Search

Volatile organic compounds (VOCs) are known to be key players in the atmospheric processes. They are emitted both from natural and non-biogenic sources. Although the biogenic sources are generally dominant compared with the anthropogenic sources in some circumstances the anthropogenic emissions can dominate e.g. in densely populated areas or during pollution plumes. VOCs are ambient trace gases including a vast group of compounds. Some of the VOCs are very reactive, participating in atmospheric transformation processes e.g. secondary organic aerosol formation and growth. Some VOCs are also known to be harmful air pollutants for humans. Thus VOCs can have direct effects on air quality and secondary effects on climate. In this thesis, the aim was to define sources of VOCs, determine influence of transport and transformation of trace gases and aerosols. VOCs were measured mainly by a real time proton transfer reaction mass spectrometer. In addition, gas and liquid chromatography were used. The measurements were conducted at the rural SMEAR II and the urban background SMEAR III sites. Concentrations of VOCs were observed to have inter-annual, seasonal and diurnal variations due to meteorological factors, photochemistry and different sources. The anthropogenic influence was dominant in winter at both sites, while the biogenic influence with enhanced photochemical reactions increased in spring. The mixing and dilution effect also increased in spring and it led to decreased levels of volume mixing ratios (VMRs) in daytime especially in short-lived compounds. The VMRs of aromatic compounds were lower in spring than in winter due to lesser sources and enhanced photochemistry at both sites. At the urban background site there were more local sources than rural site and thus more variation of the diurnal patterns; higher VMRs of VOCs were observed. At both sites long-range transport was found to be an important source for long-lived VOCs. The source areas of long-lived VOCs wer, Haihtuvat orgaaniset yhdisteet (volatile organic compounds, VOC) ovat avainrooleissa ilmakehän prosessissa kuten hiukkasten ja otsonin muodostumisreaktioissa. Näitä yhdisteitä vapautuu sekä luonnollisista lähteistä että ihmisen toiminnasta. Vaikka yleensä suurin osa haihtuvista yhdisteistä on peräisin luonnollisista lähteistä, voivat ihmistoiminnasta aiheutuvat lähteet hallita päästöjä esim. tiheästi asutuilla alueilla tai metsäpaloperäisten saastesavujen kaukokulkeutumisen vuoksi. Haihtuvat orgaaniset yhdisteet ovat monikirjoinen ryhmä. Osa näistä yhdisteistä on hyvin reaktiivisia ja ne osallistuvat aerosolihiukkasten muodostumiseen ja kasvuun. Jotkut haihtuvat yhdisteet, kuten bentseeni, ovat terveydelle haitallisia. Haihtuvilla yhdisteillä voi olla siten suoria vaikutuksia ilmanlaatuun ja epäsuoria vaikutuksia ilmastoon. Työn tarkoituksena oli selvittää haihtuvien orgaanisten yhdisteiden pitoisuuksiin vaikuttavia lähdeitä sekä tutkia niiden hapetustuotteiden osallistumista hiukkasten kasvuun ja ilmakehän OH radikaalin hapetuskykyä. VOC-yhdisteitä mitattiin jatkuvatoimisesti protonin-vaihtoreaktio-massaspektrometrillä ja täydentävinä menetelminä käytettiin kaasu-ja nestekromatografiaa. Mittaukset tehtiin haja-asutusalueella sijaitsevalla SMEAR II asemalla ja SMEAR III kaupunki tausta-asemalla. Pitoisuuksilla havaittiin olevan vuosittaisia, vuodenaikaisia ja päivän sisäistä vaihtelua. Vaihtelua aiheuttivat meteorologiset tekijät, valokemia and erilaiset päästöt. Ihmistoiminnan vaikutuksen havaittiin vallitsevan pitoisuusvaihtelua talvella molemmilla mittausasemilla, ja vastaavasti luonnollisten lähteiden vaikutus voimistui keväällä. Sekoittuminen ja pitoisuuksien laimennusvaikutus voimistui keväällä, mikä madalsi päiväaikaisia pitoisuuksia lyhytikäisillä haihtuvilla yhdisteillä. Aromaattisten yhdisteiden pitoisuudet olivat matalampia keväällä molemmilla asemilla voimistuneiden valokemiallisten hajoamisreaktioiden ja vähäisempien päästöjen vuoksi. Yleisesti haihtuvi

