Mechanism of New Particle Formation and Growth as well as Environmental Effects under Complex Air Pollution in China

doi:10.6023/A16020105

Abstract

New particle formation (NPF) and its subsequent growth plays a key role in air quality and climate change at regional and global scales. Especially under complex air pollution in China, nucleation and growth can be highly efficient, claimed to be a main source of cloud condensation nuclei (CCN) and an important cause of secondary aerosol pollution. Currently, the mechanism of particle formation and growth as well as its environmental effects are still poorly understood. Thereby, fully understanding of the atmospheric nucleation and subsequent growth still presents a big challenge to atmospheric chemistry researches. This study reviews the current results from studies on mechanisms and environmental effects of atmospheric nucleation and growth. We summarize that traditional nucleation theories such as binary nucleation of H₂SO₄-H₂O, ternary nucleation of H₂SO₄-NH₃-H₂O, ion-induced nucleation are not capable in explaining new particle formation under complex air pollution, while newly proposed mechanisms such as organic acids and amine induced nucleation were not verified because of technique limitation. We propose that the future researches should focus on identifying the key chemical precursor response for driving nucleation and initial and subsequent growth, and understand the physical and chemical processing of new particle formation and growth. In particularly, application and development of novel techniques, such as APi-TOF-CIMS, PSM, Nano-HTDMA in new particle formation study is very important. Also, future researches should establish whole process tracking on new particle formation, from precursor, nucleation, growth till the environmental effects, by integrating field observation, chamber simulation, and modelling. Currently, the mechanism of highly efficient nucleation and rapid growth taking place under complex air pollution in China is urgently needed to be in-depth studied in order to improve our understanding of regional haze formation. This could be helpful to understand the similarity and difference in the nucleation mechanism between clean and polluted atmospheric environments.

Key words: new particle formation, particle growth, transformation mechanism, environmental impact, complex air pollution

Cite this article

Hu Min, Shang Dongjie, Guo Song, Wu Zhijun. Mechanism of New Particle Formation and Growth as well as Environmental Effects under Complex Air Pollution in China[J]. Acta Chim. Sinica, 2016, 74(5): 385-391.

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[1] Kulmala, M. Science 2003, 302, 1000.
[2] Zhang, R. Science 2010, 328, 1366.
[3] Wiedensohler, A.; Birmili, W.; Nowak, A.; Sonntag, A.; Weinhold, K.; Merkel, M.; Wehner, B.; Tuch, T.; Pfeifer, S.; Fiebig, M.; Fjäraa, A. M.; Asmi, E.; Sellegri, K.; Depuy, R.; Venzac, H.; Villani, P.; Laj, P.; Aalto, P.; Ogren, J. A.; Swietlicki, E.; Williams, P.; Roldin, P.; Quincey, P.; Hüglin, C.; Fierz-Schmidhauser, R.; Gysel, M.; Weingartner, E.; Riccobono, F.; Santos, S.; Grüning, C.; Faloon, K.; Beddows, D.; Harrison, R.; Monahan, C.; Jennings, S. G.; O'Dowd, C. D.; Marinoni, A.; Horn, H. G.; Keck, L.; Jiang, J.; Scheckman, J.; McMurry, P. H.; Deng, Z.; Zhao, C. S.; Moerman, M.; Henzing, B.; de Leeuw, G.; Löschau, G.; Bastian, S. Atmos. Meas. Tech. 2012, 5, 657.
[4] Carslaw, K. S.; Lee, L. A.; Reddington, C. L.; Pringle, K. J.; Rap, A.; Forster, P. M.; Mann, G. W.; Spracklen, D. V.; Woodhouse, M. T.; Regayre, L. A.; Pierce, J. R. Nature 2013, 503, 67.
[5] Guo, S.; Hu, M.; Zamora, M. L.; Peng, J.; Shang, D.; Zheng, J.; Du, Z.; Wu, Z.; Shao, M.; Zeng, L.; Molina, M. J.; Zhang, R. Proc. Natl. Acad. Sci. 2014, 111, 17373.
[6] Sioutas, C.; Delfino, R. J.; Singh, M. Environ. Health Perspect. 2005, 113, 947.
[7] Zhang, R.; Khalizov, A.; Wang, L.; Hu, M.; Xu, W. Chem. Rev. 2012, 112, 1957.
[8] Kulmala, M.; Lehtinen, K. E. J.; Laaksonen, A. Atmos. Chem. Phys. 2006, 6, 787.
