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. In March 2006 two instrumented aircraft made the first detailed field measurements of biomass burning (BB) emissions in the Northern Hemisphere tropics as part of the MILAGRO project. The aircraft were the National Center for Atmospheric Research C-130 and a University of Montana/US Forest Service Twin Otter. The initial emissions of up to 49 trace gas or particle species were measured from 20 deforestation and crop residue fires on the Yucatan peninsula. This included two trace gases useful as indicators of BB (HCN and acetonitrile) and several rarely, or never before, measured species: OH, peroxyacetic acid, propanoic acid, hydrogen peroxide, methane sulfonic acid, and sulfuric acid. Crop residue fires emitted more organic acids and ammonia than deforestation fires, but the emissions from the main fire types were otherwise fairly similar. The Yucatan fires emitted unusually high amounts of SO2 and particle chloride, likely due to a strong marine influence on this peninsula. As smoke from one fire aged, the ratio ΔO3/ΔCO increased to ~15% in 1×107 molecules/cm3) that were likely caused in part by high initial HONO (~10% of NOy). Thus, more research is needed to understand critical post emission processes for the second-largest trace gas source on Earth. It is estimated that ~44 Tg of biomass burned in the Yucatan in the spring of 2006. Mexican BB (including Yucatan BB) and urban emissions from the Mexico City area can both influence the March-May air quality in much of Mexico and the US.

Abstract. The concentration, size, and composition of non-refractory submicron aerosol (NR-PM1) was measured over Mexico City and central Mexico with a High-Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) onboard the NSF/NCAR C-130 aircraft as part of the MILAGRO field campaign. This was the first aircraft deployment of the HR-ToF-AMS. During the campaign the instrument performed very well, and provided 12 s data. The aerosol mass from the AMS correlates strongly with other aerosol measurements on board the aircraft. Organic aerosol (OA) species dominate the NR-PM1 mass. OA correlates strongly with CO and HCN indicating that pollution (mostly secondary OA, SOA) and biomass burning (BB) are the main OA sources. The OA to CO ratio indicates a typical value for aged air of around 80 μg m−3 (STP) ppm−1. This is within the range observed in outflow from the Northeastern US, which could be due to a compensating effect between higher BB but lower biogenic VOC emissions during this study. The O/C atomic ratio for OA is calculated from the HR mass spectra and shows a clear increase with photochemical age, as SOA forms rapidly and quickly overwhelms primary urban OA, consistent with Volkamer et al. (2006) and Kleinman et al. (2008). The stability of the OA/CO while O/C increases with photochemical age implies a net loss of carbon from the OA. BB OA is marked by signals at m/z 60 and 73, and also by a signal enhancement at large m/z indicative of larger molecules or more resistance to fragmentation. The main inorganic components show different spatial patterns and size distributions. Sulfate is regional in nature with clear volcanic and petrochemical/power plant sources, while the urban area is not a major regional source for this species. Nitrate is enhanced significantly in the urban area and immediate outflow, and is strongly correlated with CO indicating a strong urban source. The importance of nitrate decreases with distance from the city likely due to evaporation. BB does not appear to be a strong source of nitrate despite its high emissions of nitrogen oxides, presumably due to low ammonia emissions. NR-chloride often correlates with HCN indicating a fire source, although other sources likely contribute as well. This is the first aircraft study of the regional evolution of aerosol chemistry from a tropical megacity.

Abstract. Organic aerosol (OA) represents approximately half of the submicron aerosol in Mexico City and the Central Mexican Plateau. This study uses the high time resolution measurements performed onboard the NCAR/NSF C-130 aircraft during the MILAGRO/MIRAGE-Mex field campaign in March 2006 to investigate the sources and chemical processing of the OA in this region. An examination of the OA/ΔCO ratio evolution as a function of photochemical age shows distinct behavior in the presence or absence of substantial open biomass burning (BB) influence, with the latter being consistent with other studies in polluted areas. In addition, we present results from Positive Matrix Factorization (PMF) analysis of 12-s High-Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) OA spectra. Four components were resolved. Three of the components contain substantial organic oxygen and are termed semivolatile oxygenated OA (SV-OOA), low-volatility OOA (LV-OOA), and biomass burning OA (BBOA). A reduced "hydrocarbon-like OA" (HOA) component is also resolved. LV-OOA is highly oxygenated (atomic O/C~1) and is aged organic aerosol linked to regional airmasses, with likely contributions from pollution, biomass burning, and other sources. SV-OOA is strongly correlated with ammonium nitrate, Ox, and the Mexico City Basin. We interpret SV-OOA as secondary OA which is nearly all (>90%) anthropogenic in origin. In the absence of biomass burning it represents the largest fraction of OA over the Mexico City basin, consistent with other studies in this region. BBOA is identified as arising from biomass burning sources due to a strong correlation with HCN, and the elevated contribution of the ion C2H4O2+ (m/z 60, a marker for levoglucosan and other primary BB species). WRF-FLEXPART calculated fire impact factors (FIF) show good correlation with BBOA mass concentrations within the basin, but show location offsets in the far field due to model transport errors. This component is small or absent when forest fires are suppressed by precipitation. Since PMF factors represent organic species grouped by chemical similarity, additional postprocessing is needed to more directly apportion OA amounts to sources, which is done here based on correlations to different tracers. The postprocessed AMS results are similar to those from an independent source apportionment based on multiple linear regression with gas-phase tracers. During a flight with very high forest fire intensity near the basin OA arising from open BB represents ~66% of the OA mass in the basin and contributes similarly to OA mass in the outflow. Aging and SOA formation of BB emissions is estimated to add OA mass equivalent to about ~32–42% of the primary BBOA over several hours to a day.

