FELSZÍN-LÉGKÖR KÖLCSÖNHATÁSOK. Növényökológia II., december 4.

Átírás

1 FELSZÍN-LÉGKÖR KÖLCSÖNHATÁSOK Növényökológia II., 014. december 4.

2 Beveetés A növényet és a légkör soros kölcsönhatásban állnak egymással sgárás momentm (impls) energia A vegetáció ökológiai sempontból növények csoportja, amelyek növekednek és saporodnak, és így élelmet bitosítanak a állatok és emberek sámára, eenkívül stabiliálják a talajt a csapadék felfogásával és a tápanyagok újra felhasnálásával. Geofiikai sempontból a vegetáció egy aktív réteg, ami elsigeteli a talajt a légkörtől. A növényi felsín két alapvető sempontból tér el a cspas talajtól senet ves fel és tárol viet bocsát a légkörbe

3 I. Sgárás átvitel A növényet elsődleges energiabevételi forrása a napsgárás. A sgárás és a vegetáció köött 3 féle kölcsönhatást különbötethetünk meg: 1) hőhatás: a növények a napsgárás mintegy 70%-át absorbeálják, hővé alakítják és felhasnálják a párologtatásho és a környeettel történő hőcseréhe. ) fotosintetiks hatás: a napsgárás kb. 8%-át hasnálják fel a fotosintéishe, és tárolják kémiai energia formájában. 3) fotomorfogenetikai hatás: a napsgárásnak fontos sabályó és veérlő serepe van a növekedési és fejlődési folyamataiban. A sgárás típsa Hllámhosstartomány (mm) A napsgárás %-ékában Hőhatás Hatása a növényi életre Fotosinteti ks hatás UV 0,9-0, jelentéktelen jelentéktelen mérsékelt PAR 0,38-0, jelentős jelentős jelentős NIR 0,71-4, jelentős jelentéktelen jelentős Fotomorfogenetikai hatás Hossúhllámú 3, jelentős jelentéktelen jelentéktelen

4 A sgárás átvitel, vagyis a beérkeő sgárás gyengülése a légkör különböő rétegeiben össetett probléma. Befolyásolja: a beeső sgárás intenitása, iránya a növényállomány inhomogenitása I. Sgárás átvitel A légkör felső határára a sgárás irányára merőleges egységnyi felületre érkeő sgárásmennyiséget neveük napállandónak (S p0 ). 1,35 kw m - A felsínre ennek a 50-70%-a jt le (S p ) Egységnyi vísintes felületre átsámítva (S b ) napi össegben e 0-30 MJ m -. A diffú sgárás (S d ) mennyiségét a: napmagasság a légkör átlátsósága a felhőet mennyisége és minősége befolyásolja. S t S b S d S p A globálsgárás (S t ) a direkt és a diffú sgárás össege.

5 Sgárás komponensek K: bejövő napsgárás K: vissavert napsgárás I: lefelé haladó hossúhllámú sgárás forrás: légkör I: felfelé haladó hossúhllámú sgárás forrás: felsín I. Sgárás átvitel Q* (Rn)= K + K + I + I

6 II. Momentm átvitel Felsín és a légkör köött a átvitelnek két alapvető formája fordlhat elő. lamináris átvitel: a két köeg határán réteges áramlás jön létre, a határtól távolodva nő a sebesség, a átvitelt tlajdonképpen a résecskék köötti belső súrlódás végi trblens átvitel: a átvitelt kicsi objektmok (örvények) végik sokkal intenívebb, mint a lamináris különböő méretű örvények vannak, a nagyokból kisebbek lesnek, és végül a örvények kinetiks energiája hővé lakl. örvények jellemése: h: a örvény magassága : átlag sebesség T: perióds idő, amíg a örvény megtes egy fordlatot f h T f >> 1: viskós alcsoport eek a legkisebbek, és eek vannak legalacsonyabban f 1: tehetetlenségi alcsoport a sélnyírásból sármanak, de nem vesnek rést a trblens kicserélődésben 1 > f > 0: mikrometeorológiai alcsoport

