Sources of selected chemical components in atmospheric aerosols in Finland

Air pollution is an important environmental risk to human health and ecosystems around the world. Particulate matter (PM), especially fine particulate matter, is an important part of this air pollution problem. Particle composition varies greatly and depends on the emission source. In addition to inorganic components, organic particulate fraction can contain several hundred organic compounds from anthropogenic and natural sources. The health risk of particulate is related to the particle size and the compounds inside or on the surface of the aerosol particles. The overall aim of this thesis was to study the selected chemical substances of atmospheric aerosol from both anthropogenic and natural sources. Concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and biogenic organic acids in aerosol were measured, and their effect on the local air quality was estimated. The sources of PAHs, trace elements, biogenic volatile organic compounds (BVOCs), and persistent organic compounds (POPs) in air were studied using positive matrix factorization (PMF), which was used as the main source apportionment tool in three of five papers and for the unpublished data in this thesis. Particles from burning emissions, e.g., diesel particles and particles from biomass burning, are the most toxic in our daily environment. Because of intensive wood use for heating and in sauna stoves, residential biomass burning is the major PAH air pollution source in Finland. Sources of atmospheric PAH pollution and its influence on local air quality were estimated at Virolahti background air quality station and in the Helsinki Metropolitan Area (HMA). The main source of PAHs at Virolahti were found to be combustion- and traffic-related source from the direction of St. Petersburg. Instead, local traffic appeared to have a very small influence on PAH levels in HMA, as local residential wood burning was found to be the main b(a)p source in Helsinki Metropolitan Area. Biogenic VOCs like monoterpenes and sesquiterpenes are highly reactive and oxidize rapidly in the atmosphere, producing secondary organic aerosol (SOA). We showed that positive matrix factorization (PMF) is a useful tool in estimating separate sources in a quasistationary dynamic system like ambient VOC concentrations in the boreal forest. Selected biogenic organic acids were measured from fine particles in the boreal forest in order to estimate their influence on aerosol production. Results indicated that sesquiterpene emissions from boreal forest are probably underestimated and their oxidation products probably have more important role in the SOA production that previously estimated. The Kola Peninsula area was found to be the major source of heavy metal pollution at Pallas. However, as Norilsk Nickel has now partly shut down its metallurgical operations, the trace element and SO2 emissions from the Kola Peninsula should be declining in the future. The ambient concentrations of POP compounds are globally declining but, in the Arctic, for some compounds this is not the case. In the source apportionment study for Pallas 1996–2018 POPs data, relatively big portion of measured POPs at Pallas came within the marine source from clean areas from the north. These long-lived compounds, which have migrated into the Arctic from the southern areas along the air and sea currents for many decades, are now released back into the atmosphere from the melting Arctic ice cover due to global warming. For these compounds, the Arctic has turned from the sink to the source.Ilmansaasteet ovat merkittävä riski luonnolle ja ihmisten terveydelle. Hiukkaset, erityisesti pienhiukkaset, ovat merkittävä osa ilmansaasteongelmaa. Ilmakehän hiukkasten koostumus vaihtelee suuresti päästölähteen mukaan. Ilmakehässä oleva hiukkanen voi sisältää epäorgaanisten yhdisteiden lisäksi useita satoja orgaanisia yhdisteitä, jotka voivat olla peräisin luonnollisista tai ihmisperäisistä lähteistä. Hiukkasten aiheuttama terveysriski muodostuu hiukkasten koosta ja niiden sisältämistä myrkyllisistä yhdisteistä. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia valittuja ilmakehän aerosolissa olevia, luonnosta ja ihmisen toiminnasta peräisin olevia kemiallisten yhdisteiden pitoisuuksia ja niiden lähteitä. Työssä selvitettiin polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen (PAH yhdisteiden) ja biogeenisten orgaanisten happojen pitoisuuksia ilmakehän aerosolissa ja niiden vaikutusta paikalliseen ilmanlaatuun. PAH-yhdisteiden, hivenaineiden ja biogeenisten orgaanisten yhdisteiden lähteitä ilmassa tutkittiin positiivisen matriisin faktorisointi -menetelmällä kolmessa tähän työhön liittyvässä artikkelissa. Myös ennen julkaisemattomia tuloksia pysyvien orgaanisten yhdisteiden (POP) lähteistä Arktisella alueella esitetään tässä työssä. Polttoperäiset, erityisesti dieselin ja biomassan palamisesta peräisin olevat hiukkaset ovat tyypillisesti myrkyllisimpiä hiukkasia elinympäristössämme. Kotitalouksien puunpoltto lämmityksessä ja mm. saunan lämmityksen yhteydessä on PAH-yhdisteiden päälähde Suomessa. PAH-yhdisteiden lähteitä ja niiden vaikutusta paikalliseen ilmanlaatuun arvioitiin Virolahdella ja pääkaupunkiseudulla. Selvisi että päälähde Virolahden PAH-pitoisuuksiin hengitettävissä hiukkasissa (PM10) liittyy Pietarin polttoperäisiin ja liikenteen päästöihin. Kuitenkin Helsingin seudulla puun pienpoltto osoittautui merkittävimmäksi b(a)p -lähteeksi. Pääkaupunkiseudun liikenteen osuus b(a)p pitoisuuksiin on pieni. Biogeenisistä haihtuvista orgaanisista yhdisteistä (BVOC-yhdisteistä) esimerkiksi mono- ja seskviterpeenit ovat hyvin reaktiivisia ja tuottavat sekundäärisia orgaanisia aerosolihiukkasia. Tässä työssä osoitettiin, että PMF-reseptorimallinnusta voidaan käyttää myös ilmakehässä nopeasti muuntuvien yhdisteiden lähteiden arviointiin boreaalisessa metsässä. Biogeenisten orgaanisten happojen, jotka ovat terpeenien hapetustuotteita, pitoisuuksia mitattiin hiukkasista boreaalisessa metsässä, jotta voitaisiin arvioida näiden vaikutusta aerosolin muodostukseen. Työssä todettiin, että seskviterpeenien osuutta aerosolin muodostukseen on aikaisemmin todennäköisesti aliarvioitu. Kuolan niemimaalla oleva metalliteollisuus osoittautui raskasmetallien päälähteeksi Pallaksen alueella. Norilsk Nickel on kuitenkin osittain sulkemassa metallurgisia toimintojaan Suomen lähialueilla, joten sen aiheuttamat rikkidioksidi- ja raskasmetallipäästöt tulevat todennäköisesti pienenemään lähitulevaisuudessa. POP-yhdisteiden pitoisuudet ilmakehässä ovat pienentyneet yleisesti kaikkialla maailmassa, mutta joidenkin yhdisteiden kohdalla näin ei ole tapahtunut Arktisella alueella. Tässä työssä julkaistun reseptorimallinnusanalyysin mukaan merkittävä osa Pallaksella mitatuista POP-yhdisteistä tulee pohjoisten ilmavirtausten mukana puhtailta alueilta, joilla ei ole näiden yhdisteiden merkittäviä ensisijaisia lähteitä. Nämä pitkäikäiset yhdisteet, jotka ovat kertyneet vuosikymmenien ajan Arktiselle alueelle ilman- ja merivirtausten mukana, ovat ilmaston lämpenemisen myötä ja Arktisen jääpeitteen sulamisen myötä nyt vapautumassa uudelleen ilmakehään. Arktinen alue on näiden yhdisteiden osalta muuttunut nielusta lähteeksi