DEBRECENI EGYETEM - ATK Agrometeorológiai és Agroökológiai Monitoring Központ Agroökológia és agrometeorológia Mezőgazdasági mérnök BSc. II. évfolyam Levelező tagozat - Partium
Meteorológiai sugárzástan
A sugárzástan alapjai Az éghajlati rendszer energiaforrása: a Napban lejátszódó termonukleáris reakció: - elektromágneses - korpuszkuláris sugárzás Testek sugárzása: minden 0 K-nél magasabb hőmérsékletű test energiát bocsát ki és nyel el Sugárzás meteorológiai értelemben: - napsugárzás: csak a Napból érkező elektromágneses sugárzás - földi felszínek sugárzása: elnyelés és emittancia
Az elektromágneses sugárzás jellemzői az elektromágneses mező rezgése az energiaszállítást az elektromágneses hullámok végzik a hőenergiává alakuláshoz anyag szükséges elnyelődésekor a sugárzási energia hőenergiává alakul minden irányban terjed a forrásából, közvetítő közeg nélkül is anyagi- és hullámtermészete is van
A napsugárzás jellemzői Spektruma, hullámhossza: 10-9 µm-től 10 9 µm-ig terjed (1 µm=10-6 m) Meteorológiai szempontból lényeges tartomány: 10-1 -10 2 µm között (ultraibolya, látható fény, infravörös)
Rövidhullámú sugárzás: a Napból jövő (szoláris) sugárzás Hosszúhullámú sugárzás: a földi (terresztriális) sugárzás A napsugárzás a légkörön való áthaladáskor számos módosulást, veszteséget szenved: elnyelődés (abszorpció), szóródás (diffúzió), visszaverődés (reflexió) 1: direkt 2: diffúz 3: visszavert napsugárzás
A felszín sugárzási egyenlege A rövidhullámú sugárzás a légkörben közvetlen (direkt) és szórt (diffúz) sugárzás formájában éri el a felszínt Globálsugárzás (S) összetevői: közvetlen és szórt sugárzás összege A beérkező és visszavert rövidhullámú sugárzás hányadosa az albedó. Az albedó (a) 0 és 1 közötti értéket vehet fel. (0 maradéktalan elnyelést jelent) Rövidhullámú sugárzási egyenleg: a besugárzásból kivonjuk a felszín által visszavert sugárzás mennyiségét. R rh = R g - R refl Hosszúhullámú sugárzási egyenleg: a légköri visszasugárzás és a kisugárzás különbsége. R hh = R lv - E ki
Sugárzás mérés Napsugárzás intenzitás mérés Napfénytartam mérés a) Direkt sugárzás a) Campbell-Stokes Pirheliométer - direkt (Abbot-féle, Angström-féle) Aktinométer relatív (Michelson-Martin, Linke-Feussner) b) Rövidhullámú sugárzás Piranométer (Kipp&Zonen, Moll-Gorczynski) c) Hosszúhullámú sugárzás Pirgeométer d) Teljes sugárzás Pirradiométer b) intenzitás mérésekből
A napfénytartam Napos órák száma függ: Csillagászati tényezők: földrajzi szélesség nappal hossza Orográfiai tényezők: horizontkorlátozás Meteorológiai tényezők: Mérése: felhőzet, légkör áteresztőképessége Campbell-Stokes-féle napfénytartammérő Intenzitásmérések alapján (napos óra: 120 W/m 2 <)
A levegő és a felszín hőmérséklete, hőgazdálkodása
A hőmérséklet mint fizikai mennyiség az anyag részecskéinek hőmozgásával arányos állapothatározó intenzitást jelölő mennyiség nagysága a testek/anyagok közötti hőközlési folyamatok egyenlege: - Hősugárzás (radiáció, pl. a Nap rövidhullámú sugárzása) - Hőáramlás (konvekció, pl. tengeráramlások, szél) - Hővezetés (kondukció, pl. talaj hőátadása a levegőnek) A hőközlés hatásfokának alapja a hőkapacitás, mely függ: - az anyag fajhőjétől - az anyag sűrűségétől
A hőmérséklet mint fizikai mennyiség Néhány anyag hőtani paraméterei:
A hőmérséklet mint fizikai mennyiség Számszerűsítésének fontosabb alapegységei: Kelvin (T [ K], abszolút hőmérséklet): T = t+273,15 C Alappontja (0 K): abszolút 0 fok, azaz -273,15 C 1 K = 1 C Celsius (t [ C]): alappontja: a víz olvadáspontja 1 C: a víz olvadás és forráspontja közötti különbség 1/100-része Fahrenheit (f [ F]): f = t*9/5+32 alappontja: a szalmiákszesz-keverék olvadáspontja (-17,78 C) 1 F: fenti keverék o.p.-jának és az emberi test hőmérséklete közötti különbség 1/96-része
Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben A Föld hőforgalmát meghatározó tényezők: gömb forma
Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben A Föld hőforgalmát meghatározó tényezők: tengelyferdeség
Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben A Föld hőforgalmát befolyásoló tényezők: felszíni heterogenitás ~ albedó felhőzet, légköri hatások -víz/talajfelszín - domborzat - kőzet -talajtípus -talajállapot - növényzet -beépítettség foka
Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben Földi hőcsere-mechanizmusok: lokális légkörzés
Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben Földi hőcsere-mechanizmusok: globális légkörzés globális vízkörzés
A hőmérséklet mérése Az agrometeorológiában használt hőmérsékleti kategóriák: (tér-dimenzió szerint) Talajhőmérséklet: tipikus mérési szintjei: - Felszíni talajhőm.: -0,02 m -0,25 m - Mélységi talajhőm.: -0,5 m -2,0 m Felszíni hőmérséklet: - talajfelszín hőmérséklete - növényi felszínek hőmérséklete - állati testfelület hőmérséklete Léghőmérséklet Árnyékolt: - fűszinti ~ (0,05 m) - talajközeli ~ (0,5 m) - állomási ~ (nedves ill. száraz, 2,0 m) - magassági ~ (2,0 m<) Árnyékolatlan: - Radiációs minimum ~ (0,05 m) távérzékelt, infra-, illetve kata-hőmérséklet
A hőmérséklet mérése Az agrometeorológiában használt hőmérsékleti kategóriák: (idő-dimenzió szerint) Pillanatnyi hőmérséklet Átlaghőmérséklet ( valódi azaz 24 adatos, ill. 2, 3, 4 adatos) Szélső értékek: minimum és maximum Hőingás Hőátlagok vonatkoztatási időszakai: 10 perces, 1 órás átlaghőmérséklet 1 napos, pentád-, dekád-, havi ~ éves, sokéves ~ (jelenlegi referencia időszak: 1981-2010.)
