Abstract In northern regions such as Finland, snowpack represents a major water resource for aquatic and terrestrial ecosystems and different human uses, and snowmelt usually controls peak annual river discharge. To understand potential impacts of climate change, this thesis explored the effects of changes in surface air temperature (SAT) and precipitation patterns on snowpack accumulation and snowmelt processes in Finland. Two initial studies provided national and spatial pictures of long-term variability and changes in observed SAT and precipitation in Finland and their relationships with the atmospheric circulation patterns (ACPs) of the Northern Hemisphere (NH). On national scale, mean annual SAT and annual precipitation increased significantly in Finland during the past century. Seasonal analysis revealed increases in spring (MAM) and summer (JJA) SAT and in winter (DJF) and summer precipitation. SAT and precipitation were most significantly correlated with the Arctic Oscillation (AO), East Atlantic/West Russia (EA/WR), East Atlantic (EA) and Scandinavia (SCA) patterns. However, there were spatial differences within Finland as regards climate trends and relationships with ACPs. A study examining the dependence of snow resources on winter climate in Finland revealed a decline in snow water equivalent (SWE) and shortening of continuous snow cover duration (CSCD) in Finland during 1909-2008. This was mainly due to reductions in snowfall owing to winter warming and decreased precipitation in southern areas, but only to decreases in winter precipitation at higher latitudes. In southern Finland SWE and CSCD were associated with ACP affecting winter SAT (AO), and in central and northern parts with ACPs influencing winter precipitation (EA, EA/WR and AO). Analysis of snowmelt hydrology in Finland indicated that snowmelt flux has a much greater influence than rainfall on simulated peak snowpack outflow in Finland, which has decreased and shifted towards earlier in the year. / Tiivistelmä Pohjoisilla alueilla kuten Suomessa lumi edustaa merkittävää vesivarantoa mikä vaikuttaa vesi- ja maaekosysteemeihin sekä yhdyskuntien vesienkäyttöön. Lisäksi lumen sulanta aiheuttaa suurimmat vuosittaiset tulvahuiput. Tämä väitöstutkimus keskittyy ilmanlämpötilan ja sadannan muutoksien aiheuttamiin vaikutuksiin lumen kertymisessä ja lumen sulannan prosesseissa Suomessa, jotta ilmaston muutoksen aiheuttamia mahdollisia muutoksia voidaan paremmin ymmärtää. Väitöskirjan kaksi tutkimusta antavat kansallisen ja spatiaalisesti kattavan kuvan pitkäaikaisvaihtelusta ja muutoksista ilmanlämpötilassa ja sadannassa Suomessa ja niiden yhteyden ilmastojärjestelmiin (ACP) pohjoisella pallonpuoliskolla. Kansallisella tasolla, vuosittainen keski-ilmanlämpötila ja vuosisadanta lisääntyivät merkittävästä Suomessa viimeisen vuosisadan aikana. Kausittainen analyysi paljasti kevät ja kesä ilmanlämpötilojen sekä talvi ja kesä-sadantojen lisääntyneen. Ilmanlämpötila ja sadanta korreloi merkittävimmin Arktisen (AO), Itä Atlantti/Länsi Venäjä (EA/WR), Itä-Atlantti (EA) ja Skandinaavisen (SCA) oskillaatioiden kanssa. Eri puolilla Suomea tuloksissa oli spatiaalista eroa liittyen ilmasto trendeihin ja yhteyksiin ilmakehän kiertoliikkeisiin. Tässä tutkimuksessa selvitettiin lisäksi lumivarojen riippuvuutta talviajan ilmastosta Suomessa. Vuosien 1909-2008 aineiston perusteella lumenvesiarvossa (SWE) havaittiin laskua sekä pysyvän lumipeitteen kestossa (CSCD) lyhenemistä. Etelässä tämä todettiin pääosin olevan seurausta talviajan lumisateiden vähentymisestä, jota vuorostaan selitti ilman lämpeneminen ja kokonaissademäärän pienentyminen. Pohjoisilla leveysasteilla ainoastaan talviaikaisen kokonaissademäärän pienentyminen selitti vähentyneitä lumivaroja. Tutkimuksessa Etelä-Suomen aineiston osalta tulokset SWE ja CSCD:ssa voitiin yhdistää muutoksiin talviseen SAT:hen (AO) vaikuttavissa ilmastojärjestelmissä (ACP). Keski- ja pohjoisosissa Suomea ilmastojärjestelmät (EA, EA/WR ja AO) vaikuttivat ainoastaan talviaikaiseen sadantaan. Aineiston perusteella voitiin myös todeta, että Suomessa kevätaikaisesta lumensulannasta johtuvaan valuntahuippuun vaikuttaa enemmän välitön lumen sulanta kuin sulannan aikana esiintynyt vesisade. Lumen sulannan huippuarvo havaittiin myös laskeneen sekä sen ajoittuminen aikaistuneen.

