Abstract. Biomass burning (BB) is a large source of primary and secondary organic aerosols (POA and SOA). This study addresses the physical and chemical evolution of BB organic aerosols. Firstly, the evolution and lifetime of BB POA and SOA signatures observed with the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer are investigated, focusing on measurements at high-latitudes acquired during the 2008 NASA ARCTAS mission, in comparison to data from other field studies and from laboratory aging experiments. The parameter f60, the ratio of the integrated signal at m/z 60 to the total signal in the organic component mass spectrum, is used as a marker to study the rate of oxidation and fate of the BB POA. A background level of f60~0.3% ± 0.06% for SOA-dominated ambient OA is shown to be an appropriate background level for this tracer. Using also f44 as a tracer for SOA and aged POA and a surrogate of organic O:C, a novel graphical method is presented to characterise the aging of BB plumes. Similar trends of decreasing f60 and increasing f44 with aging are observed in most field and lab studies. At least some very aged BB plumes retain a clear f60 signature. A statistically significant difference in f60 between highly-oxygenated OA of BB and non-BB origin is observed using this tracer, consistent with a substantial contribution of BBOA to the springtime Arctic aerosol burden in 2008. Secondly, a summary is presented of results on the net enhancement of OA with aging of BB plumes, which shows large variability. The estimates of net OA gain range from ΔOA/ΔCO(mass) = −0.01 to ~0.05, with a mean ΔOA/POA ~19%. With these ratios and global inventories of BB CO and POA a global net OA source due to aging of BB plumes of ~8 ± 7 Tg OA yr−1 is estimated, of the order of 5 % of recent total OA source estimates. Further field data following BB plume advection should be a focus of future research in order to better constrain this potentially important contribution to the OA burden.

Abstract. We determine enhancement ratios for NOx, PAN, and other NOy species from boreal biomass burning using aircraft data obtained during the ARCTAS-B campaign and examine the impact of these emissions on tropospheric ozone in the Arctic. We find an initial emission factor for NOx of 1.06 g NO per kg dry matter (DM) burned, much lower than previous observations of boreal plumes, and also one third the value recommended for extratropical fires. Our analysis provides the first observational confirmation of rapid PAN formation in a boreal smoke plume, with 40% of the initial NOx emissions being converted to PAN in the first few hours after emission. We find little clear evidence for ozone formation in the boreal smoke plumes during ARCTAS-B in either aircraft or satellite observations, or in model simulations. Only a third of the smoke plumes observed by the NASA DC8 showed a correlation between ozone and CO, and ozone was depleted in the plumes as often as it was enhanced. Special observations from the Tropospheric Emission Spectrometer (TES) also show little evidence for enhanced ozone in boreal smoke plumes between 15 June and 15 July 2008. Of the 22 plumes observed by TES, only 4 showed ozone increasing within the smoke plumes, and even in those cases it was unclear that the increase was caused by fire emissions. Using the GEOS-Chem atmospheric chemistry model, we show that boreal fires during ARCTAS-B had little impact on the median ozone profile measured over Canada, and had little impact on ozone within the smoke plumes observed by TES.

Abstract Wildfires emit significant amounts of pollutants that degrade air quality. Plumes from three wildfires in the western U.S. were measured from aircraft during the Studies of Emissions and Atmospheric Composition, Clouds and Climate Coupling by Regional Surveys (SEAC 4 RS) and the Biomass Burning Observation Project (BBOP), both in summer 2013. This study reports an extensive set of emission factors (EFs) for over 80 gases and 5 components of submicron particulate matter (PM 1 ) from these temperate wildfires. These include rarely, or never before, measured oxygenated volatile organic compounds and multifunctional organic nitrates. The observed EFs are compared with previous measurements of temperate wildfires, boreal forest fires, and temperate prescribed fires. The wildfires emitted high amounts of PM 1 (with organic aerosol (OA) dominating the mass) with an average EF that is more than 2 times the EFs for prescribed fires. The measured EFs were used to estimate the annual wildfire emissions of carbon monoxide, nitrogen oxides, total nonmethane organic compounds, and PM 1 from 11 western U.S. states. The estimated gas emissions are generally comparable with the 2011 National Emissions Inventory (NEI). However, our PM 1 emission estimate (1530 ± 570 Gg yr −1 ) is over 3 times that of the NEI PM 2.5 estimate and is also higher than the PM 2.5 emitted from all other sources in these states in the NEI. This study indicates that the source of OA from biomass burning in the western states is significantly underestimated. In addition, our results indicate that prescribed burning may be an effective method to reduce fine particle emissions.