A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Hőmérők csoportosítása Kontakt hőmérők Nem kontakt hőmérők -Mechanikus - gázhőmérők - folyadékhőmérők - fém (bimetall) hőmérők -Elektromos - termoelem hőmérők - ellenállás hőmérők - termisztorok IR (infra) hőmérők - hagyományos infra hőmérők - infra kamerák
A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Az agrometeorológiában használt mérőeszközök Állomási hőmérő:
A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Az agrometeorológiában használt mérőeszközök Hőmérséklet-regiszterek: Termográf (hőmérséklet-író) Elektromos hőmérőelem + adatgyűjtő
A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Az agrometeorológiában használt mérőeszközök Minimum-maximum hőmérő: Six-féle Fuess-féle
A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Az agrometeorológiában használt mérőeszközök Talajhőmérő:
A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Az agrometeorológiában használt mérőeszközök Infra hőmérő: Infra kamera:
A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: A hőmérséklet mérésének kiegészítő eszközei Árnyékolók: Stevenson-féle hőmérőház előny: tágas, sokféle műszer elhelyezhető hátrány: tömege, hőtehetetlensége nagy Tányéros árnyékoló előny: könnyű, kis hőtehetetlenségű, kis méretű, olcsó, könnyen szerelhető, mozgatható
A hőmérséklet változása időben és térben A hőmérséklet jellemző napi menete
A hőmérséklet változása időben és térben A hőmérséklet jellemző éves menete (adatok: Debrecen-Repülőtér)
A hőmérséklet változása időben és térben A hőmérséklet változása a magassággal: a troposzférában átlagosan 0,65 C/100 m
A hőmérséklet változása időben és térben A hőmérsékleti inverzió agrometeorológiai jelentősége: Típusai kialakulás szerint: kisugárzási (tavasszal és ősszel) zsugorodási (téli hidegpárnás helyzet) Gyakorlati jelentősége: Fagylefolyás: - passzív fagyvédekezés - termőterület helyes megválasztása (hegylábi, dombvidéki termőterületeken) - aktív fagyvédelem - légterelés, melioráció - termőhelyi adottságok módosítása Köd-, inverziós záróréteg képződés - aktív fagyvédelem ( helyi ködképzés, füstölés) - vegetációban növényvédelmi vonatkozások
A hőmérséklet változása időben és térben A klímájára jellemző kardinális hőmérsékleti értékek Agronómiai (termeszthetőségi, illetve hőstressz) szempontból lényeges hőmérsékleti jelzőszámok: t min = napi minimumhőmérséklet t max = napi maximumhőmérséklet Zord nap: t min <=-10 C Téli nap: t max <=0 C Fagyos nap: t min <0 C Nyári nap: t max >=25 C Hőségnap: t max >=30 C Forró nap: t max >=35 C
A hőmérséklet változása időben és térben *USDA-ekvivalens plant hardiness zónatérkép
A levegő mozgása: a légnyomás és a szél
A száraz levegő termodinamikája - nyomás Egységnyi felületre ható nyomóerő (N/m 2 ) A légkör nyomásával a tengerszinten 760 Hgmm tart egyensúlyt = 101325 N/m 2 = 10 5 Pa = 1013,25 mbar
Légköri nyomás A légkör tömegének 90% alsó 15 km rétegben van
A légkörben ható erők Külső erők (légkör nélkül is hat) Belső erők (légkör jelenlétéből következnek) A Föld tömegéből következő gravitációs erő A Föld forgásából származó Coriolis erő Egyenlőtlen légnyomás eloszlásból származó nyomási gradiens erő Belső és külső súrlódásból származó súrlódási erő Görbült mozgások miatt fellépő centrifugális erő
A szél kialakulásának okai Föld gömbölyű Ráeső sugárzás különböző mértékben hasznosul nyomás különbségek Forog a tengelye körül Hőszállítás
Globális áramlási rendszer
Légmozgás a talajmenti térben A talaj menti térben a levegő mozgása irányítja az érezhető (szenzibilis) hőenergia és a különböző anyagok (pl. CO 2, víz, pollen, szennyezőanyagok, stb.) terjedésének sebességét is. A szélsebesség alakulása a függőleges mentén: A szélsebesség alakulása a függőleges mentén: A felszíni súrlódás mértékét meghatározza: - a felszín érdessége - a felszínnel érintkező gáz sűrűsége - az áramlás sebessége.
Felszín érdessége
Szél a növényállományban
A levegő mozgásának főbb mérési elvei és eszközei
A szélsebességgel kapcsolatos definíciók Nagysággal és iránnyal rendelkező vektormennyiség Szélút: az a távolság, amelyet vízszintesen egy képzeletbeli pont egységnyi idő alatt a légáramlás segítségével megtesz. A választott átlagolási időegységen belül mért legnagyobb szélsebesség a széllökés, amely a felszín közeli légmozgások turbulens jellegéből adódik. A szélnyomás nagysága a szélsebesség négyzetével arányos. Hatását magas, nagy légellenállású építmények tervezésénél is számításba kell venni.
Mértékegysége A szélsebesség mértékegysége : m/s, km/h, csomó(knots)/h, mérföld/óra. Érdemes tudni, hogy: 1m/s = 3,6 km/h = 2.237 mérföld/óra = 1,944 csomó.
Szélrózsa
Megfigyelt szélsebesség 5 csomóra kerekítve Alkalmazott szimbólum Megfigyelt szélsebesség 5 csomóra kerekítve Alkalmazott szimbólum 0-2 csomó 0-2 mérföld 0 csomó 38-42 csomó (44-48 mérföld) 40 csomó 20 m/s 3-7 csomó (3-8 mérföld) 5 csomó 43-47 csomó (50-54 mérföld) 45 csomó 8-12 csomó (9-14 mérföld) 10 csomó 5 m/s 48-52 csomó (55-60 mérföld) 50 csomó 25 m/s 13-17 csomó (15-20 mérföld) 15 csomó 53-57 csomó (61-66 mérföld) 55 csomó 18-22 csomó (21-25 mérföld) 20 csomó 10 m/s 58-62 csomó (67-71 mérföld) 60 csomó 30 m/s 23-27 csomó (26-31 mérföld) 25 csomó 63-67 csomó (73-77 mérföld) 65 csomó 28-32 csomó (32-37 mérföld) 30 csomó 15 m/s 98-102 csomó (113-117 mérföld) 100 csomó 50 m/s 33-37 csomó (38-43 mérföld) 35 csomó 102-107 csomó (119-123 mérföld) 105 csomó
Beaufort kategória Szélsebesség kt km/h mph m/s Átlagos szélsebesség (kt / km/h / mph) Leírás Hullámmagasság m Tengeri viszonyok Szárazföldi viszonyok 0 0 0 0 0-0.2 0 / 0 / 0 Szélcsend 0 Sima tenger. Szélcsend. A füst függőlegesen felszáll. 1 1-3 1-6 1-3 0.3-1.5 2 / 4 / 2 Gyenge légmozgás 0.1 Fodrozódik hab nélkül. A szélmozgás látható a füstön 2 4-6 7-11 4-7 1.6-3.3 5 / 9 / 6 Könnyű szellő 0.2 Kis hullámok. A tarajok üvegesek, de nem buknak át. A szél érezhető a bőrön, a levelek suhognak 3 7-10 12-19 8-12 3.4-5.4 9 / 17 / 11 Szelíd szél 0.6 Nagy hullámok. A hullámtarajok kezdenek átbukni, elszórtan fehér a teteje. Levelek és kisebb gallyak állandóan mozognak 4 11-16 20-29 13-18 5.5-7.9 13 / 24 / 15 Mérséklet szél 1 A hullámok alacsonyak, de egyre hosszabbak. A füst és lebegő papír emelkedik. A kisebb ágak mozogni kezdenek. 5 17-21 30-39 19-24 8.0-10.7 19 / 35 / 22 Élénk szél 2 Mérsékleten (1.2m) hosszú hullámok Néhány taraja habzik és tajtékzik. Kisebb fák billegnek 6 22-27 40-50 25-31 10.8-13.8 24 / 44 / 27 Erős szél 3 Nagy hullámok átbukó tarajjal, amelyek néha tajtékzanak. Nagyobb ágak mozognak Drótok felett fütyül a szél. Nehéz használni az esernyőt. 7 28-33 51-62 32-38 13.9-17.1 30 / 56 / 35 Nagyon erős szél 4 Viharos tenger. A tajtékzó hab csíkokba rendeződik Az egész fa mozog. Erőfeszítés kell a széllel szemben haladni 8 34-40 63-75 39-46 17.2-20.7 37 / 68 / 42 Szélvihar 5.5 Mérsékleten magas, hosszú tarajú hullámhegyek, a tajtékzó hab egyértelműen csíkokba rendeződik Gallyak törnek le a fáról. Autók irányt változtatnak az úton 9 41-47 76-87 47-54 20.8-24.4 44 / 81 / 50 Erős szélvihar 7 Magas hullámok (2.75 m) sűrűn tajtékkal. A hullámok teteje átfordulnak. A víz jelentősen szóródik és habzik. Enyhe veszély az épületekre 10 48-55 88-102 55-63 24.5-28.4 52 / 96 / 60 Vihar 9 Nagyon magas hullámok. A tengerfelszín fehér és állandóan hánykolódik. A látótávolság csökken. A fák gyökerestől kifordulnak. Jelentékeny veszély az építményekre. 11 56-63 103-117 64-72 28.5-32.6 60 / 111 / 69 Heves vihar 11.5 Szokatlanul magas hullámok Minden építményre veszélyt jelent. 12 >63 >117 >72 >32.7 N/A Orkán, hurrikán 14+ Óriási hullámok. A levegő tele van tajtékzó vízzel és habbal. A tenger teljesen fehér. A látótávolság jelentősen csökken. Súlyos veszély minden építményre
Szélmérés elvei Szélsebesség és irány mérése: -külön -együttesen (kombinált műszerek) További lehetőség: az u, v, és w szélvektorok közvetlen mérése, majd ebből szélirány és sebesség számolása. Direkt és indirekt szélmérés lehetséges
Szélzászló Kiegyensúlyozott aszimmetrikus fémlap Szél nyomóereje fordítja irányba
Szélzsák- anemoszkóp igen olcsón teszi szemléletessé az áramló levegő tulajdonságait (lökésességét) repülőtereken, utak mellett (oldalszél jelzésére)
Wild-féle nyomólapos szélzászló 150x300mm méretű és 200g súlyú fémlap kilendül 7 fokozatú Beaufort skála Szélzászló aszimmetrikus fémlap fordul a szél irányába
Szélirányjelző 360 vagy 540 beosztású potenciométerek, mindegyik irányhoz más más elektromos ellenállás tartozik, így ellenállásmérésre vezetjük vissza a széliránymérést. 2 pontosságúak pontos tájolás szükséges
Anemométerek 1. Közvetlen mérés - Rotációs anemométerek Kanalas Lapátkerekes Propelleres
Szónikus anemométer A hang terjedési sebessége nyugalomban lévő levegőben a tér minden irányába azonos a talajfelszínhez viszonyítva. A levegő földfelszínhez viszonyított relatív A levegő földfelszínhez viszonyított relatív elmozdulása a Doppler-effektus miatt módosítja ezt a paramétert.
