FELSZÍN-LÉGKÖR KÖLCSÖNHATÁSOK. Növényökológia II., december 4

FELSZÍN-LÉGKÖR KÖLCSÖNHATÁSOK

Növényökológia II., 2014. december 4.

Bevezetés 

A növényzet és a légkör szoros kölcsönhatásban állnak egymással  sugárzás  momentum (impulzus)  energia



A vegetáció ökológiai szempontból növények csoportja, amelyek növekednek és szaporodnak, és így élelmet biztosítanak az állatok és emberek számára, ezenkívül stabilizálják a talajt a csapadék felfogásával és a tápanyagok újra felhasználásával.



Geofizikai szempontból a vegetáció egy aktív réteg, ami elszigeteli a talajt a légkörtől.



A növényi felszín két alapvető szempontból tér el a csupasz talajtól 

szenet vesz fel és tárol



vizet bocsát a légkörbe

I. Sugárzás átvitel 

A növényzet elsődleges energiabevételi forrása a napsugárzás.



A sugárzás és a vegetáció között 3 féle kölcsönhatást különböztethetünk meg: 1) hőhatás: a növények a napsugárzás mintegy 70%-át abszorbeálják, hővé alakítják és felhasználják a párologtatáshoz és a környezettel történő hőcseréhez. 2) fotoszintetikus hatás: a napsugárzás kb. 28%-át használják fel a fotoszintézishez, és tárolják kémiai energia formájában. 3) fotomorfogenetikai hatás: a napsugárzásnak fontos szabályzó és vezérlő szerepe van a növekedési és fejlődési folyamataiban. Hatása a növényi életre

Hullámhossztartomány (mm)

A napsugárzás %-ékában

Hőhatás

UV

0,29 - 0,38

0-4

PAR

0,38 - 0,71

NIR Hosszúhullámú

A sugárzás típusa

Fotoszinteti kus hatás

Fotomorfogenetikai hatás

jelentéktelen

jelentéktelen

mérsékelt

21 - 46

jelentős

jelentős

jelentős

0,71 - 4,0

50- 79

jelentős

jelentéktelen

jelentős

3,0 - 100

-

jelentős

jelentéktelen

jelentéktelen

I.

Sugárzás átvitel



A sugárzás átvitel, vagyis a beérkező sugárzás gyengülése a légkör különböző rétegeiben összetett probléma. Befolyásolja:  a beeső sugárzás intenzitása, iránya  a növényállomány inhomogenitása



A légkör felső határára a sugárzás irányára merőleges egységnyi felületre érkező sugárzásmennyiséget nevezzük napállandónak (Sp0). 1,35 kW m-2



A felszínre ennek az 50-70%-a jut le (Sp)



Egységnyi vízszintes felületre átszámítva (Sb) napi összegben ez 20-30 MJ m-2.



A diffúz sugárzás (Sd) mennyiségét a:  napmagasság  a légkör átlátszósága  a felhőzet mennyisége és minősége befolyásolja.



A globálsugárzás (St) a direkt és a diffúz sugárzás összege.

St Sb

Sd

Sp

I.

Sugárzás átvitel

Sugárzás komponensek K: bejövő napsugárzás

K: visszavert napsugárzás

I: lefelé haladó hosszúhullámú sugárzás

forrás: légkör

I: felfelé haladó hosszúhullámú sugárzás

forrás: felszín

Q* (Rn)= K + K + I + I

II. Momentum átvitel 

Felszín és a légkör között az átvitelnek két alapvető formája fordulhat elő. lamináris átvitel: a két közeg határán réteges áramlás jön létre, a határtól távolodva nő a sebesség, az átvitelt tulajdonképpen a részecskék közötti belső súrlódás végzi 



turbulens átvitel: az átvitelt kicsi objektumok (örvények) végzik  sokkal intenzívebb, mint a lamináris  különböző méretű örvények vannak, a nagyokból kisebbek lesznek, és végül az örvények kinetikus energiája hővé lakul.



örvények jellemzése:

h: az örvény magassága

h f  uT

f >> 1: viszkózus alcsoport ezek a legkisebbek, és ezek vannak legalacsonyabban

f ≥ 1: tehetetlenségi alcsoport

u: átlag sebesség

a szélnyírásból származnak, de nem vesznek részt a turbulens kicserélődésben

T: periódus idő, amíg az örvény megtesz egy fordulatot

1 > f > 0: mikrometeorológiai alcsoport

II.

Momentum átvitel

1 > f > 0: Mikrometeorológiai alcsoport

ezek szállítják a különböző tulajdonságokat a légkörben

1 > f > 0,3: mechanikai kényszerből eredő örvények  a felszínközeli súrlódásból erednek  élettartamuk néhány másodperc, 1 perc  Kb. 100 m magasra jutnak fel

f < 0,3: termikus kényszerből eredő örvények 

a szélnyíráshoz termikus hatás társul

II.

