Abstract. Mobility particle size spectrometers often referred to as DMPS (Differential Mobility Particle Sizers) or SMPS (Scanning Mobility Particle Sizers) have found a wide range of applications in atmospheric aerosol research. However, comparability of measurements conducted world-wide is hampered by lack of generally accepted technical standards and guidelines with respect to the instrumental set-up, measurement mode, data evaluation as well as quality control. Technical standards were developed for a minimum requirement of mobility size spectrometry to perform long-term atmospheric aerosol measurements. Technical recommendations include continuous monitoring of flow rates, temperature, pressure, and relative humidity for the sheath and sample air in the differential mobility analyzer. We compared commercial and custom-made inversion routines to calculate the particle number size distributions from the measured electrical mobility distribution. All inversion routines are comparable within few per cent uncertainty for a given set of raw data. Furthermore, this work summarizes the results from several instrument intercomparison workshops conducted within the European infrastructure project EUSAAR (European Supersites for Atmospheric Aerosol Research) and ACTRIS (Aerosols, Clouds, and Trace gases Research InfraStructure Network) to determine present uncertainties especially of custom-built mobility particle size spectrometers. Under controlled laboratory conditions, the particle number size distributions from 20 to 200 nm determined by mobility particle size spectrometers of different design are within an uncertainty range of around ±10% after correcting internal particle losses, while below and above this size range the discrepancies increased. For particles larger than 200 nm, the uncertainty range increased to 30%, which could not be explained. The network reference mobility spectrometers with identical design agreed within ±4% in the peak particle number concentration when all settings were done carefully. The consistency of these reference instruments to the total particle number concentration was demonstrated to be less than 5%. Additionally, a new data structure for particle number size distributions was introduced to store and disseminate the data at EMEP (European Monitoring and Evaluation Program). This structure contains three levels: raw data, processed data, and final particle size distributions. Importantly, we recommend reporting raw measurements including all relevant instrument parameters as well as a complete documentation on all data transformation and correction steps. These technical and data structure standards aim to enhance the quality of long-term size distribution measurements, their comparability between different networks and sites, and their transparency and traceability back to raw data.

Abstract. The effects of atmospheric aerosol on climate forcing may be very substantial but are quantified poorly at present; in particular, the effects of aerosols on cloud radiative properties, or the "indirect effects" are credited with the greatest range of uncertainty amongst the known causes of radiative forcing. This manuscript explores the effects that the composition and properties of atmospheric aerosol can have on the activation of droplets in warm clouds, so potentially influencing the magnitude of the indirect effect. The effects of size, composition, mixing state and various derived properties are assessed and a range of these properties provided by atmospheric measurements in a variety of locations is briefly reviewed. The suitability of a range of process-level descriptions to capture these aerosol effects is investigated by assessment of their sensitivities to uncertainties in aerosol properties and by their performance in closure studies. The treatment of these effects within global models is reviewed and suggestions for future investigations are made.

Abstract About half of present-day cloud condensation nuclei originate from atmospheric nucleation, frequently appearing as a burst of new particles near midday 1 . Atmospheric observations show that the growth rate of new particles often accelerates when the diameter of the particles is between one and ten nanometres 2,3 . In this critical size range, new particles are most likely to be lost by coagulation with pre-existing particles 4 , thereby failing to form new cloud condensation nuclei that are typically 50 to 100 nanometres across. Sulfuric acid vapour is often involved in nucleation but is too scarce to explain most subsequent growth 5,6 , leaving organic vapours as the most plausible alternative, at least in the planetary boundary layer 7,8,9,10 . Although recent studies 11,12,13 predict that low-volatility organic vapours contribute during initial growth, direct evidence has been lacking. The accelerating growth may result from increased photolytic production of condensable organic species in the afternoon 2 , and the presence of a possible Kelvin (curvature) effect, which inhibits organic vapour condensation on the smallest particles (the nano-Köhler theory) 2,14 , has so far remained ambiguous. Here we present experiments performed in a large chamber under atmospheric conditions that investigate the role of organic vapours in the initial growth of nucleated organic particles in the absence of inorganic acids and bases such as sulfuric acid or ammonia and amines, respectively. Using data from the same set of experiments, it has been shown 15 that organic vapours alone can drive nucleation. We focus on the growth of nucleated particles and find that the organic vapours that drive initial growth have extremely low volatilities (saturation concentration less than 10 −4.5 micrograms per cubic metre). As the particles increase in size and the Kelvin barrier falls, subsequent growth is primarily due to more abundant organic vapours of slightly higher volatility (saturation concentrations of 10 −4.5 to 10 −0.5 micrograms per cubic metre). We present a particle growth model that quantitatively reproduces our measurements. Furthermore, we implement a parameterization of the first steps of growth in a global aerosol model and find that concentrations of atmospheric cloud concentration nuclei can change substantially in response, that is, by up to 50 per cent in comparison with previously assumed growth rate parameterizations.