SODAR (SOund Detection And Ranging) A SODAR által kiadott hallható rövid hangimpulzusok a légkör magasságban áramló levegőrétegeiről eltérő időtartam alatt verődnek vissza. Az 1875Hz frekvenciájú, 340 m/s terjedési sebességű hanghullámok
Szélvektorok különböző magasságokban 2012. 10. 23.
A víz a légkörben; A légnedvesség, felhőzet, csapadék és a párolgás
A víz a légkörben A talaj-légkör rendszer egyszerűsített vízmérlege: P + ET ± D = 0 P= csapadék ET= párolgás D= a talaj által raktározott víz
A víz a légkörben A talaj-légkör rendszer vízmérlege:
A víz a légkörben A vízgőz a légkör változó részarányú, de állandó összetevője, nagy hatású üvegházgáz. Mindhárom halmazállapotában jelen lehet. A légnedvesség számszerűsítése: Páranyomás: a vízgőz parciális nyomása [mbar, kpa] Abszolút páratartalom: a légkör egységnyi térfogatában jelen lévő víz tömege [g/m 3 ] Relatív páratartalom: a levegő aktuális víztartalmának aránya a telített állapothoz viszonyítva [%] Telítési nedvességtartalom: egységnyi térfogat által maximálisan elnyelhető vízgőz tömege, illetve parciális nyomása [g/m 3 ; mbar, kpa]
A víz a légkörben A telítési páranyomás és a relatív nedvesség függése a hőmérséklettől: A hőmérséklettel nő a levegő lehetséges legmagasabb abszolút páratartalma (azaz párabefogadó képessége telítési páranyomása). A telítési (E) és az aktuális (e) páranyomás különbsége a telítési hiány, a levegő páraéhsége. Azonos páranyomás mellett a hőmérséklet növelésével csökken, csökkentésével nő a relatív páratartalom (RN).
A víz a légkörben A telítési páranyomás és a relatív nedvesség függése a hőmérséklettől: Azt a hőmérsékletet, ahol adott páranyomású (páratartalmú) levegő telítetté válik, harmatpontnak nevezzük. Az aktuális t és a harmatpont (τ) különbsége a harmatpontdepresszió. Minél kisebb a harmatpontdepresszió, annál nagyobb a telítési arány, vagyis a páranyomás és a telítési páranyomás hányadosa (e/e). Ugyanez egyúttal nagyobb nedvességtartalmat is jelent azonos t mellett.
A víz a légkörben A légnedvesség jellemző értékei, változékonysága A relatív páratartalom napi menete
A víz a légkörben A légnedvesség jellemző értékei, változékonysága A páranyomás napi menete
A légnedvesség mérése A víz a légkörben Eszközei: higrométerek Abszorpciós higrométerek: - Higroszkópos vegyületet tartalmazó ~ (CaCl 2, H 2 SO 4, P 2 O 5 ) 2 2 4 2 5 - Hajszálas ~ (Fuess-állomáshigrométer, poliméter, higrográfok) - Membrános ~ - Ellenállás- és kapacitív ~ Pszichrométerek (August- és Assmann-féle pszichrométer) Kondenzációs vagy harmatpont higrométerek
A légnedvesség mérése A víz a légkörben Higroszkópos vegyületet tartalmazó higrométer
A légnedvesség mérése A víz a légkörben Hajszálas higrométer
A légnedvesség mérése A víz a légkörben Higrográf (légnedvesség-író)
A légnedvesség mérése A víz a légkörben Ellenállás- és kapacitív higrométerek, termohigrométerek
A légnedvesség mérése A víz a légkörben Nedves-száraz hőmérőpár (August-féle pszichrométer)
A légnedvesség mérése A víz a légkörben Assmann-féle aspirált pszichrométer (szellőztetett nedves-száraz hőmérőpár
A víz a légkörben A légnedvesség időbeli és térbeli változása által meghatározott jelenségek: Felhőképződés: telített állapotban a magasabb szintek levegőjének nedvességtartalma kicsapódik, páracseppek keletkeznek Ködképződés: a felhőképződés folyamata a talaj közeli légrétegben zajlik le Csapadékképződés: felhőben vagy ködben az igen apró páracseppek kondenzációs magokra kicsapódva felhőelemeket hoznak létre Párolgás, párologtatás: a párolgó felületek, illetve a növényzet körüli levegő telítési hiánya megszabja a párolgási, párologtatási folyamat intenzitását
A víz a légkörben A felhő- és ködképződés: A levegőnek telített állapotot (relatív nedvesség=100%) kell elérnie: - t csökkentése - abszolút nedvességtartalom növelése Lehetséges módjai: Nedvesség-advekció, konvergencia (időjárási frontokhoz kapcsolódnak) Lehűlés - hideg advekció - emelkedés (frontok mentén, konvektív úton vagy orografikusan) - kisugárzás által (talaj közelében ködképződés)
Advekció, frontális emelés A víz a légkörben
Orografikus (domborzati) emelés A víz a légkörben
Konvektív emelés A víz a légkörben
A víz a légkörben Köd képződésének módjai Kisugárzási Advektív
A víz a légkörben Csapadékképződés Feltétele: felhőelemek létrejötte - a felhő kétfázisúból (folyékony-légnemű) három fázisúvá válása (jégcsírák) - kicsapódási (kondenzációs) magvak jelenléte - kellő további nedvességtartalom a felhőelemek növekedéséhez A közbenső részfolyamatok: - ütközés - szétválás - kondenzáció - átpárolgás - párolgás - szublimáció Csapadék hullásának feltétele: Felfelé irányuló légmozgás Gravitáció
