Authors:	Kleiss, Betina
Title:	Emissions of volatile organic compounds from tropical savanna vegetation and biomass burning
Online publication date:	20-Jan-2005
Year of first publication:	2005
Language:	english
Abstract:	This dissertation focuses on characterizing the emissions of volatile organic compounds (VOCs) from grasses and young trees, and the burning of biomass mainly from Africa and Indonesia. The measurements were performed with a proton-transfer-reaction mass spectrometer (PTR-MS). The biogenic emissions of tropical savanna vegetation were studied in Calabozo (Venezuela). Two field campaigns were carried out, the first during the wet season (1999) and the second during the dry season (2000). Three grass species were studied: T. plumosus, H. rufa and A. canescens, and the tree species B. crassifolia, C. americana and C. vitifolium. The emission rates were determined with a dynamic plant enclosure system. In general, the emissions increased exponentially with increasing temperature and solar radiation. Therefore, the emission rates showed high variability. Consequently, the data were normalized to a standard temperature of 30°C, and standard emission rates thus determined allowed for interspecific and seasonal comparisons. The range of average daytime (10:00-16:00) emission rates of total VOCs measured from green (mature and young) grasses was between 510-960 ngC/g/h. Methanol was the primary emission (140-360 ngC/g/h), followed by acetaldehyde, butene and butanol and acetone with emission rates between 70-200 ngC/g/h. The emissions of propene and methyl ethyl ketone (MEK) were <80 ngC/g/h, and those of isoprene and C5-alcohols were between 10-130 ngC/g/h. The oxygenated species represented 70-75% of the total. The emission of VOCs was found to vary by up to a factor of three between plants of the same species, and by up to a factor of two between the different species. The annual source of methanol from savanna grasses worldwide estimated in this work was 3 to 4.4 TgC, which could represent up to 12% of the current estimated global emission from terrestrial vegetation. Two of the studied tree species, were isoprene emitters, and isoprene was also their primary emission (which accounted for 70-94% of the total carbon emitted) followed by methanol and butene + butanol. The daytime average emission rate of isoprene measured in the wet season was 27 mgC/g/h for B. crassifolia, and 123 mgC/g/h for C. vitifolium. The daytime emissions of methanol and butene + butanol were between 0.3 and 2 mgC/g/h. The total sum of VOCs emission measured during the day in the wet season was between 30 and 130 mgC/g/h. In the dry season, in contrast, the methanol emissions from C. vitifolium saplings –whose leaves were still developing– were an order of magnitude higher than in the wet season (15 mgC/g/h). The isoprene emission from B. crassifolia in the dry season was comparable to the emission in the wet season, whereas isoprene emission from C. vitifolium was about a factor of three lower (~43 mgC/g/h). Biogenic emission inventories show that isoprenoids are the most prominent and best-studied compounds. The standard emission rates of isoprene and monoterpenes of the measured savanna trees were in the lower end of the range found in the literature. The emission of other biogenic VOCs has been sparsely investigated, but in general, the standard emissions from trees studied here were within the range observed in previous investigations. The biomass burning study comprised the measurement of VOCs and other trace-gas emissions of 44 fires from 15 different fuel types, primarily from Africa and Indonesia, in a combustion laboratory. The average sum of emissions (excluding CO2, CO and NO) from African fuels was ~18 g(VOC)/kg. Six of the ten most important emissions were oxygenated VOCs. Acetic acid was the major emission, followed by methanol and formaldehyde. The emission of methane was of the same order as the methanol emission (~5 g/kg), and that of nitrogen-containing compounds was ~1 g/kg. An estimate of the VOC source from biomass burning of savannas and grasslands worldwide suggests that the sum of emissions is about 56 Tg/yr, of which 34 Tg correspond to oxygenated VOCs, 14 Tg to unsaturated and aromatic compounds, 5 Tg to methane and 3 Tg to N-compounds. The estimated emissions of CO, CO2 and NO are 216, 5117 and 9.4 Tg/yr, respectively. The emission factors reported here for Indonesian fuels are the first results of laboratory fires using Indonesian fuels. Acetic acid was the highest organic emission, followed by acetol, a compound not previously reported in smoke, methane, mass 97 (tentatively identified as furfural, dimethylfuran and ethylfuran), and methanol. The sum of total emissions of Indonesian fuels was 91 g/kg, which is 5 times higher than the emissions from African fuels. The results of this study reinforces the importance of oxygenated compounds. Due to the vast area covered by tropical savannas worldwide, the biogenic and biomass burning emission of methanol and other oxygenated compounds may be important for the regional and even global