Chemical compositions of carbonaceous aerosol and their impact on optical properties in the marine and Antarctic aerosols

Abstract

Carbonaceous aerosols (CA) in particulate matter (PM) are known to absorb or scatter the light in the atmosphere, and the optical properties of the CA are affected by the carbon components in PM. Elemental carbon (EC) strongly absorbs light as black carbon, and HULIS, which is unresolved humic-like substances in WSOC, is a brown carbon that is known as absorbing short-wavelength light in the atmosphere. However, until now, only OC and EC are mainly considered for the optical properties of CA due to the lack of understanding of the optical properties for other carbon components including HULIS and WISOC. Thus, the influence of other CA such as HULIS is overlooked that leads to uncertainty in estimating the optical properties of the CA. In this study, the spatial distribution of CA was observed from the marine to polar regions. The ocean covers more than 70% of the earth's surface and is known as a major source of aerosols in the atmosphere, and the polar region is an area away from pollutants where we can investigate the earth's pristine aerosols. The average of CA over the marine regions were 0.18±0.45 μg m-3 of OC, 0.04±0.05 μg m-3 of EC, 0.16±0.10 μg m-3 of WSOC, and 0.07±0.07 μg m-3 of HULIS-C. In addition, the average of CA in Antarctica were 0.13±0.05 μg m-3 of OC, 0.01±0.01 μg m-3 of EC, 0.10±0.03 μg m-3 of WSOC, and 0.04±0.01 μg m-3 of HULIS-C, respectively. It was found that the contribution of WSOC in OC of marine aerosols was larger than that of the Antarctic region. It can be explained that marine aerosols contained relatively more water-soluble components in the aerosol due to high moisture conditions and/or were more oxidized compared to other regions. In addition, the CA of Antarctica showed low levels of OC and HULIS-C which is an indicator of the influence of biomass burning, and it indicates that those factors had little effect on the Antarctic region. In the spatial distributions of the marine aerosols, the aerosols around Antarctica showed the lowest fraction of HULIS-C compared to Antarctic aerosol, which means that the influence of biomass combustion is small or the air is not oxidized. The highest concentrations of CA appeared near New Zealand with the increase of chlorophyll which is an indicator of marine biological activities, thus, the increase of OC near New Zealand is presumed to be due to biogenic sources. Compared with the Yellow Sea located close to Northeast Asia and is known to be affected by anthropogenic continental aerosols, the WISOC in CA of New Zealand has increased significantly. This shows that the chemical composition of the CA changes depending on the source of the marine aerosol also being affected. The optical properties of the carbon component