A víz a légkörben Csapadékformák osztályzása Halmazállapot Szilárd Átmeneti Folyékony havas eső Képződés szintje Magassági Talaj közeli hó jégeső dér zúzmara hódara ónos eső fagyott eső eső harmat
A víz a légkörben A csapadék jellemzésére szolgáló mutatók: Csapadékösszeg (leggyakrabban napi, havi, éves, sokéves) Intenzitás (mm/h) Gyakoriság (időszak csapadékos napjainak száma) Eloszlás: - térbeli (érintett területek nagysága, egybefüggősége) - időbeli (csapadékos és csapadékmentes időszakok aránya, egyenletessége) A csapadékmennyiség értelmezése: 1 mm csapadék elfolyás, elszivárgás nélkül a talajt 1 mm vastagságban borítaná be 1 mm csapadék = 1l víz/m 2 Hócsapadék vízegyenértéke: 1 cm friss hó kb. 0,3-1,5 mm csapadékvíznek felel meg
Hulló csapadék mérése: Csapadékmérő gyűjtőedények - Hellmann-féle csapadékgyűjtő - Mougin-féle csapadékgyűjtő (totalizatőr) A csapadék mérése Csapadékíró műszerek(ombrográfok) - Hellmann-féle úszóhengeres csapadékíró - Anderkó-Bogdánffy-féle mérleges csapadékíró Automata csapadékmérők -Billenőcsészés csapadékregisztráló - Súlymérés elvén működő csapadékregisztráló - Elektromos csapadékjelző Mikrocsapadék mérésére szolgáló műszerek: Harmatmérlegek Zúzmaramérők
Hellmann-rendszerű csapadékmérő A csapadék mérése
Hellmann-féle úszóhengeres csapadékíró A csapadék mérése
Billenőcsészés csapadékmérő automata A csapadék mérése
A csapadék mérése Súlymérés elvén működő csapadékregisztráló + elektromos csapadékindikátor
Zúzmaramérő A csapadék mérése
A párolgás, párologtatás Párolgás (evaporáció, E): a talaj, vizek, növényzet felületéről pusztán fizikai folyamatok által meghatározott módon levegőbe jutó vízpára Párologtatás (transpiráció, T): a növények szöveteiből a sztómákon át élettani folyamatok által szabályozott módon a levegőbe jutó vízpára Evapotranspiráció (ET): a növényzettel borított természetes felszínek párolgásának összessége; az evaporáció és a transpiráció összege Jellemző értékei: - potenciális evapotranspiráció(pet) - tényleges evapotranspiráció(tet)
A potenciális evapotranspiráció mérésének eszközei Referenciafelület a szabad vízfelület: Párolgásmérő kádak: - A-típusú - G-típusú - U-típusú
A potenciális evapotranspiráció mérésének eszközei Referenciafelület a csupasz, vagy növényzettel borított talaj felülete: Evaporiméter: edényben álló csupasz felületű talajmonolit vízbevételét és veszteségét mérve vízmérleg számolható Liziméterek: növényzettel borított talajszelvény párolgásának mérésére szolgálnak súlyliziméterek: a vízmérleg alapja súlymérés - mechanikus - elektronikus - hidraulikus - úszó térfogati liziméterek: a vízbevétel és vízveszteség térfogatának méréséből számítható a PET nagysága
A potenciális evapotranspiráció mérésének eszközei Thornthwaite-rendszerű kompenzációs evapotranspirométer
A párolgás jellemző értékei, változékonysága A potenciális párolgás évi menete
A párolgás jellemző értékei, változékonysága Az tényleges és a potenciális párolgás éven belüli alakulásának viszonya
A talaj agrometeorológiája: talajnedvesség és a talajok hőháztartása
A talajnedvesség szerepe közvetlen kapcsolat a talaj szilárd és légnemű fázisával, a növényzet gyökérrendszerével mennyisége, mozgékonysága és mennyisége, mozgékonysága és kémiai összetétele befolyásolja a talaj termékenységét
Nedvességformák a talajban I. Kötött víz II. Kapilláris víz 1. Szerkezeti víz (kémiailag kötött ) 2. Adszorbeált víz (fizikailag kötött) a) Erősen kötött víz b) Lazán kötött víz 1. Támaszkodó kapilláris víz 2. Függő kapilláris víz 3. Elkülönült (izolált) kapilláris víz III. Szabad víz 1. Kapillárisgravitációs víz 2. Gravitációs víz 3. Talajvíz 4. Vízgőz Talaj-víz-növény kapcsolatrendszerben 1. Holtvíz (HV) (növények számára nem hasznosítható, gyökér szívóerejénél erősebben kötött) 2. Hasznosítható (diszponibilis) víz (DV) (növények számára hozzáférhető)
Talajnedvesség mérése a) Szárítószekrényes (gravimetrikus) N t% = G n G G sz sz *100 N t% G n t% = nedvességtartalom tömeg %-ban = nedves talajminta tömeget G sz = száraz talajminta tömege. b) Tenziométeres A nyomásmérés mechanikus úton történik. Mérési tartomány: 0-99 cbar. A standard tenziométerek 15-150 cm hosszúságban kaphatók. Jet-fill tenziométerek
c) TDR (Time Domain Reflectometry) talaj-nedvesség mérők 12 cm-es vagy 20 cm-es szonda rudak volumetrikus víztartalom és öntözési menedzsment mód Elve: elektromágneses impulzusok visszatérési ideje függ a víztartalomtól d) Neutronszóródásos (γ-sugár-gyengítéses) Rendkívül pontos talajnedvesség mérés gyorsneutronok H atomokon ütköznek érzékelő a talajban A visszavert lassú neutronok száma arányos a vízmolekulák számával, vagyis a talajnedvességgel.
