Framework for Change Organic aerosols make up 20 to 90% of the particulate mass of the troposphere and are important factors in both climate and human heath. However, their sources and removal pathways are very uncertain, and their atmospheric evolution is poorly characterized. Jimenez et al. (p. 1525 ; see the Perspective by Andreae ) present an integrated framework of organic aerosol compositional evolution in the atmosphere, based on model results and field and laboratory data that simulate the dynamic aging behavior of organic aerosols. Particles become more oxidized, more hygroscopic, and less volatile with age, as they become oxygenated organic aerosols. These results should lead to better predictions of climate and air quality.

Abstract. Secondary organic aerosol (SOA) accounts for a significant fraction of ambient tropospheric aerosol and a detailed knowledge of the formation, properties and transformation of SOA is therefore required to evaluate its impact on atmospheric processes, climate and human health. The chemical and physical processes associated with SOA formation are complex and varied, and, despite considerable progress in recent years, a quantitative and predictive understanding of SOA formation does not exist and therefore represents a major research challenge in atmospheric science. This review begins with an update on the current state of knowledge on the global SOA budget and is followed by an overview of the atmospheric degradation mechanisms for SOA precursors, gas-particle partitioning theory and the analytical techniques used to determine the chemical composition of SOA. A survey of recent laboratory, field and modeling studies is also presented. The following topical and emerging issues are highlighted and discussed in detail: molecular characterization of biogenic SOA constituents, condensed phase reactions and oligomerization, the interaction of atmospheric organic components with sulfuric acid, the chemical and photochemical processing of organics in the atmospheric aqueous phase, aerosol formation from real plant emissions, interaction of atmospheric organic components with water, thermodynamics and mixtures in atmospheric models. Finally, the major challenges ahead in laboratory, field and modeling studies of SOA are discussed and recommendations for future research directions are proposed.

Organic aerosol (OA) data acquired by the Aerosol Mass Spectrometer (AMS) in 37 field campaigns were deconvolved into hydrocarbon‐like OA (HOA) and several types of oxygenated OA (OOA) components. HOA has been linked to primary combustion emissions (mainly from fossil fuel) and other primary sources such as meat cooking. OOA is ubiquitous in various atmospheric environments, on average accounting for 64%, 83% and 95% of the total OA in urban, urban downwind, and rural/remote sites, respectively. A case study analysis of a rural site shows that the OOA concentration is much greater than the advected HOA, indicating that HOA oxidation is not an important source of OOA, and that OOA increases are mainly due to SOA. Most global models lack an explicit representation of SOA which may lead to significant biases in the magnitude, spatial and temporal distributions of OA, and in aerosol hygroscopic properties.

The development of a new high-resolution time-of-flight aerosol mass spectrometer (HR-ToF-AMS) is reported. The high-resolution capabilities of this instrument allow the direct separation of most ions from inorganic and organic species at the same nominal m/z, the quantification of several types of organic fragments (CxHy, CxHyOz, CxHyNp, CxHyOzNp), and the direct identification of organic nitrogen and organosulfur content. This real-time instrument is field-deployable, and its high time resolution (0.5 Hz has been demonstrated) makes it well-suited for studies in which time resolution is critical, such as aircraft studies. The instrument has two ion optical modes: a single-reflection configuration offers higher sensitivity and lower resolving power (up to ∼2100 at m/z 200), and a two-reflectron configuration yields higher resolving power (up to ∼4300 at m/z 200) with lower sensitivity. The instrument also allows the determination of the size distributions of all ions. One-minute detection limits for submicrometer aerosol are <0.04 μg m-3 for all species in the high-sensitivity mode and <0.4 μg m-3 in the high-resolution mode. Examples of ambient aerosol data are presented from the SOAR-1 study in Riverside, CA, in which the spectra of ambient organic species are dominated by CxHy and CxHyOz fragments, and different organic and inorganic fragments at the same nominal m/z show different size distributions. Data are also presented from the MIRAGE C-130 aircraft study near Mexico City, showing high correlation with independent measurements of surrogate aerosol mass concentration.