[9] Wang, Z. B.; Hu, M.; Yue, D. L.; Zheng, J.; Zhang, R. Y.; Wiedensohler, A.; Wu, Z. J.; Nieminen, T.; Boy, M. Atmos. Chem. Phys. 2011, 11, 12663.
[10] Kulmala, M.; Pirjola, L.; Makela, J. M. Nature 2000, 404, 66.
[11] Kerminen, V. M.; Petäjä, T.; Manninen, H. E.; Paasonen, P.; Nieminen, T.; Sipilä, M.; Junninen, H.; Ehn, M.; Gagné, S.; Laakso, L.; Riipinen, I.; Vehkamäki, H.; Kurten, T.; Ortega, I. K.; Dal Maso, M.; Brus, D.; Hyvärinen, A.; Lihavainen, H.; Leppä, J.; Lehtinen, K. E. J.; Mirme, A.; Mirme, S.; Hõrrak, U.; Berndt, T.; Stratmann, F.; Birmili, W.; Wiedensohler, A.; Metzger, A.; Dommen, J.; Baltensperger, U.; Kiendler-Scharr, A.; Mentel, T. F.; Wildt, J.; Winkler, P. M.; Wagner, P. E.; Petzold, A.; Minikin, A.; Plass- Dülmer, C.; Pöschl, U.; Laaksonen, A.; Kulmala, M. Atmos. Chem. Phys. 2010, 10, 10829.
[12] Kirkby, J.; Curtius, J.; Almeida, J.; Dunne, E.; Duplissy, J.; Ehrhart, S.; Franchin, A.; Gagne, S.; Ickes, L.; Kurten, A.; Kupc, A.; Metzger, A.; Riccobono, F.; Rondo, L.; Schobesberger, S.; Tsagkogeorgas, G.; Wimmer, D.; Amorim, A.; Bianchi, F.; Breitenlechner, M.; David, A.; Dommen, J.; Downard, A.; Ehn, M.; Flagan, R. C.; Haider, S.; Hansel, A.; Hauser, D.; Jud, W.; Junninen, H.; Kreissl, F.; Kvashin, A.; Laaksonen, A.; Lehtipalo, K.; Lima, J.; Lovejoy, E. R.; Makhmutov, V.; Mathot, S.; Mikkila, J.; Minginette, P.; Mogo, S.; Nieminen, T.; Onnela, A.; Pereira, P.; Petaja, T.; Schnitzhofer, R.; Seinfeld, J. H.; Sipila, M.; Stozhkov, Y.; Stratmann, F.; Tome, A.; Vanhanen, J.; Viisanen, Y.; Vrtala, A.; Wagner, P. E.; Walther, H.; Weingartner, E.; Wex, H.; Winkler, P. M.; Carslaw, K. S.; Worsnop, D. R.; Baltensperger, U.; Kulmala, M. Nature 2011, 476, 429.
[13] O'Dowd, C. D. J. Geophys. Res. 2001, 106, 1545.
[14] 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. Atmos. Chem. Phys. 2015, 15, 5599.
[15] Wang, Z.; Hu, M.; Wu, Z.; Yue, D. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 519. (王志斌, 胡敏, 吴志军, 岳玎利, 化学学报, 2013, 71, 519.)
[16] Zhang, R.; Suh, I.; Zhao, J.; Zhang, D.; Fortner, E. C.; Tie, X.; Molina, L. T.; Molina, M. J. Science 2004, 304, 1487.
[17] Almeida, J.; Schobesberger, S.; Kurten, A.; Ortega, I. K.; Kupiainen-Maatta, O.; Praplan, A. P.; Adamov, A.; Amorim, A.; Bianchi, F.; Breitenlechner, M.; David, A.; Dommen, J.; Donahue, N. M.; Downard, A.; Dunne, E.; Duplissy, J.; Ehrhart, S.; Flagan, R. C.; Franchin, A.; Guida, R.; Hakala, J.; Hansel, A.; Heinritzi, M.; Henschel, H.; Jokinen, T.; Junninen, H.; Kajos, M.; Kangasluoma, J.; Keskinen, H.; Kupc, A.; Kurten, T.; Kvashin, A. N.; Laaksonen, A.; Lehtipalo, K.; Leiminger, M.; Leppa, J.; Loukonen, V.; Makhmutov, V.; Mathot, S.; McGrath, M. J.; Nieminen, T.; Olenius, T.; Onnela, A.; Petaja, T.; Riccobono, F.; Riipinen, I.; Rissanen, M.; Rondo, L.; Ruuskanen, T.; Santos, F. D.; Sarnela, N.; Schallhart, S.; Schnitzhofer, R.; Seinfeld, J. H.; Simon, M.; Sipila, M.; Stozhkov, Y.; Stratmann, F.; Tome, A.; Trostl, J.; Tsagkogeorgas, G.; Vaattovaara, P.; Viisanen, Y.; Virtanen, A.; Vrtala, A.; Wagner, P. E.; Weingartner, E.; Wex, H.; Williamson, C.; Wimmer, D.; Ye, P.; Yli-Juuti, T.; Carslaw, K. S.; Kulmala, M.; Curtius, J.; Baltensperger, U.; Worsnop, D. R.; Vehkamaki, H.; Kirkby, J. Nature 2013, 502, 359.