e) Dielektromos állandó mérése a kondenzátor lemezek közötti vezetőképesség a lemezek közötti talaj nedvességtartalmával szorosan összefügg + egyszerű és gyors eljárás - nagy sótartalmú pl. szikes talajokon a mérés megbízhatatlan AQUATERR talajnedvesség mérő kézi működtetésű nyomószonda a mérendő talajnedvességgel arányosan a dielektromos állandó mérhető
A talaj vízkapacitása Vízkapacitás: az a vízmennyiség, amit a talaj különböző körülmények között befogadni és/vagy visszatartani képes Szabadföldi (VK sz ) Maximális (VK max ) Minimális (VK min ) VK sz VK min Kapilláris (VK kap ) (10 cm magas oszlopban)
A talajok nedvességforgalma 1. Beszivárgás Szakaszai: 1. Felületi beázás, a talajfelszín benedvesedése, a víz összegyülekezése a felszíni egyenlőtlenségekben. 2. Gravitációs beszivárgás a nagy pórusok, repedések, a gyökér- és állatjáratok feltöltődését jelenti. Ezzel egy időben, esetleg időben kissé eltolódva történik a kapilláris beszivárgás a kisebb járatokba. 3. Beszivárgás a réteg teljes telítődése esetén, amikor a beszivárgás minimumra csökken, lassan megállapodik és gyakorlatilag egy állandó értéket vesz fel. A Horton féle beszivárgási modell
Vízbefogadás szakaszai: 1) Vízelnyelés 2) Áteresztés-vezetés Beázási profilok
A nedvesség eloszlása a talaj profilban 1=eredeti nedvességprofil, 2= közvetlenül a vízadagolás megszüntetése után, 3=a víz szétoszlása után (24 óra múlva) 4= 3nappal a beázás után; A = vályog; B = homokos vályogtalaj
2. Száradás Oka: evaporáció (talaj párolgása) transzspiráció (növények párologtatása) növényzettel borított területen - evapotranszspiráció Befolyásolja: talaj mozgékony vízkészlete és kapilláris vezetőképessége légmozgás (szél) felszínt érő hősugárzás intenzitása és időtartama növényzet (faj-fajta, fejlettségi állapot, állománysűrűség)
A vízháztartás típusát a talajszelvényre ható input és output elemek számszerű értéke és egymáshoz viszonyított mennyisége (a vízmérlegek) alapján lehet megállapítani. Egy terület egyszerűsített vízmérlege a következő elemekből áll: [P M + P m +RO + +RO u+ + CR+I] [ET+ RO - + RO u- + DP +In] = ΔR M m + u+ - u- P M = hulló csapadék P m = felszín közelében képződő csap. RO + = felszíni hozzáfolyás RO u+ = felszín alatti hozzáfolyás CR= kapilláris vízemelés I= öntözővíz ET= párolgás RO - = felszíni elfolyás RO u- = felszín alatti elfolyás DP= mély leszivárgás In= növények által felfogott víz (intercepció) ΔR= a talaj /levegő rendszer vízkészletében beállt változás
A talaj vízforgalmának és vízmérlegének elemei
A talajok vízforgalmának alaptípusai: Erős felszíni lefolyás típusa Kilúgozásos típus Egyensúlyi vízmérleg típusa Párologtató vízforgalmi típus
A talajok vízgazdálkodása Vízgazdálkodás Talajtermékenység Termesztett növények víz- és levegőellátottsága Talaj biológiai aktivitása Agrotechnikai módszerek meghatározása (cél: termékenység fokozása) Pl. talajművelés, öntözés, vízelvezetés, talajjavítás
Szerepe: A talajok hőháztartása növények csírázása, növekedése, légzése, tápanyagfelvétele mikrobiológiai folyamatok intenzitása tápanyagfeltáródás üteme talajképződés folyamatainak sebessége A talaj hőmérsékletét befolyásolja: beérkező és távozó hő egyensúlya talaj hőtani jellemzőit kialakító tulajdonságok
Érkező energia forrása: a) napsugárzás intenzitása függ: - földrajzi helyzet - tengerszint feletti magasság - lejtős területen kitettség befolyásolja: - növényi fedettség - talajfelszín színe és szerkezete b) talajban lejátszódó kémiai és biológiai folyamatok c) kéreg mélyebb rétegeiből hővezetéssel érkező geotermikus energia (geotermikus gradiens) átlagban 33 m-ként 1 C nálunk 15-20 m-ként 1 C
Hőveszteség: - atmoszférába történő hosszú hullámhosszú sugárzás - talajfelszínről történő párolgás - mélyebb rétegekbe történő hővezetés Hőfelvevő képesség függ: Hőfelvevő képesség függ: - víz- és levegőtartalom - hővezető képesség száraz talaj: 0.05-0.4 C cm -1 min -1 nedves talaj: 0.5-1.6 C cm -1 min -1 - talajt borító élő és élettelen anyagok (növényzet, avar, hó) - kitettség, lejtőszög
A talajhőmérséklet napi és éves menete -5 0 5 10 15 20 A talajhőmérséklet időbeli fáziseltolódása és mélységi profilja az év folyamán
Talajhőmérséklet mérése - Talajhőmérők Cél: talajhőmérséklet különböző mélységekben való meghatározása Elhelyezési mélység alapján: A) Felszíni talajhőmérők leolvasás naponta 6-12-18 UTC
B) Mélységi talajhőmérők leolvasás naponta 12 UTC
A talajok hőgazdálkodása Befolyásolja: talaj szerkezete talaj víztartalma talaj levegőzöttsége Laza szerkezetű, levegős talaj gyorsan felmelegszik, de gátolja az alsóbb rétegek felmelegedését és lehűlését nagy, de kis mélységig terjedő hőmérsékletingadozás Aprómorzsás felszín csökkenti a talaj felmelegedését gátolja a gyors hőmérsékletváltozást
