A substantial source of cloud condensation nuclei in the atmospheric boundary layer is thought to originate from the nucleation of trace sulphuric acid vapour. Despite extensive research, we still lack a quantitative understanding of the nucleation mechanism and the possible role of cosmic rays, creating one of the largest uncertainties in atmospheric models and climate predictions. Jasper Kirkby and colleagues present the first results from the CLOUD experiment at CERN, which studies nucleation and other ion-aerosol cloud interactions under precisely controlled conditions. They find that atmospherically relevant ammonia mixing ratios of 100 parts per trillion by volume increase the nucleation rate of sulphuric acid particles by more than a factor of 100 to 1,000. They also find that ion-induced binary nucleation of H2SO4–H2O can occur in the mid-troposphere, but is negligible in the boundary layer and so additional species are necessary. Even with the large enhancements in rate caused by ammonia and ions, they conclude that atmospheric concentrations of ammonia and sulphuric acid are insufficient to account for observed boundary layer nucleation. Atmospheric aerosols exert an important influence on climate1 through their effects on stratiform cloud albedo and lifetime2 and the invigoration of convective storms3. Model calculations suggest that almost half of the global cloud condensation nuclei in the atmospheric boundary layer may originate from the nucleation of aerosols from trace condensable vapours4, although the sensitivity of the number of cloud condensation nuclei to changes of nucleation rate may be small5,6. Despite extensive research, fundamental questions remain about the nucleation rate of sulphuric acid particles and the mechanisms responsible, including the roles of galactic cosmic rays and other chemical species such as ammonia7. Here we present the first results from the CLOUD experiment at CERN. We find that atmospherically relevant ammonia mixing ratios of 100 parts per trillion by volume, or less, increase the nucleation rate of sulphuric acid particles more than 100–1,000-fold. Time-resolved molecular measurements reveal that nucleation proceeds by a base-stabilization mechanism involving the stepwise accretion of ammonia molecules. Ions increase the nucleation rate by an additional factor of between two and more than ten at ground-level galactic-cosmic-ray intensities, provided that the nucleation rate lies below the limiting ion-pair production rate. We find that ion-induced binary nucleation of H2SO4–H2O can occur in the mid-troposphere but is negligible in the boundary layer. However, even with the large enhancements in rate due to ammonia and ions, atmospheric concentrations of ammonia and sulphuric acid are insufficient to account for observed boundary-layer nucleation.

Aerosol Formation Most atmospheric aerosol particles result from a growth process that begins with atmospheric molecules and clusters, progressing to larger and larger sizes as they acquire other molecules, clusters, and particles. The initial steps of this process involve very small entities—with diameters of less than 2 nanometers—which have been difficult to observe. Kulmala et al. (p. 943 ; see the Perspective by Andreae ) developed a sensitive observational protocol that allows these tiny seeds to be detected and counted, and they mapped out the process of aerosol formation in detail.

Nucleation of aerosol particles from trace atmospheric vapours is thought to provide up to half of global cloud condensation nuclei. Aerosols can cause a net cooling of climate by scattering sunlight and by leading to smaller but more numerous cloud droplets, which makes clouds brighter and extends their lifetimes. Atmospheric aerosols derived from human activities are thought to have compensated for a large fraction of the warming caused by greenhouse gases. However, despite its importance for climate, atmospheric nucleation is poorly understood. Recently, it has been shown that sulphuric acid and ammonia cannot explain particle formation rates observed in the lower atmosphere. It is thought that amines may enhance nucleation, but until now there has been no direct evidence for amine ternary nucleation under atmospheric conditions. Here we use the CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) chamber at CERN and find that dimethylamine above three parts per trillion by volume can enhance particle formation rates more than 1,000-fold compared with ammonia, sufficient to account for the particle formation rates observed in the atmosphere. Molecular analysis of the clusters reveals that the faster nucleation is explained by a base-stabilization mechanism involving acid-amine pairs, which strongly decrease evaporation. The ion-induced contribution is generally small, reflecting the high stability of sulphuric acid-dimethylamine clusters and indicating that galactic cosmic rays exert only a small influence on their formation, except at low overall formation rates. Our experimental measurements are well reproduced by a dynamical model based on quantum chemical calculations of binding energies of molecular clusters, without any fitted parameters. These results show that, in regions of the atmosphere near amine sources, both amines and sulphur dioxide should be considered when assessing the impact of anthropogenic activities on particle formation.

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.

Abstract Atmospheric aerosols and their effect on clouds are thought to be important for anthropogenic radiative forcing of the climate, yet remain poorly understood 1 . Globally, around half of cloud condensation nuclei originate from nucleation of atmospheric vapours 2 . It is thought that sulfuric acid is essential to initiate most particle formation in the atmosphere 3,4 , and that ions have a relatively minor role 5 . Some laboratory studies, however, have reported organic particle formation without the intentional addition of sulfuric acid, although contamination could not be excluded 6,7 . Here we present evidence for the formation of aerosol particles from highly oxidized biogenic vapours in the absence of sulfuric acid in a large chamber under atmospheric conditions. The highly oxygenated molecules (HOMs) are produced by ozonolysis of α-pinene. We find that ions from Galactic cosmic rays increase the nucleation rate by one to two orders of magnitude compared with neutral nucleation. Our experimental findings are supported by quantum chemical calculations of the cluster binding energies of representative HOMs. Ion-induced nucleation of pure organic particles constitutes a potentially widespread source of aerosol particles in terrestrial environments with low sulfuric acid pollution.

Out of the Air New-particle formation from gaseous precursors in the atmosphere is a complex and poorly understood process with importance in atmospheric chemistry and climate. Laboratory studies have had trouble reproducing the particle formation rates that must occur in the natural world. Riccobono et al. (p. 717 ) used the CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) chamber at CERN to recreate a realistic atmospheric environment. Sulfuric acid and oxidized organic vapors in typical natural concentrations caused particle nucleation at similar rates to those observed in the lower atmosphere.

A puzzle of new particles Atmospheric particulates can be produced by emissions or form de novo. New particle formation usually occurs in relatively clean air. This is because preexisting particles in the atmosphere will scavenge the precursors of new particles and suppress their formation. However, observations in some heavily polluted megacities have revealed substantial rates of new particle formation despite the heavy loads of ambient aerosols. Yao et al. investigated new particle formation in Shanghai and describe the conditions that make this process possible. The findings will help inform policy decisions about how to reduce air pollution in these types of environments. Science , this issue p. 278

Atmospheric aerosol formation is known to occur almost all over the world, and the importance of these particles to climate and air quality has been recognized. Although almost all of the processes driving aerosol formation take place below a particle diameter of 3 nanometers, observations cover only larger particles. We introduce an instrumental setup to measure atmospheric concentrations of both neutral and charged nanometer-sized clusters. By applying the instruments in the field, we come to three important conclusions: (i) A pool of numerous neutral clusters in the sub–3 nanometer size range is continuously present; (ii) the processes initiating atmospheric aerosol formation start from particle sizes of ∼1.5 nanometers; and (iii) neutral nucleation dominates over the ion-induced mechanism, at least in boreal forest conditions.