Momentum átvitel

Kevert konvekció 

A földfelszíntől távol, a vertikális szállítást csak a hőmérséklet különbség hajtja, ez az ún, szabad konvekció.



A felszín közelében, nappal fordulhat elő ilyesmi, amikor a felszín felmelegszik, és nincs horizontális légmozgás.



A valóságban a felszín közelében ún. kevert konvekció fordul elő.  Negatív hőmérsékleti gradiens esetén (nappal): a kialakuló feláramlás erősíti a súrlódásból származó örvényeket  Pozitív hőmérsékleti gradiens esetén (éjszaka): a magassággal növekvő sűrűség gyengíti a súrlódásból származó örvényeket

II.

 Teljesen kormányzott konvekció esetén az örvények kör alakúak. Átmérőjük (l) megegyezik a szabad úthosszal (kz). A horizontális és vertikális sebesség fluktuációk megegyeznek a súrlódási sebességgel.  Instabil esetben: a vertikális sebesség fluktuációk nagyobb lesznek mint a horizontálisak, mivel az örvénynek horizontális kiterjedése nagyobb lesz, mint a szabad úthossz.

 Stabil esetben: az örvények horizontális irányban nyúlnak meg  Torzul a logaritmikus szélprofil is.

Momentum átvitel

II.



A légkör és a felszín között folyamatos súrlódás van.  folyamatos momentum  szállítás a felszín felé, vertikális kiterjedésű örvények formájában, ez nyílván a szélsebességre is hatással van.



A momentum áram intenzitása arányos:  szélsebesség  érdességi elemek (növényzet, épületek) nagyságával



A szélnyírás a talaj közelében a legnagyobb, felfelé haladva csökken, vagyis fordítottan arányos a magassággal



a súrlódás által keltett örvények mérete viszont egyenesen arányos a magassággal



Z=0-ban a szélnyírásnak végtelennek kéne lennie  ott lamináris az áramlás. A szélprofil egyenlete logaritmikus skálán:



u z   A ln z  B

Momentum átvitel

A szélsebesség vertikális profilja: z

u

ln z

u

B konstanst a z=z0 behelyettesítésből kaphatjuk meg:

u z 0   0  A ln  z 0   B

ezt behetesítve a szélprofil egyenletébe: Ezt differenciálva:

u A  z z

B   A ln z 0 



 z u  z   A ln   z0

Dimenzió analízis segítségével levezethető, hogy

Momentum áram

Tehát

   u*2

u u *  z kz

u* A k

   , ahol k a von-Kármán konstans, értéke 0,4 ; u*: súrlódási sebesség, a momentum átvitel erősségére utal.

II.

Ennek a differenciál egyenletnek a megoldása:

Logaritmikus szélprofil

Momentum átvitel

u*  z  u  z   ln  k z0 

z0: érdességi magasság, az a szint, ahol a szélsebesség 0. 

Növényállomány felett a szélprofil másképp néz ki, be kell vezetni a kiszorítási rétegvastagságot (d).

u* u  z k  z  d 

 

u*  z - d   u  z   ln k  z0 

d: kb. 2/3-a a növényzet magasságának z0: 10%-a növényzet magasságának

II.

Momentum átvitel

Számszerűsítsük a momentum áramot! 

A momentum átvitel a felszín légáramlással szemben kifejtett ellenállása révén jön létre.

F  ρu 2 AC M

 



: levegő sűrűsége A: a test felszíne u: szélsebesség CM: ellenállási tényező

CM arányos a momentum cserével, de sok mindentől függ, pl. a szél és a levél irányától, és a szélsebességtől. Növények állományok esetében bonyolult A és CM meghatározása (mérése).  másik módszer után kell nézni Bizonyos esetekben egyszerűbb lehet, az átviteli együtthatók helyett ellenállásokkal dolgozni.  aerodinamikai ellenállás

II.



Ohm törvény analógia:

aerodinamikai ellenállás 



Ennek megfelelően az aerodinamikai ellenállás:



A/F-et kifejezve:

rM  

ρuA

F

F  ρu 2 AC M

 ρu

1 2

ρ u CM



Momentum átvitel

koncentráció különbség áram

rM 

ρuA

F

egyenletből, és visszahelyettesítve a fentibe:

1

uC M

 kapcsolat az átviteli együttható és az ellenállás között.

Egy növényállomány egységnyi horizontális felszínére ható súrlódási erő (): (momentum áram)

τ  ρ u ( z )2C aM

C aM

2 *

ρu τ  u*      2 2 ρ u z  ρ u z  u z  

2

II.