Reliable assessment of the impact of aerosols emitted from boreal forest fires on the Arctic climate necessitates improved understanding of emissions and the microphysical properties of carbonaceous (black carbon (BC) and organic aerosols (OA)) and inorganic aerosols. The size distributions of BC were measured by an SP2 based on the laser-induced incandescence technique on board the DC-8 aircraft during the NASA ARCTAS campaign. Aircraft sampling was made in fresh plumes strongly impacted by wildfires in North America (Canada and California) in summer 2008 and in those transported from Asia (Siberia in Russia and Kazakhstan) in spring 2008. We extracted biomass burning plumes using particle and tracer (CO, CH3CN, and CH2Cl2) data. OA constituted the dominant fraction of aerosols mass in the submicron range. The large majority of the emitted particles did not contain BC. We related the combustion phase of the fire as represented by the modified combustion efficiency (MCE) to the emission ratios between BC and other species. In particular, we derived the average emission ratios of BC/CO = 2.3 +/- 2.2 and 8.5 +/- 5.4 ng/cu m/ppbv for BB in North America and Asia, respectively. The difference in the BC/CO emission ratios is likely due to the difference in MCE. The count median diameters and geometric standard deviations of the lognormal size distribution of BC in the BB plumes were 136-141 nm and 1.32-1.36, respectively, and depended little on MCE. These BC particles were thickly coated, with shell/core ratios of 1.3-1.6. These parameters can be used directly for improving model estimates of the impact of BB in the Arctic.

Abstract. Formation of organic nitrates (RONO2) during oxidation of biogenic volatile organic compounds (BVOCs: isoprene, monoterpenes) is a significant loss pathway for atmospheric nitrogen oxide radicals (NOx), but the chemistry of RONO2 formation and degradation remains uncertain. Here we implement a new BVOC oxidation mechanism (including updated isoprene chemistry, new monoterpene chemistry, and particle uptake of RONO2) in the GEOS-Chem global chemical transport model with ∼ 25 × 25 km2 resolution over North America. We evaluate the model using aircraft (SEAC4RS) and ground-based (SOAS) observations of NOx, BVOCs, and RONO2 from the Southeast US in summer 2013. The updated simulation successfully reproduces the concentrations of individual gas- and particle-phase RONO2 species measured during the campaigns. Gas-phase isoprene nitrates account for 25–50 % of observed RONO2 in surface air, and we find that another 10 % is contributed by gas-phase monoterpene nitrates. Observations in the free troposphere show an important contribution from long-lived nitrates derived from anthropogenic VOCs. During both campaigns, at least 10 % of observed boundary layer RONO2 were in the particle phase. We find that aerosol uptake followed by hydrolysis to HNO3 accounts for 60 % of simulated gas-phase RONO2 loss in the boundary layer. Other losses are 20 % by photolysis to recycle NOx and 15 % by dry deposition. RONO2 production accounts for 20 % of the net regional NOx sink in the Southeast US in summer, limited by the spatial segregation between BVOC and NOx emissions. This segregation implies that RONO2 production will remain a minor sink for NOx in the Southeast US in the future even as NOx emissions continue to decline.

Abstract The Deep Convective Clouds and Chemistry (DC3) field experiment produced an exceptional dataset on thunderstorms, including their dynamical, physical, and electrical structures and their impact on the chemical composition of the troposphere. The field experiment gathered detailed information on the chemical composition of the inflow and outflow regions of midlatitude thunderstorms in northeast Colorado, west Texas to central Oklahoma, and northern Alabama. A unique aspect of the DC3 strategy was to locate and sample the convective outflow a day after active convection in order to measure the chemical transformations within the upper-tropospheric convective plume. These data are being analyzed to investigate transport and dynamics of the storms, scavenging of soluble trace gases and aerosols, production of nitrogen oxides by lightning, relationships between lightning flash rates and storm parameters, chemistry in the upper troposphere that is affected by the convection, and related source characterization of the three sampling regions. DC3 also documented biomass-burning plumes and the interactions of these plumes with deep convection.