The application of mass spectrometric techniques to the real-time measurement and characterization of aerosols represents a significant advance in the field of atmospheric science. This review focuses on the aerosol mass spectrometer (AMS), an instrument designed and developed at Aerodyne Research, Inc. (ARI) that is the most widely used thermal vaporization AMS. The AMS uses aerodynamic lens inlet technology together with thermal vaporization and electron-impact mass spectrometry to measure the real-time non-refractory (NR) chemical speciation and mass loading as a function of particle size of fine aerosol particles with aerodynamic diameters between approximately 50 and 1,000 nm. The original AMS utilizes a quadrupole mass spectrometer (Q) with electron impact (EI) ionization and produces ensemble average data of particle properties. Later versions employ time-of-flight (ToF) mass spectrometers and can produce full mass spectral data for single particles. This manuscript presents a detailed discussion of the strengths and limitations of the AMS measurement approach and reviews how the measurements are used to characterize particle properties. Results from selected laboratory experiments and field measurement campaigns are also presented to highlight the different applications of this instrument. Recent instrumental developments, such as the incorporation of softer ionization techniques (vacuum ultraviolet (VUV) photo-ionization, Li+ ion, and electron attachment) and high-resolution ToF mass spectrometers, that yield more detailed information about the organic aerosol component are also described.

A recently developed method to rapidly quantify the elemental composition of bulk organic aerosols (OA) using a high-resolution time-of-flight aerosol mass spectrometer (HR-ToF-AMS) is improved and applied to ambient measurements. Atomic oxygen-to-carbon (O/C) ratios characterize the oxidation state of OA, and O/C from ambient urban OA ranges from 0.2 to 0.8 with a diurnal cycle that decreases with primary emissions and increases because of photochemical processing and secondary OA (SOA) production. Regional O/C approaches ∼0.9. The hydrogen-to-carbon (H/C, 1.4–1.9) urban diurnal profile increases with primary OA (POA) as does the nitrogen-to-carbon (N/C, ∼0.02). Ambient organic-mass-to-organic-carbon ratios (OM/OC) are directly quantified and correlate well with O/C (R2 = 0.997) for ambient OA because of low N/C. Ambient O/C and OM/OC have values consistent with those recently reported from other techniques. Positive matrix factorization applied to ambient OA identifies factors with distinct O/C and OM/OC trends. The highest O/C and OM/OC (1.0 and 2.5, respectively) are observed for aged ambient oxygenated OA, significantly exceeding values for traditional chamber SOA, while laboratory-produced primary biomass burning OA (BBOA) is similar to ambient BBOA, O/C of 0.3–0.4. Hydrocarbon-like OA (HOA), a surrogate for urban combustion POA, has the lowest O/C (0.06–0.10), similar to vehicle exhaust. An approximation for predicting O/C from unit mass resolution data is also presented.

The atmospheric chemistry of volatile organic compounds (VOCs) in urban areas results in the formation of ‘photochemical smog’, including secondary organic aerosol (SOA). State‐of‐the‐art SOA models parameterize the results of simulation chamber experiments that bracket the conditions found in the polluted urban atmosphere. Here we show that in the real urban atmosphere reactive anthropogenic VOCs (AVOCs) produce much larger amounts of SOA than these models predict, even shortly after sunrise. Contrary to current belief, a significant fraction of the excess SOA is formed from first‐generation AVOC oxidation products. Global models deem AVOCs a very minor contributor to SOA compared to biogenic VOCs (BVOCs). If our results are extrapolated to other urban areas, AVOCs could be responsible for additional 3–25 Tg yr −1 SOA production globally, and cause up to −0.1 W m −2 additional top‐of‐the‐atmosphere radiative cooling.

A detailed understanding of the sources, transformations and fates of organic species in the environment is crucial because of the central roles that they play in human health, biogeochemical cycles and the Earth's climate. However, such an understanding is hindered by the immense chemical complexity of environmental mixtures of organics; for example, atmospheric organic aerosol consists of at least thousands of individual compounds, all of which likely evolve chemically over their atmospheric lifetimes. Here, we demonstrate the utility of describing organic aerosol (and other complex organic mixtures) in terms of average carbon oxidation state, a quantity that always increases with oxidation, and is readily measured using state-of-the-art analytical techniques. Field and laboratory measurements of the average carbon oxidation state, using several such techniques, constrain the chemical properties of the organics and demonstrate that the formation and evolution of organic aerosol involves simultaneous changes to both carbon oxidation state and carbon number. Organic aerosol particles are important to climate and human health but remain poorly characterized on account of their immense chemical complexity. Here, using both field and laboratory measurements of organic aerosol, we demonstrate the use of average carbon oxidation state for describing aerosol chemical properties and atmospheric transformations.