Daily PM2.5 and PM10 samples were taken from April 1998 to March 1999 at urban kerbside, urban background, near-city, and rural sites in Switzerland. The samples were analysed for mass, water soluble ions, trace elements, as well as elemental and organic carbon. The present paper focuses on the variation of element concentration between different site types and on the chemical mass closure of atmospheric particulate matter. Information on emission sources of trace elements is obtained by evaluation of the element abundances at sites that represent different pollution levels. The abundances of Ba, Ca, Ce, Cu, Fe, La, Mo, Mn, Pb, Sb, and Rh are gradually decreasing from urban kerbside to urban background, near-city and rural sites, indicating that road traffic is a main source of these elements. On the other hand, the abundances of Al, As, Cd, K, and V are similar for the different site types, which implies that emission sources are either spatially uniformly distributed (e.g. mineral dust), or there are no important regional emission sources and the ambient concentration of these elements might be dominated by long-range transport. When performing a mass closure, the annual average of the sum of aerosol chemical components was 22–27% for PM10 and 8–15% for PM2.5 lower than the PM mass. A drying procedure applied to a subset of PM10 samples and model calculations for PM2.5 samples according to their inorganic composition were used to estimate the contribution of retained water to the unaccounted mass at 50% RH. The obtained average water content was 10.6% for PM10 and 13–23% for PM2.5, clearly indicating that water is a major contributor to the unaccounted mass. Furthermore, a pronounced seasonal variation was observed with relatively lower water content in the colder season, indicating that the inorganic salts were mainly crystalline in winter, whereas they were probably dissolved during the rest of the year.

The hygroscopic properties play a vital role for the direct and indirect effects of aerosols on climate, as well as the health effects of particulate matter (PM) by modifying the deposition pattern of inhaled particles in the humid human respiratory tract. Hygroscopic Tandem Differential Mobility Analyzer (H-TDMA) instruments have been used in field campaigns in various environments globally over the last 25 yr to determine the water uptake on submicrometre particles at subsaturated conditions. These investigations have yielded valuable and comprehensive information regarding the particle hygroscopic properties of the atmospheric aerosol, including state of mixing. These properties determine the equilibrium particle size at ambient relative humidities and have successfully been used to calculate the activation of particles at water vapour supersaturation. This paper summarizes the existing published H-TDMA results on the sizeresolved submicrometre aerosol particle hygroscopic properties obtained from ground-based measurements at multiple marine, rural, urban and free tropospheric measurement sites. The data is classified into groups of hygroscopic growth indicating the external mixture, and providing clues to the sources and processes controlling the aerosol. An evaluation is given on how different chemical and physical properties affect the hygroscopic growth.

From neutral to new Many of the particles in the troposphere are formed in situ, but what fraction of all tropospheric particles do they constitute and how exactly are they made? Bianchi et al. report results from a high-altitude research station. Roughly half of the particles were newly formed by the condensation of highly oxygenated multifunctional compounds. A combination of laboratory results, field measurements, and model calculations revealed that neutral nucleation is more than 10 times faster than ion-induced nucleation, that particle growth rates are size-dependent, and that new particle formation occurs during a limited time window. Science , this issue p. 1109

We present a study of aerosol light absorption using a multi-wavelength Aethalometer (λ=370–950 nm) in an Alpine valley where the major local emissions of aerosols in winter are from domestic wood burning and traffic. The measurements were done in winter and summer periods in 2004 and 2005. Much stronger diurnal trends in CO, NOx and aerosol light absorption parameters were observed in winter than in summer. The average (±1 S.D.) PM10 concentrations measured at this site were 31.5±21.7 μg m−3 in winter and 15.8±10.0 μg m−3 in summer. The highest PM10 concentrations were observed between 18:00 and 22:00 h CET in both campaigns, with 45.4±21.0 μg m−3 for winter and 21.0±9.5 μg m−3 for summer. The average (±1 S.D.) power law exponents of the absorption coefficients (also called absorption exponent) with λ=370–950 nm, α370–950 nm were 1.6±0.25 in winter and 1.1±0.05 in summer. The calculation of α separately for lower and higher wavelengths (i.e., α370–520 nm and α660–950 nm) provided a better description of the wavelength dependence from the UV- to the near-IR region. The highest mean values of α370–520 nm and α660–950 nm were observed between 22:00 and 02:00 h CET in winter with 2.7±0.4 and 1.3±0.1, respectively. Comparison of α370–520 nm with CO and NOx data indicated that the relative contribution of wood burning versus traffic was responsible for the seasonal and diurnal variability of α. The seasonal and diurnal trends of α were not attributed to changes in the particle size since the aerosol volume size distributions (dV/d log D) were found to be similar in both campaigns.

