Characteristics of Carbonaceous Components and Organic Compounds in PM2.5 at Noto, a Background Site of North East Asia

Abstract

The Noto site, located downwind in Northeast Asia, is expected to be suitable for investigating the long-range transport of atmospheric pollutants in the region. The unique characteristics of aerosol at Noto site are that sulfate was the most abundant component of PM2.5 (approximately 50%), followed by organic aerosol (30-40%). In addition, PM2.5 concentrations at Noto site in the summer are higher than the winter. While organic aerosol (OA) was dominant component in aerosol at Noto site, studies on understanding the characteristics of OA at Noto site was previously limited to Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs). Therefore, this study aims to understand the distribution of carbonaceous components and organic compounds at Noto site, a background site in Northeast Asia for the first time. The PM2.5 samples were collected during one month in winter 2020 and summer 2021 and the carbonaceous components (Organic Carbon (OC), Elementary Carbon (EC), Water-Soluble Organic Carbon (WSOC), and hydrophobic WSOC (WSOCHPO)) and 71 individual organic compounds categorized by seven groups (PAHs, n-Alkanes, Fatty acids (FAs), Dicarboxylic acids (DCAs), Sugars, Sugar alcohols, and Sterols) were analyzed. The concentrations of all carbonaceous components were approximately twice as high in summer than in winter, while the proportion of WSOC in OC showed similar variation. The concentration and composition of organic compounds at Noto site were investigated by comparing them with the results of Beijing and Seoul which were conducted at the same time. Among the three regions, only the Noto site had higher total organic compound concentrations in summer than winter. In both winter and summer at Noto site, DCAs constituted the largest proportion of total organic compounds (∑OS). DCAs are representative components of secondary organic aerosols (SOAs) generated through photooxidation reactions. Additionally, Aerosol Liquid Water (ALW) for organics (ALWorg) was calculated by κ-Köhler theory, which investigated the water content of particle. The Noto site exhibited relatively high average relative humidity (RH) in winter (79%) and summer (86%). Organic Matter (OM) showed a threefold increase, while ALWorg increased sixfold in summer compared to winter, and parameters such as O/C ratio, OM/OC, and RH were higher in summer than in winter. These results suggest that the oxidized state of organic compounds and the rise in RH created an optimal environment for active secondary aerosol formation. Furthermore, backward trajectory analysis by HYSPLIT was performed to investigate the concentration and composition of organic compounds in each clusters based on the atmospheric mass transport pathways. The air mass was divided into two clusters with sources in the Asian continent in winter, and three clusters with sources in the ocean and surrounding land in summer. Overall, winter exhibited low concentrations due to swift air mass movement, with a relatively high proportion of biomass sources. In contrast, summer suggested the influence of secondary aerosol formation, attributed to slower atmospheric transport speeds. Based on these results, it could be concluded that the main factor for the higher summer aerosol concentrations at Noto site was an increase in SOAs due to photooxidation reactions in the aqueous phase.;노토 사이트는 동북아시아에서 풍하 위치해 있어 해당 지역의 대기 오염물질의 장거리 이동을 조사하기에 적합하다고 기대된다. 노토 사이트의 에어로졸의 독특한 특성은 황산염이 PM2.5의 가장 풍부한 성분으로 나타났다는 것이며(약 50%), 이를 유기 에어로졸(30-40%)이 따르다. 또한 여름에 노토 사이트의 PM2.5 농도는 겨울보다 높다. 노토 사이트의 에어로졸에서 유기 에어로졸(Organic Aerosol, OA)이 우세함에도 불구하고, 노토 사이트의 OA에 대한 이전에 진행된 연구는 다환방향탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)에 제한되어 있다. 따라서 본 연구는 동북아의 배경 지역인 노토 사이트에서 탄소 성분과 유기 화합물의 분포를 최초로 이해하고자 한다. PM2.5 샘플은 2020년 겨울과 2021년 여름 각각 한 달 동안 수집되었으며, 유기 탄소 (Organic Carbon, OC), 기초 탄소 (Elementary Carbon, EC), 수용성 유기 탄소 (Water-Soluble Organic Carbon, WSOC), 소수성 WSOC (hydrophobic WSOC, WSOCHPO) 등의 탄소 성분과 7개 그룹으로 분류된 71개 개별 유기 화합물 (PAHs, n-Alkanes, Fatty acids, Dicarboxylic acids(DCAs), Sugars, Sugar alcohols, Sterols)을 분석하였다. 모든 탄소 성분의 농도는 여름에 겨울보다 약 두 배 높았으며, OC에서의 WSOC 비율은 유사한 변동을 보였다. 노토 사이트에서의 유기 화합물의 농도와 구성을 동시에 수행된 베이징 및 서울의 결과와 비교하면서 조사하였다. 세 지역 중 노토 사이트만이 여름에 겨울보다 높은 총 유기 화합물 농도(total organic compounds, ∑OCs)를 나타냈다. 노토 사이트의 겨울과 여름 모두 DCAs가 ∑OCs의 가장 큰 비율을 차지하였다. DCAs는 광산화 반응을 통해 생성되는 이차 유기 에어로졸(Secondary Organic Aerosol, SOA)의 대표 성분이다. 또한, 유기물질이 기여한 입자 내 수분함량(Aerosol Liquid Water for organic, ALWorg)을 κ-Köhler 이론에 따른 계산을 통해 추정하였다. 노토 사이트는 겨울에는 79%, 여름에는 86%의 비교적 높은 평균 상대 습도(Relative Humidity, RH)를 나타냈다. 유기 물질(Organic Matter, OM)은 겨울과 여름을 비교하여 세 배 증가했으며, ALWorg는 겨울보다 여름에 6배 증가했으며, O/C 비율, OM/OC 및 RH와 같은 매개 변수는 겨울보다 여름에 더 높았다. 이러한 결과는 유기 화합물의 산화 상태와 상승하는 RH가 활성 이차 에어로졸 생성에 이상적인 환경을 조성했다고 추정되었다. 뿐만 아니라, HYSPLIT을 사용한 역궤적 분석을 수행하여 대기 이동 경로를 기반으로 각 공기괴에서 유기 화합물의 농도와 구성을 살펴보았다. 기단은 겨울에는 아시아 대륙에서 발생하는 2개의 공기괴, 여름에는 해양 및 주변 육지에서 발생하는 3개의 공기괴로 나누어졌다. 전반적으로 겨울에는 빠른 대기 이동으로 인해 농도가 낮았으며, 바이오매스 발생원이 상대적으로 높은 비율을 차지하였다. 반면 여름에는 느린 대기 이동 속도에 기인한 이차 에어로졸 생성의 영향이 시사되었다. 이러한 결과를 바탕으로 노토 사이트에서 여름 에어로졸 농도가 높은 주요 요인은 수층의 광산화 반응으로 인한 SOA의 증가라는 결론지을 수 있었다.