A logaritmikus szélprofilt behelyettesítve:

C aM 



Momentum átvitel

u *2 u  z -d   ln k  z0  2 * 2

2



k2  z -d   ln  z0 

2

A növényállomány aerodinamikai ellenállást is megkaphatjuk:

raM 

1

uC aM

 z -d   ln 1  z0   2

u

2

k

 Megkaptuk egy növényállomány közegellenállási együtthatóját, illetve aerodinamikai ellenállását. 

Elmondhatjuk, hogy minél érdesebb a felszín és minél nagyobb a szélsebesség, annál kisebb lesz az állomány aerodinamikai ellenállása. Áramaink viszont még nincsenek! :(

II.

Momentum átvitel

Örvényes diffúzivitás 

  





Áramlások dinamikájának leírásakor használatos mennyiség a diffúzivitás: egységnyi idő alatt mekkora felszínt befolyásol az áramlás a K diffúzivitás egy bizonyos folyékony közeg bármely pontjában az áram és a koncentrációgradiens hányadosaként definiálható fizikai karakterisztikája a folyadékoknak  konkrét kapcsolatnak kell létezni az áramok és a koncentráció gradiensek között a diffúzivitás a turbulens keveredésből származik, ezért kapcsolatban van az örvények méretével, és így arányos a felszíntől vett távolággal is

Momentumra vonatkozó diffúzivitási együttható:

Mivel  független a magasságtól :

KM

τ  u ρ z

KM 



τ u  z

u τ  ρK M z

III. Hő és nyomanyag átvitel 

Hasonlóképpen definiálhatjuk a hőre és a nedvességre vonatkozó diffúzivitásokat:

H KH    c pT



z 

E KV   e z

H: szenzibilis hőáram cp: fajhő T: hőmérséklet e: gőznyomás E: látens hőáram

Ezekből az áramokat kifejezve:

T H  ρc pK H z

λE  

Szenzibilis hőáram: levegő belső energiájának azt a részét, ami a hőmérséklet kialakulásért felelős

ρc p γ

KV

e z

g: pszichrometrikus állandó, 0,65 Látens hőáram: a levegő víztartalmának fázisátalakulásaihoz tartózó hőáram

 Keressük: KH és KV értékeit

III.

Hő és nyomanyag átvitel

Hasonlósági elmélet  A legtöbb légkörben lezajló folyamat egzakt fizikai leírásához nincs elég ismeretünk.  Dimenzió analízis segítségével keresünk olyan változókat, amik hasonlóan viselkednek, és ezekre illesztünk empirikus függvényeket, és attól kezdve azokat használjuk a jelenségek leírására.  többféle hasonlósági elmélet létezik Monin Obukhov hasonlósági elmélet:

K K K H

v

M

olyan állapotokra igaz, amikor a konvekció teljesen kormányzott és az állandó áramú rétegben vagyunk  (Teljesen kormányzott konvekció: ha a vertikális mozgások csak a súrlódásból erednek. (csak ekkor igaz a logaritmikus szélprofil))

K  M

τ u ρ z

ide behelyettesítve a  defínicióját és a szélsebesség gradienst:

τ  ρu

2 *

u* u  z k  z  d 

u  k z  d  *

2

KM

2  u  2   k z  d   τ u*2 z  2 u      k 2 z  d  u u u z ρ  z z z

u z

III.

Hő és nyomanyag átvitel

A definíciókba behelyettesítve amit most kaptunk:

H  ρ c K p

H

T z

λE   K  K  K  k z  d  2

H

v

u T H  ρc k  z  d  z z p

γ

p

K

V

e z

u z

E  

2

2

M

2

ρc

ρc

g

p

k z  d  2

2

u e z z

Véges különbséges alakkal felírva a következő, gyakorlatban is használható egyenleteket kapjuk:

H  ρc k p

2

u  u T  T  2

1

1

  z  d  ln z  d     2

1

2 2

E 

ρc p k 2 u 2  u1 e1  e2 

g

  z 2  d  ln z  d     1

2

III.

Hő és nyomanyag átvitel

Áramok számítása energia háztartási szemlélettel – Bowen arány módszer  

Ha ismert a rendelkezésre álló energia, és a két hőáram aránya, akkor a nagyságuk is becsülhető. H Bowen arány: 

E

Illetve tudjuk még, hogy:

E 

Ebből az áramok:

Ae  H  E Ae 1 

T c K H z  g T   e E c e K g z p

H

p

V

Feltesszük, hogy KH=KV

H

Ae 1 

1

Ennél a módszernél elég 2 szinten mérni a hőmérsékletet és a nedvességet, valamint egy szinten a sugárzási egyenleget. 