7 II. Momentm átvitel 1 > f > 0: Mikrometeorológiai alcsoport eek sállítják a különböő tlajdonságokat a légkörben 1 > f > 0,3: mechanikai kényserből eredő örvények a felsínköeli súrlódásból erednek élettartamk néhány másodperc, 1 perc Kb. 100 m magasra jtnak fel f < 0,3: termiks kényserből eredő örvények a sélnyírásho termiks hatás társl

8 II. Momentm átvitel Kevert konvekció A földfelsíntől távol, a vertikális sállítást csak a hőmérséklet különbség hajtja, e a ún, sabad konvekció. A felsín köelében, nappal fordlhat elő ilyesmi, amikor a felsín felmelegsik, és nincs horiontális légmogás. A valóságban a felsín köelében ún. kevert konvekció fordl elő. Negatív hőmérsékleti gradiens esetén (nappal): a kialakló feláramlás erősíti a súrlódásból sármaó örvényeket Poitív hőmérsékleti gradiens esetén (éjsaka): a magassággal növekvő sűrűség gyengíti a súrlódásból sármaó örvényeket

9 Teljesen kormányott konvekció esetén a örvények kör alakúak. Átmérőjük (l) megegyeik a sabad úthossal (k). A horiontális és vertikális sebesség flktációk megegyenek a súrlódási sebességgel. Instabil esetben: a vertikális sebesség flktációk nagyobb lesnek mint a horiontálisak, mivel a örvénynek horiontális kiterjedése nagyobb les, mint a sabad úthoss. Stabil esetben: a örvények horiontális irányban nyúlnak meg Torl a logaritmiks sélprofil is. II. Momentm átvitel

10 II. Momentm átvitel A légkör és a felsín köött folyamatos súrlódás van. folyamatos momentm sállítás a felsín felé, vertikális kiterjedésű örvények formájában, e nyílván a sélsebességre is hatással van. A sélsebesség vertikális profilja: A momentm áram intenitása arányos: sélsebesség érdességi elemek (növényet, épületek) nagyságával A sélnyírás a talaj köelében a legnagyobb, felfelé haladva csökken, vagyis fordítottan arányos a magassággal a súrlódás által keltett örvények mérete visont egyenesen arányos a magassággal Z=0-ban a sélnyírásnak végtelennek kéne lennie ott lamináris a áramlás. A sélprofil egyenlete logaritmiks skálán: ln Aln B

11 B konstanst a = 0 behelyettesítésből kaphatjk meg: 0 0 Aln 0 B et behetesítve a sélprofil egyenletébe: Et differenciálva: A * Dimenió analíis segítségével leveethető, hogy Momentm áram B Aln 0 Aln 0 A k *, ahol k a von-kármán konstans, értéke 0,4 ; * : súrlódási sebesség, a momentm átvitel erősségére tal. Tehát * k

12 II. Momentm átvitel Ennek a differenciál egyenletnek a megoldása: Logaritmiks sélprofil * ln k 0 0 : érdességi magasság, a a sint, ahol a sélsebesség 0. Növényállomány felett a sélprofil másképp né ki, be kell veetni a kisorítási rétegvastagságot (d). * k d * -d ln k 0 d: kb. /3-a a növényet magasságának 0 : 10%-a növényet magasságának

13 II. Momentm átvitel Sámserűsítsük a momentm áramot! A momentm átvitel a felsín légáramlással semben kifejtett ellenállása révén jön létre. F ρ AC M : levegő sűrűsége A: a test felsíne : sélsebesség C M : ellenállási tényeő C M arányos a momentm cserével, de sok mindentől függ, pl. a sél és a levél irányától, és a sélsebességtől. Növények állományok esetében bonyollt A és C M meghatároása (mérése). másik módser tán kell néni Bionyos esetekben egyserűbb lehet, a átviteli együtthatók helyett ellenállásokkal dolgoni. aerodinamikai ellenállás

14 II. Momentm átvitel Ohm törvény analógia: aerodinamikai ellenállás Ennek megfelelően a aerodinamikai ellenállás: koncentráció különbség ρa r M F áram A/F-et kifejeve: F ρ AC M egyenletből, és vissahelyettesítve a fentibe: r M ρa F 1 ρ ρ C M 1 C M kapcsolat a átviteli együttható és a ellenállás köött. Egy növényállomány egységnyi horiontális felsínére ható súrlódási erő (): (momentm áram) τ ρ ( ) C am τ ρ * ρ ρ C am *