[18] Riccobono, F.; Schobesberger, S.; Scott, C. E.; Dommen, J.; Ortega, I. K.; Rondo, L.; Almeida, J.; Amorim, A.; Bianchi, F.; Breitenlechner, M.; David, A.; Downard, A.; Dunne, E. M.; Duplissy, J.; Ehrhart, S.; Flagan, R. C.; Franchin, A.; Hansel, A.; Junninen, H.; Kajos, M.; Keskinen, H.; Kupc, A.; Kürten, A.; Kvashin, A. N.; Laaksonen, A.; Lehtipalo, K.; Makhmutov, V.; Mathot, S.; Nieminen, T.; Onnela, A.; Petäjä, T.; Praplan, A. P.; Santos, F. D.; Schallhart, S.; Seinfeld, J. H.; Sipilä, M.; Spracklen, D. V.; Stozhkov, Y.; Stratmann, F.; Tomé, A.; Tsagkogeorgas, G.; Vaattovaara, P.; Viisanen, Y.; Vrtala, A.; Wagner, P. E.; Weingartner, E.; Wex, H.; Wimmer, D.; Carslaw, K. S.; Curtius, J.; Donahue, N. M.; Kirkby, J.; Kulmala, M.; Worsnop, D. R.; Baltensperger, U. Science 2014, 344, 717.
[19] Kulmala, M.; Kontkanen, J.; Junninen, H.; Lehtipalo, K.; Manninen, H. E.; Nieminen, T.; Petäjä, T.; Sipilä, M.; Schobesberger, S.; Rantala, P.; Franchin, A.; Jokinen, T.; Järvinen, E.; äijälä, M.; Kangasluoma, J.; Hakala, J.; Aalto, P. P.; Paasonen, P.; Mikkilä, J.; Vanhanen, J.; Aalto, J.; Hakola, H.; Makkonen, U.; Ruuskanen, T.; Mauldin, R. L.; Duplissy, J.; Vehkamäki, H.; Bäck, J.; Kortelainen, A.; Riipinen, I.; Kurtén, T.; Johnston, M. V.; Smith, J. N.; Ehn, M.; Mentel, T. F.; Lehtinen, K. E. J.; Laaksonen, A.; Kerminen, V.-M.; Worsnop, D. R. Science 2013, 339, 943.
[20] Paasonen, P.; Olenius, T.; Kupiainen, O.; Kurtén, T.; Petäjä, T.; Birmili, W.; Hamed, A.; Hu, M.; Huey, L. G.; Plass-Duelmer, C.; Smith, J. N.; Wiedensohler, A.; Loukonen, V.; McGrath, M. J.; Ortega, I. K.; Laaksonen, A.; Vehkamäki, H.; Kerminen, V. M.; Kulmala, M. Atmos. Chem. Phys. 2012, 12, 9113.
[21] Wang, Z. B.; Hu, M.; Mogensen, D.; Yue, D. L.; Zheng, J.; Zhang, R. Y.; Liu, Y.; Yuan, B.; Li, X.; Shao, M.; Zhou, L.; Wu, Z. J.; Wiedensohler, A.; Boy, M. Atmos. Chem. Phys. 2013, 13, 11157.
[22] Sipilä, M.; Berndt, T.; Petäjä, T.; Brus, D.; Vanhanen, J.; Stratmann, F.; Patokoski, J.; Mauldin, R. L.; Hyvärinen, A.-P.; Lihavainen, H.; Kulmala, M. Science 2010, 327, 1243.
[23] Zhang, R.; Wang, G.; Guo, S.; Zamora, M. L.; Ying, Q.; Lin, Y.; Wang, W.; Hu, M.; Wang, Y. Chem. Rev. 2015, 115, 3803.
[24] Kulmala, M.; Kerminen, V.-M. Atmos. Res. 2008, 90, 132.
