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.

Measurements of Volatile Organic Compounds - from Biogenic Emissions to Concentrations in Ambient Air

Volatile organic compounds (VOCs) affect atmospheric chemistry and thereafter also participate in the climate change in many ways. The long-lived greenhouse gases and tropospheric ozone are the most important radiative forcing components warming the climate, while aerosols are the most important cooling component. VOCs can have warming effects on the climate: they participate in tropospheric ozone formation and compete for oxidants with the greenhouse gases thus, for example, lengthening the atmospheric lifetime of methane. Some VOCs, on the other hand, cool the atmosphere by taking part in the formation of aerosol particles. Some VOCs, in addition, have direct health effects, such as carcinogenic benzene. VOCs are emitted into the atmosphere in various processes. Primary emissions of VOC include biogenic emissions from vegetation, biomass burning and human activities. VOCs are also produced in secondary emissions from the reactions of other organic compounds. Globally, forests are the largest source of VOC entering the atmosphere. This thesis focuses on the measurement results of emissions and concentrations of VOCs in one of the largest vegetation zones in the world, the boreal zone. An automated sampling system was designed and built for continuous VOC concentration and emission measurements with a proton transfer reaction - mass spectrometer (PTR-MS). The system measured one hour at a time in three-hourly cycles: 1) ambient volume mixing-ratios of VOCs in the Scots-pine-dominated boreal forest, 2) VOC fluxes above the canopy, and 3) VOC emissions from Scots pine shoots. In addition to the online PTR-MS measurements, we determined the composition and seasonality of the VOC emissions from a Siberian larch with adsorbent samples and GC-MS analysis. The VOC emissions from Siberian larch were reported for the fist time in the literature. The VOC emissions were 90% monoterpenes (mainly sabinene) and the rest sesquiterpenes (mainly a-farnesene). The normalized monoterpene emission potentials were highest in late summer, rising again in late autumn. The normalized sesquiterpene emission potentials were also highest in late summer, but decreased towards the autumn. The emissions of mono- and sesquiterpenes from the deciduous Siberian larch, as well as the emissions of monoterpenes measured from the evergreen Scots pine, were well described by the temperature-dependent algorithm. In the Scots-pine-dominated forest, canopy-scale emissions of monoterpenes and oxygenated VOCs (OVOCs) were of the same magnitude. Methanol and acetone were the most abundant OVOCs emitted from the forest and also in the ambient air. Annually, methanol and mixing ratios were of the order of 1 ppbv. The monoterpene and sum of isoprene 2-methyl-3-buten-2-ol (MBO) volume mixing-ratios were an order of magnitude lower. The majority of the monoterpene and methanol emissions from the Scots-pinedominated forest were explained by emissions from Scots pine shoots. The VOCs were divided into three classes based on the dynamics of the summer-time concentrations: 1) reactive compounds with local biological, anthropogenic or chemical sources (methanol, acetone, butanol and hexanal), 2) compounds whose emissions are only temperaturedependent (monoterpenes), 3) long-lived compounds (benzene, acetaldehyde). Biogenic VOC (methanol, acetone, isoprene MBO and monoterpene) volume mixing-ratios had clear diurnal patterns during summer. The ambient mixing ratios of other VOCs did not show this behaviour. During winter we did not observe systematical diurnal cycles for any of the VOCs. Different sources, removal processes and turbulent mixing explained the dynamics of the measured mixing-ratios qualitatively. However, quantitative understanding will require longterm emission measurements of the OVOCs and the use of comprehensive chemistry models. Keywords: Hydrocarbons, VOC, fluxes, volume mixing-ratio, boreal forest