Physicochemical properties and atmospheric ageing of soot - investigated though aerosol mass spectrometry

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Sotpartiklar i atmosfären är en del av klimatfrågan som är i särskilt stort behov av utredning. Dessutom har det visat sig, att samma partiklar orsakar mycket stora hälsoproblem; globalt, på Europeisk nivå, och till och med i förhållandevis förskonade länder som Sverige. Vi vet nu nästintill helt säkert att mänsklig påverkan leder oss in i ett varmare klimat. Vi behöver bättre förstå hur, och hur fort, för att kunna hitta de bästa lösningarna. Luftburna partiklars påverkan på klimatet är den största källan till osäkerheter, och sot är den viktigaste, men samtidigt mest komplicerade partikeltypen. Många partiklar har naturligt ursprung: de är inte ett resultat av mänskliga aktiviteter. Sotpartiklar däremot kommer i stor utsträckning från utsläpp orsakade av människor. I Europa kommer de flesta sotpartiklar från dieselmotorer och vedeldning, det är de partiklarna som jag har studerat i denna avhandling. De flesta partikeltyper bidrar till att bromsa klimatförändringarna genom att reflektera tillbaka solljus till rymden. Sotpartiklarna har ju den utmärkande egenskapen att de är svarta, och gör därför istället problemet värre genom att effektivt absorbera solljus. Molnbildning är en mycket viktig del av partiklarnas roll i klimatet. Framförallt sprider molndroppar, likt partiklar, solljus tillbaka till rymden; de bromsar klimatförändringarna. Moln, och i förlängningen regn, är ju också viktigt för annat än klimatförändringar! Varje molndroppe har från början varit en partikel: utan partiklar, blir det inga moln. Det är dock inte alla partiklar som kan bilda molndroppar. Våra experiment visar till exempel att sot som nyligen släppts ut av dieselbilar inte alls bildar molndroppar i atmosfären. När utsläppen bestrålas med UV-ljus förändras dock sotpartiklarnas egenskaper, och de kommer därför att börja påverka molnbildning efterhand. Det beror på att organiska föreningar bildas, som kondenserar på sotet. Vi har också visat att avgaser från bensinbilar är en effektiv källa till sådana organiska föreningar. När de organiska föreningarna kondenserar på sotet förändras dess karaktär helt. Det färska sotet består av spretiga agglomerat som vatten inte kan kondensera på. Den organiska beläggningen bidrar förutom till att sotpartikeln kan ta upp vatten, också till att dess form ändras. Man vet inte med säkerhet vilken roll formen spelar för sotpartiklars roll i klimatförändringar, eller för deras hälsoeffekter, men det finns skäl att tro att formen är viktig till exempel för ljusabsorption. Vi har också kommit fram till, att dieselsot ändrar karaktär oväntat fort i atmosfären. Vi mätte vintertid sotpartiklar vid en gata i centrala Köpenhamn, och på Söderåsen, cirka sex mil därifrån fågelvägen. Sedan valde vi ut tidpunkter då luften på Söderåsen hade passerat över Köpenhamn. Vi kunde därefter sluta oss till att de partiklar som cirka fem timmar tidigare när de släppts ut i Köpenhamn varit helt färska, hade transformerats till åldrade partiklar under transporten över sundet. Detta var en oväntad upptäckt eftersom det fanns begränsat med UV-ljus, som normalt är själva drivkraften för transformationen. Vi har kommit fram till att det var samverkan mellan oorganiska föreningar och vatten som åstadkom den snabba transformationen. Våra studier av vedrök visar att det är väldigt viktigt för utsläppen hur eldningen sköts. Våra mätningar visar att när det brinner för intensivt i en vedkamin, ökar utsläppen av klimat- och hälsopåverkade partiklar. Det är ju tydligt för envar att för långsam eldning, där veden ligger och pyr, är dåligt. Det våra resultat visar är att motsatsen: för intensiv, snabb eldning, leder till andra typer av utsläpp. De utsläppen kan ha minst lika stor påverkan på hälsa och klimat, men är mindre uppenbara. Mycket av partikelmassan från sådan eldning bildas till exempel efter att utsläppen åldrats flera dagar i atmosfären! En av anledningarna till att just sotpartiklar är så komplicerade att reda ut är att det är svårt att mäta deras egenskaper. Till både form och innehåll skiljer de sig nämligen från de flesta av de luftburna partiklarna. De består till stor del av grafitliknande material som inte enkelt går att lösa upp, och kräver mycket höga temperaturer för att förånga. Luftburna partiklar i allmänhet är en utmaning för mättekniken: de väger tillsammans normalt sett mindre än en tiondels miljondel av luften som bär upp dem. Om man samlar in partiklarna på ett filter påverkar man ofta egenskaperna som mäts. Därför har jag använt ett nyligen utvecklat mätinstrument: sotpartikelaerosolmasspektrometer (SPAMS). SPAMSen förångar sotpartiklarna utan filterinsamling med hjälp av en kraftfull laser, och sedan analyseras ångorna. Eftersom analysen sker i princip i realtid går det att följa snabba förlopp som vedeldning. Ingen av studierna i avhandlingen hade varit möjlig utan SPAMS.