Dronella tehtävät SIF-mittaukset pohjoisella havumetsävyöhykkeellä: SIF-mittalaitteen kuvaus, uuden mittausproseduurin luominen ja mittaustulokset
Honkanen, Marika (2023)
2023
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Master's Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305095511
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305095511
Tiivistelmä
Hiilen kiertokulku ilma- ja eliökehän välillä on ajankohtainen ja erittäin merkittävä tutkimuskysymys, sillä hiilidioksidi on yksi vaikuttavimmista kasvihuonekaasuista. Eliökehästä ilmakehään siirtyvää hiiltä voidaan mitata muun muassa vuomittauksilla, mutta eliökehään sitoutuvaa hiiltä, GPP:tä (eng. gross primary production) on vaikeampi mitata. Sen tunteminen on kuitenkin ensiarvoisen tärkeää, jotta ymmärretään esimerkiksi kasvien yhteyttämisprosessia ja hiilinielujen toimintaa.
Yhteyttämistä varten kasvit absorboivat auringonvaloa. Samalla kasvit emittoivat pienen osan valosta takaisin klorofyllifuoresenssisäteilynä. Jos yhteyttämiseen käytetty valo on peräisin auringosta, fuoresenssisäteilyä kutsutaan SIF:ksi (eng. solar-induced fuorescence). SIF-signaali onkin ikään kuin yhteyttämisen sivutuote. Koska hiili sitoutuu eliökehään kasvien yhteyttäessä, SIF:iä voidaan pitää optisena signaalina, jota mittaamalla saadaan tietoa GPP:stä. Optinen signaali puolestaan mahdollistaa sen, että SIF:iä on mahdollista mitata sateliitteilla, jolloin mittaukset kattavat koko maapallon. Sen avulla saadaan siis arvioita globaalille GPP-tuotolle, mikä ei olisi mahdollista perinteisillä maanpinnalla tehtävillä GPP-mittauksilla.
Mitatun SIF:n ja GPP:n yhteys on kuitenkin vielä osin epäselvä ja yhteys riippuu useista fyysisistä ja fysiologisista tekijöistä kuten absorboidun valon määrästä ja kasvillisuustyypistä. SIF:n ja GPP:n yhteyden tutkimiseksi tarvitaankin mittauksia eri kokoluokissa aina lehtitasolta ekosysteemitasoon asti. Lisäksi esimerkiksi tornista, droneista ja lentokoneista tehtyjä mittauksia voidaan käyttää validoimaan sateliittimittauksia. Toistaiseksi drone-mittauksia on tehty huomattavasti vähemmän kuin torni- ja satelliittimittauksia.
Tässä työssä tutkittiin SIF-signaalin mittaamista droneen kiinnitetyllä mittalaitteella. Mittaukset tehtiin kesällä 2020 Sodankylässä, joka sijaitsee boreaalisella havumetsävyöhykkeellä. Mittausten avulla tutkittiin, miten SIF-signaalia mitataan luotettavasti droneen kiinnitetyllä mittalaitteella ja millaisiin tarkoituksiin drone-mittaukset soveltuvat. Lisäksi pyrittiin hahmottamaan, mitkä tekijät tuovat epävarmuutta mittauksiin ja miten ne voidaan huomioida mittauksissa ja laskennassa.
Työssä havaittiin, että erilaiset kasvillisuusalueet emittoivat erisuuruista SIF-signaalia. Myös homogeenisen kasvillisuusalueen sisällä havaittiin vaihtelua signaalin suuruudessa. Lisäksi huomattiin, että signaali heikkenee korkeuden funktiona. SIF-signaalin muutosta kasvukauden aikana pyrittiin myös mittamaan. Työssä mitatut SIF:n arvot vaihtelivat välillä 0.1−0.5 mW/(m2 nm sr). Arvot ovat samaa kokoluokkaa, mutta hieman keskimääräistä matalammat kuin muissa vastaavissa tutkimuksissa. Edellä mainittuja tuloksia voi hyödyntää, kun suunnitellaan sateliittimittausten validointia ja evaluointia. Lisäksi mittauksia voi käyttää esimerkiksi SIF-signaalin heikkenemistä tutkittaessa ja yhteyttämisen prosessimallien validoinnissa. Dronella tehtyjen SIF-mittausten avulla voidaan ymmärtää paremmin SIF:n ja GPP:n välistä yhteyttä, mikä puolestaan auttaa ymmärtämään ja mittaamaan globaalia hiilenkiertoa.