Abstract Grazing by reindeer (Rangifer tarandus L.) affects vegetation and soil microbial processes in tundra ecosystems. It is considered that grazing can induce two alternative vegetation states that differ in plant species composition and the rate of nutrient cycling. I hypothesised that these alternative vegetation states differ in ecosystem responses to climate warming. I tested the hypothesis using a factorial warming and fertilisation experiment on long-term lightly grazed (LG) and heavily grazed (HG) tundra. The reindeer grazing induced vegetation shift from dwarf shrubs to graminoids increased microbial activities for SOM decomposition. The grazer-induced shifts in vegetation and microbial activities in combination with the fertilisation via urine and faeces had important consequences on soil N availability and soil C quality that determined the ecosystem-level consequences of climate warming. Due to higher soil N availability, warming increased plant productivity (GEP) on HG but not on LG tundra, where N limitation prevented the warming-increased plant production. The varying effects of warming on GEP at different grazing intensities determined the effects of warming on ecosystem net C sink, which was unaffected by warming on HG but decreased on LG tundra. Reindeer grazing reduced the soil C quality, as soils under LG stored a higher proportion of carbohydrates vulnerable to microbial decomposition than soils under HG. According to laboratory soil incubations, the grazer-induced reduction in soil C quality mitigated the responses of soil microbial activity to prolonged warming. Warming caused a stronger decrease in concentrations of phenolics, an important means of plant defence against biotic and abiotic stresses, in Empetrum nigrum ssp. hermaphroditum under HG than LG. Grazing history by reindeer, with the associated vegetation shift from dwarf shrubs to graminoids, can significantly alter the ecosystem-level consequences of climate warming. Overall, this thesis highlights that the effects of reindeer grazing on soil properties, soil N availability and C quality, are important determinants of the ecosystem responses to climate warming. Therefore, future research on climate warming should take into account herbivores and aim towards a more holistic approach that includes both aboveground and belowground components of the ecosystem. / Tiivistelmä Tundralla porolaidunnus vaikuttaa kasvillisuuteen ja maaperän mikrobien toimintaan. Porolaidunnus voi aikaansaada kaksi vaihtoehtoista kasvillisuuden tilaa, jotka eroavat toisistaan paitsi kasvilajiston myös ravinnekierron suhteen. Esitin hypoteesin, jonka mukaan ilmaston lämpenemisen vaikutukset eroavat tundratyypeillä, jotka edustavat vaihtoehtoisia kasvillisuustiloja. Testasin hypoteesia faktoriaalisen lämmitys- ja lannoituskokeen avulla tundra-alueilla, joilla poron laidunnuspaine on ollut pitkäaikaisesti joko kevyttä tai voimakasta. Poron aiheuttama kasvillisuusmuutos varpuvaltaisesta heinävaltaiseksi lisäsi maaperän mikrobien hajotusaktiivisuutta. Poron aiheuttamat erot kasvillisuudessa ja mikrobiaktiivisuuksissa yhdessä virtsan ja papanoiden lannoittavan vaikutuksen kanssa muuttivat maaperän typen saatavuutta sekä hiilen laatua. Erot maaperän ominaisuuksissa puolestaan ohjasivat ilmaston lämpenemisen ekosysteemitason vaikutuksia. Lämmitys kasvatti ekosysteemituotantoa ravinteikkaalla voimakkaasti laidunnetulla tundralla mutta ei kevyesti laidunnetulla tundralla, joka oli typpirajoitteinen. Lämmityksen erilaiset vaikutukset ekosysteemituotantoon eri laidunpaineissa määrittivät lämmityksen vaikutuksen ekosysteemin hiilinieluun, joka pysyi muuttumattomana