were estimated by using an optical model calculating absorption coefficient (babs) and scattering coefficient (bsca) for each chemical composition of CA. The sum of bsca is ranged from 0.12 to 5.13 Mm-1 over the marine region, 6.68 Mm-1 for YS, and 0.37 Mm-1 for SJ, respectively. The sum of babs shows 0.06 to 2.94 Mm-1 over the marine region; 3.61 Mm-1 in YS; 0.16 Mm-1 in SJ, respectively. HULIS-C and EC were prominent in babs, and in the case of bsca, the contribution of non-HULIS was relatively large. The radiative forcing (RF) of CAs showed positive values from +0.001 to +0.016 W m-2 which means absorbing the light in the marine aerosol except around Antarctica. While, in the marine aerosol near Antarctica and the Antarctic aerosol, the negative RF was dominant from -0.001 to -0.005 W m-2 meaning the light scattering is more important than the absorbing property for the CA in Antarctic aerosols. This difference is due to a high fraction of non-HULIS and a low fraction of HULIS-C and EC for the marine CAs near the polar and Antarctic region.;대기 중 유기탄소(OC)는 PM2.5 내 상당부분을 차지하는 중요한 화학성분이다. OC는 수용성 여부에 따라 수용성 유기탄소 (WSOC)와 불용성 유기탄소 (WISOC)로 구분되며, 이들의 화학적 조성은 에어로졸의 발생원과 지역, 기상학적 요인에 따라 다른 특징을 보인다. 탄소성 에어로졸은 대기 중에서 빛을 흡수하거나 산란하는 특징을 보이는 것으로 알려져 있으며, 탄소성 에어로졸의 광학적 특성은 탄소성분의 화학적 조성에 따른 영향을 받는다. 원소탄소 (EC)는 블랙카본으로 빛을 강하게 흡수하는 물질이며, WSOC 내 휴믹과 같은 성질을 띠는 HULIS는 갈색 탄소로써 대기 중 단파장의 빛을 흡수하는 물질로 알려져 있다. 그러나 대기 중 탄소성 에어로졸의 광학적 특성을 측정할 때, 주로 OC와 EC만을 고려하여 HULIS와 같은 물질들의 영향은 간과되며 이는 탄소성 에어로졸의 광학적 특성을 추정하는데 불확실도를 가져온다. 본 연구에서는 해양과 극지의 탄소성 에어로졸을 포집하여 전지구적인 화학성분의 공간적 분포 연구하였다. 바다는 지구 표면의 70% 이상을 차지하여 에어로졸의 주요 발생원으로 알려져 있으며, 극지는 오염원으로부터 멀리 떨어져 지구의 원초적인 에어로졸의 상태를 확인할 수 있는 지역이다. 그 결과, 평균적으로 해양 에어로졸의 OC는 0.18±0.45 μg m-3와 EC는 0.04±0.05 μg m-3이고, 극지의 OC는 0.13±0.05 μg m-3, EC는 0.01±0.01 μg m-3의 수준을 나타냈다. 해양 에어로졸의 OC 내 WSOC의 비중이 가장 큰 것으로 확인되었으며, 이는 해양 에어로졸의 경우 높은 습도로 인해 에어로졸 내 수용성 성분을 많이 함유하고 있거나 다른 지역에 비해 많이 산화된 것으로 추정하였다. 또한, 남극의 탄소성 에어로졸은 가장 낮은 수준의 OC와 HULIS-C를 보였으며, 이는 바이오매스의 영향 혹은 산화의 지표를 나타내는 HULIS가 남극 지역에 적은 영향을 주고 있다는 것으로 해석된다. 해양 에어로졸 중 남극 해역에서 포집한 에어로졸이 가장 낮은 분율의 HULIS-C를 보였으며, 이는 남극의 에어로졸과 마찬가지로 바이오매스 연소의 영향이 작거나 산화가 되지 않은 지역으로 의견이 일치한다. 또한, 해양 에어로졸 중 뉴질랜드 인근에서 가장 높은 수준의 탄소성 에어로졸이 나타났으며, 이때 해양 생물 활동의 지표인 클로로필이 함께 증가한 것은 생물 활동에 의한 영향으로 추측된다. 이는 동북아시아와 가깝게 위치하여 인위적인 육지 에어로졸의 영향을 받는 것으로 알려진 서해 지역과 비교하였을 때, 뉴질랜드의 해양 탄소성분 중 WISOC가 크게 증가하였다. 이는 해양 에어로졸이 영향을 받는 발생원에 따라 탄소성분 내 화학적 조성이 바뀌는 것을 보여준다. 탄소성분의 광학적 특성을 광학 모델을 이용하여 화학적 조성별로 흡수계수 (babs)와 산란계수 (bsca) 추정하였다. 그 결과, 탄소 성분의 babs 중 HULIS-C와 EC가 두드러지게 나타났으며, bsca의 경우 non-HULIS의 영향이 상대적으로 크게 나타났다. 탄소성분이 빛을 흡수 혹은 산란하는 영향을 종합적으로 나타낼 수 있는 복사강제력 (RF)의 결과에서 남극 주변을 제외한 해양 에어로졸에서 탄소성분은 빛을 흡수하는 양의 RF를 보이는 것으로 확인되었으며, 남극 근처의 해양과 남극의 탄소성 에어로졸은 빛을 산란하는 음의 RF가 더 큰 영향을 나타냈다. 특히, 극지 근처의 해양 탄소성 에어로졸과 남극의 탄소성 에어로졸은 OC 내 WSOC의 분율은 높지만, WSOC 내 빛을 흡수하는 성질을 가지는 HULIS-C의 분율은 작은 특징을 보여 상대적으로 non-HULIS가 중요해졌다.