It is essential to have a thorough understanding of the sources and sinks of oxidized nitrogen (NOy) in the atmosphere, since it has a strong influence on the tropospheric chemistry and the eutrophication of ecosystems. One unknown component in the balance of gaseous oxidized nitrogen is vegetation. Plants absorb nitrogenous species from the air via the stomata, but it is not clear whether plants can also emit them at low ambient concentrations. The possible emissions are small and difficult to measure.
The aim of this thesis was to analyse an observation made in southern Finland at the SMEAR II station: solar ultraviolet radiation (UV) induced NOy emissions in chambers measuring the gas exchange of Scots pine (Pinus sylvestris L.) shoots. Both measuring and modelling approaches were used in the study. The measurements were performed under noncontrolled field conditions at low ambient NOy concentrations.
The chamber blank i.e. artefact NOy emissions from the chamber walls, was dependent on the UV irradiance and increased with time after renewing the Teflon film on chamber surfaces. The contribution of each pine shoot to the total NOy emissions in the chambers was determined by testing whether the emissions decrease when the shoots are removed from their chambers. Emissions did decrease, but only when the chamber interior was exposed to UV radiation. It was concluded that also the pine shoots emit NOy. The possible effects of transpiration on the chamber blank are discussed in the summary part of the thesis, based on previously unpublished data.
The possible processes underlying the UV-induced NOy emissions were reviewed. Surface reactions were more likely than metabolic processes. Photolysis of nitrate deposited on the needles may have generated the NOy emissions; the measurements supported this hypothesis. In that case, the emissions apparently would consist mainly of nitrogen dioxide (NO2), nitric oxide (NO) and nitrous acid (HONO). Within studies on NOy exchange of plants, the gases most frequently studied are NO2 and NO (=NOx). In the present work, the implications of the emissions for the NOx exchange of pine were analysed with a model including both NOy emissions and NOy absorption. The model suggested that if the emissions exist, pines can act as an NOx source rather than a sink, even under relatively high ambient concentrations.Maapallon ilmakehästä noin 78% on typpikaasua (N2). Esimerkiksi teollisuuden polttoprosessien kuumuudessa N2 voi hapettua. Hapettumisen tuloksena syntyy ensin typen oksideita (NO ja NO2, joihin viitataan yhteisesti lyhenteellä NOx) ja näistä edelleen muita hapettuneita typpiyhdisteitä, esimerkiksi typpihappoa ja erilaisia nitraatteja, joihin NOx mukaanlukien viitataan lyhenteellä NOy. Typen oksidien merkittävimmät lähteet ovat fossiilisten polttoaineiden käyttö, biomassan poltto, maaperän pieneliöiden toiminta ja salamointi. NOy-yhdisteet ovat ilmansaasteita. Suurina pitoisuuksina niistä on haittaa esimerkiksi ihmisen hengityselimistölle. Pienempinä määrinä NOy-yhdisteet ovat tärkeitä, koska ne osallistuvat olennaisiin ilmakemiallisiin reaktioihin. NOx vaikuttaa suoraan mm. haitallisen alailmakehän otsonin syntyyn. Hapettunut typpi poistuu ilmasta laskeutumalla maan pinnoille sateen mukana ja kuivalaskeumana. Tämä toisaalta lannoittaa ja lisää kasvien kasvua eli rehevöittää ekosysteemejä, toisaalta myös happamoittaa maaperää.
Eräs tuntematon tekijä NOy:n kiertokulussa on kasvillisuus. Kasvien tiedetään ottavan ilmasta kaasumaisia typpiyhdisteitä ilmarakojensa kautta, kun yhdisteen pitoisuus ilmassa on riittävän korkea. Kasvien toiminnasta matalissa pitoisuuksissa ei sen sijaan ole varmuutta. Jotkut tutkijat ovat havainneet, että kasveista voi silloin vapautua NOx:a, mutta tätä ei havaita aina. Asia on vaikea selvittää, koska reaktiivisten NOx- ja NOy- yhdisteiden pienet pitoisuudet ja vuot on hankala mitata. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli tarkastella ilmiötä, joka havaittiin Hyytiälässä SMEAR II mittausasemalla: auringon ultraviolettisäteily vapautti NOy-yhdisteitä kammioissa, joilla mitattiin männyn oksien kaasunvaihtoa. Hyytiälässä ilman NOy-pitoisuudet ovat yleisesti hyvin matalia.
Männyn kaasunvaihtoa tutkittaessa oksa suljettiin kammioon, ja mitattiin, miten kaasupitoisuudet kammiossa muuttuivat kasvin toiminnan seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin UV-säteilyn vapauttavan NOy-yhdisteitä mittakammioiden sisäpinnoilta, mutta myös männyn oksilta. Olennainen osa väitöskirjatyötä oli selvittää, miten nämä kammion seinien ja männyn oksien NOy-emissiot saadaan erotettua toisistaan. Emissiot eivät vaikuttaneet olevan peräisin puun aineenvaihdunnasta vaan neulasten pinnoilta. Työssä esitettiin, että ilmasta neulasille laskeutuneen nitraatin hajoaminen UV-valossa aiheutti havaitut emissiot. Tämä ilmiö on merkityksellinen kasvien NOx- ja NOy-vaihdon tutkimuksen kannalta. Pintareaktiot ovat haitaksi, kun halutaan selvittää kasvin aineenvaihduntaa, mutta toisaalta ne ovat erottamaton osa kasvillisuuden NOy-vuota luonnossa, ja tulisi siksi huomioida.
Kasvien kaasunvaihdon osalta yleisesti tutkituin typpiyhdiste on ollut NOx. Tässä työssä havaittujen UV-säteilyn aiheuttamien emissioiden merkitystä männyn NOx-vaihdolle tarkasteltiin mallilla, joka kuvasi verson NOy-emissioita ja NOy:n ottoa. Malli ennusti, että mikäli emissiota tapahtuu, männyt toimivat pikemminkin NOx:n lähteenä kuin nieluna jopa suhteellisen korkeissa ilman NOx-pitoisuuksissa