voimakkaasti laidunnetulla tundralla mutta pieneni kevyesti laidunnetulla tundralla. Porolaidunnus alensi maaperän hiilen laatua, ja kevyesti laidunnetulla tundralla maaperässä oli enemmän mikrobien hajotukselle alttiita hiilihydraatteja kuin voimakkaasti laidunnetulla tundralla. Laboratoriossa suoritetun inkubaatiokokeen perusteella maaperän hiilen alhaisempi laatu lievensi mikrobien hajotusaktiivisuuden vastetta pitkäaikaiseen lämmitykseen. Lämmitys vähensi pohjanvariksenmarjan fenoliyhdisteiden, jotka ovat tärkeä osa kasvien puolustusta bioottisia ja abioottisia stressitekijöitä vastaan, pitoisuuksia enemmän voimakkaasti kuin kevyesti laidunnetulla tundralla. Poron laidunnushistoria yhdessä kasvillisuusmuutoksen kanssa voi merkittävästi vaikuttaa ilmaston lämpenemisen ekosysteemitason seurauksiin. Tämän väitöstyön tulokset osoittavat, että poron vaikutukset maaperän typpeen ja hiileen määrittävät lämpenemisen vaikutukset ekosysteemissä. Tulevaisuudessa ilmastonmuutostutkimuksen pitäisikin kokonaisvaltaisemmin huomioida sekä herbivorian että ekosysteemin eri osien merkitys.

Abstract Wetlands in arid and semi-arid regions are complex fragile ecosystems that are critical in maintaining and controlling environmental quality and biodiversity. These wetlands and specially closed lake systems depend on support processes in upstream parts of the basin or recharge zone, as small changes in river flow regime can cause significant changes in lake level, salinity and productivity. Recent strong alterations in river flow regimes due to climate and land use change have resulted in ecosystem degradation and desiccation of many saline lakes in arid and semi-arid regions. Because of the low economic value of these lakes, their hydrology has not been monitored accurately, making it difficult to determine water balance and assess the role of water use and climate in lake desiccation. Furthermore, available data are usually of coarse resolution on both spatial and temporal scale. New frameworks using all available data and refining existing information on lake basins were developed in this thesis to assess regional differences in water resource availability, impacts of human activities on river flow regime alteration and agricultural land use change. The frameworks were applied to study causes and impacts of desiccation of a major lake, Lake Urmia, one of the largest saltwater lakes on Earth. This highly endangered ecosystem is on the brink of a major environmental disaster resembling that around the Aral Sea. The spatial pattern of precipitation across the Lake Urmia basin was investigated, to shed light on regional differences in water availability. Using large numbers of rainfall records and a wide array of statistical descriptors, precipitation across space and time was evaluated. Another important research component involved examining streamflow records for headwaters and lowland reaches of the Lake Urmia basin, in order to determine whether observed changes are mainly due to climate change or anthropogenic activities (e.g. water withdrawal for domestic and irrigation purposes). Principal component and clustering analyses of all available precipitation data for the lake basin revealed a heterogeneous precipitation pattern, but also permitted delineation of three homogeneous precipitation areas within the region. Further analysis identified variation in seasonal precipitation as the most important factor controlling the spatial precipitation pattern in the basin. The results showed that climate change impact on headwaters is insignificant and that irrigation is the main driving force for river flow regime alterations