[25] Riipinen, I.; Yli-Juuti, T.; Pierce, J. R.; Petäjä, T.; Worsnop, D. R.; Kulmala, M.; Donahue, N. M. Nat. Geosci. 2012, 5, 453.
[26] Kiendler-Scharr, A.; Wildt, J.; Dal Maso, M.; Hohaus, T.; Kleist, E.; Mentel, T. F.; Tillmann, R.; Uerlings, R.; Schurr, U.; Wahner, A. Nature 2009, 461, 381.
[27] Xu, W.; Gomez-Hernandez, M.; Guo, S.; Secrest, J.; Marrero-Ortiz, W.; Zhang, A. L.; Zhang, R. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15477.
[28] Ehn, M.; Thornton, J. A.; Kleist, E.; Sipilä, M.; Junninen, H.; Pullinen, I.; Springer, M.; Rubach, F.; Tillmann, R.; Lee, B.; Lopez-Hilfiker, F.; Andres, S.; Acir, I.-H.; Rissanen, M.; Jokinen, T.; Schobesberger, S.; Kangasluoma, J.; Kontkanen, J.; Nieminen, T.; Kurtén, T.; Nielsen, L. B.; Jørgensen, S.; Kjaergaard, H. G.; Canagaratna, M.; Maso, M. D.; Berndt, T.; Petäjä, T.; Wahner, A.; Kerminen, V.-M.; Kulmala, M.; Worsnop, D. R.; Wildt, J.; Mentel, T. F. Nature 2014, 506, 476.
[29] Wang, L.; Khalizov, A. F.; Zheng, J.; Xu, W.; Ma, Y.; Lal, V.; Zhang, R. Nat. Geosci. 2010, 3, 238.
[30] Dusek, U.; Frank, G. P.; Curtius, J.; Drewnick, F.; Schneider, J.; Kürten, A.; Rose, D.; Andreae, M. O.; Borrmann, S.; Pöschl, U. Geophys. Res. Lett. 2010, 37.
[31] Smith, J. N.; Dunn, M. J.; VanReken, T. M.; Iida, K.; Stolzenburg, M. R.; McMurry, P. H.; Huey, L. G. Geophys. Res. Lett. 2008, 35, 228.
[32] Bzdek, B. R.; Zordan, C. A.; Luther, G. W.; Johnston, M. V. Aerosol Sci. Technol. 2011, 45, 1041.
[33] Guo, S.; Hu, M.; Guo, Q.; Shang, D. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 658. (郭松, 胡敏, 郭庆丰, 尚冬杰, 化学学报, 2014, 72, 658.)
[34] Guo, S.; Hu, M.; Shang, D.; Guo, Q.; Hu, W. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 145. (郭松, 胡敏, 尚冬杰, 郭庆丰, 胡伟伟, 化学学报, 2014, 72, 145.)
[35] Kerminen, V. M.; Paramonov, M.; Anttila, T.; Riipinen, I.; Fountoukis, C.; Korhonen, H.; Asmi, E.; Laakso, L.; Lihavainen, H.; Swietlicki, E.; Svenningsson, B.; Asmi, A.; Pandis, S. N.; Kulmala, M.; Petäjä, T. Atmos. Chem. Phys. 2012, 12, 12037.
[36] Spracklen, D. V.; Carslaw, K. S.; Kulmala, M.; Kerminen, V.-M.; Sihto, S.-L.; Riipinen, I.; Merikanto, J.; Mann, G. W.; Chipperfield, M. P.; Wiedensohler, A.; Birmili, W.; Lihavainen, H. Geophys. Res. Lett. 2008, 35, 160.
[37] Yue, D. L.; Hu, M.; Zhang, R. Y.; Wu, Z. J.; Su, H.; Wang, Z. B.; Peng, J. F.; He, L. Y.; Huang, X. F.; Gong, Y. G.; Wiedensohler, A. Atmos. Environ. 2011, 45, 6070.
[38] Kazil, J.; Stier, P.; Zhang, K.; Quaas, J.; Kinne, S.; O'Donnell, D.; Rast, S.; Esch, M.; Ferrachat, S.; Lohmann, U.; Feichter, J. Atmos. Chem. Phys. 2010, 10, 10733.
[39] Peng, J. F.; Hu, M.; Wang, Z. B.; Huang, X. F.; Kumar, P.; Wu, Z. J.; Guo, S.; Yue, D. L.; Shang, D. J.; Zheng, Z.; He, L. Y. Atmos. Chem. Phys. 2014, 14, 10249.
