Abstract. Biomass burning (BB) is a large source of primary and secondary organic aerosols (POA and SOA). This study addresses the physical and chemical evolution of BB organic aerosols. Firstly, the evolution and lifetime of BB POA and SOA signatures observed with the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer are investigated, focusing on measurements at high-latitudes acquired during the 2008 NASA ARCTAS mission, in comparison to data from other field studies and from laboratory aging experiments. The parameter f60, the ratio of the integrated signal at m/z 60 to the total signal in the organic component mass spectrum, is used as a marker to study the rate of oxidation and fate of the BB POA. A background level of f60~0.3% ± 0.06% for SOA-dominated ambient OA is shown to be an appropriate background level for this tracer. Using also f44 as a tracer for SOA and aged POA and a surrogate of organic O:C, a novel graphical method is presented to characterise the aging of BB plumes. Similar trends of decreasing f60 and increasing f44 with aging are observed in most field and lab studies. At least some very aged BB plumes retain a clear f60 signature. A statistically significant difference in f60 between highly-oxygenated OA of BB and non-BB origin is observed using this tracer, consistent with a substantial contribution of BBOA to the springtime Arctic aerosol burden in 2008. Secondly, a summary is presented of results on the net enhancement of OA with aging of BB plumes, which shows large variability. The estimates of net OA gain range from ΔOA/ΔCO(mass) = −0.01 to ~0.05, with a mean ΔOA/POA ~19%. With these ratios and global inventories of BB CO and POA a global net OA source due to aging of BB plumes of ~8 ± 7 Tg OA yr−1 is estimated, of the order of 5 % of recent total OA source estimates. Further field data following BB plume advection should be a focus of future research in order to better constrain this potentially important contribution to the OA burden.

Abstract Particulate brown carbon (BrC) in the atmosphere absorbs light at subvisible wavelengths and has poorly constrained but potentially large climate forcing impacts. BrC from biomass burning has virtually unknown lifecycle and atmospheric stability. Here, BrC emitted from intense wildfires was measured in plumes transported over 2 days from two main fires, during the 2013 NASA SEAC4RS mission. Concurrent measurements of organic aerosol (OA) and black carbon (BC) mass concentration, BC coating thickness, absorption Ångström exponent, and OA oxidation state reveal that the initial BrC emitted from the fires was largely unstable. Using back trajectories to estimate the transport time indicates that BrC aerosol light absorption decayed in the plumes with a half‐life of 9 to 15 h, measured over day and night. Although most BrC was lost within a day, possibly through chemical loss and/or evaporation, the remaining persistent fraction likely determines the background BrC levels most relevant for climate forcing.

Abstract. The measurement of OH reactivity, the inverse of the OH lifetime, provides a powerful tool to investigate atmospheric photochemistry. A new airborne OH reactivity instrument was designed and deployed for the first time on the NASA DC-8 aircraft during the second phase of Intercontinental Chemical Transport Experiment-B (INTEX-B) campaign, which was focused on the Asian pollution outflow over Pacific Ocean and was based in Hawaii and Alaska. The OH reactivity was measured by adding OH, generated by photolyzing water vapor with 185 nm UV light in a moveable wand, to the flow of ambient air in a flow tube and measuring the OH signal with laser induced fluorescence. As the wand was pulled back away from the OH detector, the OH signal decay was recorded; the slope of −Δln(signal)/Δ time was the OH reactivity. The overall absolute uncertainty at the 2σ confidence levels is about 1 s−1 at low altitudes (for decay about 6 s−1), and 0.7 s−1 at high altitudes (for decay about 2 s−1). From the median vertical profile obtained in the second phase of INTEX-B, the measured OH reactivity (4.0±1.0 s−1) is higher than the OH reactivity calculated from assuming that OH was in steady state (3.3&plusmn0.8 s−1), and even higher than the OH reactivity that was calculated from the total measurements of all OH reactants (1.6±0.4 s−1). Model calculations show that the missing OH reactivity is consistent with the over-predicted OH and under-predicted HCHO in the boundary layer and lower troposphere. The over-predicted OH and under-predicted HCHO suggest that the missing OH sinks are most likely related to some highly reactive VOCs that have HCHO as an oxidation product.

