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.

The atmospheric effects of soot aerosols include interference with radiative transfer, visibility impairment, and alteration of cloud formation and are highly sensitive to the manner by which soot is internally mixed with other aerosol constituents. We present experimental studies to show that soot particles acquire a large mass fraction of sulfuric acid during atmospheric aging, considerably altering their properties. Soot particles exposed to subsaturated sulfuric acid vapor exhibit a marked change in morphology, characterized by a decreased mobility-based diameter but an increased fractal dimension and effective density. These particles experience large hygroscopic size and mass growth at subsaturated conditions (<90% relative humidity) and act efficiently as cloud-condensation nuclei. Coating with sulfuric acid and subsequent hygroscopic growth enhance the optical properties of soot aerosols, increasing scattering by ≈10-fold and absorption by nearly 2-fold at 80% relative humidity relative to fresh particles. In addition, condensation of sulfuric acid is shown to occur at a similar rate on ambient aerosols of various types of a given mobility size, regardless of their chemical compositions and microphysical structures. Representing an important mechanism of atmospheric aging, internal mixing of soot with sulfuric acid has profound implications on visibility, human health, and direct and indirect climate forcing.

The optical and chemical properties of atmospheric particles and their ability to act as cloud condensation nuclei (CCN) depend strongly upon their affinity for water. Laboratory experiments have shown that water soluble substances such as ammonium sulfate, ammonium nitrate, and sodium chloride, which are major inorganic components of atmospheric particles, absorb water in an amount proportional to water vapor pressure. Analogous information about the interactions between water and organics, which are another major component of atmospheric particles, is lacking. Here we analyze concurrent observations of particle chemical composition and water content from a continental nonurban (Grand Canyon) and an urban (Los Angeles) location to determine whether the water content of atmospheric particles is influenced by the presence of organics. By comparing the observed water content with the water content expected to be associated with the inorganic fraction, we find that the aggregate hygroscopic properties of inorganic particles are altered substantially when organics are also present. Furthermore, the alterations can be positive or negative. For the nonurban location, organics enhance water absorption by inorganics. In the relative humidity (RH) range of 80–88% organics account for 25–40% of the total water uptake, on average. For the urban location, on the other hand, the net effect of organics is to diminish water absorption of the inorganics by 25–35% in the RH range of 83–93%.

Simultaneous measurements of aerosol particles and their expected gas phase precursors were made at Idaho Hill, Colorado, a remote continental site. This study used apparatus and techniques similar to those employed in an earlier study at the Mauna Loa Observatory, Hawaii [ Weber et al. , 1995]. New particle formation, identified by the presence of ultrafine particles (nominally 3 to 4 nm diameter), was commonly observed in downslope (westerly) air and was correlated with high sulfuric acid (H 2 SO 4 ) concentrations, low relative humidity and low particle surface area concentrations. The data point to H 2 SO 4 as a principle nucleation precursor species with typical daytime concentrations between 10 6 and 10 7 molecules cm −3 . Particle production was observed at H 2 SO 4 concentrations that are well below predicted values for binary nucleation of H 2 O and H 2 SO 4 , suggesting that another species participated. Particle growth rates were estimated from the data with two independent approaches and in both cases were ∼5 to 10 times higher than can be explained by condensation of H 2 SO 4 and its associated water. This suggests that species in addition to H 2 S0 4 were also making large contributions to ultrafine particle growth. Finally, calculated steady‐state H 2 SO 4 concentrations were found to be in good agreement with measured values if the mass accommodation coefficient for H 2 SO 4 on aerosol surfaces was assumed equal to ∼1.

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.

The tandem differential mobility analyzer (TDMA) is useful for studying phenomena that lead to size changes in submicron aerosol particles. Evaporation, condensation and chemical reactions within airborne droplets are examples of such phenomena. With this method, aerosols of a known size are selected with a differential mobility analyzer (DMA). These monodisperse aerosols then undergo processes that result in growth or shrinkage; the extent of growth or shrinkage is determined with a second DMA. In this paper, a theoretical treatment of a TDMA system is presented, and procedures for laboratory implementation are discussed. The theory is presented in an analytic form that can be encoded for on-line or off-line data analysis. Statistical techniques are used to calculate the precision with which size changes can be determined, and results of these analyses are confirmed experimentally. It is shown that diameter changes can be measured with a precision of about 0.3% using available instrumentation. For aerosols in the 0.01–0.2 μm diameter range where the technique works best, this corresponds to diameter changes of 0.03–0.6 nm, or the characteristic thickness of a monolayer.