in the basin. This is supported by evidence that the headwaters have relatively remained unaffected by agriculture and by lack of significant changes in the historical records. The approach presented, involving clear in terpretation of existing information, can be useful in communicating land use and climate change information to decision makers and lake restoration planners. / Tiivistelmä Kuivilla aridisilla ja semiaridisilla alueilla sijaitsevat kosteikot ovat hauraita ekosysteemejä. Ne ovat myös tavallista tärkeämpiä, koska ne ylläpitävät ja säätelevät ympäristön laatua sekä luonnon monimuotoisuutta. Nämä kosteikot, kuten valtaosa muistakin kosteikoista, ovat riippuvaisia vesistöalueen ylemmillä osilla tehdyistä toimista kuten vesistöjen säännöstelystä. Jopa pienet muutokset jokien virtauksissa voivat aiheuttaa merkittäviä muutoksia järvien vedenpinnan korkeuteen, suolapitoisuuteen ja tuottavuuteen. Viimeaikaiset ilmastonmuutoksen ja maankäytön muutosten aiheuttamat voimakkaat muutokset jokien virtaamiin ovat johtaneet ekosysteemien rappeutumiseen sekä monien suolajärvien kuivumiseen kuivilla ja puolikuivilla alueilla. Kuivilla alueilla sijaitsevien suolajärvien hydrologiaa ei ole tarkkailtu riittävästi niiden alhaisemman taloudellisen arvon vuoksi. Se hankaloittaa vesitaseen määrittämistä. Tarkkojen tietojen puuttuessa on vaikea arvioida myös sitä, miten vedenkäyttö ja ilmasto ovat vaikuttaneet järvien kuivumiseen. Lisäksi saatavilla olevat tiedot ovat yleensä sekä ajallisesti että alueellisesti epätarkkoja. Analysointiin tarvittavien tietojen ja välineiden puute saattaa pahimmillaan johtaa ristiriitaisiin oletuksiin. Väitöstyön päätavoite on tarjota puitteet, joilla parannetaan ymmärrystä vesivarojen alueellisista eroista, ihmisen toiminnan vaikutuksista jokien virtausten muutoksiin ja maatalouden maankäytön muutoksista käyttäen kaikkea saatavilla olevaa dataa sekä täsmentäen samalla vesistöistä jo olemassa olevaa tietoa. Väitöskirja tutkii yhden suuren järven kuivumisen syitä ja seurauksia. Urmiajärvi on yksi maapallon suurimmista suolajärvistä sekä erittäin uhanalainen ekosysteemi. Järvi on samankaltaisen ympäristökatastrofin partaalla, joka aiheutti Araljärven kuivumisen. Väitöskirja antaa tietoa veden saatavuuden alueellisista eroista tutkimalla sademäärien alueellista jakautumista Urmiajärven valuma-alueella. Tutkielmassa arvioidaan sadannan ajallista ja paikallista vaihtelua erilaisten tilastollisten menetelmien avulla. Tutkielman toinen tärkeä osa keskittyy vesialtaan latvavesistön ja tasankoalueiden valumatietoihin. Tämän osuuden päätavoite on määritellä johtuvatko havaitut muutokset järvessä pääasiassa ilmastonmuutoksesta vai ihmisen toiminnasta kuten kastelusta. Sadantatietojen pääkomponentti- ja ryhmittelyanalyysien tulokset osoittavat, että Urmiajärven allas on sadannaltaan heterogeeninen alue. Analyysi johti seudun jakamiseen kolmeen homogeeniseen sadanta-alueeseen. Analyysi osoitti, että sademäärien kausittainen vaihtelu on merkittävin järvialtaan alueellisiin sademääriin vaikuttava tekijä. Tulokset osoittavat, että ilmastonmuutoksen vaikutukset latvavesistöön eivät olleet merkittäviä ja keinokastelu on ylivoimaisesti merkittävin järvialtaan jokien virtausten muutoksiin vaikuttava tekijä. Tätä johtopäätöstä tukee se tosiseikka, että maanviljelys ei ole juurikaan vaikuttanut latvavesistöihin eikä niissä näy historiallisten lähteiden perusteella merkittäviä muutoksia. Tutkimuksen hyöty on siinä, että se tulkitsee saatavilla olevan tiedon selkeästi, joka on avuksi, kun maankäyttöön ja ilmastonmuutokseen liittyviä tietoja välitetään päättäjille ja järven kunnostusta suunnitteleville tahoille.

