Interpretation of carbon dioxide satellite observations over Finland

Thumbnail Image

Files

master_Laug_Rasmus_2025.pdf (8.65 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-30

Department

Major/Subject

Computer Science

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Computer, Communication and Information Sciences

Language

en

Pages

83

Series

Abstract

This thesis studies satellite-based remote sensing observations of carbon dioxide (CO2) in Finland. The looming concern over the global warming has led to creation of numerous research papers on the detection of emission sources, as well as real-world policies to be implemented. The implementation of the policies also states that monitoring is required, and this has led to the planned launch of a new CO2 observing mission by European Space Agency (ESA) called The Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring Mission (CO2M) in 2026. However, what is the state of currently available satellite measurements, and may they be used to study Finnish emission sources? How much data is provided by the platforms in Finland? According to the platforms, what is the expected monthly CO2 in the region? Are there any detectable emission sources, and if so is it feasible to estimate emissions from them? Literature review of CO2 and climate was performed to understand the various variabilities in the atmosphere, and how the CO2 variations are generally modelled. The modelling this thesis used was modified skewed wave method, or nicknamed by its first use ‘Lindqvist skewed wave fit’. The method showed expected differences for different countries, as well as performed well when compared to similar modelling method utilized by National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). The skewed wave model defined the expected CO2 during the different seasons. The thesis started out by finding the available platforms to use. The selection of platform landed on Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2), due to best available spatial resolution and the largest data coverage in Finland. Based on the OCO-2 observations the seasonal cycle amplitude was determined to be 4.6 ppm, and peak-to-peak amplitude 9.2 ppm over Finland. Due to the disadvantages of northern latitudes for passive satellite observations, the seasonal peak was determined not to be caught, and the peak-to-peak amplitude was speculated to be approximately 13 ppm. Search for feasible locations for source detection was done using Emissions Database for Global Atmospheric Research (EDGAR) dataset by finding the large reported emission locations in the Finnish region. After the large-emission sites in Finnish context were found, OCO-2 overpasses were studied. This ended up with the selection of three sites, and in total five overpasses to be further studied. Majority of the overpasses did not show any clear enhancements near the observation sites. Studied high-emission locations were: Meri-Pori power-plant, Raahe SSAB steel factory, and Kemi, which is home to multiple industrial sites. The most promising of the sites was the steel factory in Raahe, due to enhancements being visible in the region, and the proximity of the overpass. The steel factory produces approx. 0.5 MtCO2 /year according to EDGAR. It was determined that this was the most likely visible emission source and feasible for emission estimations. If the site is validated via emission estimation methods the site would be the approximately 15 times smaller than previously identified smallest emission source Comanche coal-powered power plant (7.7MtCO2 /year) in the United States using satellite-based methods.

Tämä opinnäytetyö tutkii satelliittipohjaisia hiilidioksidin (CO2) kaukokartoitushavaintoja Suomessa. Huoli uhkaavasta ilmaston lämpenemisestä on johtanut lukuisiin tutkimuksiin päästölähteistä ja näiden havaitsemisesta, sekä myös johtanut poliittisiin linjauksiin. Linjauksien implementointi on myös asettanut vaatimuksen päästölähteiden monitoroinnille, joka on johtanut uuteen avaruushankkeeseen nimeltä ‘The Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring Mission’ (CO2M). Hankkeen ensimmäinen satelliitti on tarkoitus laukaista vuonna 2026 Euroopan avaruusjärjestön (ESA) toimesta. Opinnäytetyö tutkii mihin tämänhetkiset satelliittipohjaiset kaukokartoitushankkeet pystyvät ja ovatko nämä riittäviä tutkimaan Suomen hiilidioksidilähteitä. Kuinka paljon nykyiset CO2 satelliittihankkeet tuottavat kaukokartoitushavaintoja Suomessa? Mikä on Suomessa odotettu kuukausittainen CO2-taso kaukokartoitushavaintojen perusteella? Onko Suomessa havaittavia yksittäisiä hiilidioksidilähteitä ja jos on, niin onko emissioiden laskenta mahdollista satelliittidatan perusteella? Opinnäytetyö aloitettiin kartoittamalla sopiva satelliitti tutkimuksen suorittamiseen. Satelliitiksi valittiin ‘Orbiting Carbon Observatory-2’ (OCO-2) parhaimman resoluution ja suurimman kattavuuden johdosta Suomen alueella. Kirjallisuuskatsaus hiilidioksidista ja ilmastosta suoritettiin, jotta ymmärttäisiin erinäisiä CO2-vaihteluita ja sitä, miten näitä vaihteluita mallinnetaan. Tässä työssä mallintamiseen käytetään muunnettua vinoaaltomenetelmää, jolle on annettu lempinimi ‘Lindqvist skewed wave fit’. Menetelmä osoitti odotettavat muutokset, kun sitä vertailtiin eri maissa ja se suoriutui suhteellisen hyvin, kun sitä verrattiin National Oceanic and Athmospheric Administration (NOAA) vastaavaan menetelmään. Tällä mallilla osoitettiin Suomen odotettu CO2-taso eri vuodenaikoina. OCO-2:n tuottamien havaintojen pohjalta vuodenaikavaihteluiden amplitudi oli 4.6 ppm, ja huipusta huippuun – amplitudi 9.2 ppm. Vuodenaikavaihteluiden huippua ei kuitenkaan havainnoissa ollut mukana Suomen korkean leveysasteen takia, koska passiivisia satelliittihavaintoja on haastavaa tehdä Auringon ollessa matalalla. Huipusta huippuun amplitudin spekuloitiin mittausten ulkopuolella olevan noin 13 ppm. Alustava kartoitus raportoitujen emissiolähteiden sijainnista Suomessa tehtiin ‘Emissions Database for Global Atmospheric Research’ (EDGAR) datan pohjalta tarkoituksena löytää yksittäisiä suuria päästölähteitä. Päästölähteiden alueelta etsittiin ylilentoja, joissa päästöt olisivat havaittavissa. Opinnäytetyössä esitetään kolme sijaintia, joista kokonaisuudessaan viisi ylilentoa. Esitettävät sijainnit ovat Meri-Porin voimalaitos, SSAB Raahen terästehdas, ja Kemi, jossa on monta teollisuuslaitosta. Suurin osa kaikista ylilennoista ei näyttänyt kohonneita CO2-arvoja päästölähteiden läheisyydessä. Esitettävistä ylilennoista lupaavin näkyvä päästölähde oli Raahen terästehdas. Sijainnista lupaavan emissioiden estimointiin teki havaitun kohouman suuruus, sekä ylilennon läheisyys, terästehdas tuottaa noin 0.5 MtCO2/vuodessa EDGAR:in perusteella. Tutkimuksessa tämä arvioitiin todennäköisimmäksi näkyväksi päästölähteeksi, mutta päästöjen estimointia ei kuitenkaan tehty. Jos tämä validoidaan, niin satelliitilla havaittu päästölähde olisi 15 kertaa pienempi kuin aikaisemmin pienin (7.7MtCO2 /vuodessa) satelliitilla havaittu päästölähde Comanche-hiilivoimala Yhdysvalloissa.

Description

Supervisor

Laaksonen, Jorma

Thesis advisor

Lindqvist, Hannakaisa

Keywords

OCO-2, XCO2, remote sensing, climate change, seasonal CO2 cycle, emission detection

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501302225

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI