Development of biogenic VOC emission inventories for the boreal forest

Luonnosta haihtuvat orgaaniset yhdisteet, joita pääsee ilmaan etenkin metsistä, voivat vaikuttaa paikalliseen ja alueelliseen ilmanlaatuun, koska ne reagoivat ilmakehässä. Niiden reaktiotuotteet voivat myös osallistua uusien hiukkasten muodostumiseen ja kasvuun, millä voi olla vaikutusta ilmakehän säteilytaseeseen ja tätä kautta myös ilmastoon. Hiukkaset absorboivat ja sirottavat auringon säteilyä ja maapallon lämpösäteilyä minkä lisäksi ne vaikuttavat pilvien säteilyominaisuuksiin, määrään ja elinikään. Koko maapallon mittakaavassa luonnosta tulevat hiilivetypäästöt ylittävät ihmistoiminnan aiheuttamat päästöt moninkertaisesti. Tämän vuoksi luonnon päästöjen arviointi on tärkeää kun halutaan kehittää tehokkaita ilmanlaatu- ja ilmastostrategioita. Tämä tutkimus käsittelee boreaalisen metsän hiilivetypäästöjä. Boreaalinen metsä eli pohjoinen havumetsä on suurin maanpäällinen ekosysteemi, ja se ulottuu lähes yhtenäisenä nauhana koko pohjoisen pallonpuoliskon ympäri. Sille on tyypillistä puulajien suhteellisen pieni kirjo sekä olosuhteiden ja kasvun voimakkaat vuodenaikaisvaihtelut. Työssä on tutkittu Suomen yleisimmän boreaalisen puun eli männyn hiilivetypäästöjen vuodenaikaisvaihtelua sekä päästöjen riippuvuutta lämpötilasta ja valosta. Saatuja tuloksia on käytetty yhdessä muiden boreaalisilla puilla tehtyjen päästömittaustulosten kanssa Suomen metsiä varten kehitetyssä päästömallissa. Malli perustuu lisäksi maankäyttötietoihin, suomen metsille kehitettyyn luokitukseen ja meteorologisiin tietoihin, joiden avulla se laskee metsien hiilivetypäästöt kasvukauden aikana. Suomen metsien päästöt koostuvat koko kasvukauden ajan suurelta osin alfa- ja beta-pineenistä sekä delta-kareenista. Kesällä ja syksyllä päästöissä on myös paljon sabineenia, jota tulee etenkin lehtipuista. Päästöt seuraavat lämpötilan keskimääräistä vaihtelua, ovat suurimmillaan maan eteläosissa ja laskevat tasaisesti pohjoiseen siirryttäessä. Metsän isopreenipäästö on suhteellisen pieni – Suomessa tärkein isopreeniä päästävä puu on vähäpäästöinen kuusi, koska runsaspäästöisten pajun ja haavan osuus metsän lehtimassasta on hyvin pieni. Tässä työssä on myös laskettu ensimmäinen arvio metsän seskviterpeenipäästöistä. Seskviterpeenipäästöt alkavat Juhannuksen jälkeen ja ovat kasvukauden aikana samaa suuruusluokkaa kuin isopreenipäästöt. Vuositasolla Suomen metsien hiilivetypäästöt ovat noin kaksinkertaiset ihmistoiminnasta aiheutuviin päästöihin verrattuna.

The volatile organic compounds (VOCs) emitted by vegetation, especially forests, can affect local and regional atmospheric photochemistry through their reactions with atmospheric oxidants. Their reaction products may also participate in the formation and growth of new particles which affect the radiation balance of the atmosphere, and thus climate, by scattering and absorbing shortwave and longwave radiation and by modifying the radiative properties, amount and lifetime of clouds. Globally, anthropogenic VOC emissions are far surpassed by the biogenic ones, making biogenic emission inventories an integral element in the development of efficient air quality and climate strategies. This thesis is focused on the VOC emissions from the boreal forest, the largest terrestrial biome with characteristic vegetation patterns and strong seasonality. The isoprene, monoterpene and sesquiterpene emissions of the most prevalent boreal tree species in Finland, Scots pine, have been measured and their seasonal variation and dependence on temperature and light have been studied. The measured emission data and other available observations of the emissions of the principal boreal trees have been used in a biogenic emission model developed for the forests in Finland. The model utilizes satellite landcover information, Finnish forest classification and hourly meteorological data to calculate isoprene, monoterpene, sesquiterpene and other VOC emissions over the growing season. The main compounds emitted by the boreal forest throughout the growing season in Finland are alpha- and beta-pinene and delta-carene, with a strong contribution of sabinene by the deciduous trees in summer and autumn. The emissions follow the course of the temperature and are highest in the south boreal zone with a steady decline towards the north. The isoprene emissions from the boreal forest are fairly low - the main isoprene emitters are the low emitting Norway spruce and the high emitting willow and aspen, whose foliage, however, only represents a very small percentage of the boreal leaf biomass. This work also includes the first estimate of sesquiterpene emissions from the boreal forest. The sesquiterpene emissions initiate after midsummer and are of the same order of magnitude as the isoprene emissions. At the annual level, the total biogenic emissions from the forests in Finland are approximately twice the anthropogenic VOC emissions.