Chemical Characterisation of Boreal Forest Air with Chromatographic Techniques

Show full item record



Permalink

http://hdl.handle.net/10138/313617
Title: Chemical Characterisation of Boreal Forest Air with Chromatographic Techniques
Author: Hemmilä, Marja
Date: 2020-03
Belongs to series: Finnish Meteorological Institute Contributions 162
ISBN: 978-952-336-100-3
ISSN: 0782-6117
URI: http://hdl.handle.net/10138/313617
Abstract: Atmospheric aerosol particles are small, liquid or solid pieces that are floating in the air. They have a significant effect on air quality, human health and cloud formation. Sources of aerosols can be either primary or secondary, meaning that they can directly be emitted from the source to the air (e.g. sea salt, sand or pollen) or they can be formed from the precursor gases in the air. For example, sulphuric acid, ammonia, amines and oxidised organic vapours are gases that affect the nucleation process. Biogenic Volatile Organic Compounds (VOCs) are gases that are emitted by e.g. boreal forest, and they affect secondary organic aerosol (SOA) population by contributing to the production of oxidised organic vapours that participate in the formation and growth of secondary aerosol particles. In this thesis, thermal desorption inlet gas chromatograph coupled with mass spectrometer (TD-GC-MS) was used to determine how monoterpenes, which are one sub-group of the BVOCs, are emitted from Scots pine and Norway spruce trees. It was discovered that individual trees emit different amounts of various monoterpenes, even when the trees belong to the same species. We concluded that the emissions depend on the chemotype of the trees, which is an inherited property of the individual tree. Nitrogen containing gases, such as ammonia, amines and nitric acid can also take part in the aerosol formation and growth processes. Ammonia and amines stabilise sulphuric acid clusters, therefore helping the new aerosol particles to form. Another nitrogen contain gas, HONO, strongly affects atmospheric chemistry because it reacts with solar radiation and forms a OH• radical, which is one of the main radicals in the atmosphere. We measured the seasonal and diurnal variation of ammonia, nitric acid and HONO in the boreal forest with an instrument of Measuring AeRosols and Gases in Ambient air (MARGA), which is an online ion chromatograph with a sampling system. In this thesis, I developed a method for measuring aliphatic amines from the boreal forest air. I also coupled MARGA with a mass spectrometer (MARGA-MS) and used it to measure amine concentrations from the boreal forest air, observing the seasonal and diurnal variation of atmospheric amines. While I was measuring the atmospheric concentrations, the idea that amines could be emitted from the boreal forest floor and also melting snow and thawing ground, was born. To test this hypothesis, I measured with the MARGAMS connected to a dynamic flow through chamber emissions from the boreal forest floor. I found that the boreal forest floor is indeed a source of amines. *** Ilmakehän aerosolihiukkaset ovat pieniä, nestemäisiä tai kiinteitä hippusia, jotka leijuvat ilmassa. Niillä on merkittävä vaikutus ilmanlaatuun, terveyteen ja pilvien muodostumiseen. Aerosolien lähteitä on sekä primäärisiä että sekundäärisiä, mikä tarkoittaa sitä että ne voivat joko suoraan emittoitua lähteestä ilmaan (kuten merisuola, hiekka tai siitepöly), tai ne voivat muodostua suoraan ilmakehän kaasuista. Esimerkiksi rikkihappo, ammoniakki, amiinit ja hapettuneet orgaaniset höyryt ovat kaasuja, jotka voivat vaikuttaa nukleaatioprosessiin. Biogeeniset haihtuvat orgaaniset yhdisteet (BVOC) ovat kaasuja, jotka emittoituvat mm. pohjoisesta metsästä. Ne tuottavat hapettuneita orgaanisia höyryjä, jotka vaikuttavat sekundäärisien orgaanisien aerosolien muodostumiseen ja kasvuun. Tässä väitöskirjassa termodesorptio-kaasukromatografi-massaspektrometri-laitteistoa (TD-GC-MS) käytettiin määrittämään BVOCien alaluokkaan kuuluvien monoterpeenien haihtumista männyistä ja kuusista. Havaittiin, että yksittäiset puut emittoivat erimääriä erilaisia monoterpeeneitä, vaikka ne kuuluisivat samaan lajiin. Johtopäätöksenä oli, että emissiot riippuvat puun kemotyypistä, joka on yksittäisen puun peritty ominaisuus. Typpeä sisältävät kaasut kuten ammoniakki, amiinit ja typpihappo voivat myös ottaa osaa aerosolien muodostukseen ja kasvuun.Ammoniakki ja amiinit tasapainoittavat rikkihapporyppäitä auttaen aerosolihiukkasta syntymään. Eräs typpeä sisältävä kaasu, HONO, vaikuttaa vahvasti ilmakemiaan koska se reagoi auringon säteilyn kanssa tuottaen OH• radikaalin, joka on yksi tärkeimmistä radikaaleista ilmakehässä. Ammoniakin, typpihapon ja HONOn vuosi- ja vuorokausivaihtelua mitattiin pohjoisessa metsässä jatkuvatoimisella ionikromatografilla, joka myös ottaa näytteen itsenäisesti ilmasta (MARGA). Tässä väitöskirjassa kehitettiin menetelmä mittaamaan alifaattisia amiineita pohjoisesta metsäilmasta. MARGA yhdistettiin massaspektrometriin (MARGA-MS), ja sitä käytettiin määrittämään pohjoisen metsäilman amiinipitoisuuksia, havainnoiden amiinipitoisuuksien vuosi- ja vuorokausivaihtelu. Pitoisuuksia mitatessa syntyi ajatus metsämaan sekä sulavan lumen ja maan mahdollisuudesta olla amiinien lähde metsäilmassa. Hypoteesi testattiin liittämällä MARGA-MS dynaamiseen kammioon ja mittaamalla amiini- ja guanidiiniemissioita metsämaasta. Tulokseksi saatiin, että metsämaa tosiaan on amiinien lähde.
Subject: boreal
forest
chromatography
VOCs
nitrogen compounds
amines


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Thesis_Marja_Hemmilä.pdf 21.26Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record