15 II. Momentm átvitel A logaritmiks sélprofilt behelyettesítve: * C am * -d - ln ln k 0 0 A növényállomány aerodinamikai ellenállást is megkaphatjk: k d r am 1 C am -d ln 1 0 k Megkaptk egy növényállomány köegellenállási együtthatóját, illetve aerodinamikai ellenállását. Elmondhatjk, hogy minél érdesebb a felsín és minél nagyobb a sélsebesség, annál kisebb les a állomány aerodinamikai ellenállása. Áramaink visont még nincsenek! :(

16 Örvényes diffúivitás II. Momentm átvitel Áramlások dinamikájának leírásakor hasnálatos mennyiség a diffúivitás: egységnyi idő alatt mekkora felsínt befolyásol a áramlás a K diffúivitás egy bionyos folyékony köeg bármely pontjában a áram és a koncentrációgradiens hányadosaként definiálható fiikai karakteristikája a folyadékoknak konkrét kapcsolatnak kell léteni a áramok és a koncentráció gradiensek köött a diffúivitás a trblens keveredésből sármaik, eért kapcsolatban van a örvények méretével, és így arányos a felsíntől vett távolággal is K M Momentmra vonatkoó diffúivitási együttható: Mivel független a magasságtól : K M τ ρ τ τ ρk M

17 III. Hő és nyomanyag átvitel Hasonlóképpen definiálhatjk a hőre és a nedvességre vonatkoó diffúivitásokat: K H H T c p K V E e H: senibilis hőáram c p : fajhő T: hőmérséklet e: gőnyomás E: látens hőáram Eekből a áramokat kifejeve: H ρc p K H T ρc λe γ p K V e Senibilis hőáram: levegő belső energiájának at a rését, ami a hőmérséklet kialaklásért felelős g: psichrometriks állandó, 0,65 Látens hőáram: a levegő vítartalmának fáisátalaklásaiho tartóó hőáram Keressük: K H és K V értékeit

18 III. Hő és nyomanyag átvitel Hasonlósági elmélet A legtöbb légkörben leajló folyamat egakt fiikai leírásáho nincs elég ismeretünk. Dimenió analíis segítségével keresünk olyan váltoókat, amik hasonlóan viselkednek, és eekre illestünk empiriks függvényeket, és attól kedve aokat hasnáljk a jelenségek leírására. többféle hasonlósági elmélet léteik Monin Obkhov hasonlósági elmélet: olyan állapotokra iga, amikor a konvekció teljesen kormányott és a állandó áramú rétegben vagynk (Teljesen kormányott konvekció: ha a vertikális mogások csak a súrlódásból erednek. (csak ekkor iga a logaritmiks sélprofil)) M v H K K K K M ρ τ ide behelyettesítve a defínicióját és a sélsebesség gradienst: d k * * ρ τ d k d k K M * ρ τ d k *

19 III. Hő és nyomanyag átvitel T d k c H p ρ e d k c E p ρ g T K c H H p ρ e K c E V p γ ρ λ d k K K K M v H A definíciókba behelyettesítve amit most kaptnk: ln ρ d d T T k c H p Véges különbséges alakkal felírva a követkeő, gyakorlatban is hasnálható egyenleteket kapjk: ln ρ d d e e k c E p g

20 III. Hő és nyomanyag átvitel Áramok sámítása energia hátartási semlélettel Bowen arány módser Ha ismert a rendelkeésre álló energia, és a két hőáram aránya, akkor a nagyságk is becsülhető. Bowen arány: H E Illetve tdjk még, hogy: Ae H E Ebből a áramok: Ae E 1 H Ae 1 1 H E c p c g p K H K V T e T g e Ennél a módsernél elég sinten mérni a hőmérsékletet és a nedvességet, valamint egy sinten a sgárási egyenleget. A rendelkeésre álló energia becsülhető, mint a sgárási egyenleg 90%-a. Feltessük, hogy K H =K V