A rendelkezésre álló energia becsülhető, mint a sugárzási egyenleg 90%-a. 

IV. 

A szenzibilis hőáram 11:00-kor éri el a maximumát, jóval a Nap delelése előtt. Mivel délután a megnövekedő telítési hiány miatt megnő a látens hőáram, így már nem marad energia a szenzibilis hőáramra.



A két áram arány akár nap közben is változik.

    

Energia háztartás

napraforgó

Ökoszisztémánként változik, utal a növények vízellátottságára: Sivatagok: 10 Félszáraz területek: 4-6 Kontinentális erdők és füves területek: 0.4 to 0.8 Trópusi esőerdő: 0.2 

Más-más növények esetében más és más lehet a szenzibilis és a látens hő aránya

V. Eddy-kovariancia módszer 

Direkt árammérési technika a növényzet és a légkör közötti kölcsönhatás mérésére



Előnye: 24 órás mérés az év minden napján.

Mérés 10 Hz-es felbontásban u,v,w hőmérséklet CO2 vízgőz

Szónikus anemométer:  3D szélmezőt méri  Nincsenek mozgó alkatrészei  gyors válaszidejű  3 forrás / 3 detektor (ultrahang)  A kettő közti út megtételéhez szükséges időt méri  u, v, w, hangsebesség  Ts

Infravörös gázanalizátor (IRGA)

A kibocsátott infravörös hullámok abszorpcióját méri.

Alul: forrás, fent: detektor Egyéb gyors válaszidejű szenzorok: O3, CH4, VOC

V.



Első pillantásra kaotikusnak tűnik

Eddy kovariancia módszer

V.





Első pillantásra kaotikusnak tűnik A félórás átlagok viszont csökkenő tendenciát mutattnak

Eddy-kovariancia módszer

V.



  

Eddy-kovariancia módszer

Első pillantásra kaotikusnak tűnik A félórás átlagok viszont csökkenő tendenciát mutatnak Adott tartományban vesz fel értékeket  a szélsebesség változékonysága a turbulencia erősségére utal A szélsőértékek többféle időskálán jelentkeznek (1 perc, 5perc, félóra)  a kicserélődési folyamatok több különböző méretű örvény szuperpozíciójaként jönnek létre

V.



Eddy-kovariancia módszer

Spektrum analízis: adott méretű örvények mekkora energiát hordoznak





3 maximum ~ 100 óránál: frontok ~ 24 óránál napi változékonyság ~ 10 perc: turbulens örvények 1 minimum ~ 1 óránál: Az átlagos és turbulens részek szétválasztása órás/félórás átlagolással és az átlagtól való eltérés vizsgálatával történhet.

u  u  u

V.



Eddy-kovariancia módszer

Közelítések:

•Horizontális homogenitás •Stationarity: időben állandó folyamatok, félórás időskálán kb. igaz. •Az áramok a magasságtól függetlenek •Frozen wave (fagyott örvény) hipotézis

V.



Eddy-kovariancia módszer

Adott tulajdonság fluxusa (árama): egységnyi felületen egységnyi idő alatt áthaladó anyagmennyiség. vagyis

Fx   x w Átlagos és perturbációs tagokra bontva:

Fx   x   x' w  w '  

 x w   'x w '   'x w  x w ' Az anyagmegmaradás elve miatt:

Tehát:

Fx   x w 

w 0

Eredmény:  Szenzibilis hőáram (H): w - T  Látens hőáram (E): w - q

 Nettó ökoszisztéma széncsere (NEE): w – c  + NEE: a növényzetből a légkör felé  légzés  - NEE: a légkörből a növényzet felé  fotoszintézis dominál

 NEE = -GPP + Reco

NEE: Net Ecosystem Exchange

Gap-filling

t, PAR, u*, NEE ablakméret (ws): 7 nap

Fc 

h

van-e adathiány?

i i

ws < 15 i

h

MDV

h

sikeres?

lightresp, tempresp sikeres?

i

PAR a fotoszintetikusan aktív sugárzás : a fényhasznosítási hatékonyság β: a GPP fénytelítésnél Reco az ökoszisztéma légzés.

h

2.
 PAR  Reco  PAR 

i

h h

h

i

következő nap

i interpoláció

ws=ws+7

ws<62

ws>41

h hiba

Fc  Rref e

1  1  E0     56, 02 t  46, 02 

t a hőmérséklet °C-ban Rref a referencia légzés 10°C-on E0 az aktivációs energia

A CO2 áramának és a PAR kapcsolata

A CO2 áramának és a PAR kapcsolata

A CO2 áramának és a PAR kapcsolata

A CO2 áramának és a PAR kapcsolata