Hodnocení tepelné bilance a evapotranspirace travního porostu metodou Bowenova poměru – návod do praktika z produkční ekologie PřF JU
Na základě starších i novějších materiálů upravil a připravil Jakub Brom V Českých Budějovicích, červen 2008 Laboratoř aplikované ekologie, Zemědělská fakulta Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, Studentská 13., 370 05 České Budějovice ENKI o.p.s., Dukelská 145, 379 01 Třeboň
Úvod Všechny přesuny vody, ať už v podobě kapalné nebo v podobě vodní páry, jsou podmíněny přísunem energie. Sledujeme-li dostatečně rozsáhlý porost a můžeme-li zanedbat vliv advekce tepla, je jediným zdrojem energie energie sluneční, která dopadla na danou plochu. Ve dne má energetická bilance tento průběh: Na aktivní povrch (v případě vegetačního krytu se jedná o aktivní vrstvu) dopadá přímé a rozptýlené sluneční záření (krátkovlnná složka záření) a dlouhovlnné záření oblohy. V případě travního porostu, který je plně zapojen a navíc má izolační vrstvu, nepronikne na povrch žádné záření. V tom se liší od zemědělských kultur, které mají po značnou dobu během roku část půdy nepokrytou. V aktivní vrstvě porostu dochází k transformaci záření (cca 15-20 % se odrazí - albedo). Část záření, řádově 1 %, se spotřebovává na fotosyntézu. Další část přechází v podobě tepelného toku do půdy a z porostu do ovzduší vlivem konvekce. Největší část energie se spotřebuje na výpar vody z porostu (latentní teplo výparu), zbylé množství pak na ohřátí porostu. Poměr, v jakém se energie dělí na ohřevné teplo unikající z porostu do ovzduší a na latentní teplo výparu, se nazývá Bowenův poměr. Známe-li tedy bilanci záření, tj. množství energie, které vstupuje do porostu, velikost toku tepla do půdy a Bowenův poměr, můžeme vypočítat množství energie spotřebované na výpar a z ní i velikost samotného výparu.
~1~
Trochu suché teorie a počty Radiační bilance Na aktivní povrch dopadá krátkovlnná složka slunečního záření, jejíž poměrná část je následně odražena zpět do prostoru (albedo). Mluvíme o bilanci krátkovlnné radiace (Rs),
Rs
Rs
Rs .
Šipky označují směr toku energie. Na aktivní povrch přichází kromě krátkovlnné složky záření též dlouhovlnné záření vyzařované atmosférou a zároveň je značná část záření vyzařována aktivním povrchem. Dlouhovlnná složka záření je dána Stefan-Boltzmanovým zákonem: 4
R
T ,
Kde R je dlouhovlnné záření, ε je emisivita (pro vegetaci 0,96-0,98), σ je Stefan-Boltzmanova konstanta (5,67.10-8 W.m-2.K-4) a T je teplota v K. Dlouhovlnné záření je tedy dáno teplotou vyzařujícího povrchu. Bilance dlouhovlnného záření (Rl) je pak:
Rl
Rl
Rl .
Protože teplota povrchu bývá zpravidla vyšší než teplota atmosféry, bilance dlouhovlnného záření bývá zpravidla záporná (v teplé polovině roku). Celková čistá radiace, tedy celková radiační bilance (Rn) je pak součtem obou toků energie,
Rn
Rs Rl .
Tato energie je dále disipována do jednotlivých tepelných toků. Pro účely praktika budeme celkovou čistou radiaci počítat podle vzorce:
Rn
(1
) Rs
1,1 0,2 0,8
n 100 Tv . N
~2~
α je albedo (poměr mezi odraženým a dopadajícím krátkovlnným zářením) Rs↓ je dopadající krátkovlnná složka záření (W.m-2) n je reálná doba přímého slunečního svitu (rel.) N je teoretická doba přímého slunečního svitu (rel.) Tv je teplota vzduchu ve °C. Energetická (tepelná) bilance stanoviště Energetická bilance stanoviště zahrnuje veškerou energii, která se na aktivním povrchu disipuje (transformuje, roznáší) na jednotlivé energetické toky, tj. na proces fotosyntézy, na ohřev povrchu, na tok zjevného tepla a latentního tepla výparu a na tok tepla do půdy. Energetickou bilanci stanoviště lze vyjádřit vztahem
Rn
P J
G H
LE .
