Biogenic volatile organic compounds in tropical, temperate and boreal forest ecosystems [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Gunter Eerdekens

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• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

Biogenic volatile organic compounds in
tropical, temperate and boreal forest ecosystems








Dissertation
zur Erlangung des Grades
“Doktor der Naturwissenschaften”
im Promotionsfach Chemie







am Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz








Vorgelegt von
Gunter Eerdekens
geboren in Neerpelt, Belgien


Mainz, 2010

































































Tag der mündlichen Prüfung: 9. Dezember , 2010


















i


ABSTRACT
Biogenic volatile organic compounds (BVOC) are emitted in large quantities into the lower
troposphere primarily from terrestrial ecosystems, in particular forests. Surface fluxes of BVOCs are
important in tropospheric chemistry because of their role in ozone and aerosol formation. The temporal
and spatial variation of BVOC emissions and their role in the formation and the growth of aerosol
particles remain uncertain.
Within this dissertation, data gathered using a proton transfer reaction mass spectrometry (PTR-MS) on
three separate field campaigns is presented. The campaigns were located in tropical, temperate and boreal
forests. The main advantage of the PTR-MS technique is the high measurement frequency which permits
changes caused by transport, mixing and chemistry to be monitored on-line. PTR-MS measurements
have been performed twice at ground based sites and once from a research jet aircraft.
In Chapter 3 the PTR-MS data collected by aircraft over the tropical rainforest is presented. The study
highlighted, by comparison with a Single-Column, chemistry climate Model (SCM), the importance of
the boundary layer dynamics on the distributions of tracers. The diurnal cycle of isoprene showed an
average between 14:00 - 16:15 LT of 5.4 ppbv at canopy level and 3.3 ppbv above 300 m, indicating the
role of turbulent exchange in diluting as well as the high reactivity of isoprene towards the oxidants OH
and O . After correction for chemistry and entrainment fluxes, a maximum surface flux of 8.4 mg 3
-2 -1isoprene m h has been estimated for the tropical rainforest in the Guyana region under partially clouded
conditions with a mixing height up to ~1880 meter. This corresponds to a daily emission flux of 28.0 mg
isoprene per square meter between 9:00 and 15:00.
The Single Column, chemistry climate Model used to support the analysis, is able to reproduce the
diurnal profile provided that the temporal and vertical resolution within the model is sufficiently high to
ensure a good representation of the boundary layer dynamics.
In Chapter 4 measurements made at a temperate latitude hill site in Southern Germany are presented.
At this location, the boundary layer sank below the station’s altitude at night, isolating the station from
the ground based emissions. Trapped night time emissions within the boundary layer were observed at
the station in the morning as the boundary layer rose again over the station. Clear increases in volatile
organic species were characterised when air masses were transported to the site over the Munich
metropolitan area. Data from this campaign have been used to examine changes in mixing ratios of
volatile organic species associated with the passage of warm and cold fronts, as well as rain events.
Chapter 5 details PTR-MS measurements from a ground station in the boreal forest. Strong nocturnal
inversions with low wind speeds trapped the nearby pine forest emissions leading to high night time
VOC mixing ratios. Daytime and night time particle events during the campaign have been analysed in
detail. The night time particle event occurred synchronously with huge increases in monoterpenes, while
the second event type involved nucleation and was anti-correlated with sulphuric acid. Monoterpene
mixing ratios of up to 16 ppbv are quite extraordinary for this time of the year. Low wind speeds and
back trajectories suggest an intensive source nearby Hyytiälä. Optical stereoisomery of monoterpenes has
confirmed the source to be unnatural as the ratio of [(+)-α-pinene]/[( −)-α-pinene] is much higher than
the natural monoterpenes emissions reflect.
iii