Abstract Anthropogenic climate change and habitat loss and deterioration affect populations worldwide. Climate warming has changed phenologies of many species across trophic levels. Some predator populations now experience temporal mismatches with their prey, as timings of peak prey abundance and of the predator’s highest food demands no longer meet. The temporal mismatch hypothesis suggests that the population’s recruitment rate is related to its degree of synchrony with the food resources needed to feed offspring. However, species’ and populations’ responses to climate warming differ. Human land use alters and destroys habitats of countless species. For example, many boreal forest bird populations have declined, presumably due to intensive forestry. It has decreased the amount of dead wood, causing a threat to saproxylic species. Identification of the key characteristics of high-quality habitats is essential for conservation planning and for developing sustainable forestry. As individuals are suspected to settle in habitats that maximize their fitness, analysis of nest site selection can be used to identify the key habitats. My dissertation concerns the impacts of climate change and habitat deterioration on boreal populations. I use hole-nesting passerines as model species. By utilizing long-term data I show that breeding phenologies of Parus major and Poecile montanus, but not of Cyanistes caeruleus, have shifted earlier. Also, the timing of the food peak has advanced, improving the synchrony between P. montanus and caterpillars. In P. major and C. caeruleus, synchrony has remained good. However, the positive effect of good synchrony on breeding success seems to be conditional, arising only in certain circumstances, such as in years of high caterpillar abundance. I suggest that in boreal populations temperature affects timing of breeding mostly as a proximate factor. The availability of standing decaying trees used for nesting sites was the most important habitat characteristic determining the nest site selection of P. montanus. Remote sensing data alone was insufficient to produce reliable models, as the ecologically important small-scale factor can only be determined by direct field surveys. Omission of forest thinning in selected forest sites would ensure the continuous availability of decaying wood with positive influence on biodiversity in managed forests. / Tiivistelmä Ihmisen aiheuttama habitaattien katoaminen ja huononeminen sekä ilmastonmuutos vaikuttavat populaatioihin kaikkialla maailmassa. Ilmaston lämpeneminen on muuttanut monien lajien fenologioita eri trofiatasoilla. Osalla saalistajalajien populaatioista suurin ravinnontarve ei enää ajoitu samaan aikaan saaliin runsaushuipun kanssa. Ajoituksen eriaikaisuus -hypoteesin mukaan todennäköisyys populaatioon rekrytoitumiselle riippuu synkronian asteesta saaliin kanssa. Ilmaston lämpenemisen vaikutuksissa lajeihin ja populaatioihin on kuitenkin vaihtelua. Ihmisen maankäyttö muuttaa ja tuhoaa lukuisien lajien elinympäristöjä. Esimerkiksi useiden boreaalisten metsien lintupopulaatioiden pienentymistä on selitetty intensiivisellä metsätaloudella. Lahopuun määrä metsissä on vähentynyt, mikä on uhka lahopuusta riippuvaisille lajeille. Korkealaatuisten habitaattien keskeisten piirteiden tunnistaminen on tärkeää luonnonsuojelun ja kestävän metsätalouden suunnittelulle. Koska yksilöiden oletetaan valitsevan niiden kelpoisuutta maksimoivia elinympäristöjä, pesäpaikanvalinta-analyysiä voidaan käyttää tärkeiden habitaattipiirteiden tunnistamiseen. Tarkastelen väitöskirjassani ilmastonmuutoksen ja habitaattien laadun vaikutuksia boreaalisiin populaatioihin. Mallilajeina käytän koloissa pesiviä