Particulate matter is a component of ambient air pollution that has been linked to millions of annual premature deaths globally1–3. Assessments of the chronic and acute effects of particulate matter on human health tend to be based on mass concentration, with particle size and composition also thought to play a part4. Oxidative potential has been suggested to be one of the many possible drivers of the acute health effects of particulate matter, but the link remains uncertain5–8. Studies investigating the particulate-matter components that manifest an oxidative activity have yielded conflicting results7. In consequence, there is still much to be learned about the sources of particulate matter that may control the oxidative potential concentration7. Here we use field observations and air-quality modelling to quantify the major primary and secondary sources of particulate matter and of oxidative potential in Europe. We find that secondary inorganic components, crustal material and secondary biogenic organic aerosols control the mass concentration of particulate matter. By contrast, oxidative potential concentration is associated mostly with anthropogenic sources, in particular with fine-mode secondary organic aerosols largely from residential biomass burning and coarse-mode metals from vehicular non-exhaust emissions. Our results suggest that mitigation strategies aimed at reducing the mass concentrations of particulate matter alone may not reduce the oxidative potential concentration. If the oxidative potential can be linked to major health impacts, it may be more effective to control specific sources of particulate matter rather than overall particulate mass. Observations and air-quality modelling reveal that the sources of particulate matter and oxidative potential in Europe are different, implying that reducing mass concentrations of particulate matter alone may not reduce oxidative potential.

Abstract. During winter 2013–2014 aerosol mass spectrometer (AMS) measurements were conducted for the first time with a novel PM2.5 (particulate matter with aerodynamic diameter ≤ 2.5 µm) lens in two major cities of China: Xi'an and Beijing. We denote the periods with visibility below 2 km as extreme haze and refer to the rest as reference periods. During the measurements in Xi'an an extreme haze covered the city for about a week and the total non-refractory (NR)-PM2.5 mass fraction reached peak concentrations of over 1000 µg m−3. During the measurements in Beijing two extreme haze events occurred, but the temporal extent and the total concentrations reached during these events were lower than in Xi'an. Average PM2.5 concentrations of 537 ± 146 and 243 ± 47 µg m−3 (including NR species and equivalent black carbon, eBC) were recorded during the extreme haze events in Xi'an and Beijing, respectively. During the reference periods the measured average concentrations were 140 ± 99 µg m−3 in Xi'an and 75 ± 61 µg m−3 in Beijing. The relative composition of the NR-PM2.5 evolved substantially during the extreme haze periods, with increased contributions of the inorganic components (mostly sulfate and nitrate). Our results suggest that the high relative humidity present during the extreme haze events had a strong effect on the increase of sulfate mass (via aqueous phase oxidation of sulfur dioxide). Another relevant characteristic of the extreme haze is the size of the measured particles. During the extreme haze events, the AMS showed much larger particles, with a volume weighted mode at about 800 to 1000 nm, in contrast to about 400 nm during reference periods. These large particle sizes made the use of the PM2.5 inlet crucial, especially during the severe haze events, where 39 ± 5 % of the mass would have been lost in the conventional PM1 (particulate matter with aerodynamic diameter ≤ 1 µm) inlet. A novel positive matrix factorization procedure was developed to apportion the sources of organic aerosols (OA) based on their mass spectra using the multilinear engine (ME-2) controlled via the source finder (SoFi). The procedure allows for an effective exploration of the solution space, a more objective selection of the best solution and an estimation of the rotational uncertainties. Our results clearly show an increase of the oxygenated organic aerosol (OOA) mass during extreme haze events. The contribution of OOA to the total OA increased from the reference to the extreme haze periods from 16.2 ± 1.1 to 31.3 ± 1.5 % in Xi'an and from 15.7 ± 0.7 to 25.0 ± 1.2 % in Beijing. By contrast, during the reference periods the total OA mass was dominated by domestic emissions of primary aerosols from biomass burning in Xi'an (42.2 ± 1.5 % of OA) and coal combustion in Beijing (55.2 ± 1.6 % of OA). These two sources are also mostly responsible for extremely high polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) concentrations measured with the AMS (campaign average of 2.1 ± 2.0 µg m−3 and frequent peak concentrations above 10 µg m−3). To the best of our knowledge, this is the first data set where the simultaneous extraction of these two primary sources could be achieved in China by conducting on-line AMS measurements at two areas with contrasted emission patterns.

Abstract. Equivalent black carbon (EBC) measured by a multi-wavelength Aethalometer can be apportioned to traffic and wood burning. The method is based on the differences in the dependence of aerosol absorption on the wavelength of light used to investigate the sample, parameterized by the source-specific absorption Ångström exponent (α). While the spectral dependence (defined as α values) of the traffic-related EBC light absorption is low, wood smoke particles feature enhanced light absorption in the blue and near ultraviolet. Source apportionment results using this methodology are hence strongly dependent on the α values assumed for both types of emissions: traffic αTR, and wood burning αWB. Most studies use a single αTR and αWB pair in the Aethalometer model, derived from previous work. However, an accurate determination of the source specific α values is currently lacking and in some recent publications the applicability of the Aethalometer model was questioned.Here we present an indirect methodology for the determination of αWB and αTR by comparing the source apportionment of EBC using the Aethalometer model with 14C measurements of the EC fraction on 16 to 40 h filter samples from several locations and campaigns across Switzerland during 2005–2012, mainly in winter. The data obtained at eight stations with different source characteristics also enabled the evaluation of the performance and the uncertainties of the Aethalometer model in different environments. The best combination of αTR and αWB (0.9 and 1.68, respectively) was obtained by fitting the Aethalometer model outputs (calculated with the absorption coefficients at 470 and 950 nm) against the fossil fraction of EC (ECF ∕ EC) derived from 14C measurements. Aethalometer and 14C source apportionment results are well correlated (r = 0.81) and the fitting residuals exhibit only a minor positive bias of 1.6 % and an average precision of 9.3 %. This indicates that the Aethalometer model reproduces reasonably well the 14C results for all stations investigated in this study using our best estimate of a single αWB and αTR pair. Combining the EC, 14C, and Aethalometer measurements further allowed assessing the dependence of the mass absorption cross section (MAC) of EBC on its source. Results indicate no significant difference in MAC at 880 nm between EBC originating from traffic or wood-burning emissions. Using ECF ∕ EC as reference and constant a priori selected αTR values, αWB was also calculated for each individual data point. No clear station-to-station or season-to-season differences in αWB were observed, but αTR and αWB values are interdependent. For example, an increase in αTR by 0.1 results in a decrease in αWB by 0.1. The fitting residuals of different αTR and αWB combinations depend on ECF ∕ EC such that a good agreement cannot be obtained over the entire ECF ∕ EC range using other α pairs. Additional combinations of αTR = 0.8, and 1.0 and αWB = 1.8 and 1.6, respectively, are possible but only for ECF ∕ EC between ∼ 40 and 85 %. Applying α values previously used in the literature such as αWB of ∼ 2 or any αWB in combination with αTR = 1.1 to our data set results in large residuals. Therefore we recommend to use the best α combination as obtained here (αTR = 0.9 and αWB = 1.68) in future studies when no or only limited additional information like 14C measurements are available. However, these results were obtained for locations impacted by black carbon (BC) mainly from traffic consisting of a modern car fleet and residential wood combustion with well-constrained combustion efficiencies. For regions of the world with different combustion conditions, additional BC sources, or fuels used, further investigations are needed.

Abstract. The emission of organic aerosols (OA) in the ambient air by residential wood burning is nowadays a subject of great scientific concern and a growing number of studies aim at apportioning the influence of such emissions on urban air quality. In the present study, results obtained using two commonly-used source apportionment models, i.e., Chemical Mass Balance (CMB, performed with off-line filter measurements) and Positive Matrix Factorization (PMF, applied to Aerosol Mass Spectrometer measurements), as well as using the recently-proposed Aethalometer model (based on the measurement of the aerosol light absorption at different wavelengths) are inter-compared. This work is performed using field data obtained during the winter season (14 to 29 January 2009) at an urban background site of a French Alpine city (Grenoble). Converging results from the different models indicate a major contribution of wood burning organic aerosols (OMwb) to the ambient aerosol organic fraction, with mean OMwb contributions to total OA of 68%, 61% and 37% for the CMB, the Aethalometer and the AMS-PMF models respectively, during the period when the three modelling studies overlapped (12 days). Quantitative discrepancies might notably be due to the overestimation of OMwb calculated by the CMB due to the loss of semi-volatile compounds from sources to receptor site, as well as to the accounting of oxidized primary wood burning organic (OPOAwb) aerosols within the Oxygenated Organic Aerosol (OOA) PMF-factor. This OOA factor accounts on average for about 50% of total OM, while non-combustion sources contribute to about 25% and 28% of total OM according to the CMB and Aethalometer models respectively. Each model suggests a mean contribution of fossil fuel emissions to total OM of about 10%. A good agreement is also obtained for the source apportionment of elemental carbon (EC) by both the CMB and the Aethalometer models, with fossil fuel emissions representing on average more than 80% of total EC.