Különböző talajtípusok hőgazdálkodása Homoktalajok Vályogtalajok Agyagtalajok Kis belső felület Kis vízmennyiséget (150-250 mm/m) képesek visszatartani 250-300 mm/m víz visszatartása a nehézségi erővel szemben Nagy az abszorbeáló felület 350-450 mm/m víz visszatartása Kicsi hővezető képesség és hőkapacitás Szélsőséges hőmérsékletek kialakulása a felső talajrétegben Harmonikus hővezető képesség és hőkapacitás Kiegyenlített hőmérsékletek Leghosszabb tenyészidőszak Magas hővezető képesség és hőkapacitás Hideg talajok Legrövidebb tenyészidőszak
A növényállományok és a klíma kölcsönhatásai; Fenológia, fenometria
A hőmérséklet hatása az élő szervezetekre A biológiai aktivitás jeles hőmérsékleti értékei: Minimum: az élőlény számára elviselhető legalacsonyabb hőmérséklet Maximum: az élőlény számára elviselhető legmagasabb hőmérséklet Optimum: tágabb értelemben a két fenti érték közötti intervallum (mind erősen életszakasz-, sőt szervfüggő érték, értelmezhető életben maradásra, vagy aktivitásra) Hőstresszek: Negatív hőstressz: -Hűlés : 0 C feletti alacsony hőmérséklet okozza, lehet reverzibilis, vagy letális -Megfagyás: visszafordíthatatlan szöveti károsodás 0 C alatt -Felfagyás: a talaj térfogatváltozása a gyökereket károsítja, a növényt a talajból kiemeli -Fulladás: tartós hó, vagy jégréteg alatti oxigénhiányos állapot kártétele -Élettani szárazság: télen is párologtató növények fagyott talajból történő vízfelvétele gátolt Pozitív hőstressz: - Sejtfehérjék, membránok károsodása: hőhalál, többnyire erős napsugárzás is súlyosbítja - Kiszáradás: a vízfelvétel nem fedezi párolgást, lankadás, majd hervadás lép fel
A hőmérséklet hatása az élő szervezetekre Hőegység-rendszerek: a hőmérséklet és a növényi növekedés összefüggésének, azaz a növényi hőigénynek a számszerűsítésére szolgálnak Tenyészidő hossz: a keléstől (kihajtástól) betakarításig (lombhullásig) tartó hasznos periódus alapján történő termőhely értékelés Hőösszegek: a bázishőmérsékletet meghaladó napi hőmérsékletek összege bázishőmérséklet: fajra, fajtára jellemző vitális aktivitási zéruspont Hőhatékonysági indexek: a hőösszegzési eljárások módosított változatai, a különböző termőtájak,éghajlati körzetek adott növényre szabott értékelésére szolgálnak Élettani indexek: a növény életszakaszainak változó hőigényét számszerűsítik, a klasszikus hőösszeg számításnál pontosabb hasznos hőösszeg értéket adnak
A vízellátottság hatása az élő szervezetekre A növényi vízellátottságot jellemző mutatók, fogalmak Vízigény: élettani értelemben a zavartalan életműködéshez szükséges, egységnyi idő alatt felvett vízmennyiség, melynek mértéke időben változó A hőmérséklethez hasonlóan minimum, optimum és maximum jellemzi. A vízigény, -ellátottság és többlet fogalmainak kapcsolata
Vízstresszek: A vízellátottság hatása az élő szervezetekre Negatív vízstressz (vízhiány): -Lankadás: átmeneti és/vagy kis mértékű vízhiány, hatása visszafordítható -Hervadás: tartós, súlyos vízhiány következtében irreverzibilis szöveti károsodások lépnek fel Pozitív vízstressz: - növényeknél közvetve károsít, a levegő relatív hiányát okozva fulladás léphet fel A növények alkalmazkodása a nedvességviszonyokhoz Vízigény szempontjából megkülönböztethető növénycsoportok: Hidrofitonok: vízigényesek, rossz szárazságtűrők Mezofitonok: közepes vízigényűek Xerofitonok: kifejezetten szárazságtűrők
A növényállományok mikroklímája Állományklíma fogalma: A növényállomány energia- és anyagforgalmát meghatározó folyamatok rendszere Jellemzésének paraméterei: A főbb meteorológiai elemek napi menete az állomány egyes rétegeiben A főbb meteorológiai elemek függőleges profilja az állományban A főbb meteorológiai elemek közötti különbség a növényzet nélküli környezethez képest Az energiamérleg alakulása az állomány szintjén A fotoszintetikus aktivitást meghatározó meteorológiai paraméterek alakulása, a fotoszintézis intenzitása
A növényállományok mikroklímája Az állományklímát kialakító tényezők: Meteorológiai tényezők - Sugárzási viszonyok - Szélviszonyok - Csapadékviszonyok -Párolgási viszonyok Biológiai tényezők - A növény faja, fajtája - Fejlettségi állapot - Egészségi állapot -Az állomány egybefüggő területe Termőhelyi tényezők - Talaj fizikai félesége - Talaj vízforgalmi helyzete - Talaj termőképessége -Az állomány területének kitettsége, domborzata Termesztési (agrotechnikai) tényezők - Állománysűrűség - Tápanyagellátottság - Öntözés
A növényállományok hőmérsékleti viszonyai A növényi szervek felszíni hőmérséklete radiációs hőmérsékletnek felel meg. Nappal: a levegőnél melegebb Éjjel: a levegőnél hidegebb Jelentősége: káros hőstressz (vízstressz) esetén gátolt transpiráció fagyveszély esetén ugyanakkor a károsodási küszöb nem feltétlenül esik egybe a fagyponttal
Fagy a növényállományokban A növényállomány éjszakai minimum hőmérsékletét meghatározó tényezők: állományt körülvevő léghőmérséklet kisugárzás erőssége (légnedvesség, felhőzet) lejtőviszonyok a talaj nedvességi állapota felszíni talajhőmérséklet a talaj borítottsága állománysűrűség állománystruktúra
