Linkage of OC Components in PM2.5 with Aerosol Liquid Water during the Winter and Summer in the Megacities of Northeast Asia (Seoul and Beijing)

Abstract

Aerosol Liquid Water (ALW) promotes the secondary formation of aerosols through aqueous phase reaction and is determined by the mass concentrations, chemical composition of aerosols and ambient RH. Hydrophilic Organic Matters (OM) in aerosols can contribute significantly to ALW by facilitating water uptake. In this study, PM2.5 was collected during the same time during winter and summer in Seoul and Beijing. The OM/OC and O/C ratios, which were calculated to estimate ALW contributed by organics (ALWorg) using individual Organic Compounds (OCs) analyzed in PM2.5 filters, were compared and verified with values of previous studies. ALWorg was calculated using the κ-Köhler theory by applying organic hygroscopicity parameter (κorg) derived from the O/C ratio, and ALW contributed by inorganics (ALWinorg) was estimated by ISORROPIA II thermodynamic model. The contribution of ALWorg to ALW (ALWinorg + ALWorg) was examined and compared between two sites, and the factors that determined ALWorg were investigated. In addition, the relationship among WISOC, WSOC, hydrophobic WSOC (WSOCHPO), and hydrophilic WSOC (WSOCHPI) with ALWorg was examined. As a result, the calculated OM/OC and O/C ratios in this study were similar to the values measured in previous studies. To estimate the accurate ALWorg in each site, a wider range of κorg induced by the O/C ratio should be considered, rather than a fixed κorg. On average, ALWorg contributed approximately 13% and 18% to ALW in Seoul and Beijing, and these contributions can be determined by the mass fractions of OM in PM2.5. It would be necessary to consider ALWorg, as well as ALWinorg, since the ALWorg fraction increased as PM2.5 concentration decreased. In Seoul, the average RH was higher in summer than in winter, but there was no seasonal variation of average ALWorg with similar κorg during two seasons as average concentration of OM decreased from winter to summer. In Beijing, ALWorg was higher in summer than in winter with higher RH during summer and a distinct trend of increase in κorg was also observed according to enhancing ALWorg in the wide range of ambient RH. ALWorg was mainly determined by ambient RH but could be affected by the variation of OM concentrations and κorg. Under the same RH conditions, ALWorg was 65% higher in Seoul than in Beijing during winter, but there was no difference of ALWorg between both sites during summer. It was attributed to 36% higher average OM concentrations, derived from higher OM/OC ratio, and 50% higher κorg during winter, respectively. On the other hand, in summer, there was no difference in the average concentration of OM and κorg between two sites. This indicates that the higher ALWorg under the same RH conditions could be caused by higher OM concentration and hygroscopicity of OM in Seoul than Beijing. The correlations with ALWorg