Biomass burning has lately started to attract attention because there is a need to decrease the carbon dioxide (CO2) emissions from the combustion of fossil fuels. Biomass is considered as CO2 neutral fuel. However, the burning of biomass is one of the major sources of fine particles both at the local and global scale. In addition to the use of biomass as a fuel for heat energy production, biomass burning emissions can be caused, e.g. by slash-and-burn agriculture and wild open-land fires. Indeed, the emissions from biomass burning are crucially important for the assessment of the potential impacts on global climate and local air quality and hence on human health. The chemical composition of fine particles has a notable influence on these impacts.
The overall object of this thesis was to gain knowledge on the chemistry of fine particles that originate from biomass burning as well as on the contribution of biomass burning emissions to the ambient fine particle concentrations. For this purpose novel analytical methods were developed and tested in this thesis. Moreover, the thesis is based on ambient aerosol measurements that were carried out in six European countries at 12 measurement sites during 2002 2011. Additionally, wood combustion experiments were conducted in a laboratory. The measurements included a wide range of techniques: filter and impactor samplings, offline chemical analyses (chromatographic and mass spectrometric techniques, thermal-optical method), and online measurements of particles physical properties and chemical composition (incl. particle number and mass concentrations and size distributions, concentrations of carbonaceous components, water-soluble ions, and tracer compounds).
This thesis presents main results of different studies aimed towards chemical characterisation of fine particle emissions from biomass burning. It was found that wood combustion had a significant influence on atmospheric fine particle concentrations in the Helsinki Metropolitan Area in the cold season. Especially in the residential areas local wood combustion emissions were occasionally substantial. A notable contribution of particles originating from wood combustion was detected both at suburban and urban areas caused by emissions that were distributed regionally or they were long-range transported. In addition to the wood combustion emissions, transported smokes from open-land fires in Russia and the Baltic countries affected the air quality in Helsinki in the warm season. Source-specific tracer compounds were used in the thesis for identifying the biomass burning source of fine particles. The most used tracer compounds were anhydrosugars (levoglucosan, mannosan, and galactosan) that originate specifically in the pyrolysis of cellulose and hemicelluloses, the main components of plant biomass.
In summary, the sampling and analytical methods needed for the online chemical characterisation of fine particles from biomass burning were developed in order to provide precise and prompt high-time-resolution information on biomass burning emissions. The results and the implications of this thesis provide new information on the concentrations and sources of fine particles in the boreal region.Yleinen kiinnostus biomassan palamista kohtaan on kasvanut viime aikoina. Kiinnostuksen kasvun taustalla on tarve vähentää fossiilisten polttoaineiden aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä, sillä biomassaa pidetään hiilidioksidipäästöjen suhteen neutraalina polttoaineena. Biomassan palaminen on kuitenkin yksi merkittävimmistä pienhiukkaslähteistä niin paikallisella tasolla kuin maailmanlaajuisestikin. Sen lisäksi että biomassaa poltetaan lämpöenergian tuottamiseksi, syntyy biomassan palamisen päästöjä myös mm. kulotuksista ja metsäpaloista. On olennaista tietää, millaisia vaikutuksia biomassan palamisella on ilmastoon sekä paikalliselle ilmanlaadulle ja sitä kautta ihmisten terveydelle. Pienhiukkasten kemiallisella koostumuksella on huomattava merkitys näihin vaikutuksiin.
Väitöstyössä havaittiin, että puunpoltolla on merkittävä osuus ilmakehän pienhiukkaspitoisuuksiin pääkaupunkiseudulla kylmänä vuodenaikana. Erityisesti pientalovaltaisilla alueilla paikallisten puunpolton päästöjen osuus oli ajoittain huomattavan suuri. Puunpoltosta peräisin olevien pääkaupunkiseudulle joko alueellisesti levinneiden tai kaukokulkeutuneiden pienhiukkasten osuus oli huomattava sekä pientalo- että kaupunkikeskusalueilla. Puunpolton hiukkaspäästöjen lisäksi Venäjältä ja Baltiasta kulkeutuneet metsäpalo- ja kulotussavut heikensivät ajoittain ilman laatua Helsingissä, erityisesti lämpimän kauden aikana.
Väitöstyön tavoitteena oli selvittää laaja-alaisesti biomassan palamisesta peräisin olevien pienhiukkasten kemiallista koostumusta sekä biomassan palamisen vaikutusta ilmakehän pienhiukkaspitoisuuksiin. Väitöskirjan aineisto perustuu hiukkasmittauksiin, joita tehtiin kuudessa Euroopan maassa 12:lla eri mittauspaikalla vuosien 2002 2011 aikana. Lisäksi tutkimukseen kuului laboratoriossa tehtyjä puunpolttokokeita.
Väitöskirja keskittyy erilaisissa biomassan palamistapahtumissa syntyneiden pienhiukkasten pitoisuuden, kemiallisen koostumuksen, kokojakaumien sekä lähteiden tarkasteluun Pohjois-Euroopan boreaalisella vyöhykkeellä. Työn erityisenä painopisteenä oli näytteenkeräys- ja analyysimenetelmien kehittäminen lähdespesifisille merkkiaineille, jotta lähteen tunnistus voidaan suorittaa luotettavasti ja hyvällä aikaresoluutiolla ilmakehän pienhiukkasista. Kasvibiomassan palamisessa muodostuvat anhydrosokerit (levoglukosaani, mannosaani ja galaktosaani) olivat eniten käytetyt merkkiaineet tässä väitöskirjassa