Atmospheric aerosol particles affect public health, environment, weather and climate in various ways, and therefore the importance on obtaining information about their spatial and temporal variation is evident. Remote sensing measurements have particular capability to provide broad horizontal and/or vertical view on the ambient aerosol field from local to global scales. They also can provide observations over remote areas where carrying out in situ measurements is not possible. The aim of this Thesis, is to explore both ground-based and spaceborne remote sensing measurement techniques for monitoring aerosol particles, and their applications on air quality as well as climate studies. In the first part of this Thesis the potential of a ground-based ceilometer-type lidar to be used as an aerosol measurement device is investigated. Ceilometers are originally designed for observing cloud heights, and at the time of the study they were not commonly used to monitor aerosols. The results obtained in this study indicate that the absolute accuracy of a ceilometer-type lidar is sufficient for quantitative aerosol measurements in some applications. The first study using an improved version of the AATSR (Advanced Along-Track Scanning Radiometer) satellite algorithm shows that aerosol optical depth (AOD) can be retrieved with sufficient accuracy over Eastern China, where the aerosol conditions are highly variable and therefore challenging from the satellite remote sensing point of view. In addition, the improved version of the algorithm provides also valuable information about the fine mode particle contribution to the total AOD. The satellite based AOD data is also used to evaluate the performance of a coupled climate-aerosol model. The comparison of ECHAM5-HAM model and satellite-based AOD (from MODerate Imaging Spectroradiometer) showed that, with few exceptions, the model reproduced relatively well the spatiotemporal variation of AOD over India and China. In this Thesis it is, Ilmakehässä olevat aerosolihiukkaset vaikuttavat ihmisten terveyteen, ympäristöön, säähän ja ilmastoon monin eri tavoin. Tästä syystä aerosolihiukkaspitoisuuksien alueellisesta ja ajallisesta vaihtelusta on tärkeä saada monipuolista havaintotietoa. Kaukokartoituksella tarkoitetaan mittausta jossa kohdetta havainnoidaan mittalaitteella välimatkan päästä. Kaukokartoitusmittausten etuna on laaja alueellinen ja/tai pystysuuntainen kattavuus. Kaukokartoitusmittauksia käyttäen voidaan havainnoida myös ilmakehän aerosolihiukkasia ja saada maailmanlaajuisesti tietoa niiden pitoisuuksista sekä pystysuuntaisesta jakaumasta, myös sellaisilta alueilta joissa havaintojen tekeminen paikan päällä olisi mahdotonta. Tämän työn tavoitteena oli tutkia sekä avaruudesta että maanpinnalta tehtäviä aerosolien kaukokartoitusmittauksia sekä niiden soveltamista ilmanlaatu- ja ilmastotutkimuksessa. Työn ensimmäisessä osassa tutkittiin alun perin pilvenkorkeuden mittaamiseen tarkoitetun ceilometrin soveltuvuutta aerosolipitoisuuksien havainnointiin maanpinnalla. Tulokset osoittivat että tietyissä sovelluksissa ceilometristä voidaan saada kvantitatiivista tietoa aerosoleista. Ensimmäinen tutkimus jossa käytettiin parannettua versiota Advanced Along Track Scanning Radiometer-satelliitti-instrumentin aerosoli-algoritmista osoitti että kyseisellä instrumentilla voidaan saada luotettavaa tietoa Kiinan aerosolihiukkasten alueellisesta jakaumasta sekä pitoisuuksien vuodenaikaisvaihtelusta. Satelliittikaukokartoituksen näkökulmasta Aasia on yleisesti haastava tutkimusalue koska siellä sekä aerosolihiukkasten pitoisuudet että niiden koostumus voivat vaihdella alueellisesti paljon. Tässä työssä näytettiin myös että yhdistelemällä samanaikaista tietoa eri satelliitti-instrumenteista voidaan saada havaintoihin perustuvaa tietoa sellaisista ilmastonmuutoksen kannalta tärkeistä parametreista, jotka yleensä perustuvat mallilaskelmiin. Tulokset osoittivat että Kiinassa aerosolihiukkasten suora säteilyvaikutus