Abstract. In this study we compile and present results from the factor analysis of 43 Aerosol Mass Spectrometer (AMS) datasets (27 of the datasets are reanalyzed in this work). The components from all sites, when taken together, provide a holistic overview of Northern Hemisphere organic aerosol (OA) and its evolution in the atmosphere. At most sites, the OA can be separated into oxygenated OA (OOA), hydrocarbon-like OA (HOA), and sometimes other components such as biomass burning OA (BBOA). We focus on the OOA components in this work. In many analyses, the OOA can be further deconvolved into low-volatility OOA (LV-OOA) and semi-volatile OOA (SV-OOA). Differences in the mass spectra of these components are characterized in terms of the two main ions m/z 44 (CO2+) and m/z 43 (mostly C2H3O+), which are used to develop a new mass spectral diagnostic for following the aging of OA components in the atmosphere. The LV-OOA component spectra have higher f44 (ratio of m/z 44 to total signal in the component mass spectrum) and lower f43 (ratio of m/z 43 to total signal in the component mass spectrum) than SV-OOA. A wide range of f44 and O:C ratios are observed for both LV-OOA (0.17±0.04, 0.73±0.14) and SV-OOA (0.07±0.04, 0.35±0.14) components, reflecting the fact that there is a continuum of OOA properties in ambient aerosol. The OOA components (OOA, LV-OOA, and SV-OOA) from all sites cluster within a well-defined triangular region in the f44 vs. f43 space, which can be used as a standardized means for comparing and characterizing any OOA components (laboratory or ambient) observed with the AMS. Examination of the OOA components in this triangular space indicates that OOA component spectra become increasingly similar to each other and to fulvic acid and HULIS sample spectra as f44 (a surrogate for O:C and an indicator of photochemical aging) increases. This indicates that ambient OA converges towards highly aged LV-OOA with atmospheric oxidation. The common features of the transformation between SV-OOA and LV-OOA at multiple sites potentially enable a simplified description of the oxidation of OA in the atmosphere. Comparison of laboratory SOA data with ambient OOA indicates that laboratory SOA are more similar to SV-OOA and rarely become as oxidized as ambient LV-OOA, likely due to the higher loadings employed in the experiments and/or limited oxidant exposure in most chamber experiments.

The Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) has been designed to measure size‐resolved mass distributions and total mass loadings of volatile and semivolatile chemical species in/on submicron particles. This paper describes the application of this instrument to ambient aerosol sampling. The AMS uses an aerodynamic lens to focus the particles into a narrow beam, a roughened cartridge heater to vaporize them under high vacuum, and a quadrupole mass spectrometer to analyze the vaporized molecules. Particle size is measured via particle time‐of‐flight. The AMS is operated in two modes: (1) a continuous mass spectrum mode without size information; and (2) a size distribution measurement mode for selected m/z settings of the quadrupole. Single particles can also be detected and sized if they have enough mass of a chemical component. The AMS was deployed at a ground sampling site near downtown Atlanta during August 1999, as part of the Environmental Protection Agency/Southern Oxidant Study Particulate Matter “Supersite” experiment, and at a suburban location in the Boston area during September 1999. The major observed components of the aerosol at both sites were sulfate and organics with a minor fraction of nitrate, consistent with prior studies and colocated instruments. Different aerosol chemical components often had different size distributions and time evolutions. More than half of the sulfate mass was contained in 2% of the ambient particles in one of the sampling periods. Trends in mass concentrations of sulfate and nitrate measured with the AMS in Atlanta compare well with those measured with ion chromatography‐based instruments. A marked diurnal cycle was observed for aerosol nitrate in Atlanta. A simple model fit is used to illustrate the integration of data from several chemical components measured by the AMS together with data from other particle instruments into a coherent representation of the ambient aerosol.