Abstract. Substantial amounts of secondary organic aerosol (SOA) can be formed from isoprene epoxydiols (IEPOX), which are oxidation products of isoprene mainly under low-NO conditions. Total IEPOX-SOA, which may include SOA formed from other parallel isoprene oxidation pathways, was quantified by applying positive matrix factorization (PMF) to aerosol mass spectrometer (AMS) measurements. The IEPOX-SOA fractions of organic aerosol (OA) in multiple field studies across several continents are summarized here and show consistent patterns with the concentration of gas-phase IEPOX simulated by the GEOS-Chem chemical transport model. During the Southern Oxidant and Aerosol Study (SOAS), 78 % of PMF-resolved IEPOX-SOA is accounted by the measured IEPOX-SOA molecular tracers (2-methyltetrols, C5-Triols, and IEPOX-derived organosulfate and its dimers), making it the highest level of molecular identification of an ambient SOA component to our knowledge. An enhanced signal at C5H6O+ (m/z 82) is found in PMF-resolved IEPOX-SOA spectra. To investigate the suitability of this ion as a tracer for IEPOX-SOA, we examine fC5H6O (fC5H6O= C5H6O+/OA) across multiple field, chamber, and source data sets. A background of ~ 1.7 ± 0.1 ‰ (‰ = parts per thousand) is observed in studies strongly influenced by urban, biomass-burning, and other anthropogenic primary organic aerosol (POA). Higher background values of 3.1 ± 0.6 ‰ are found in studies strongly influenced by monoterpene emissions. The average laboratory monoterpene SOA value (5.5 ± 2.0 ‰) is 4 times lower than the average for IEPOX-SOA (22 ± 7 ‰), which leaves some room to separate both contributions to OA. Locations strongly influenced by isoprene emissions under low-NO levels had higher fC5H6O (~ 6.5 ± 2.2 ‰ on average) than other sites, consistent with the expected IEPOX-SOA formation in those studies. fC5H6O in IEPOX-SOA is always elevated (12–40 ‰) but varies substantially between locations, which is shown to reflect large variations in its detailed molecular composition. The low fC5H6O (< 3 ‰) reported in non-IEPOX-derived isoprene-SOA from chamber studies indicates that this tracer ion is specifically enhanced from IEPOX-SOA, and is not a tracer for all SOA from isoprene. We introduce a graphical diagnostic to study the presence and aging of IEPOX-SOA as a triangle plot of fCO2 vs. fC5H6O. Finally, we develop a simplified method to estimate ambient IEPOX-SOA mass concentrations, which is shown to perform well compared to the full PMF method. The uncertainty of the tracer method is up to a factor of ~ 2, if the fC5H6O of the local IEPOX-SOA is not available. When only unit mass-resolution data are available, as with the aerosol chemical speciation monitor (ACSM), all methods may perform less well because of increased interferences from other ions at m/z 82. This study clarifies the strengths and limitations of the different AMS methods for detection of IEPOX-SOA and will enable improved characterization of this OA component.

Energy-efficient urban development leads to the compact design of apartments. Recirculating ventilation solutions are an attempt to minimize the space required for ventilation ducting, but more data on their performance are needed. Cooking is a major source of volatile organic compounds (VOCs) emissions. It is necessary to assess how well recirculating kitchen hoods perform in reducing the residents' exposure to cooking fumes compared to extracting hoods, and what airflow rates assure good removal efficiency. We have monitored the occupant exposure to several VOCs generated during the cooking of a model meal under different ventilation scenarios in a purpose-built test kitchen resembling the layout of a modern, open-space apartment. Time-resolved VOC emission profiles were measured using a proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometer. The performance of activated carbon sorption-based filters for recirculating kitchen hoods in the removal of selected VOCs was also assessed. Alcohols, particularly ethanol, dominated emissions from cooking a typical Norwegian meal, but they also included acetaldehyde, acetone, carboxylic acids, and trimethylamine, among others. The use of recirculating kitchen hoods led to, on average, higher occupant exposure to VOCs compared to extracting kitchen hoods during and after cooking. This was in part due to the poor ethanol removal efficiency of the recirculating ventilation's air filters.

The ethylenediamine (NH2CH2CH2NH2) reaction with OH radicals was studied under natural sunlight conditions in a large outdoor atmospheric simulation chamber and in theoretical calculations based on CCSD(T*)-F12a/aug-cc-pVTZ//M06-2X/aug-cc-pVTZ quantum chemistry results. The OH rate coefficient was determined in relative rate experiments employing online PTR-ToF-MS detection to be kOH = (2.8 ± 0.8) × 10–10 cm3 molecule–1 s–1 at 308 ± 3 K and 1013 ± 3 hPa. The theoretical study includes a conformational mapping of ethylenediamine showing nine conformers to be considered in reaction kinetics modeling, CCSD(T*)-F12a/aug-cc-pVTZ optimized geometries, and results from vibrational anharmonicity calculations for all conformers. The rate coefficients for the OH radical reaction with each of the nine ethylenediamine conformers were obtained in master equation calculations showing the kinetics being governed by both the formation of prereaction adducts and by tight transition states giving a Boltzmann conformer weighted rate coefficient kOH = 2.9 × 10–10 cm3 molecule–1 s–1, and a 1:1 branching between H-abstraction from the NH2 and CH2 groups at 298 K and 1013 hPa. The calculated rate coefficient shows a negative temperature dependence and a negligible variation with pressure under atmospheric conditions. The theoretical kinetics data were aligned to the experimental result, and the rate coefficient in the 200–400 K region can be approximated by a modified Arrhenius expression k(T) = 1.23 × 10–10 × (T/298)0.6 × exp(249 K/T) cm3 molecule–1 s–1.