and WSOC components differed according to the range of ambient RH observed for two seasons in both sites. WSOCHPO, during winter in both sites, and WSOCHPI, during summer in Beijing, contributed more to the increase in WSOC concentrations with elevating ALWorg and as a result, it was found that the increase in ALWorg contributed to the enhancement of WSOC concentrations. In winter, WSOC/OC in Seoul and WISOC/OC in Beijing increased with increasing ALWorg, but, in summer, WSOC/OC increased only in Beijing. During winter, the hygroscopicity of OM could enhance through the obvious increase in WSOC/OC and WSOCHPI/EC along with the increment of ALWorg in Seoul rather than Beijing. Furthermore, as ALWorg increased in both sites, the degree of increase in O/C and WSOCHPI/EC ratios was higher in summer than winter. This would have enhanced the potential for secondary formation of OM due to elevating water content in aerosols during summer rather than winter in Seoul and Beijing.;입자의 수분함량(Aerosol liquid water, ALW)은 액상 반응의 2차 에어로졸 형성을 촉진시키며 이는 입자의 질량 농도, 구성 성분, 상대습도에 의해 결정된다. 입자 내 친수성의 유기 물질(Organic Matters, OM)은 물의 흡수를 촉진시켜 미세먼지 고농도 기간 동안 ALW에 기여하는 바가 상당할 수 있다. 본 연구에서는 겨울(20년 12월~21년 1월) 및 여름(21년 6월) 동안 서울과 베이징에서 동일한 시간 동안 PM2.5가 포집되었다. 유기물질이 기여한 입자 내 수분함량(ALWorg)을 추정하기 위해 필요한 OM/OC, O/C 비율을 PM2.5 내 화학 분석된 개별 유기 성분들을 이용하여 계산하였고, 이전 연구들의 값들과 비교 및 검증하였다. O/C 비율을 통해 추정한 유기물의 흡습성(κorg)을 적용해 κ-Köhler theory을 이용하여 ALWorg을 계산하였고, 무기염에 의해 기여되는 입자 내 수분함량(ALWinorg)은 ISORROPIA II 모델을 통해 추정되었다. 두 지역의 ALWorg의 ALW (ALWinorg+ALWorg)에 대한 기여도와 ALWorg의 농도를 결정한 인자를 살펴보고 비교하였다. 더불어, PM2.5 내 화학 분석된 유기 물질 중 WSOC, WISOC, hydrophobic WSOC (WSOCHPO), hydrophilic WSOC(WSOCHPI)와 ALWorg의 관계를 살펴보았다. 그 결과, 본 연구의 계산된 OM/OC, O/C 비율은 이전 연구에서 측정된 값들과 유사하였으며 이 비율에 대한 타당성을 검증할 수 있었다. 각 지역의 보다 정확한 ALWorg을 추정하기 위해 고정된 κorg이 아닌, O/C로 유도된 보다 넓은 범위의 κorg을 고려해야 한다. ALWorg은 ALW에 대해 평균적으로 서울과 베이징에서 13%, 18%를 기여하였고 이 기여도는 PM2.5내 OM의 질량 비율에 의해 결정될 수 있다. PM2.5 농도가 감소할수록 이러한 ALWorg의 비율은 높아지기에 ALWinorg 뿐만 아니라 ALWorg의 고려도 필요하다. 서울에서는 겨울보다 여름에 평균 RH가 높았지만 두 계절 동안 유사했던 κorg와 평균 OM의 농도가 감소함에 따라 평균 ALWorg의 계절적인 변화는 없었다. 베이징에서는 여름 동안 높았던 RH에 의해 ALWorg가 겨울보다 여름에 높았고, 넓은 RH의 범위에서 ALWorg의 변화에 따른 κorg의 뚜렷한 변화 또한 관찰되었다. ALWorg은 주로 RH에 의해 결정되지만 OM의 농도와 κorg변화의 영향을 받을 수 있다. 동일한 RH 조건에서는 겨울에 베이징보다 서울에서의 ALWorg 값이 65% 더 높았지만 여름에는 두 지역 간의 차이가 없었다. 이는 겨울 동안의 높은 OM/OC 비율로 인한 OM의 평균 농도와 κorg이 각각 36%, 50% 높았던 것에 의해 기인되었다. 반면에 여름에는 두 지역의 OM 평균 농도, κorg의 평균 값의 차이가 없었다. 이를 통해 같은 RH조건에서 베이징보다 서울에서 더 높은 OM 농도, 유기물의 흡습성에 따라 더 높은 ALWorg이 초래될 수 있음을 나타낸다. 두 지역에서 두 계절 동안 관찰된 RH 범위에 따라 ALWorg과 WSOC 성분들과의 상관성이 달랐다. 겨울에는 두 지역에서 증가하는 ALWorg에 따라 WSOCHPO가, 베이징의 여름에는 WSOCHPI가 WSOC 농도에 더 기여하였는데 결과적으로 ALWorg 증가가 WSOC 농도 증가에 기여했음을 알 수 있었다. 겨울에는ALWorg의 증가에 따라 서울에서는WSOC/OC가 증가하였고, 베이징에서는 WISOC/OC가 증가하였지만 여름에는 오직 베이징에서 WSOC/OC가 증가하였다. 겨울에는 베이징보단 서울에서ALWorg의 증가와 함께 WSOC/OC, WSOCHPI/EC의 뚜렷한 증가를 통해 유기물의 친수성이 더 높아질 수 있었다. 더불어 두 지역에서 ALWorg이 증가하면서 O/C와 WSOCHPI/EC 비율의 증가 정도가 겨울보다 여름에 더 높았다. 이를 통해, 겨울보단 여름에 에어로졸 내 수분 함량 증가의 영향으로 유기에어로졸의 2차 생성 잠재력이 증가했음을 알 수 있었다.