varpuslintuja. Hyödyntämällä pitkäaikaisaineistoja osoitan, että lisääntymisen ajoittuminen on aikaistunut tali- ja hömötiaisella, mutta ei sinitiaisella. Myös ravintohuippu on aikaistunut, mikä on parantanut synkroniaa hömötiaisen ja sen pääasiallisen ravinnon eli toukkien välillä. Tali- ja sinitiaisella synkronia on pysynyt hyvänä. Hyvän synkronian myönteinen vaikutus lisääntymismenestykseen vaikuttaa kuitenkin ehdolliselta: se tulee esiin vain tietyissä olosuhteissa, kuten vuosina jolloin toukkia on runsaasti. Kevään lämpötilat näyttävät vaikuttavan pesinnän ajoittumiseen erityisesti proksimaattisena tekijänä. Pesäpaikkoina toimivien seisovien lahopuiden määrä on tärkein hömötiaisen pesäpaikanvalintaa määräävä tekijä. Kaukokartoitusaineisto yksinään ei riitä luotettavien mallien tuottamiseen, sillä ekologisesti tärkeät pienen skaalan tekijät voidaan kartoittaa vain suorin maastomittauksin. Metsien harventamatta jättäminen valituilla laikuilla turvaisi lahopuun jatkuvan saatavuuden, mikä vaikuttaisi myönteisesti talousmetsien biodiversiteettiin.

Abstract Climate change and global warming are currently widely discussed topics, both of which potentially impact all the nations and industries. Carbon dioxide (CO2) and other green house gases (GHG) are seen as a major challenge. This doctoral dissertation aims to conduct techno-economic calculations on the possibilities of reducing the industrial use of fossil raw materials in Northern Finland. This doctoral dissertation analyses industrial CO2 emissions from five complementary perspectives: identifying significant potential industrial plants, analysing the replacement of fossil raw materials with wood biomass, considering combining different industrial sectors, the potential of biogas as industrial raw material, and estimating the economic significance of moisture in wood fuel. The study started by analysing all the relevant 262 regional environmental permits to find the significant industrial users of synthesis gas in the studied region. Processes used by each identified case were analysed carefully to identify the most potential change possibilities. Economic calculations were conducted for these cases using true production volumes. The aim was to reach solutions that were economically sound. Five industrial sites were identified as potential cases for replacing raw materials of synthesis gas or hydrogen with renewable alternatives. These sites include the Rautaruukki steel mill, Eka Chemicals’ hydrochloric acid plant, Kemira’s formic acid plant, Kemira’s hydrogen peroxide producing plant, and Talvivaara mining’s hydrogen plant. The main implications of this dissertation include providing tips for industrial managers, regional decision makers and legislators. Managers of companies with high energy consumption and/or high usage of fossil raw materials in their products can benefit from the results of this dissertation the most. Managers should conduct similar calculations, as in this study, by using exact figures relevant to their processes and raw materials. This doctoral dissertation also suggests finding new solutions for replacing fossil raw materials by combining two different industrial sectors, e.g. steel and chemical industries. Regional decision makers may utilise the calculations presented in this doctoral dissertation when developing regional strategies. / Tiivistelmä Ilmaston muutos ja globaali lämpeneminen ovat tällä hetkellä laajasti keskusteltuja aiheita, ja ne vaikuttavat kaikkiin maihin ja kaikkiin teollisuuden aloihin. Hiilidioksidi (CO2) ja muut kasvihuonekaasut nähdään suurena haasteena. Tämä väitöskirja pyrkii teknistaloudellisten laskelmien avulla tutkimaan mahdollisuuksia vähentää