P je množství energie spotřebované na výpar J je množství tepla spotřebované na ohřev porostu (povrchu) G je tok tepla do půdy H je tok zjevného tepla LE je tok latentního tepla výparu, kde L je výparné teplo vody (ca 2440 J.g-1) a E je evapotranspirace v mm. Vzhledem k velmi nízkému podílu fotosyntézy a ohřevu povrchu na spotřebě celkové čisté radiace (do 1%), jsou tyto dva členy obvykle zanedbány a rovnice energetické bilance stanoviště se zjednodušuje do tvaru:
Rn G H
LE .
Z praktických důvodů jsou jednotlivé toky počítány ve W.m-2. Bowenův poměr Z energetické bilance stanoviště vyplývá, že existují tři dominantní toky energie, tok tepla do půdy, tok zjevného tepla a tok latentního tepla výparu. Zásadní jsou zde především toky
~3~
zjevného a latentního tepla, jejichž poměr označujeme jako poměr Bowenův (β). Bowenův poměr lze vyjádřit pomocí výpočtu z gradientu teploty a tlaku vodní páry na stanovišti
H LE
Tv
Tp
ev
ep
.
Tv a Tp jsou teplota vzduchu a teplota porostu ve °C ev a ep jsou absolutní vlhkosti vzduchu nad porostem a v úrovni porostu vyjádřené jako napětí (tlak) vodní páry v kPa γ je psychrometrická konstanta kPa.°C-1. γ = 0,066 kPa.°C-1 Pro výpočet Bowenova poměru je potřeba znát tlak vodní páry. Ten lze vypočítat buď na základě měření suché a vlhké teploty pomocí psychrometru nebo na základě měření relativní vlhkosti vzduchu. Výpočet napětí vodní páry ve vzduchu na základě měření suché a vlhké teploty:
e
es
(T T )
e je napětí vodní páry ve vzduchu (kPa) T je teplota suchého teploměru (°C) T´ je teplota vlhkého teploměru (°C) γ je psychrometrická konstanta kPa.°C-1. γ = 0,066 kPa.°C-1 es je napětí vodní páry nasyceného vzduchu pro danou teplotu (kPa), v našem případě pro teplotu vlhkého teploměru. V obecném tvaru lze napětí vodní páry nasyceného vzduchu vypočítat pro danou teplotu T:
es
0,61121 exp
17,502 T . 240,97 T
Výpočet napětí vodní páry ve vzduchu na základě měření relativní vlhkosti vzduchu:
e
es Rh 100
~4~
Rh je relativní vlhkost vzduchu (%) es je v tomto případě napětí vodní páry nasyceného vzduchu pro suchý teploměr, tedy pro aktuální teplotu vzduchu. Výpočet toku tepla do půdy Tok tepla do půdy vypočteme na základě gradientu teploty v půdě podle rovnice
G
K
T0
Tp
zp
z0
K je tepelná vodivost půdy (Wh.m-1. 0C-1). Pro vlhký písek je K = 1,627 W.m-1. 0C-1 T0 a Tp jsou teploty půdy v hloubce 0 m (teplota povrchu půdy) a teplota v půdě ve hloubce zp (°C) z0 a zp jsou hloubky měření (m) Výpočet toku latentního tepla výparu a evapotranspirace Tok latentního tepla výparu vypočteme na základě transformace rovnice energetické bilance
LE
Rn G . 1
Výpar v mm vypočteme na základě jednoduchého přepočtu
E
LE . L
Co budeme potřebovat Pro stanovení energetické bilance stanoviště potřebujeme měřit řadu meteorologických charakteristik: Dopadající a odraženou globální radiaci
~5~
Délku slunečního svitu Teplotu vzduchu nad porostem (obvykle se měří ve výšce 2 m), teplotu na úrovni porostu Suchou a vlhkou teplotu vzduchu nad porostem a na úrovni porostu, případně relativní vlhkost na těchto úrovních Teplotní gradient půdy Budeme měřit za pomoci přístrojů: Integrátory globálního záření případně pyranometr Stokesův heliograf Staniční teploměry Půdní teploměry Assmannův aspirační psychrometr, případně snímače relativní vlhkosti vzduchu.
Úkoly do cvičení 1. V hodinových intervalech změřte cirkadiánní cyklus chodu potřebných veličin pro výpočet výparu metodou Bowenova poměru. Graficky vyjádřete průběh veličin. 2. Vypočtěte jednotlivé toky energie a graficky vyjádřete průběh a sumy spotřebované energie za denní cyklus pro jednotlivé energetické toky. 3. Vypočtěte výpar vody a graficky vyjádřete. 3. Vytvořte prezentaci a zhodnoťte zjištěné údaje o změřených veličinách a vypočtených energetických tocích.
~6~