Abstract. We determine enhancement ratios for NOx, PAN, and other NOy species from boreal biomass burning using aircraft data obtained during the ARCTAS-B campaign and examine the impact of these emissions on tropospheric ozone in the Arctic. We find an initial emission factor for NOx of 1.06 g NO per kg dry matter (DM) burned, much lower than previous observations of boreal plumes, and also one third the value recommended for extratropical fires. Our analysis provides the first observational confirmation of rapid PAN formation in a boreal smoke plume, with 40% of the initial NOx emissions being converted to PAN in the first few hours after emission. We find little clear evidence for ozone formation in the boreal smoke plumes during ARCTAS-B in either aircraft or satellite observations, or in model simulations. Only a third of the smoke plumes observed by the NASA DC8 showed a correlation between ozone and CO, and ozone was depleted in the plumes as often as it was enhanced. Special observations from the Tropospheric Emission Spectrometer (TES) also show little evidence for enhanced ozone in boreal smoke plumes between 15 June and 15 July 2008. Of the 22 plumes observed by TES, only 4 showed ozone increasing within the smoke plumes, and even in those cases it was unclear that the increase was caused by fire emissions. Using the GEOS-Chem atmospheric chemistry model, we show that boreal fires during ARCTAS-B had little impact on the median ozone profile measured over Canada, and had little impact on ozone within the smoke plumes observed by TES.

Abstract Wildfires emit significant amounts of pollutants that degrade air quality. Plumes from three wildfires in the western U.S. were measured from aircraft during the Studies of Emissions and Atmospheric Composition, Clouds and Climate Coupling by Regional Surveys (SEAC 4 RS) and the Biomass Burning Observation Project (BBOP), both in summer 2013. This study reports an extensive set of emission factors (EFs) for over 80 gases and 5 components of submicron particulate matter (PM 1 ) from these temperate wildfires. These include rarely, or never before, measured oxygenated volatile organic compounds and multifunctional organic nitrates. The observed EFs are compared with previous measurements of temperate wildfires, boreal forest fires, and temperate prescribed fires. The wildfires emitted high amounts of PM 1 (with organic aerosol (OA) dominating the mass) with an average EF that is more than 2 times the EFs for prescribed fires. The measured EFs were used to estimate the annual wildfire emissions of carbon monoxide, nitrogen oxides, total nonmethane organic compounds, and PM 1 from 11 western U.S. states. The estimated gas emissions are generally comparable with the 2011 National Emissions Inventory (NEI). However, our PM 1 emission estimate (1530 ± 570 Gg yr −1 ) is over 3 times that of the NEI PM 2.5 estimate and is also higher than the PM 2.5 emitted from all other sources in these states in the NEI. This study indicates that the source of OA from biomass burning in the western states is significantly underestimated. In addition, our results indicate that prescribed burning may be an effective method to reduce fine particle emissions.

Global satellite observations of ozone and carbon monoxide from the Microwave Limb Sounder (MLS) on the EOS Aura spacecraft are discussed with emphasis on those observations in the 215–100 hPa region (the upper troposphere and lower stratosphere). The precision, resolution and accuracy of the data produced by the MLS “version 2.2” processing algorithms are discussed and quantified. O 3 accuracy is estimated at ∼40 ppbv +5% (∼20 ppbv +20% at 215 hPa) while the CO accuracy is estimated at ∼30 ppbv +30% for pressures of 147 hPa and less. Comparisons with expectations and other observations show good agreements for the O 3 product, generally consistent with the systematic errors quoted above. In the case of CO, a persistent factor of ∼2 high bias is seen at 215 hPa. However, the morphology is shown to be realistic, consistent with raw MLS radiance data, and useful for scientific study. The MLS CO data at higher altitudes are shown to be consistent with other observations.

Reliable assessment of the impact of aerosols emitted from boreal forest fires on the Arctic climate necessitates improved understanding of emissions and the microphysical properties of carbonaceous (black carbon (BC) and organic aerosols (OA)) and inorganic aerosols. The size distributions of BC were measured by an SP2 based on the laser-induced incandescence technique on board the DC-8 aircraft during the NASA ARCTAS campaign. Aircraft sampling was made in fresh plumes strongly impacted by wildfires in North America (Canada and California) in summer 2008 and in those transported from Asia (Siberia in Russia and Kazakhstan) in spring 2008. We extracted biomass burning plumes using particle and tracer (CO, CH3CN, and CH2Cl2) data. OA constituted the dominant fraction of aerosols mass in the submicron range. The large majority of the emitted particles did not contain BC. We related the combustion phase of the fire as represented by the modified combustion efficiency (MCE) to the emission ratios between BC and other species. In particular, we derived the average emission ratios of BC/CO = 2.3 +/- 2.2 and 8.5 +/- 5.4 ng/cu m/ppbv for BB in North America and Asia, respectively. The difference in the BC/CO emission ratios is likely due to the difference in MCE. The count median diameters and geometric standard deviations of the lognormal size distribution of BC in the BB plumes were 136-141 nm and 1.32-1.36, respectively, and depended little on MCE. These BC particles were thickly coated, with shell/core ratios of 1.3-1.6. These parameters can be used directly for improving model estimates of the impact of BB in the Arctic.