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. We use an ensemble of aircraft, satellite, sonde, and surface observations for April–May 2006 (NASA/INTEX-B aircraft campaign) to better understand the mechanisms for transpacific ozone pollution and its implications for North American air quality. The observations are interpreted with a global 3-D chemical transport model (GEOS-Chem). OMI NO2 satellite observations constrain Asian anthropogenic NOx emissions and indicate a factor of 2 increase from 2000 to 2006 in China. Satellite observations of CO from AIRS and TES indicate two major events of Asian transpacific pollution during INTEX-B. Correlation between TES CO and ozone observations shows evidence for transpacific ozone pollution. The semi-permanent Pacific High and Aleutian Low cause splitting of transpacific pollution plumes over the Northeast Pacific. The northern branch circulates around the Aleutian Low and has little impact on North America. The southern branch circulates around the Pacific High and impacts western North America. Both aircraft measurements and model results show sustained ozone production driven by peroxyacetylnitrate (PAN) decomposition in the southern branch, roughly doubling the transpacific influence from ozone produced in the Asian boundary layer. Model simulation of ozone observations at Mt. Bachelor Observatory in Oregon (2.7 km altitude) indicates a mean Asian ozone pollution contribution of 9±3 ppbv to the mean observed concentration of 54 ppbv, reflecting mostly an enhancement in background ozone rather than episodic Asian plumes. Asian pollution enhanced surface ozone concentrations by 5–7 ppbv over western North America in spring 2006. The 2000–2006 rise in Asian anthropogenic emissions increased the influence by 1–2 ppbv.

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. We use observations from the April 2008 NASA ARCTAS aircraft campaign to the North American Arctic, interpreted with a global 3-D chemical transport model (GEOS-Chem), to better understand the sources and cycling of hydrogen oxide radicals (HOx≡H+OH+peroxy radicals) and their reservoirs (HOy≡HOx+peroxides) in the springtime Arctic atmosphere. We find that a standard gas-phase chemical mechanism overestimates the observed HO2 and H2O2 concentrations. Computation of HOx and HOy gas-phase chemical budgets on the basis of the aircraft observations also indicates a large missing sink for both. We hypothesize that this could reflect HO2 uptake by aerosols, favored by low temperatures and relatively high aerosol loadings, through a mechanism that does not produce H2O2. We implemented such an uptake of HO2 by aerosol in the model using a standard reactive uptake coefficient parameterization with γ(HO2) values ranging from 0.02 at 275 K to 0.5 at 220 K. This successfully reproduces the concentrations and vertical distributions of the different HOx species and HOy reservoirs. HO2 uptake by aerosol is then a major HOx and HOy sink, decreasing mean OH and HO2 concentrations in the Arctic troposphere by 32% and 31% respectively. Better rate and product data for HO2 uptake by aerosol are needed to understand this role of aerosols in limiting the oxidizing power of the Arctic atmosphere.

Abstract. Boreal regions comprise about 17 % of the global land area, and they both affect and are influenced by climate change. To better understand boreal forest fire emissions and plume evolution, 947 whole air samples were collected aboard the NASA DC-8 research aircraft in summer 2008 as part of the ARCTAS-B field mission, and analyzed for 79 non-methane volatile organic compounds (NMVOCs) using gas chromatography. Together with simultaneous measurements of CO2, CO, CH4, CH2O, NO2, NO, HCN and CH3CN, these measurements represent the most comprehensive assessment of trace gas emissions from boreal forest fires to date. Based on 105 air samples collected in fresh Canadian smoke plumes, 57 of the 80 measured NMVOCs (including CH2O) were emitted from the fires, including 45 species that were quantified from boreal forest fires for the first time. After CO2, CO and CH4, the largest emission factors (EFs) for individual species were formaldehyde (2.1 ± 0.2 g kg−1), followed by methanol, NO2, HCN, ethene, α-pinene, β-pinene, ethane, benzene, propene, acetone and CH3CN. Globally, we estimate that boreal forest fires release 2.4 ± 0.6 Tg C yr−1 in the form of NMVOCs, with approximately 41 % of the carbon released as C1-C2 NMVOCs and 21 % as pinenes. These are the first reported field measurements of monoterpene emissions from boreal forest fires, and we speculate that the pinenes, which are relatively heavy molecules, were detected in the fire plumes as the result of distillation of stored terpenes as the vegetation is heated. Their inclusion in smoke chemistry models is expected to improve model predictions of secondary organic aerosol (SOA) formation. The fire-averaged EF of dichloromethane or CH2Cl2, (6.9 ± 8.6) × 10−4 g kg−1, was not significantly different from zero and supports recent findings that its global biomass burning source appears to have been overestimated. Similarly, we found no evidence for emissions of chloroform (CHCl3) or methyl chloroform (CH3CCl3) from boreal forest fires. The speciated hydrocarbon measurements presented here show the importance of carbon released by short-chain NMVOCs, the strong contribution of pinene emissions from boreal forest fires, and the wide range of compound classes in the most abundantly emitted NMVOCs, all of which can be used to improve biomass burning inventories in local/global models and reduce uncertainties in model estimates of trace gas emissions and their impact on the atmosphere.