21 IV. Energia hátartás A senibilis hőáram 11:00-kor éri el a maximmát, jóval a Nap delelése előtt. Mivel déltán a megnövekedő telítési hiány miatt megnő a látens hőáram, így már nem marad energia a senibilis hőáramra. A két áram arány akár nap köben is váltoik. napraforgó Ökosistémánként váltoik, tal a növények víellátottságára: Sivatagok: 10 Félsára területek: 4-6 Kontinentális erdők és füves területek: 0.4 to 0.8 Trópsi esőerdő: 0. Más-más növények esetében más és más lehet a senibilis és a látens hő aránya

22 V. Eddy-kovariancia módser Direkt árammérési technika a növényet és a légkör köötti kölcsönhatás mérésére Előnye: 4 órás mérés a év minden napján. Mérés 10 H-es felbontásban,v,w hőmérséklet CO vígő

23 Sóniks anemométer: 3D sélmeőt méri Nincsenek mogó alkatrései gyors válasidejű 3 forrás / 3 detektor (ltrahang) A kettő köti út megtételéhe sükséges időt méri, v, w, hangsebesség T s

24 Infravörös gáanaliátor (IRGA) A kibocsátott infravörös hllámok absorpcióját méri. All: forrás, fent: detektor Egyéb gyors válasidejű senorok: O 3, CH 4, VOC

25 Első pillantásra kaotiksnak tűnik V. Eddy kovariancia módser

26 Első pillantásra kaotiksnak tűnik A félórás átlagok visont csökkenő tendenciát mtattnak V. Eddy-kovariancia módser

27 Első pillantásra kaotiksnak tűnik A félórás átlagok visont csökkenő tendenciát mtatnak Adott tartományban ves fel értékeket a sélsebesség váltoékonysága a trblencia erősségére tal A sélsőértékek többféle időskálán jelentkenek (1 perc, 5perc, félóra) a kicserélődési folyamatok több különböő méretű örvény sperpoíciójaként jönnek létre V. Eddy-kovariancia módser

28 V. Eddy-kovariancia módser Spektrm analíis: adott méretű örvények mekkora energiát hordonak 3 maximm ~ 100 óránál: frontok ~ 4 óránál napi váltoékonyság ~ 10 perc: trblens örvények 1 minimm ~ 1 óránál: A átlagos és trblens rések sétválastása órás/félórás átlagolással és a átlagtól való eltérés visgálatával történhet.

29 V. Eddy-kovariancia módser Köelítések: Horiontális homogenitás Stationarity: időben állandó folyamatok, félórás időskálán kb. iga. A áramok a magasságtól függetlenek Froen wave (fagyott örvény) hipotéis

30 Adott tlajdonság flxsa (árama): egységnyi felületen egységnyi idő alatt áthaladó anyagmennyiség. vagyis w F x x Átlagos és pertrbációs tagokra bontva: ' ' ' ' x ' ' w w w w w w F x x x x x x A anyagmegmaradás elve miatt: 0 w Tehát: w F x x V. Eddy-kovariancia módser

31 Eredmény: Senibilis hőáram (H): w - T Látens hőáram (E): w - q Nettó ökosistéma séncsere (NEE): w c + NEE: a növényetből a légkör felé légés - NEE: a légkörből a növényet felé fotosintéis dominál NEE = -GPP + R eco

32 NEE: Net Ecosystem Exchange

33 Gap-filling t, PAR, *, NEE ablakméret (ws): 7 nap van-e adathiány? h F PAR PAR c R eco i ws < 15 i.<hónap<11. h h MDV PAR a fotosintetiksan aktív sgárás : a fényhasnosítási hatékonyság β: a GPP fénytelítésnél R eco a ökosistéma légés. i lightresp, tempresp sikeres? h h h sikeres? h ws>41 i i F c R ref e E ,0 t46,0 i ws=ws+7 ws<6 i h interpoláció hiba t a hőmérséklet C-ban R ref a referencia légés 10 C-on E 0 a aktivációs energia követkeő nap

34 A CO áramának és a PAR kapcsolata

38

39