Yhteyttämistä varten kasvit absorboivat auringonvaloa. Samalla kasvit emittoivat pienen osan valosta takaisin klorofyllifuoresenssisäteilynä. Jos yhteyttämiseen käytetty valo on peräisin auringosta, fuoresenssisäteilyä kutsutaan SIF:ksi (eng. solar-induced fuorescence). SIF-signaali onkin ikään kuin yhteyttämisen sivutuote. Koska hiili sitoutuu eliökehään kasvien yhteyttäessä, SIF:iä voidaan pitää optisena signaalina, jota mittaamalla saadaan tietoa GPP:stä. Optinen signaali puolestaan mahdollistaa sen, että SIF:iä on mahdollista mitata sateliitteilla, jolloin mittaukset kattavat koko maapallon. Sen avulla saadaan siis arvioita globaalille GPP-tuotolle, mikä ei olisi mahdollista perinteisillä maanpinnalla tehtävillä GPP-mittauksilla.
Mitatun SIF:n ja GPP:n yhteys on kuitenkin vielä osin epäselvä ja yhteys riippuu useista fyysisistä ja fysiologisista tekijöistä kuten absorboidun valon määrästä ja kasvillisuustyypistä. SIF:n ja GPP:n yhteyden tutkimiseksi tarvitaankin mittauksia eri kokoluokissa aina lehtitasolta ekosysteemitasoon asti. Lisäksi esimerkiksi tornista, droneista ja lentokoneista tehtyjä mittauksia voidaan käyttää validoimaan sateliittimittauksia. Toistaiseksi drone-mittauksia on tehty huomattavasti vähemmän kuin torni- ja satelliittimittauksia.
Tässä työssä tutkittiin SIF-signaalin mittaamista droneen kiinnitetyllä mittalaitteella. Mittaukset tehtiin kesällä 2020 Sodankylässä, joka sijaitsee boreaalisella havumetsävyöhykkeellä. Mittausten avulla tutkittiin, miten SIF-signaalia mitataan luotettavasti droneen kiinnitetyllä mittalaitteella ja millaisiin tarkoituksiin drone-mittaukset soveltuvat. Lisäksi pyrittiin hahmottamaan, mitkä tekijät tuovat epävarmuutta mittauksiin ja miten ne voidaan huomioida mittauksissa ja laskennassa.
Työssä havaittiin, että erilaiset kasvillisuusalueet emittoivat erisuuruista SIF-signaalia. Myös homogeenisen kasvillisuusalueen sisällä havaittiin vaihtelua signaalin suuruudessa. Lisäksi huomattiin, että signaali heikkenee korkeuden funktiona. SIF-signaalin muutosta kasvukauden aikana pyrittiin myös mittamaan. Työssä mitatut SIF:n arvot vaihtelivat välillä 0.1−0.5 mW/(m2 nm sr). Arvot ovat samaa kokoluokkaa, mutta hieman keskimääräistä matalammat kuin muissa vastaavissa tutkimuksissa. Edellä mainittuja tuloksia voi hyödyntää, kun suunnitellaan sateliittimittausten validointia ja evaluointia. Lisäksi mittauksia voi käyttää esimerkiksi SIF-signaalin heikkenemistä tutkittaessa ja yhteyttämisen prosessimallien validoinnissa. Dronella tehtyjen SIF-mittausten avulla voidaan ymmärtää paremmin SIF:n ja GPP:n välistä yhteyttä, mikä puolestaan auttaa ymmärtämään ja mittaamaan globaalia hiilenkiertoa.