A list of authors and their affiliations appears at the end of the paper New-particle formation is a major contributor to urban smog1,2, but how it occurs in cities is often puzzling3. If the growth rates of urban particles are similar to those found in cleaner environments (1-10 nanometres per hour), then existing understanding suggests that new urban particles should be rapidly scavenged by the high concentration of pre-existing particles. Here we show, through experiments performed under atmospheric conditions in the CLOUD chamber at CERN, that below about +5 degrees Celsius, nitric acid and ammonia vapours can condense onto freshly nucleated particles as small as a few nanometres in diameter. Moreover, when it is cold enough (below -15 degrees Celsius), nitric acid and ammonia can nucleate directly through an acid-base stabilization mechanism to form ammonium nitrate particles. Given that these vapours are often one thousand times more abundant than sulfuric acid, the resulting particle growth rates can be extremely high, reaching well above 100 nanometres per hour. However, these high growth rates require the gas-particle ammonium nitrate system to be out of equilibrium in order to sustain gas-phase supersaturations. In view of the strong temperature dependence that we measure for the gas-phase supersaturations, we expect such transient conditions to occur in inhomogeneous urban settings, especially in wintertime, driven by vertical mixing and by strong local sources such as traffic. Even though rapid growth from nitric acid and ammonia condensation may last for only a few minutes, it is nonetheless fast enough to shepherd freshly nucleated particles through the smallest size range where they are most vulnerable to scavenging loss, thus greatly increasing their survival probability. We also expect nitric acid and ammonia nucleation and rapid growth to be important in the relatively clean and cold upper free troposphere, where ammonia can be convected from the continental boundary layer and nitric acid is abundant from electrical storms4,5.

Abstract. We present a new mobile environmental reaction chamber for the simulation of the atmospheric aging of different emission sources without limitation from the instruments or facilities available at any single site. Photochemistry is simulated using a set of 40 UV lights (total power 4 KW). Characterisation of the emission spectrum of these lights shows that atmospheric aging of emissions may be simulated over a range of temperatures (−7 to 25 °C). A photolysis rate of NO2, JNO2, of (8.0 ± 0.7) × 10−3 s−1 was determined at 25 °C. We demonstrate the utility of this new system by presenting results on the aging (OH = 12 × 106 cm−3 h) of emissions from a modern (Euro 5) gasoline car operated during a driving cycle (New European Driving Cycle, NEDC) on a chassis dynamometer in a vehicle test cell. Emissions from the entire NEDC were sampled and aged in the chamber. Total organic aerosol (OA; primary organic aerosol (POA) emission + secondary organic aerosol (SOA) formation) was (369.8–397.5)10−3 g kg−1 fuel, or (13.2–15.4) × 10−3 g km−1, after aging, with aged OA/POA in the range 9–15. A thorough investigation of the composition of the gas phase emissions suggests that the observed SOA is from previously unconsidered precursors and processes. This large enhancement in particulate matter mass from gasoline vehicle aerosol emissions due to SOA formation, if it occurs across a wider range of gasoline vehicles, would have significant implications for our understanding of the contribution of on-road gasoline vehicles to ambient aerosols.

Significance Aerosol particles can form and grow by gas-to-particle conversion and eventually act as seeds for cloud droplets, influencing global climate. Volatile organic compounds emitted from plants are oxidized in the atmosphere, and the resulting products drive particle growth. We measure particle growth by oxidized biogenic vapors with a well-controlled laboratory setup over a wide range of tropospheric temperatures. While higher temperatures lead to increased reaction rates and concentrations of highly oxidized molecules, lower temperatures allow additional, but less oxidized, species to condense. We measure rapid growth over the full temperature range of our study, indicating that organics play an important role in aerosol growth throughout the troposphere. Our finding will help to sharpen the predictions of global aerosol models.

Abstract. Anthropogenic volatile organic compounds (AVOCs) often dominate the urban atmosphere and consist to a large degree of aromatic hydrocarbons (ArHCs), such as benzene, toluene, xylenes, and trimethylbenzenes, e.g., from the handling and combustion of fuels. These compounds are important precursors for the formation of secondary organic aerosol. Here we show that the oxidation of aromatics with OH leads to a subsequent autoxidation chain reaction forming highly oxygenated molecules (HOMs) with an O : C ratio of up to 1.09. This is exemplified for five single-ring ArHCs (benzene, toluene, o-/m-/p-xylene, mesitylene (1,3,5-trimethylbenzene) and ethylbenzene), as well as two conjugated polycyclic ArHCs (naphthalene and biphenyl). We report the elemental composition of the HOMs and show the differences in the oxidation patterns of these ArHCs. A potential pathway for the formation of these HOMs from aromatics is presented and discussed. We hypothesize that AVOCs may contribute substantially to new particle formation events that have been detected in urban areas.

Organic gases undergoing conversion to form secondary organic aerosol (SOA) during atmospheric aging are largely unidentified, particularly in regions influenced by anthropogenic emissions. SOA dominates the atmospheric organic aerosol burden and this knowledge gap contributes to uncertainties in aerosol effects on climate and human health. Here we characterize primary and aged emissions from residential wood combustion using high resolution mass spectrometry to identify SOA precursors. We determine that SOA precursors traditionally included in models account for only ~3-27% of the observed SOA, whereas for the first time we explain ~84-116% of the SOA by inclusion of non-traditional precursors. Although hundreds of organic gases are emitted during wood combustion, SOA is dominated by the aging products of only 22 compounds. In some cases, oxidation products of phenol, naphthalene and benzene alone comprise up to ~80% of the observed SOA. Identifying the main precursors responsible for SOA formation enables improved model parameterizations and SOA mitigation strategies in regions impacted by residential wood combustion, more productive targets for ambient monitoring programs and future laboratories studies, and links between direct emissions and SOA impacts on climate and health in these regions.