Abstract. A hygroscopicity tandem differential mobility analyzer (HTDMA) was used to measure the water uptake (hygroscopicity) of secondary organic aerosol (SOA) formed during the chemical and photochemical oxidation of several organic precursors in a smog chamber. Electron ionization mass spectra of the non-refractory submicron aerosol were simultaneously determined with an aerosol mass spectrometer (AMS), and correlations between the two different signals were investigated. SOA hygroscopicity was found to strongly correlate with the relative abundance of the ion signal m/z 44 expressed as a fraction of total organic signal (f44). m/z 44 is due mostly to the ion fragment CO2+ for all types of SOA systems studied, and has been previously shown to strongly correlate with organic O/C for ambient and chamber OA. The analysis was also performed on ambient OA from two field experiments at the remote site Jungfraujoch, and the megacity Mexico City, where similar results were found. A simple empirical linear relation between the hygroscopicity of OA at subsaturated RH, as given by the hygroscopic growth factor (GF) or "ϰorg" parameter, and f44 was determined and is given by ϰorg = 2.2 × f44 − 0.13. This approximation can be further verified and refined as the database for AMS and HTDMA measurements is constantly being expanded around the world. The use of this approximation could introduce an important simplification in the parameterization of hygroscopicity of OA in atmospheric models, since f44 is correlated with the photochemical age of an air mass.

Abstract. Measurements of aerosol properties were made in aged polluted and clean background air masses encountered at the North Norfolk (UK) coastline as part of the TORCH2 field campaign in May 2004. Hygroscopic growth factors (GF) at 90% relative humidity (RH) for D0=27–217 nm particles and size-resolved chemical composition were simultaneously measured using a Hygroscopicity Tandem Differential Mobility Analyser (HTDMA) and an Aerodyne aerosol mass spectrometer (Q-AMS), respectively. Both hygroscopic properties and chemical composition showed pronounced variability in time and with particles size. With this data set we could demonstrate that the Zdanovskii-Stokes-Robinson (ZSR) mixing rule combined with chemical composition data from the AMS makes accurate quantitative predictions of the mean GF of mixed atmospheric aerosol particles possible. In doing so it is crucial that chemical composition data are acquired with high resolution in both particle size and time, at least matching the actual variability of particle properties. The closure results indicate an ensemble GF of the organic fraction of ~1.20±0.10 at 90% water activity. Thus the organics contribute somewhat to hygroscopic growth, particularly at small sizes, however the inorganic salts still dominate. Furthermore it has been found that most likely substantial evaporation losses of NH4NO3 occurred within the HTDMA instrument, exacerbated by a long residence time of ~1 min. Such an artefact is in agreement with our laboratory experiments and literature data for pure NH4NO3, both showing similar evaporation losses within HTDMAs with residence times of ~1 min. Short residence times and low temperatures are hence recommended for HTDMAs in order to minimise such evaporation artefacts.

The tandem differential mobility analyser (HTDMA) technique is used to detect size changes of submicron particles after a treatment such as exposure to high relative humidity (RH). Measured diameter growth factor distributions must be inverted, because they are only a skewed and smoothed integral transform of the actual growth factor probability density function (GF-PDF). We introduce a new approach, TDMAinv, representing the inverted GF-PDF as a piecewise linear function. Simulated measurements are used to prove the concept. Measurements of an aerosol with a bimodal GF-PDF show that TDMAinv provides equivalent information to TDMAfit, the most widely used inversion algorithm. The major advantage of TDMAinv is that convergence of the inversion is robust and independent of the initial guess. This makes TDMAinv a reliable tool to analyse large TDMA data sets. A methodology is also demonstrated for analysis of TDMA data in cases where the dominant fraction of selected particles is doubly or triply charged.