Abstract. Boreal regions comprise about 17 % of the global land area, and they both affect and are influenced by climate change. To better understand boreal forest fire emissions and plume evolution, 947 whole air samples were collected aboard the NASA DC-8 research aircraft in summer 2008 as part of the ARCTAS-B field mission, and analyzed for 79 non-methane volatile organic compounds (NMVOCs) using gas chromatography. Together with simultaneous measurements of CO2, CO, CH4, CH2O, NO2, NO, HCN and CH3CN, these measurements represent the most comprehensive assessment of trace gas emissions from boreal forest fires to date. Based on 105 air samples collected in fresh Canadian smoke plumes, 57 of the 80 measured NMVOCs (including CH2O) were emitted from the fires, including 45 species that were quantified from boreal forest fires for the first time. After CO2, CO and CH4, the largest emission factors (EFs) for individual species were formaldehyde (2.1 ± 0.2 g kg−1), followed by methanol, NO2, HCN, ethene, α-pinene, β-pinene, ethane, benzene, propene, acetone and CH3CN. Globally, we estimate that boreal forest fires release 2.4 ± 0.6 Tg C yr−1 in the form of NMVOCs, with approximately 41 % of the carbon released as C1-C2 NMVOCs and 21 % as pinenes. These are the first reported field measurements of monoterpene emissions from boreal forest fires, and we speculate that the pinenes, which are relatively heavy molecules, were detected in the fire plumes as the result of distillation of stored terpenes as the vegetation is heated. Their inclusion in smoke chemistry models is expected to improve model predictions of secondary organic aerosol (SOA) formation. The fire-averaged EF of dichloromethane or CH2Cl2, (6.9 ± 8.6) × 10−4 g kg−1, was not significantly different from zero and supports recent findings that its global biomass burning source appears to have been overestimated. Similarly, we found no evidence for emissions of chloroform (CHCl3) or methyl chloroform (CH3CCl3) from boreal forest fires. The speciated hydrocarbon measurements presented here show the importance of carbon released by short-chain NMVOCs, the strong contribution of pinene emissions from boreal forest fires, and the wide range of compound classes in the most abundantly emitted NMVOCs, all of which can be used to improve biomass burning inventories in local/global models and reduce uncertainties in model estimates of trace gas emissions and their impact on the atmosphere.

Abstract The Deep Convective Clouds and Chemistry (DC3) field experiment produced an exceptional dataset on thunderstorms, including their dynamical, physical, and electrical structures and their impact on the chemical composition of the troposphere. The field experiment gathered detailed information on the chemical composition of the inflow and outflow regions of midlatitude thunderstorms in northeast Colorado, west Texas to central Oklahoma, and northern Alabama. A unique aspect of the DC3 strategy was to locate and sample the convective outflow a day after active convection in order to measure the chemical transformations within the upper-tropospheric convective plume. These data are being analyzed to investigate transport and dynamics of the storms, scavenging of soluble trace gases and aerosols, production of nitrogen oxides by lightning, relationships between lightning flash rates and storm parameters, chemistry in the upper troposphere that is affected by the convection, and related source characterization of the three sampling regions. DC3 also documented biomass-burning plumes and the interactions of these plumes with deep convection.

New particle formation in the free troposphere is a major source of cloud condensation nuclei globally. The prevailing view is that in the free troposphere, new particles are formed predominantly in convective cloud outflows. We present another mechanism using global observations. We find that during stratospheric air intrusion events, the mixing of descending ozone-rich stratospheric air with more moist free tropospheric background results in elevated hydroxyl radical (OH) concentrations. Such mixing is most prevalent near the tropopause where the sulfur dioxide (SO 2 ) mixing ratios are high. The combination of elevated SO 2 and OH levels leads to enhanced sulfuric acid concentrations, promoting particle formation. Such new particle formation occurs frequently and over large geographic regions, representing an important particle source in the midlatitude free troposphere.