In the urban environment, atmospheric aerosols consist mainly of pollutants from anthropogenic sources. The majority of these originate from traffic and other combustion processes. A fraction of these pollutants will penetrate indoors via ventilation. However, indoor air concentrations are usually predominated by indoor sources due to the small amount of dilution air. In modern societies, people spend most of their time indoors. Thus, their exposure is controlled mainly by indoor concentrations from indoor sources. During the last decades, engineering of nanosized structures has created a new field of material science. Some of these materials have been shown to be potentially toxic to human health. The greatest potential for exposure to engineered nanomaterials (ENMs) occurs in the workplace during production and handling of ENMs. In an exposure assessment, both gaseous and particulate matter pollutants need to be considered. The toxicities of the particles usually depend on the source and age. With time, particle morphology and composition changes due to their tendency to undergo coagulation, condensation and evaporation. The PM exposure risk is related to source specific emissions, and thus, in risk assessment one needs to define source specific exposures. This thesis describes methods for source specific risk assessment of airborne particulate matter. It consists of studies related to workers ENM exposures during the synthesis of nanoparticles, packing of agglomerated TiO2 nanoparticles, and handling of nanodiamonds. Background particles were distinguished from the ENM concentrations by using different measurement techniques and indoor aerosol modelings. Risk characterization was performed by using a source specific exposure and calculated dose levels in units of particle number and mass. The exposure risk was estimated by using non-health based occupational exposure limits for ENMs. For the nanosized TiO2, the risk was also assessed from dose-biological response, Sisäilman epäpuhtaudet koostuvat ilmanvaihdon mukana tulevista ulkoilman epäpuhtauksista ja sisätilan lähteistä. Koska sisätilassa on vähän laimennosilmaa, niin sisätilan lähteet yleensä määräävät sisätilan pitoisuustasot. Koska modernissa yhteiskunnassa ihmiset viettävät valtaosan ajasta sisätiloissa, niin heidän altistuminen määräytyy suurelta osin sisätilan lähteiden aiheuttamista päästöistä. Viime vuosikymmenien aikana materiaalitekniikka on alkanut hyödyntämään synteettisiä nanohiukkasia (SNH). Jotkut näistä SNH:ta on mahdollisesti myrkyllisiä ihmisille jo pienissä pitoisuuksissa. Altisuminen näille SNH tapahtuu pääosin työpaikoilla tuotannon ja käsittelyn yhteydessä. Koska hiukkasien haitallisuudet vaihtelevat voimakkaasti niiden syntyperän mukaan niin altistuksen ja riskin arviointi tulisi tehdä lähdekohtaisten päästöjen mukaisesti. Tässä väitöskirjassa esitetään eri menetelmiä ilmassa olevien hiukkasten lähdekohtaiseen riskinarviointiin. Menetelmiä sovellettiin työntekijöiden SNH altistuksen arvioinnissa SNH:n tuotannossa, pakkauksessa ja käsittelyssä. Työntekijöiden altistuksesta aiheutunutta riskiä arvioitiin lähdekohtaisesti käyttämällä laskennallisia annoksia sekä annosvastetta, jota oltiin arvioitu altistuskokeilla. Altistuksen arvioinnissa käytettävää mittausmetriikan sopivuutta arvioitiin eri altistustapahtumille ja altistumistasoja verrattiin epävirallisiin altistusraja-arvoihin. Tutkimus tuotti tietoa SNH:n riskinarviointiin, riskimallinnuksiin, raja-arvojen sekä säädöksien määrittämiseen.