Fagy a növényállományokban Fagyvédelem módjai: Passzív: termőhely, fajta megválasztása légterelés, fagylefolyás javítása késleltetett metszés Aktív: takarás fűtés füstölés fagyvédő öntözés szélkeltés (átkeverő ill. fagylevezető) A fagyok kialakulásának aerodinamikai alapjelenségei
A hőeloszlás az állományban nappal.és az éjszaka folyamán Gyümölcsfajok hőküszöb értékei fagykár szempontjából
A növényállományok hőmérsékleti viszonyai Növényállományok mikroklíma-típusai hőmérsékleti rétegződés szerint A B fiatal, fejletlen állományok, gabona, zöldségfélék jól fejlett gabona, kukorica, C erdők, zárt szántóföldi állományok (cukorrépa, burgonya) A hőm. anomáliák idő- és térbeli alakulása különböző szerkezetű állományokban
Fenológiai alapfogalmak: Fenológia, fenometria Fenológia: a növények életfolyamatainak vizsgálata a növekedés, fejlődés fenotípusos változásainak megfigyelése alapján. Fenológiai (feno-)fázis: a növény életfolyamatának morfológiai jegyek alapján megkülönböztetett pontja, szakasza. Pl. új szervek megjelenése, a szervek számának változása, stb. Vegetációs időszak: a fenológiai szakaszok összessége a vetés/kiültetés/rügyfakadás idejétől a betakarításig/lombhullásig. technológiai érettségig: nem teljes vegetációs időszak biológiai érettségig: teljes vegetációs időszak
Fenológia, fenometria A meteorológiai tényezők szerepe a fenológiában: A fenofázisok időpontja és tartama függ: -a meteorológiai elemek értékeinek alakulásától - a növényi igényektől, tűrőképességtől (minimum/optimum/maximum) Optimum: adott tényezőnek a fejlődés szempontjából legkedvezőbb intervalluma Alsó ekvivalens: adott tényező legkisebb/alacsonyabb kritikus értéke (minimum) Felső ekvivalens: adott tényező legnagyobb/magasabb kritikus értéke (maximum) A fenológiában alapvető fontossága a hőmérsékleti ekvivalenseknek van. Alsó ekvivalens Bázishőmérséklet
Fenológia, fenometria A meteorológiai tényezők szerepe a fenológiában: Bázishőmérséklet (T b ): a vegetációs zéruspont fajspecifikus hőmérsékleti értéke. Az effektív hőösszegszámítás alapja: n ( T T ) Tb = i A bázishőmérséklet: - ugyanazon növényfaj, -fajta esetében is függ a termőtájtól - a tenyészidőszak alatt nem állandó - függ a megelőző időszak hőmérsékletétől i b
Fenológia, fenometria A meteorológiai tényezők szerepe a fenológiában: A fejlődés elsődleges meghatározója az effektív hőösszeg. Korlátozó, módosító tényezők: - vízellátottság (közvetve a közeg hőmérsékletére is hat!) - sugárzási egyenleg (megszabja a szárazanyag termelés ütemét) - tápanyagellátottság - stresszorok A fenológiai fázistartam kiszámítása: N= fázistartam T 0 = napi középhőmérsékletek átlaga a fenofázisban T b = bázishőmérséklet N = T = T T 0 0 T b 0 T b 0 b= növény- és fázis-specifikus állandó
Fenológia, fenometria A meteorológiai tényezők szerepe a fenológiában: A fenológiai adatok szemléltetése: Időbeli eloszlás szerint: Fenológiai naptár Fenogram Térbeli eloszlás szerint Fenológiai térkép (izokrón, izoflór) A kukorica virágzásának kezdete
Fenometriai alapfogalmak: Fenológia, fenometria Fenometria: az élő szervezet fejlődését jellemző tulajdonságok mérőszámok alapján történő vizsgálata, a fejlődés folyamatának ezek alapján történő leírása Célja: a mérhető állapotváltozás objektív meghatározása. Gyakran alkalmazott mérhető (modellezhető) paraméterei: Növénymagasság Biomassza (szárazanyag) tömeg Levélfelület (LAI levélfelületi index)
Fenológia, fenometria A növénymagasság Tenyészidőszak alatti változásának leírása: növekedési görbe (logisztikus trendfüggvény)
Fenológia, fenometria A levélfelületi index (LAI) [m 2 /m 2 ] Kifejezi 1 m 2 tenyészterületre eső (aktív vagy összes) levélfelület nagyságát. Meghatározásának módszerei: Planimetrikus módszer: a levél körvonalát papírra átrajzolva, planiméterrel megállapítható a terület. Az eredményt a befoglaló négyszög területéhez viszonyítva a levélállandót (alaki tényező) kapjuk meg. Számítás Montgomery-képlettel: S max = a levél maximális szélessége h max = a levél maximális hossza K= levélállandó (osztótényező) LA = S max h K max = k ( S h ) max max k= levélállandó (szorzótényező) (k=1/k) LA-t 1 m 2 tenyészterületre vonatkoztatva kapjuk a LAI [m 2 /m 2 ] értékét.
A különböző levéltípusok alaki tényezőinek értékei Fenológia, fenometria
Fenológia, fenometria A kukorica növénymagassága és LAI értékei közötti kapcsolat
Ajánlott irodalom: Szász G.-Tőkei L. szerk. (1997.): Agrometeorológia mezőgazdáknak, kertészeknek, erdészeknek Mezőgazda Kiadó Budapest. Filep Gy. (1999.): Talajtani alapismeretek I-II. DATE-MTK Debrecen. Baros Z.-Kircsi A.-Szegedi S.-Tóth T. (2006.) Meteorológiai műszerek. szerk: Szegedi S.-Tóth T. Kossuth Egyetemi Kiadó, Debrecen
Kapcsolat: DEBRECENI EGYETEM AGRÁRTUDOMÁNYI KÖZPONT Agrometeorológiai és Agroökológiai Monitoring Központ DE-ATK - Böszörményi úti Campus MAG-Ház - III. emelet Dr. Dobos Attila Csaba tudományos főmunkatárs III./308 e-mail: dobosa@gmail.com Rácz Csaba tudományos segédmunkatárs III./306 e-mail: raczcs@agr.unideb.hu, racz.csab@gmail.com