Real Time Measurements of the Secondary Aerosol Formation and Aging from Ambient Air Using an Oxidation Flow Reactor in Seoul During Winter

Abstract

In this study, the formation and aging processes of aerosol in urban Seoul, Korea during winter were investigated using a High-Resolution Aerosol Mass Spectrometer (HR-AMS) and an oxidation flow reactor (OFR). The results showed the highest SOA production (ΔOA = 3.44 μg m−3 with relative OA enhancement ratio (EROA ) = 1.40) occurs at ~2 eq. days of OH exposure which is longer than the value during spring in Seoul. This highlights that winter might have different oxidation capacity and precursors for SOA formation in the atmosphere from spring. In particular, higher SOA production was observed during certain atmosphere condition: high RH ( > 70 %), high PM1 mass concentration (> 50 μg m−3). This demonstrates that higher SOA formation potential tends to occur when atmosphere take high capacity of oxidation (high RH) by heterogeneous reaction (high mass concentration). Organic elemental ratio analysis also suggest that heterogeneous reaction seemed to take place during the SOA formation with OH exposure, involving the formation of acid groups which helps to form SOA. Furthermore, SOA formation was enhanced under higher Hydrocarbon-like OA(HOA) and More-Oxidized Oxygenated OA(MO-OOA) fraction in ambient aerosols condition. With declination of HOA through Oxidation Flow Reaction(OFR), relatively fresh HOA seemed to go through further oxidation and enhanced O/C ratio of total organic after OFR suggests the further oxidation of MO-OOA which ultimately leads to SOA formation. These suggest that even highly oxidized OA in Seoul still has potential for the enhancement of mass through further oxidation. This result indicates that SOA in urban Seoul, either from transported or freshly formed, during winter can influence to the enhancement of SOA further to the downwind area.;본 연구는 고해상도 에어로졸 질량분석기(AMS)와 산화흐름반응기(OFR)를 이용하여 우리나라 겨울철 서울 도심 에어로졸의 형성 및 노화 과정을 조사하였다. OA 생성은 OFR을 통해서 묘사한 대기 OH 노출이 ~2일 때 가장 많았으며 (상대적 OA 증가 비율(EROA) = 1.40, 절대적 OA 생성량(ΔOA) = 3.44 μg m−3), 이는 서울의 봄철 값보다 길었다. 이를 통해 겨울은 봄과 다른 대기 산화 능력을 가지며 대기 중 SOA 형성 전구 가스/입자가 다르다는 것을 알 수 있다. 또 같은 겨울철이라도 높은 RH(> 70 %) 그리고 높은 PM1 질량 농도(> 50 μg m−3)와 같은 특정 대기 조건을 충족할 때 OFR을 통해 더 많은 SOA가 생성되는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 대기에서 비균질 반응(높은 질량 농도)이 많이 일어나고 대기의 산화 가능 정도가 높을 때(높은 RH) 더 높은 SOA 형성 잠재력을 가지는 경향이 있음을보여 주었다. 일반 대기와 OFR을 통과한 유기 원소의 비율 분석을 통해서 비균질 반응이SOA를 생성하는데 기여하는 것을 한 번 더 확인할 수 있었으며, 대기 중 화학 반응에 의해 산성 작용기가 생성 및 참여하면 SOA를 생성하기 더 좋은 조건을 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 대기 중 유기 에어로졸의 구성성분 중 HOA 또는 MO-OOA가 차지하는 비율이 높을수록 OFR 통과 후에 SOA가 많이 생성되었다. OFR 통과 후 HOA의 비율은 감소하고, MO-OOA의 비율은 증가한 것을 통해 OFR 안에서 비교적 fresh한 HOA는 지속적인 산화 과정을 거쳐 더 산화된 상태인 MO-OOA가 된 것을 알 수 있었다. 이는 서울에서 이미 산화된 OA도 다른 지역으로 이동될 때 추가적인 산화를 통해 에어로졸의 질량을 증가시킬 가능성이 있음을 뜻한다. 따라서 겨울철에 서울 도심지역에 이동되어 오거나 배출된 전구물질이 풍하지역의 SOA 생성에 영향을미칠 수 있음을 보여준다.