We used the aerosol particle mass analyzer (APM) to measure the mass of mobility-classified diesel exhaust particles. This information enabled us to determine the effective density and fractal dimension of diesel particles as a function of engine load. We found that the effective density decreases as particle size increases. TEM images showed that this occurs because particles become more highly agglomerated as size increases. Effective density and fractal dimension increased somewhat as engine load decreased. TEM images suggest that this occurs because these particles contain more condensed fuel and/or lubricating oil. Also, we observed higher effective densities when high-sulfur EPA fuel (approximately 360 ppm S) was used than for Fischer-Tropsch fuel (approximately 0 ppm S). In addition, the effective density provides the relationship between mobility and aerodynamic equivalent diameters. The relationship between these diameters enables us to intercompare, in terms of a common measure of size, mass distributions measured with the scanning mobility particle sizer (SMPS) and a MOUDI impactor without making any assumptions about particle shape or density. We show that mass distributions of diesel particles measured with the SMPS-APM are in good agreement with distributions measured with a MOUDI and a nano-MOUDI for particles larger than approximately 60 nm. However, significantly more mass and greater variation were observed by the nano-MOUDI for particles smaller than 40 nm than by the SMPS-APM.

A particle beam is produced when a particle-laden gas expands through a nozzle into a vacuum. This work discusses the theoretical basis of a novel method for producing highly collimated and tightly focused particle beams. The approach is to pass the particle-laden gas through a series of axisymmetric contractions and enlargements (so-called aerodynamic lenses) before the nozzle expansion. Particles are moved closer to the axis by a lens if the particle sizes are less than a critical value and particles can be confined very closely to the axis by using multiple lenses in series. Since particles close to the axis experience small radial drag forces, they stay close to the axis during nozzle expansion and therefore form a narrow particle beam downstream. The major effects that limit the minimum beam width are Brownian motion and lift forces on particles during the nozzle expansion. Simple theoretical models are developed in this work to estimate the minimum particle beam width set by these effects. While the Brownian-motion effects occur for all types of particles, the lift-force effects only occur for nonspherical particles but are often much greater than the Brownian-motion effects.

Correlations between concentrations of newly formed particles and sulfuric acid vapor were analyzed for twenty one nucleation events measured in diverse continental and marine atmospheric environments. A simple power law model for formation rates of 1 nm particles, J 1 = K · [ H 2 SO 4 ] P , where P and K are least squares parameters, was tested for each environment. We found that, to within experimental uncertainty, P = 2. Constraining P to 2, the prefactor K kinetic ranges from 10 −14 to 10 −11 cm 3 s −1 . According to the nucleation theorem, an exponent value of 2 indicates that the critical cluster contains two sulfuric acid molecules. Existing nucleation rate expressions based on classical nucleation theory predict significantly larger values of P . The prefactor values vary with environment and are 1 to 4 orders of magnitude below the hard‐sphere collision limit. These results provide a simple parameterization for atmospheric new particle formation that could be used in global climate models.

We present laboratory studies and field observations that explore the role of aminium salt formation in atmospheric nanoparticle growth. These measurements were performed using the Thermal Desorption Chemical Ionization Mass Spectrometer (TDCIMS) and Ultrafine Hygroscopicity Tandem Differential Mobility Analyzers. Laboratory measurements of alkylammonium-carboxylate salt nanoparticles show that these particles exhibit lower volatilities and only slightly lower hygroscopicities than ammonium sulfate nanoparticles. TDCIMS measurements of these aminium salts showed that the protonated amines underwent minimal decomposition during analysis, with detection sensitivities comparable to those of organic and inorganic deprotonated acids. TDCIMS observations made of a new particle formation event in an urban site in Tecamac, Mexico, clearly indicate the presence of protonated amines in 8-10 nm diameter particles accounting for about 47% of detected positive ions; 13 nm particles were hygroscopic with an average 90% RH growth factor of 1.42. Observations of a new particle formation event in a remote forested site in Hyytiälä, Finland, show the presence of aminium ions with deprotonated organic acids; 23% of the detected positive ions during this event are attributed to aminium salts while 10 nm particles had an average 90% RH growth factor of 1.27. Similar TDCIMS observations during events in Atlanta and in the vicinity of Boulder, Colorado, show that aminium salts accounted for 10-35% of detected positive ions. We conclude that aminium salts contribute significantly to nanoparticle growth and must be accounted for in models to accurately predict the impact of new particle formation on climate.