tropospheric chemistry. Die vorliegende Dissertation untersucht die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) von tropischen Gräsern und jungen Bäumen, sowie die Emissionen der Verbrennung von Biomasse aus Afrika und Indonesien. Die Messungen wurden mittels eines Proton-Transfer-Reaktion Massenspektrometer (PTR-MS) durchgeführt. Die biogenen Emissionen der tropischen Savannenvegetation wurden in Calabozo (Venezuela) gemessen. Zwei Messkampagnen wurden durchgeführt, die erste während der Regenzeit (1999), und die zweite in der Trockenzeit (2000). Die Grasarten T. plumosus, H. rufa und A. canescens, sowie die Baumarten B. crassifolia, C. americana und C. vitifolium wurden untersucht. Die Emissionsraten wurden mittels einer dynamischen Gaswechselküvette bestimmt. Die VOC Emissionen stiegen, meistens exponentiell, mit steigender Temperatur und Lichtintensität. Dementsprechend war die Variabilität der Emissionsraten sehr groß. Die Emissionen wurden daher für eine Temperatur von 30° normalisiert. Diese Standard-Emissionsraten ermöglichten interspezies und saisonale Vergleiche. Die gesamt-VOC Tagesemissionsrate (10:00-16:00) von grünen (reife und junge) Gräsern war im Durchschnitt zwischen 510-960 ngC/g/h. Methanol war mit Raten zwischen 140-360 ngC/g/h die am stärksten emittierte Substanz. Die Emissionsraten von Acetaldehyd, Buten + Butanol, und Aceton lagen zwischen 70-200 ngC/g/h; die von Propen und Methylethylketon (MEK) waren <80 ngC/g/h, während die von Isopren und C5-Alkohole zwischen 10-130 ngC/g/h lagen. Die oxygenierten Verbindungen machten zwischen 70-75% der gesamt-VOC Emission aus. Die VOC Emissionen verschiedener Individuen einer Grasart (Intraspezies) variierten bis um einen Faktor 3, und um etwa einen Faktor 2 zwischen den verschiedenen Grasarten (Interspezies). Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit, wurde die jährliche Methanolquelle von Savannengräsern weltweit auf 3 bis 4.4 TgC geschätzt, was bis zu 12% der geschätzten Emission terrestrischer Vegetation ausmachen könnte. Zwei der gemessenen Baumarten waren Isoprenemitter, und Isopren war auch die am stärksten emittierte Substanz (zwischen 70-94% des emittierten Kohlenstoffs war auf Isopren zurückzuführen), gefolgt von Methanol, Buten und Butanol. In der Regenzeit war die Isopren-Emissionsrate von B. crassifolia und C. vitifolium 27 mgC/g/h bzw. 123 mgC/g/h, während die Methanol- und Buten+Butanol-Emissionen zwischen 0.3 bzw. 2 mgC/g/h lagen. In der Trockenzeit waren die Methanolemissionen der C. vitifolium Bäumchen (deren Blätter sich noch entfalteten) um fast eine Ordnungsgröße höher als in der Regenzeit (15 mgC/g/h). Die Isoprenemission von B. crassifolia in der Trockenzeit war vergleichbar mit der in der Regenzeit, während die der C. vitifolium Individuen um einen Faktor 3 niedriger war (~43 mgC/g/h). Die Standard-Emissionsraten von Isopren und Monoterpene der Savannenbäumchen sind am niedrigeren Ende der Emissionslisten die in der Literatur zu finden sind. Die biogene Emission anderer VOCs sind bis jetzt wenig untersucht worden, aber generell sind die hier gemessenen Standard-Emissionsraten in dem Emissionsbereich der in früheren Arbeiten gemessen wurde. Das Biomasse-Verbrennungsexperiment umfasste die Messung sämtlicher VOC- und anderer Spurengas-Emissionen von 15 verschiedener Biomassetypen hauptsächlich aus Afrika und Indonesien. Die durchschnittliche Gesamtemission (außer CO2, CO und NO) der Afrikanischen Biomasse war ~18 g(VOC)/kg. Sechs der zehn wichtigsten Substanzen waren oxygenierte Verbindungen. Essigsäure war die Hauptemission, gefolgt von Methanol und Formaldehyd. Die Emission von Methan war in der gleichen Größenordnung als die der von Methanol (~5 g/kg), und die Emission der stickstoffhaltigen Verbindungen war ca. 1g/kg. Die Quellstärke der Biomasseverbrennung in den Savannen weltweit wurde auf 56 Tg/yr geschätzt, davon entsprechen 34 Tg den oxygenierten VOCs, 14 Tg den ungesättigten und aromatischen Verbindungen, 3 Tg den Stickstoff-Verbindungen und 5 Tg sind Methan. Die hier angegebenen Emissionsfaktoren sind die ersten Ergebnisse experimenteller Feuer Indonesischer Biomasse. Essigsäure war auch von diesem Brennmaterial die wichtigste organische Emission. Es folgten Acetol, eine Verbindung die zum ersten Mal in Biomasseverbrennung gemessen wurde, Methan, Masse 97 (vorläufig identifiziert als Furfural, Dimethylfuran und Ethylfuran), und Methanol. Die durchschnittliche Gesamtemission der Verbrennung Indonesischer Biomasse war 91 g/kg, was 5 Mal so hoch ist als die Gesamtemission Afrikanischer Biomasse. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben die große Bedeutung der Emission von oxygenierten Verbindungen gezeigt. Aufgrund der enormen Fläche, die weltweit Savannenvegetation aufweist, ist es möglich dass die biogene Emission und Biomasseverbrennungs-Emission von Methanol und andere Verbindungen wichtig für die regionale und sogar globale Troposphärenchemie ist.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3066
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-6573
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen