Emissions, concentrations and effects of BVOCs in the boreal atmosphere

Vast amount of volatile organic compounds (VOCs) are emitted into the atmosphere from various natural and manmade sources. VOCs have an important role in the atmospheric chemistry. They participate in ozone production in the planetary boundary layer and affect the oxidation capacity of the atmosphere. VOCs also contribute to the formation and growth processes of atmospheric aerosol particles, which, once large enough, can act as a cloud condensation nuclei (CCN) and influence the climate by altering the properties of clouds. Globally, VOC emissions from forest vegetation are dominating over the other sources. The circumpolar boreal forests cover more than 35% of the Earth s total forested area, making it one of the biggest biomes on planet. This thesis focuses on the biogenic VOCs in the boreal forests with regard to their shoot scale emissions to their role in the atmosphere. First, the VOC emissions of two different Larix species, L. cajanderi and L. sibirica, were measured and reported quantitatively for the first time. Larix species are the predominant trees in large parts of the Siberian forests, where the climate is too harsh for other tree species to grow. The emissions of both examined Larix species were dominated by monoterpenes similarly to other tree species with comparable emission potentials. Second, a protocol for proton transfer reaction mass spectrometer (PTR-MS) was developed for calibration and data processing of long-term and stand-alone VOC measurements. The reliability of this protocol was tested by comparing simultaneous VOC measurements of two PTR-MS and two gas chromatograph mass spectrometers (GC-MS). The detection of five compounds was analyzed in depth and strengths and weaknesses of the measurements were highlighted. Third, the increase in biogenic VOC and CCN concentrations was investigated in connection with the global warming. This was done by analyzing long-term data of concentrations and compositions of aerosol particles and their biogenic precursor VOCs in different environments. A negative aerosol-climate feedback, driven by the increase of BVOC emissions due to climate warming, was hypothesized and found.Maapallon ilmakehään haihtuu huomattava määrä erilaisia haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC, volatile organic compound) luonnollisista lähteistä ja ihmisen toiminnan seurauksena. VOC-yhdisteillä on merkittävä rooli ilmakehän kemiassa, sillä ne osallistuvat otsonin tuotantoon rajakerroksessa ja vaikuttavat ilmakehän hapetuskykyyn. Lisäksi VOC-yhdisteet osallistuvat ilmakehän aerosolihiukkasten muodostus- ja kasvuprosesseihin. Hiukkasten kasvaessa riittävän suuriksi, ne voivat toimia tiivistymisytiminä (CCN, cloud condensation nucleai), joiden ympärille tiivistyvä vesihöyry muodostaa pilviä. Tiivistymisytimien lukumäärä vaikuttaa pilvien ominaisuuksiin ja sitä kautta maapallon ilmastoon. Maailmanlaajuisesti tarkasteltuna suurin VOC-yhdisteiden lähde on metsien kasvillisuus, erityisesti puut. Boreaaliset havumetsät kattavat yli 35 % maapallon kokonaismetsäalasta. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin haihtuvien orgaanisten yhdisteiden merkitystä boreaalisella kasvillisuusvyöhykkeellä, alkaen yksittäisten puiden VOC-emissioista päätyen VOC-yhdisteiden rooliin ilmaston kannalta. Kaksi ensimmäistä osajulkaisua keskittyvät kahden eri lehtikuusilajin (Larix cajanderi ja Larix sibirica) VOC-päästöjen mittauksiin. Lehtikuusten VOC-päästöjä ei ole aiemmin mitattu kvantitatiivisesti, vaikka lehtikuuset ovat vallitseva puulaji suuressa osassa Siperian havumetsävyöhykkeellä jossa ilmasto on liian ankara muille puulajeille. Samoin kuin muiden aiemmin mitattujen havupuiden, myös lehtikuusten päästöt olivat suurimmaksi osaksi monoterpeenejä. Lehtikuusille lasketut monoterpeenien emissiopotentiaalit olivat samaa suuruusluokkaa muiden havupuiden emissiopotentiaalien kanssa. Kolmas osajulkaisu esittelee mittausprotokollan, joka kehitettiin protoninvaihtoreaktio-massaspektrometriä (PTR-MS) varten. Protokollaan sisältyvä laitteen säännöllinen kalibrointi sekä mittaustulosten konsistentti analysointi mahdollistavat jatkuvatoimiset ja pitkäkestoiset kenttämittaukset. Kehitetyn mittausprotokollan luotettavuutta testattiin neljännessä osajulkaisussa vertaamalla samaan aikaan kahdella PTR-MS:llä ja kahdella kaasukromatografi-massaspektrometrillä (GC-MS) tehtyjä kenttämittauksia. Vertailumittauksista analysoitiin perusteellisesti viiden eri yhdisteen tulokset. Eri mittalaitteiden tulosten havaittiin korreloivan melko. Joidenkin yhdisteiden tulokset korreloivat heikommin kalibrointiin liittyvien haasteiden vuoksi. Viidennessä osajulkaisussa esitettiin hypoteesi, jonka mukaan ilmaston lämpenemiseen liittyvä kasvillisuuden VOC-emissioiden kasvu ja siitä johtuva tiivistymisydinten lukumääräpitoisuuden kasvu aiheuttavat negatiivisen ilmastollisen takaisinkytkennän, eli ilmastoa viilentävän takaisinkytkennän. Hypoteesin paikkansa pitävyyttä tutkittiin analysoimalla pitkän aikavälin mittaustuloksia usealta eri mittausasemalta. Analysoidun aineiston perusteella negatiivinen takaisinkytkentä voitiin todentaa

A source-orientated approach for estimating daytime concentrations of biogenic volatile organic compounds in an upper layer of a boreal forest canopy

Peer reviewe

Continuous flux measurements of VOCs using PTR-MS — reliability and feasibility of disjunct-eddy-covariance, surface-layer-gradient, and surface-layer-profile methods

Peer reviewe

Winter to spring transition and diurnal variation of VOCs in Finland at an urban background site and a rural site

Peer reviewe

Role of de novo biosynthesis in ecosystem scale monoterpene emissions from a boreal Scots pine forest

Peer reviewe

CO2-induced terrestrial climate feedback mechanism : From carbon sink to aerosol source and back

Peer reviewe

Sources of long-lived atmospheric VOCs at the rural boreal forest site, SMEAR II

Peer reviewe