

N

_i-1

N

_i+1

G

_i-1

G

_i

(16)

-

0 0 0

+ + +

- -

Evolution of nanometer particles in a sectional model

SINK

OUTGROW INTAKE

+

- +

-

^CHARGE^CONVERSION

CHARGE CONVERSION SECTION i

SECTION i - 1 SECTION i + 1

o

G

i o

1

G

i





_i



_i^^o





_i

o



_i

(17)

o o o

o o

o 1 o

1 o

o o

1 1

o 1 o

2 2

i i

i

i i

N S

N n

N N

d d

G

N N

d d

G dt dN



















 



 





















Dynamics of neutral particles in section i

o

N

i = concentration of neutral particles in section

i

o

G

i = growth rate of neutral particle out from section

i

= attachment coefficient of –ion to +particle of size

d

_i





_i

n

= concentration of positive small ions

S

i = sink of neutral particles on the background aerosol

NB: if

i = 1

then is to be replaced with ^o₁

J

^o

1 o

1 



_i ⁱ

i

N

d d

G

(18)

o o

o o 1 o

1 o o

o 1 1 o

1 o

2

2 ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ

i i

i i i

i

i N N n N n N n N n N S N

d d

G N

N d d

G dt

dN      

 



  ^ ^^ ^ ^ ^ ^ ^^ ^ ^ ^ ^





Simplifications:



_i^^

 

_i^^

 

^*_i ^,



_i^^o

 

_i^^o

 

^o_i ^,

n

^

 n

^

 n ,

o o

o

* o *

1 o

1 o o

o

2 2 2

ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ ⁱ

i i

i

N N nN nN S N

d d

J G dt

dN      

 



^



If

i

^{= 1 then}

o o

o

* o *

1 o

1 o o

o 1 1

o 1 o

2 2 2

2

i i

i

N N nN nN S N

d d

G N

N d

d G dt

dN      

 



 

^





else 

Dynamics of neutral particles in section i

background particles are monodisperse but polycharged





q

bkg i

q bkg

i

N p K d d q

S ( , , )

Sink of nanoparticles on background aerosol S_i

probability to carry charge q

concentration of particles of size d_bck

coagulation coefficient

(19)

Steady state of neutral particles in section i 2

else

then 1

If

o o

1 1

o o 1

o

o i i

i i

i i i

i

N N

d d

E G J

E

i 

 



^



Intake: 

o o

o

* o *

1 o

1 o o

o

2 2 2

i i

i

N N nN nN S N

d d

E G dt

dN      

 



^



Dynamics:

o o

o

*

* o o

1 o

2

ⁱ

2

i i

i

N N E nN nN S N

d d

G       

 

^



0

o

 dt dN

_i

Steady state:

What is known and what is unknown in these equations?



^ ^ ^ ^



_ _



1

* 1

*

2 ( )

2 2



 









i i

i i i

i i

i

N N

d nN d

nN N

S E

G

(20)

If both N^o and N^* are measured and any of G_i is known then would be possible to calculate step by step G_i+1, G_i+1, G_i+1, …

Unfortunately, only N^* can be directly measured. If the particles would not grow then in the steady state:









^o ^* ^*

o

N

_o

*

* o



 N  N

Kerminen, V.-M., T. Anttila, T. Petäjä, L. Laakso, S. Gagne, K. E. J. Lehtinen, and M. Kulmala (2007), Charging state of the atmospheric nucleation mode:

Implications for separating neutral and ion-induced nucleation, J. Geophys.

Res., 112, D21205, doi:10.1029/2007JD008649.



i i i i

N N



 



^* ^*

CST

The growing particles “remember” the charging state of the smaller particles. A simple approximation is:

 ^/

_CST



exp 1

CST    d d

First approximation:

(21)

Experiment 1:

Test distribution

d dd

dN

^*

 5 cm

^³

(22)

(23)

p = 1013 mb, T = 0 C, ionization rate = 5 nucleation: neutral = 1.88 charged = 0.00 n_ion = 497, Z_ion = 1.50, d_CST = 2.00 background aerosol N = 1500 1/cm3, d = 300

nm dN*/dd dN0/dd Sb:1/h Gr:nm/h intake dn*/dt CST 1.500 3.33 1573 8.95 3.71 1.880 -4.849 0.528 2.000 2.50 704 5.33 3.12 0.676 -0.047 0.632 2.500 2.00 377 3.67 2.81 0.318 -0.046 0.713 3.000 1.67 227 2.73 2.62 0.175 -0.036 0.777 3.500 1.43 149 2.13 2.51 0.109 -0.028 0.826 4.000 1.25 104 1.71 2.46 0.073 -0.023 0.865 4.500 1.11 76 1.41 2.46 0.053 -0.019 0.895 5.000 1.00 57 1.18 2.51 0.041 -0.016 0.918 5.500 0.91 45 1.01 2.60 0.033 -0.015 0.936 6.000 0.83 36 0.87 2.73 0.027 -0.013 0.950 6.500 0.77 29 0.76 2.90 0.023 -0.012 0.961 7.000 0.71 24 0.67 3.10 0.021 -0.012 0.970 7.500 0.67 20 0.59 3.34 0.019 -0.011 0.976

(24)

Modelleerimine puhangusimulaatori abil

0.5 1 1.5 2 2.5 3

2 3 4 5 6 7

Particle diameter : nm

Fraction concentration, cm-3

Measured Simulated Burstgrowthtable

d GR 1.6 1.5 2.5 3.5 4.5 3.5 8.0 2.0

I = 5 Z_ion = 1.5

J = 3

Background aerosol d = 300 nm, N =1500

Birthsize 1.63

(25)

tähelep eest anu

Tänam

e

Vaikne nukleatsioon: mõõtmistulemused ja modelleerimine