ZUSAMMENFASSUNG
Biogene flüchtige organische Verbindungen (BFOV) werden in großen Mengen aus terrestrischen
Ökosystemen, insbesondere aus Wäldern und Wiesen, in die untere Troposphäre emittiert. Austausch-
Flüsse von BFOVs sind in der troposphärischen Chemie wichtig, weil sie eine bedeutende Rolle in der
Ozon- und Aerosolbildung haben. Trotzdem bleiben die zeitliche und räumliche Änderung der BFOV
Emissionen und ihre Rolle in Bildung und Wachstum von Aerosolen ungewiss.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der in-situ Anwendung der Protonen Transfer Reaktions
Massenspektrometrie (PTR-MS) und der Messung von biogenen flüchtigen organischen Verbindungen in
nordländischen, gemäßigten und tropischen Waldökosystemen während drei unterschiedlicher
Feldmesskampagnen. Der Hauptvorteil der PTR-MS-Technik liegt in der hohen Messungsfrequenz,
wodurch eine eventuelle Änderung in der Atmosphäre durch Transport, Vermischung und Chemie
online beobachtet werden kann. Die PTR-MS-Messungen wurden zweimal am Boden aus und einmal
von einem Forschungsflugzug durchgeführt.
In Kapitel 3 werden die PTR-MS-Daten, gesammelt während der Flugmesskampagne über dem
tropischen Regenwald, vorgelegt. Diese Studie zeigt den Belang der Grenzschichtdynamik für die
Verteilung von Spurengasen mittels eines eindimensionalen Säule - Chemie und KlimaModells (SCM).
Der Tagesablauf von Isopren zeigte zwischen 14:00 und 16:15 Uhr lokaler Zeit einen Mittelwert von
5.4 ppbv auf der Höhe der Baumspitzen und von 3.3 ppbv über 300 m Höhe. Dies deutet darauf hin, dass
sowohl der turbulente Austausch als auch die hohe Reaktionsfähigkeit von Isopren mit den Oxidantien
OH und Ozon eine wichtige Rolle spielen. Nach dem Ausgleich von chemischen Verlusten und
Entrainment (Ein- und Ausmischung von Luft an der Grenzschicht), wurde ein Fluss von
-2 -18.4 mg Isopren m h unter teilweise bewölkten Bedingungen für den tropischen Regenwald in der
Guyanregion abgeschätzt. Dies entspricht einem täglichen Emissionsfluss von 28 mg Isopren pro
Quadratmeter.
Im Kapitel 4 werden die Messungen, welche auf einer Hügellage in gemäßigter Breite in
süddeutschland stattgefunden haben, diskutiert. Bei diesem Standort ist die Grenzschicht nachts unter die
Standorthöhe abgefallen, was den Einsatzort von Emissionen abgesondert hatte. Während die
Grenzschicht morgens wieder über die Höhe des Einsatzortes anstieg, konnten die eingeschlossenen
nächtlichen Emissionen innerhalb der bodennahen Schicht beobachtet werden. Außerdem wurde ein
deutlicher Anstieg von flüchtigen organischen Verbindungen gemessen, wenn die Luftmassen über
München geführt wurden oder wenn verschmutzte Luftmassen aus dem Po-Tal über die Alpen nach
Deutschland transportiert wurden. Daten von dieser Kampagne wurden genutzt, um die Änderungen in
dem Mischungsverhältnis der flüchtigen organischen Verbindungen, verbunden mit dem Durchfluss von
warmen und kalten Wetterfronten sowie bei Regen zu untersuchen.
Im Kapitel 5 werden PTR-MS-Messungen aus dem nördlichen Nadelwaldgürtel beschrieben. Starke
nächtliche Inversionen mit einer niedrigen Windgeschwindigkeit fingen die Emissionen von
nahegelegenen Kiefernwäldern und andere BFOV-Quellen ab, was zu hohen nächtlichen BFOV-
Mischverhältnissen führte. Partikelereignisse wurden für Tag und Nacht detailliert analysiert. Die
nächtlichen Partikelereignisse erfolgten synchron mit starken extremen von Monoterpenen, obwohl das
zweite Ereignis Kernbildung einschloss und nicht mit Schwefelsäure korrelierte. Die Monoterpen
Mischungsverhältnisse von über 16 ppbv waren unerwartet hoch für diese Jahreszeit. Niedrige
Windgeschwindigkeiten und die Auswertung von Rückwärtstrajektorien deuten auf eine konzentrierte
Quelle in der Nähe von Hyytiälä hin. Die optische Stereoisomerie von Monoterpenen hat bestätigt, dass
die Quelle unnatürlich ist, da das Verhältnis von [(+)-α-pinen]/[( −)-α-pinen] viel höher ist als das
natürliches Verhältnis der beiden Enantiomeren. v

TABLE OF CONTENTS
1  Introduction ....................................................................................................... 1 
1.1  Biogenic emissions ...........