Framework for Change Organic aerosols make up 20 to 90% of the particulate mass of the troposphere and are important factors in both climate and human heath. However, their sources and removal pathways are very uncertain, and their atmospheric evolution is poorly characterized. Jimenez et al. (p. 1525 ; see the Perspective by Andreae ) present an integrated framework of organic aerosol compositional evolution in the atmosphere, based on model results and field and laboratory data that simulate the dynamic aging behavior of organic aerosols. Particles become more oxidized, more hygroscopic, and less volatile with age, as they become oxygenated organic aerosols. These results should lead to better predictions of climate and air quality.

Organic aerosol (OA) data acquired by the Aerosol Mass Spectrometer (AMS) in 37 field campaigns were deconvolved into hydrocarbon‐like OA (HOA) and several types of oxygenated OA (OOA) components. HOA has been linked to primary combustion emissions (mainly from fossil fuel) and other primary sources such as meat cooking. OOA is ubiquitous in various atmospheric environments, on average accounting for 64%, 83% and 95% of the total OA in urban, urban downwind, and rural/remote sites, respectively. A case study analysis of a rural site shows that the OOA concentration is much greater than the advected HOA, indicating that HOA oxidation is not an important source of OOA, and that OOA increases are mainly due to SOA. Most global models lack an explicit representation of SOA which may lead to significant biases in the magnitude, spatial and temporal distributions of OA, and in aerosol hygroscopic properties.

We report the development and first field deployment of a new version of the Aerosol Mass Spectrometer (AMS), which is capable of measuring non-refractory aerosol mass concentrations, chemically speciated mass distributions and single particle information. The instrument was constructed by interfacing the well-characterized Aerodyne AMS vacuum system, particle focusing, sizing, and evaporation/ionization components, with a compact TOFWERK orthogonal acceleration reflectron time-of-flight mass spectrometer. In this time-of-flight aerosol mass spectrometer (TOF-AMS) aerosol particles are focused by an aerodynamic lens assembly as a narrow beam into the vacuum chamber. Non-refractory particle components flash-vaporize after impaction onto the vaporizer and are ionized by electron impact. The ions are continuously guided into the source region of the time-of-flight mass spectrometer, where ions are extracted into the TOF section at a repetition rate of 83.3 kHz. Each extraction generates a complete mass spectrum, which is processed by a fast (sampling rate 1 Gs/s) data acquisition board and a PC. Particle size information is obtained by chopping the particle beam followed by time-resolved detection of the particle evaporation events. Due to the capability of the time-of-flight mass spectrometer of measuring complete mass spectra for every extraction, complete single particle mass spectra can be collected. This mode provides quantitative information on single particle composition. The TOF-AMS allows a direct measurement of internal and external mixture of non-refractory particle components as well as sensitive ensemble average particle composition and chemically resolved size distribution measurements. Here we describe for the first time the TOF-AMS and its operation as well as results from its first field deployment during the PM 2.5 Technology Assessment and Characterization Study—New York (PMTACS-NY) Winter Intensive in January 2004 in Queens, New York. These results show the capability of the TOF-AMS to measure quantitative aerosol composition and chemically resolved size distributions of the ambient aerosol. In addition it is shown that the single particle information collected with the instrument gives direct information about internal and external mixture of particle components.

Throughout the winter months, the village of Roveredo, Switzerland, frequently experiences strong temperature inversions that contribute to elevated levels of particulate matter. Wood is used as fuel for 75% of the domestic heating installations in Roveredo, which makes it a suitable location to study wood burning emissions in the atmosphere in winter. An Aerodyne quadrupole aerosol mass spectrometer (Q-AMS) was used to characterize the composition of the submicrometer, non-refractory aerosol particles at this location during two field campaigns in March and December 2005. Wood burning was found to be a major source of aerosols at this location in winter. Organics dominated the composition of the aerosols from this source, contributing up to 85% of the total AMS measured mass during the afternoon and evening hours. Carbonaceous particle analysis showed that organic carbon composed up to 86% of the total carbon mass collected at evening times. Results from 14C isotope determination revealed that up to 94% of the organic mass came from non-fossil sources, which can be attributed mostly to wood burning. The unique combination of off-line 14C isotope analysis and on-line aerosol mass spectrometry was used to identify periods during which organic mass was mainly from wood burning emissions and allowed for the identification of the AMS spectral signature of this source in the atmosphere. The identified ambient signature of wood burning was found to be very similar to the mass spectral signature obtained during the burning of chestnut wood samples in a small stove and also to the spectrum of levoglucosan. Particles from wood burning appeared to be composed of highly oxygenated organic compounds, and mass fragments 60, 73, and 137 have been suggested as marker fragments for wood burning aerosols. Mass fragment 44, which is used as a marker for oxygenated organic aerosols (OOA), contributed about 5% to the total organic signal from primary wood burning sources. The ratio of the organic mass emitted from wood burning to m/z 60 in Roveredo is 36. This ratio may be used to provide an estimate of the organic aerosol mass emitted from wood burning in other locations.