Interaction between forests and the atmosphere occurs by radiative and turbulent transport. The fluxes of energy and mass between surface and the atmosphere directly influence the properties of the lower atmosphere and in longer time scales the global climate. Boreal forest ecosystems are central in the global climate system, and its responses to human activities, because they are significant sources and sinks of greenhouse gases and of aerosol particles. The aim of the present work was to improve our understanding on the existing interplay between biologically active canopy, microenvironment and turbulent flow and quantify. In specific, the aim was to quantify the contribution of different canopy layers to whole forest fluxes. For this purpose, long-term micrometeorological and ecological measurements made in a Scots pine (Pinus sylvestris) forest at SMEAR II research station in Southern Finland were used. The properties of turbulent flow are strongly modified by the interaction between the canopy elements: momentum is efficiently absorbed in the upper layers of the canopy, mean wind speed and turbulence intensities decrease rapidly towards the forest floor and power spectra is modulated by spectral short-cut . In the relative open forest, diabatic stability above the canopy explained much of the changes in velocity statistics within the canopy except in strongly stable stratification. Large eddies, ranging from tens to hundred meters in size, were responsible for the major fraction of turbulent transport between a forest and the atmosphere. Because of this, the eddy-covariance (EC) method proved to be successful for measuring energy and mass exchange inside a forest canopy with exception of strongly stable conditions. Vertical variations of within canopy microclimate, light attenuation in particular, affect strongly the assimilation and transpiration rates. According to model simulations, assimilation rate decreases with height more rapidly than stomatal conductan, Maanpinnan ja ilmakehän välinen massan ja energian vaihto vaikuttaa suoraan ilmakehän alimman kerroksen, rajakerroksen, paikallisiin ominaisuuksiin ja pitemmällä aikajänteellä globaaliin ilmastoon. Boreaaliset metsät ovat keskeinen osa ilmastosysteemiä mm. merkittävinä hiilivarastoina ja aerosolihiukkasten lähteinä. Työssä tarkasteltiin latvuston rakenteen vaikutusta turbulenttisen, kaoottisen ja satunnaisen, virtauskentän ominaisuuksiin metsän sisällä sekä mikroilmaston ja latvusprosessien kuten fotosynteesin, kasvien lävitse tapahtuvan haihdunnan (transpiraatio) sekä aerosolihiukkasten deposition välisiä yhteyksiä. Erityisenä tavoitteena oli selvittää miten metsikön eri osat vaikuttavat ja osallistuvat koko metsikön ja ilmakehän välisiin vuorovaikutusprosesseihin. Työssä hyödynnettiin mikrometeorologisia mittauksia Helsingin Yliopiston Hyytiälän (Juupajoki) mittausasemalta (SMEAR II). Energian ja aineiden, kuten kasvihuonekaasujen, kuljetus metsän ja ilmakehän välillä tapahtuu pääasiassa säteilynä sekä turbulenssin ajamana. Turbulenttisen virtauksen ominaisuuksien tunteminen latvuston sisällä onkin tärkeää tutkittaessa ja mallinnettaessa näitä ainevirtoja. Työssä havaittiin virtauksen ominaisuuksien latvuksen sisällä vaihtelevan voimakkaasti pystysuunnassa mutta riippuvan kvalitatiivisesti metsän yllä vallitsevasta kerrostuneisuudesta. Tutkitussa tyypillistä kasvatusmännikköä edustavassa metsässä turbulenssi on suhteellisen voimakasta pois lukien öiset ja talviset tilanteet, jolloin rajakerros on voimakkaan stabiilisti kerrostunut. Voimakkaan sekoittumisen vuoksi pystysuuntaiset pitoisuuserot (CO2, kosteus, lämpötila) ilmassa pysyvät pieninä metsän sisällä. Mikroilmaston ja latvusrakenteen vaikutuksia fotosynteesin ja transpiraation voimakkuuteen latvuksen eri osissa selvitettiin mallintamalla metsikkö yksiulotteisena. Mallitulokset tukevat käsitystä että pystysuuntaiset muutokset fotosynteesinopeudessa ja transpiraation voimakkuudessa aiheutuvat ensisijassa valon