Hydrogen soil deposition and atmospheric variations in the boreal zone

This research has been prompted by an interest in the atmospheric processes of hydrogen. The sources and sinks of hydrogen are important to know, particularly if hydrogen becomes more common as a replacement for fossil fuel in combustion. Hydrogen deposition velocities (vd) were estimated by applying chamber measurements, a radon tracer method and a two-dimensional model. These three approaches were compared with each other to discover the factors affecting the soil uptake rate. A static-closed chamber technique was introduced to determine the hydrogen deposition velocity values in an urban park in Helsinki, and at a rural site at Loppi. A three-day chamber campaign to carry out soil uptake estimation was held at a remote site at Pallas in 2007 and 2008. The atmospheric mixing ratio of molecular hydrogen has also been measured by a continuous method in Helsinki in 2007 - 2008 and at Pallas from 2006 onwards. The mean vd values measured in the chamber experiments in Helsinki and Loppi were between 0.0 and 0.7 mm s-1. The ranges of the results with the radon tracer method and the two-dimensional model were 0.13 - 0.93 mm s-1 and 0.12 - 0.61 mm s-1, respectively, in Helsinki. The vd values in the three-day campaign at Pallas were 0.06 - 0.52 mm s-1 (chamber) and 0.18 - 0.52 mm s-1 (radon tracer method and two-dimensional model). At Kumpula, the radon tracer method and the chamber measurements produced higher vd values than the two-dimensional model. The results of all three methods were close to each other between November and April, except for the chamber results from January to March, while the soil was frozen. The hydrogen deposition velocity values of all three methods were compared with one-week cumulative rain sums. Precipitation increases the soil moisture, which decreases the soil uptake rate. The measurements made in snow seasons showed that a thick snow layer also hindered gas diffusion, lowering the vd values. The H2 vd values were compared to the snow depth. A decaying exponential fit was obtained as a result. During a prolonged drought in summer 2006, soil moisture values were lower than in other summer months between 2005 and 2008. Such conditions were prevailing in summer 2006 when high chamber vd values were measured. The mixing ratio of molecular hydrogen has a seasonal variation. The lowest atmospheric mixing ratios were found in the late autumn when high deposition velocity values were still being measured. The carbon monoxide (CO) mixing ratio was also measured. Hydrogen and carbon monoxide are highly correlated in an urban environment, due to the emissions originating from traffic. After correction for the soil deposition of H2, the slope was 0.49±0.07 ppb (H2) / ppb (CO). Using the corrected hydrogen-to-carbon-monoxide ratio, the total hydrogen load emitted by Helsinki traffic in 2007 was 261 t (H2) a-1. Hydrogen, methane and carbon monoxide are connected with each other through the atmospheric methane oxidation process, in which formaldehyde is produced as an important intermediate. The photochemical degradation of formaldehyde produces hydrogen and carbon monoxide as end products. Examination of back-trajectories revealed long-range transportation of carbon monoxide and methane. The trajectories can be grouped by applying cluster and source analysis methods. Thus natural and anthropogenic emission sources can be separated by analyzing trajectory clusters.

Vety on energianlähteenä ympäristöystävällinen vaihtoehto, jos se tuotetaan käyttämättä fossiilisia polttoaineita. Vetyä muodostuu ilmakehässä auringonvalon vaikutuksesta mm. metaanista. Laajat suo- ja kosteikkoalueet sekä esimerkiksi merien pohjat ovat luonnollisia metaanin päästölähteitä. Vetylähteitä ovat bensiinikäyttöisten ajoneuvojen pakokaasut, joista pääkaupunkiseudulla aiheutui noin 260 tonnin vetypäästöt vuonna 2007. Dieselkäyttöisten ajoneuvojen vetypäästöt ovat vähäiset. Edellä mainittujen tekijöiden vuoksi vedyn ilmakemialliset reaktiot ovat viime vuosikymmenen aikana olleet tieteellisen kiinnostuksen kohteena. Vedyn pitoisuus ilmakehässä ja sen lähteiden ja nielujen voimakkuudet ovat olleet vähäisessä määrin tunnettuja. Vetypitoisuuksia sekä vedyn maanielun voimakkuutta mitattiin Helsingissä, Lopella ja Pallaksella. Helsingissä tehtyjen mittausten perusteella todettiin ruuhka-aikoina häkäpitoisuuksien nopeaa kohoamista. Noin 90 % häkäkaasusta on peräisin liikenteestä. Vedyn samanaikainen nopea kohoaminen osoittaa, että se on myös peräisin liikenteen päästöistä. Pallaksella tehdyissä mittauksissa samanaikaista riippuvuutta ei todettu. Metaanin kaukokulkeutumista tutkittiin analysoimalla ilmamassojen kulkeutumista. Pallaksella korkeimmat metaanipitoisuudet havaittiin tulevan Keski- ja Itä-Euroopan teollistuneilta alueilta ja laajoilta suoalueilta Luoteis-Venäjältä. Suljettua kammiota käytettiin vedyn depositionopeuden määrittämiseksi, joka kuvaa maanielun voimakkuutta. Sitä myös mallinnettiin kaksiulotteisen mallin ja ns. radon tracer menetelmän avulla. Kaikilla kolmella menetelmällä saatuja depositionopeuden arvoja verrattiin yhden viikon aikana kertyneeseen sademäärään. Maan kosteuden lisääntyessä vedyn depositionopeudet alenivat. Talvella paksu lumikerros hidastaa vedyn kulkeutumista maan pintakerroksiin alentaen depositionopeutta. Vedyn kiertokulussa sitä poistuu ilmakehästä lähinnä maanpintakerroksiin, jossa mikrobeista peräisin olevat vapaat entsyymit kuluttavat sitä. Maanielun kautta sitä poistuu ilmakehästä noin 80 prosenttia ja loput noin 20 prosenttia ilmakemiallisten prosessien kautta. Tutkimuksissa havaittiin vedyn maanielun olevan suurimmillaan kesä- ja syyskuukausina. Kun veden haihdunta maasta voimistuu, sitä poistuu maahuokosista. Ilmiö aiheuttaa alhaisen maan kosteuden ja lisää maanielun voimakkuutta. Talvikuukausina ja pysyvän lumipeitteen aikana vedyn maanielu on heikompi jäätymisen tai maanpinnan korkean kosteuspitoisuuden vuoksi. Tutkimuksissa on havaittu ilmakehässä lumisena aikana korkeampia vedyn pitoisuuksia kuin lumettomana aikana. Tutkimuksen tulokset edistävät ilmakehän prosessien parempaa tuntemista ja tuloksia voidaan hyödyntää etsittäessä korvaavia vaihtoehtoja fossiilisille polttoaineille.