[40] Zhu, Y.; Sabaliauskas, K.; Liu, X.; Meng, H.; Gao, H.; Jeong, C.-H.; Evans, G. J.; Yao, X. Atmos. Environ. 2014, 98, 655.
[41] Wehner, B.; Wiedensohler, A.; Tuch, T. M.; Wu, Z. J.; Hu, M.; Slanina, J.; Kiang, C. S. Geophys. Res. Lett. 2004, 31, 217.
[42] Wu, Z.; Hu, M.; Liu, S.; Wehner, B.; Bauer, S.; Ma ßling, A.; Wiedensohler, A.; Petäjä, T.; Dal Maso, M.; Kulmala, M. J. Geophys. Res. 2007, 112, D09209.
[43] Leng, C.; Zhang, Q.; Tao, J.; Zhang, H.; Zhang, D.; Xu, C.; Li, X.; Kong, L.; Cheng, T.; Zhang, R.; Yang, X.; Chen, J.; Qiao, L.; Lou, S.; Wang, H.; Chen, C. Atmos. Chem. Phys. 2014, 14, 11353.
[44] Wang, Z. B.; Hu, M.; Sun, J. Y.; Wu, Z. J.; Yue, D. L.; Shen, X. J.; Zhang, Y. M.; Pei, X. Y.; Cheng, Y. F.; Wiedensohler, A. Atmos. Chem. Phys. 2013, 13, 12495.
[45] Wang, H.; Zhu, B.; Shen, L.; An, J.; Yin, Y.; Kang, H. Atmos. Res. 2014, 150, 42.
[46] Lin, P.; Hu, M.; Wu, Z.; Niu, Y.; Zhu, T. Atmos. Environ. 2007, 41, 6784.
[47] Gong, Y.; Su, H.; Cheng, Y.; Liu, F.; Wu, Z.; Hu, M.; Zeng, L.; Zhang, Y. Adv. Atmos. Sci. 2008, 25, 427.
[48] Yue, D. L.; Hu, M.; Wang, Z. B.; Wen, M. T.; Guo, S.; Zhong, L. J.; Wiedensohler, A.; Zhang, Y. H. Atmos. Environ. 2013, 76, 181.
[49] Kivekäs, N.; Sun, J.; Zhan, M.; Kerminen, V. M.; Hyvärinen, A.; Komppula, M.; Viisanen, Y.; Hong, N.; Zhang, Y.; Kulmala, M.; Zhang, X. C.; Deli, G.; Lihavainen, H. Atmos. Chem. Phys. 2009, 9, 5461.
[50] Shen, X. J.; Sun, J. Y.; Zhang, Y. M.; Wehner, B.; Nowak, A.; Tuch, T.; Zhang, X. C.; Wang, T. T.; Zhou, H. G.; Zhang, X. L.; Dong, F.; Birmili, W.; Wiedensohler, A. Atmos. Chem. Phys. 2011, 11, 1565.
[51] Chen, C.; Hu, M.; Wu, Z. J.; Wu, Y. S.; Guo, S.; Chen, W. T.; Luo, B.; Shao, M.; Zhang, Y. H.; Xie, S. D. China Environ. Sci. 2014, 34, 2764. (陈晨, 胡敏, 吴志军, 吴宇声, 郭松, 陈文泰, 罗彬, 邵敏, 张远航, 谢绍东, 中国环境科学, 2014, 34, 2764.)
[52] Yue, D. L.; Hu, M.; Zhang, R. Y.; Wang, Z. B.; Zheng, J.; Wu, Z. J.; Wiedensohler, A.; He, L. Y.; Huang, X. F.; Zhu, T. Atmos. Chem. Phys. 2010, 10, 4953.
[53] Yu, F.; Hallar, A. G. J. Geophys. Res.-Atmos. 2014, 119, 12.
[54] Yu, F. J. Geophys. Res. 2010, 115, D03206.
[55] Yu, F.; Luo, G.; Liu, X.; Easter, R. C.; Ma, X.; Ghan, S. J. Atmos. Chem. Phys. 2012, 12, 11451.
[56] Li, Q.; Jiang, J.; Hao, J. KONA Powder Part. J. 2015, 32, 57.
[57] Nie, W.; Ding, A.; Wang, T.; Kerminen, V. M.; George, C.; Xue, L.; Wang, W.; Zhang, Q.; Petaja, T.; Qi, X.; Gao, X.; Wang, X.; Yang, X.; Fu, C.; Kulmala, M. Sci. Rep. 2014, 4, 6634."

大气复合污染条件下新粒子生成和增长机制及其环境影响