Abstract

Aerosol particles play significant roles in atmospheric processes but their effects pose large uncertainties in climate predictions. This thesis presents computational and experimental studies of aqueous organic and organic-inorganic solutions that serve as model systems of cloud droplets for better understanding of aerosols and their impact on climate. Carbon and oxygen K-edge X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) has been applied in order to study molecular level interactions in aqueous solutions of glyoxal and methylglyoxal and to investigate potential salting effects with addition of inorganic salts to the solutions. The spectra were used for identification of chemical bonds and hydrated forms in the solutions. Carbon K-edge XAS was applied also for the study of binary aqueous solutions comprising surfactantssodium hexanoate and sodium octanoate. The solutions were measured for concentrations of solutes above and below the critical micelle concentration in order to observe the formation of micelles in the solution. In the case of aqueous sodium octanoate changes in the shapes of the spectra with increasing concentrations suggest changes in the chemical environment of the carbon atoms that could possibly be related to micelle formation. COSMOtherm, a software based on COSMO-RS (COnductor like Screening MOdel for Real Solvents), was used to predict solubilities and activity coefficients for C₂–C₁₂ fatty acids with even number of carbon atoms and their sodium salts in binary aqueous solutions and also in ternary solutions, comprising inorganic salts. The computed values indicate that COSMOtherm can be used to provide information about atmospheric organic components of aqueous solutions where experimental data are currently inaccessible. The results of these studies contribute to understanding of cloud microphysics and may be used to improve accuracy of atmospheric model predictions.

Abstrakti

Aerosolihiukkasilla on merkittävä rooli ilmakehän prosesseissa, mutta niiden vaikutuksiin liittyy suuria epävarmuuksia ilmastoennusteissa. Tässä tutkielmassa on tehty laskennallisia ja kokeellisia tutkimuksia orgaanisten aineiden vesiliuoksista sekä epäorgaanisten suolojen kanssa että ilman niitä. Nämä vesiliuokset ovat mallisysteemejä pilvipisaroille, ja niiden tutkimus auttaa ymmärtämään paremmin aerosoleja ja niiden ilmastovaikutuksista. Hiilen ja hapen K-kuoren röntgenabsorptiospektroskopialla tutkittiin molekyylitason vuorovaikutuksia glyoksaalin ja metyyliglyoksaalin vesiliuoksissa ja näiden orgaanisten aineiden aiheuttamia mahdollisia muutoksia epäorgaanisten suolojen liukoisuuteen. Röntgenabsorptiospektrejä käytettiin kemiallisten sidosten ja hydratoituneiden muotojen tunnistamiseen. Hiilen K-kuoren röntgenabsorptiospektroskopiaa sovellettiin myös pinta-aktiivisia aineita (natriumheksanoaattia ja -oktanoaattia) sisältävien vesiliuosten tutkimiseen. Mittauksia tehtiin pinta-aktiivisten aineiden pitoisuuksille molemmin puolin ns. kriittistä misellikonsentraatiota, jossa misellien muodostumisen tulisi alkaa; natriumoktanoaatin vesiliuoksen tapauksessa spektrien muoto muuttui pitoisuuden kasvaessa, mikä kertoo hiiliatomien kemiallisen ympäristön muutoksesta mahdolliseen misellien muodostumiseen liittyen. COSMOtherm on COSMO-RS-menetelmään (COnductor like Screening MOdel for Real Solvents) perustuva mallinnusohjelma, jota käytettiin ennustamaan parillisen määrän hiiliatomeja sisältävien C₂–C₁₂ rasvahappojen ja niiden natriumsuolojen liukoisuuksia ja aktiivisuusvakioita vesiliuoksissa ja epäorgaanisia suoloja sisältävissä vesiliuoksissa. Laskennalliset tulokset osoittivat, että COSMOtherm voi antaa arvokasta tietoa ilmakehässä esiintyvien orgaanisten aineiden vesiliuoksista, erityisesti tapauksissa, joissa kokeellisia arvoja ei ole vielä saatavilla. Tutkimusten tulokset auttavat ymmärtämään pilvien mikrofysiikkaa ja niitä voidaan käyttää ilmakehämallien ennusteiden tarkentamisessa.