fossiilisten raaka-aineiden käyttöä Pohjois-Suomen alueella. Tämä väitöskirja analysoi teollisia CO2-päästöjä viidestä toisiaan täydentävästä näkökulmasta: identifioimalla merkittäviä teollisia tuotantolaitoksia, analysoimalla fossiilisten raaka-aineiden korvaamista puubiomassalla, tutkimalla erilaisten teollisten tuotantolaitosten yhdistämistä, tutkimalla biokaasun käyttöä mahdollisena teollisuuden raaka-aineena ja arvioimalla kosteuden taloudellista merkitystä puupolttoaineessa. Tutkimus alkoi analysoimalla kaikki alueen identifioidut 262 ympäristölupaa, jotta merkittävät synteesikaasun käyttäjät tulisivat esille. Jokaisen löydetyn tapauksen tuotantoprosessit analysoitiin huolellisesti, jotta potentiaalisimmat muutosmahdollisuudet huomioitaisiin. Teknistaloudellisia laskelmia tehtiin näille tapauksille käyttämällä todellisia tuotantolukuja. Tarkoituksena oli löytää taloudellisesti kannattavia vaihtoehtoja. Viisi teollista tuotantolaitosta identifioitiin tapauksiksi, joissa synteesikaasun tai vedyn raaka-aine voitaisiin korvata uusiutuvilla raaka-ainevaihtoehdoilla. Nämä tuotantolaitokset olivat Rautaruukin terästehdas, Eka Chemicalsin kloorivetyhapon tuotantolaitos, Kemiran muurahaishappotehdas, Kemiran vetyperoksiditehdas ja Talvivaaran kaivoksen vedyn tuotantolaitos. Tärkeimmät implikaatiot tästä väitöskirjatyöstä sisältävät pohdittavia ajatuksia teollisille toimijoille, alueellisille päätösten tekijöille ja lainsäätäjille. Korkean energian kulutuksen ja/tai suurten fossiilisten raaka-ainekäyttöjen yhtiöissä päätöksentekijät voivat hyödyntää parhaiten tämän väitöskirjan tuloksia. Päätöksentekijät voisivat käyttää esimerkkeinä tämän väitöskirjan laskelmia tehdessään omia analyyseja, jolloin heidän tulisi käyttää tarkkoja lukuja yritystensä prosesseista ja raaka-ainekäytöistä. Tämä väitöskirja ehdottaa myös etsimään uusia ratkaisuja fossiilisten raaka-aineiden korvaamisessa yhdistämällä tuotannollisesti erilaisia teollisia sektoreita esimerkiksi teräksen ja kemian tuotteiden valmistuksen. Alueelliset päätösten tekijät voivat hyödyntää väitöskirjassa esitettyjä laskelmia alueellisten strategioiden kehitystyössä.

Abstract The subject of the thesis was to analyze by an engineering approach the global CO₂ balance and CO₂ utilisation. The aim was to apply methods and knowledge used in engineering sciences to describe the global CO₂ balance and the role of CO₂ in anthropogenic utilisation applications. Moreover barriers restricting commercialisation of new applications are discussed. These subjects were studied by literature reviews and calculations based on thermodynamics models. Engineering methods have shown to be applicable to describe the global balance of CO₂ and to define by a numerical way the Earth’s system carrying capacity. Direct and indirect actions, which mitigate the overload situation, were derived from the results. To screen out the attractive CO₂ properties in utilisation applications a mapping analysis was carried out. Properties, which enhance mass and heat transfer, are one of the most meaningful characteristics from the chemical engineering point of view. Attractive properties are often achieved at the supercritical state. Engineering thermodynamic methods were used in fluid phase determination of the case studies. Even simple methods are sufficient to advice experimental research work. The thermodynamic knowledge is the basement in creation of industrial scale chemical processes. If detailed information on system properties is needed, a model development due to the special requirements of high pressure systems and CO₂ features is required. This knowledge covers property information from all the components involved in chemical