Real-time measurements of submicrometer aerosol were performed using an Aerodyne aerosol mass spectrometer (AMS) during three weeks at an urban background site in Zurich (Switzerland) in January 2006. A hybrid receptor model which incorporates a priori known source composition was applied to the AMS highly time-resolved organic aerosol mass spectra. Three sources and components of submicrometer organic aerosols were identified: the major component was oxygenated organic aerosol (OOA), mostly representing secondary organic aerosol and accounting on average for 52–57% of the particulate organic mass. Radiocarbon (14C) measurements of organic carbon (OC) indicated that ∼31 and ∼69% of OOA originated from fossil and nonfossil sources, respectively. OOA estimates were strongly correlated with measured particulate ammonium. Particles from wood combustion (35–40%) and 3–13% traffic-related hydrocarbon-like organic aerosol (HOA) accounted for the other half of measured organic matter (OM). Emission ratios of modeled HOA to measured nitrogen oxides (NOx) and OM from wood burning to levoglucosan from filter analyses were found to be consistent with literature values.

Abstract. Real-time measurements of non-refractory submicron aerosols (NR-PM1) were conducted within the greater Alpine region (Switzerland, Germany, Austria, France and Liechtenstein) during several week-long field campaigns in 2002–2009. This region represents one of the most important economic and recreational spaces in Europe. A large variety of sites was covered including urban backgrounds, motorways, rural, remote, and high-alpine stations, and also mobile on-road measurements were performed. Inorganic and organic aerosol (OA) fractions were determined by means of aerosol mass spectrometry (AMS). The data originating from 13 different field campaigns and the combined data have been utilized for providing an improved temporal and spatial data coverage. The average mass concentration of NR-PM1 for the different campaigns typically ranged between 10 and 30 μg m−3. Overall, the organic portion was most abundant, ranging from 36% to 81% of NR-PM1. Other main constituents comprised ammonium (5–15%), nitrate (8–36%), sulfate (3–26%), and chloride (0–5%). These latter anions were, on average, fully neutralized by ammonium. As a major result, time of the year (winter vs. summer) and location of the site (Alpine valleys vs. Plateau) could largely explain the variability in aerosol chemical composition for the different campaigns and were found to be better descriptors for aerosol composition than the type of site (urban, rural etc.). Thus, a reassessment of classifications of measurements sites might be considered in the future, possibly also for other regions of the world. The OA data was further analyzed using positive matrix factorization (PMF) and the multi-linear engine ME (factor analysis) separating the total OA into its underlying components, such as oxygenated (mostly secondary) organic aerosol (OOA), hydrocarbon-like and freshly emitted organic aerosol (HOA), as well as OA from biomass burning (BBOA). OOA was ubiquitous, ranged between 36% and 94% of OA, and could be separated into a low-volatility and a semi-volatile fraction (LV-OOA and SV-OOA) for all summer campaigns at low altitude sites. Wood combustion (BBOA) accounted for a considerable fraction during wintertime (17–49% OA), particularly in narrow Alpine valleys BBOA was often the most abundant OA component. HOA/OA ratios were comparatively low for all campaigns (6–16%) with the exception of on-road, mobile measurements (23%) in the Rhine Valley. The abundance of the aerosol components and the retrievability of SV-OOA and LV-OOA are discussed in the light of atmospheric chemistry and physics.