Ecosystem scale measurements of surface--atmosphere volatile organic compound exchange

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7091-55-5
Title: Ecosystem scale measurements of surface--atmosphere volatile organic compound exchange
Author: Rantala, Pekka
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Atmospheric Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Volatile organic compounds (VOC) are emitted into the atmosphere from both biogenic and anthropogenic sources. Some VOCs act as aerosol precursor compounds in the atmosphere, and thus, affect Earth's radiative budget and the global climate. In this thesis VOC exchange between the surface and the atmosphere was studied in an ecosystem scale using micrometeorological flux measurement techniques combined with proton transfer reaction mass spectrometry for VOC concentration measurements. The measurements were obtained above three different environments: a Scots pine dominated boreal forest, a Mediterranean oak-hornbeam dominated forest, and an urban area. The main results were the following: i) The direct flux measurement technique, disjunct eddy covariance method, was found to be problematic in low-flux conditions, thus, the indirect surface layer profile method can be recommended for flux measurements in these conditions. Conversely, the eddy covariance method with a time-of-flight mass analyser was found to be a powerful tool for VOC flux measurements. ii) The total VOC flux in the boreal ecosystem was dominated by monoterpenes through the whole year, and also oxygenated VOCs made rather a large contribution. Monoterpene emissions depended on both temperature and light. On the other hand, isoprene was the dominant flux compound above the oak-hornbeam forest, while other compounds played only minor roles compared with the isoprene flux. The OVOC exchange was found to be bi-directional, i.e. many OVOCs, especially methanol, had also significant deposition to the surface. A semi-empirical algorithm was developed to determine the total exchange of methanol. iii) The VOC emissions from anthropogenic sources were significant and they could be determined with the disjunct eddy covariance method. The emission dynamics of VOCs was more complicated compared with the forest environments. However, in urban areas traffic was the most important source for many VOCs whereas isoprene originated mostly from urban vegetation. The methods applied in this study can be used in multiple ecosystems and the thesis provides some recommendations for selecting the most feasible and reliable methods. The results of the thesis, such as determined emission potentials, are also adaptable for modelling purposes. Keywords: VOC, flux, emission, deposition, PTR-MS, boreal forest, broadleaf forest, urban landscapeHaihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC) ovat peräisin sekä luonnollisista että ihmisen toiminnasta aiheutuvista lähteistä. Eräät näistä yhdisteistä vaikuttavat pienhiukkasten kasvuun, vaikuttaen samalla maapallon säteilytasapainoon ja sitä kautta ilmastoon. Tässä väitöskirjassa tutkittiin näiden orgaanisten yhdisteiden vaihtoa maan ja ilmakehän välillä käyttäen mikrometeorologisia vuonmittaustekniikoita. Mittaukset tehtiin pohjoisen mäntymetsän, välimerellisen tammi-valkopyökkimetsän sekä esikaupunkialueen yläpuolella käyttäen protoninsiirtoreaktiomassaspektrometriaa (PTR-MS). Tutkimuksen pääasialliset tulokset olivat seuraavat: i) Suora vuonmittaustekniikka, ajoittaisen näytteenoton kovarianssimenetelmä, todettiin monilta osin ongelmalliseksi, kun vuot olivat lähellä havaintorajaa. Tämän vuoksi epäsuora profiilimenetelmä on monissa olosuhteissa soveliaampi vuonmittaustekniikka. Toisaalta lentoaikamassaspektrometri yhdistettynä kovarianssimenetelmään todettiin erinomaiseksi työkaluksi haihtuvien orgaanisten yhdisteiden vuomittauksiin. ii) Monoterpeenit olivat merkittävin VOC-ryhmä mäntymetsän yläpuolella kaikkina vuodenaikoina. Nämä monoterpeenipäästöt riippuivat lämpötilan lisäksi valosta. Tammi-valkopyökkimetsän monoterpeenipäästöt olivat toisaalta suhteellisen pieniä verrattuna isopreenipäästöihin, jotka olivat ylivoimaisesti merkittävimpiä verrattuna mihin tahansa muuhun VOC:hen. Hapettuneiden VOC:den vaihto oli kaksisuuntaista. Merkittävin laskeuma havaittiin metanolille, jonka kokonaisvaihtoa maan ja ilmakehän välillä kehitettiin kuvaamaan puolikokeellinen algoritmi. iii) VOC-päästöt ihmisperäisistä lähteistä olivat merkittäviä ja päästöjen taso oli mahdollista määrittää ajoittaisen näytteenoton kovarianssimentelmällä. Päästöjen dynamiikan todettiin olevan kaupunkialueilla huomattavasti monimutkaisempaa verrattuna em. metsiin. Tästä huolimatta liikenne arvioitiin tärkeimmäksi lähteeksi monille orgaanisille yhdisteille, mutta myös kaupunkikasvillisuudella oli suuri vaikutus esimerkiksi isopreenipäästöihin. Tutkimuksessa sovellettuja tekniikoita voidaan käyttää erilaisten ekosysteemien VOC-päästöjen tutkimiseen, ja lisäksi väitöskirjassa annetaan joitain suosituksia parhaan vuomittaustekniikan valitsemiseksi. Väitöskirjan tulokset, esimerkiksi päästöpotentiaalit, ovat myös sovellettavissa mallinnustarkoituksiin. Avainsanat: VOC, vuo, päästö, laskeuma, PTR-MS, havumetsä, lehtimetsä, kaupunkialue
URI: URN:ISBN:978-952-7091-55-5
http://hdl.handle.net/10138/163016
Date: 2016-06-22
Subject: meteorologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
ecosyste.pdf 1.509Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record