reactions. In addition to engineering knowledge successful technology transfer requires positive social structure as well. Finally, if the humankind is willing to mimic Nature and use light of the Sun as an energy source in engineering systems, development of thermodynamic methods is required also in this area. Especially the work terms, originally defined in classical mechanical thermodynamics and afterwards formulised also in other parts of the engineering fields, play a key role. If this development work is successful, we may see the shift from thermodynamics approach to ‘photodynamics’. Mitigation of global warming is a problem, which needs several kinds of activities. As a result of this study, there are listed a few engineering actions, which have a possibility to contribute to the work towards the carbon neutral society. / Tiivistelmä Väitöskirjatyössä sovelletaan insinööritieteissä käytettyjä metodeja ja tietämystä määriteltäessä ilmakehän CO₂-tase sekä antropogeenisten hyötykäyttökohteiden merkitys teollisissa prosesseissa ja globaaleissa CO₂-virroissa. Lisäksi pohditaan uusien CO₂-hyötykäyttösovellusten kaupallistamiseen liittyviä rajoitteita. Näitä aiheita on tutkittu käymällä läpi tieteellistä kirjallisuutta ja tekemällä laskelmia. Insinööritieteistä tutun taselaskennan avulla tarkastellaan ilmakehän CO₂-virtoja. Sen pohjalta määritetään numeerisesti maapallon CO₂-kantokyky. Tuloksista johdetaan suoria ja epäsuoria toimenpide-ehdotuksia, joiden avulla voidaan lieventää ilmakehän CO₂-ylikuormaa. Kartoitusmenetelmän avulla selvitetään hyötykäytön kannalta edulliset CO₂:n aineominaisuudet. Kemiantekniikan näkökulmasta ominaisuudet, jotka parantavat aineen- ja lämmönsiirtoa, ovat kiinnostavimpia. Nämä ominaisuudet tulevat esille silloin, kun fluidi on ylikriittisessä olomuodossa. Termodynaamisia laskentamenetelmiä sovelletaan esimerkkiseosten olomuodon eli faasin määrityksessä. Tulokset osoittavat, että jopa verraten yksinkertaiset menetelmät antavat tietoja, jotka auttavat ymmärtämään laboratoriokokeiden faasikäyttäytymistä. Teollisen mittakaavan kemiallisten prosessien kehityksessä ja suunnittelussa termodynamiikan hallitseminen on keskeinen edellytys. Jos CO₂:n kiinnostavia ominaisuuksia toivotaan hyödynnettävän teollisesti, korkeapaineisten systeemien termodynaamisen teorian hallinta sekä aineominaisuuksien määrittäminen kaikille systeemiin osallistuville komponenteille ja niiden seoksille nousee merkittävään asemaan. Läpikotainen teorian ja teknisten perusteiden hallitseminen ei vielä takaa menestyksellistä teknologiansiirtoa pienestä suureen mittakaavaan. Lisäksi tarvitaan myönteinen ja kannustava yhteiskuntajärjestelmä. Mikäli tavoitellaan vielä rohkeampaa kehitysnäkymää, tilannetta, jossa luonnon tavoin CO₂-prosessien energianlähteenä käytettäisiin auringonvaloa, havaitaan, että tämäkin askel edellyttäisi termodynaamista menetelmäkehitystä. Keskeinen termodynaaminen konsepti on työ. Työ siirtää energiaa ympäristön ja systeemin välillä. Tämä on määritelty jo klassisessa mekaniikassa; kappaleen siirto tietystä paikasta toiseen. Kemiantekniikassa työlle on kehitetty käyttökelpoisia kaavoja paine–tilavuus–lämpötila-systeemeihin. Mikäli työn elementit kyettäisiin määrittelemään auringonvalon fotoenergialle, avaisi se uusia näkymiä reaktiokemiaan. Silloin termodynamiikan sijaan voitaisiin ehkä mieluummin puhua 'photodynamiikasta'. Ilmaston lämpeneminen on ongelma, jonka lieventämiseen tarvitaan useanlaisia toimia. Etsittäessä tietä kohti hiilineutraalia yhteiskuntaa, insinöörit voivat avustaa suunnan löytämisessä hyödyntämällä tieteenalallaan käytettyjä metodeja ja teorioita sekä tarpeen vaatiessa kehittää niitä edelleen uusille alueille.