Felsín légkör kölcsönhatások Momentm áram, senibilis és látens hőáram sámítása Biológs BSc, 016. október 6.
Energiamérleg Nagyobb térléptékben a kicserélődési folyamatok mikrometeorológiai módserekkel mérhetőek. + in-sit, nem destrktív folyamatos - sima felsín horiontálisan homogén a források és nyelő eloslása Steady-state
Felsín légkör kölcsönhatások A legalapvetőbb kölcsönhatás a felsín és a légkör köött: a sél, és annak súrlódása a felsínnel. vektor mennyiség, v, w komponensek 3-as termésete van: átlagos sélsebesség (advekció) periodiks hllámok (főleg éjsaka) véletlenserű flktációk (trblencia!!! kicserélődési folyamatok) A légkörben végbemenő folyamatok tanlmányoása komple tdomány. rendeettek: portölcsérek, tornádók, hrrikánok kaotiksak: trblens áramok
Felsín légkör kölcsönhatások Lamináris határréteg Trblens határréteg
Felsín légkör kölcsönhatások lamináris áramlás trblens áramlás Copyright(C)1980 Y. IRITANI, N. KASAGI and M. HIRATA, All rights reserved.
magasság Súrlódás mechanikai trblencia Felhajtó erő konvektív trblencia A légkörben együtt vannak jelen és vesnek rést a felsín és a légkör köötti kicserélődési folyamatokban. Felsín légkör kölcsönhatások labilis légrétegődés stabilis légrétegődés hőmérséklet A trblencia: nem-lineáris 3D-s diffú átkeveredés dissipatív több mérettartományt felölel 3km-től 10-3 m-ig
magasság labilis légrétegődés stabilis légrétegődés hőmérséklet Teljesen kormányott konvekció (netrális eset) esetén a örvények kör alakúak. Átmérőjük (l) megegyeik a sabad úthossal (k). A horiontális és vertikális sebesség flktációk megegyenek a súrlódási sebességgel. Labilis esetben: a vertikális sebesség flktációk nagyobb lesnek mint a horiontálisak, mivel a örvénynek horiontális kiterjedése nagyobb les, mint a sabad úthoss. Stabilis esetben: a örvények horiontális irányban nyúlnak meg
Logaritmiks sélprofil Felsín légkör kölcsönhatások tapastalat: a felsín köelében kisebb a sélsebesség. könnyen belátható: a dimenió analíis segítségével leveethető: a=[m s -1 ] a k k: von Kármán konstans (=0.4) * : súrlódási sebesség, ~ momentm átvitel intenitásával k * ln k 0 ln 0 : érdességi magasság: a a magasság, ahol =0.
Felsín légkör kölcsönhatások Dimenió analíis segítségével leveethető: a=[m s -1 ] a k k: von Kármán konstans (=0.4) * : súrlódási sebesség, ~ momentm átvitel intenitásával * ln k k 0 0 : érdességi magasság: a a magasság, ahol =0.
Magas vegetáció esetén a sélprofil megemelkedik 0 = érdességi magasság d: 0-pont eltolódási sint d=0.6*h 0 =0.1*h k * ln d 0
Felsín légkör kölcsönhatások 0 d
Felsín légkör kölcsönhatások A növényet serepe: d, 0 : váltoik DE * is váltoik, hisen a sélnyírás is váltoik példa: erdő 30 m magas, fű 0,5 m magas
Példa: Hogyan alakl a * erdő illetve gyep felett, ha feltessük, hogy =40 m magasan gyanakkora a sélsebesség mindkét esetben. erdő gyep h 30 m 0,5 m d 18 m 0,3 m 0 3 m 0.05 m gyep erdő * gyep * erdő ln ln d gyep 0, gyep d erdő 0, erdő * gyep * erdő 40 0,3 ln 0,05 40 18 ln 3 * gyep * erdő 3.39 Vagyis, ha gyep = erdő 40 méter magasan, akkor a hányadosk 1, tehát: * gyep 1 3.39 * erdő * gyep 3. 39 * erdő
Fls: 1ségnyi idő alatt 1ségnyi felületen átáramló anyag mennyisége Gradiens: adott mennyiség vmilyen irányú megváltoása c F K Kiiindlás: Fick diffúiós törvénye: K: örvényes diffúivitás [m s -1 ] diffúivitás: egységnyi idő alatt mekkora felsínt befolyásol a áramlás Momentm áram: Senibilis hőáram: Látens hőáram: Sén-dioid áram: a K m H c E F co a c a p p K K a h K c v c e A gradienseket meg tdjk mérni, a örvényes diffúivitást visont becsülni kell Feltevés: K m =K h =K c =K v (Reynolds-féle hasonlósági elmélet = aonos forrás)
3 módser ismeretes a örvényes diffúivitás becslésére: aerodinamikai módser energia mérleg módser direkt módser Aerodinamikai módser k c H p a e k c E p a Senibilis hőáram: Látens hőáram: K M ρ τ k * * ρ τ k k K M * ρ τ
Senibilis hőáram: H ρc p k ln 1 1 T 1 d d T E ρc p Felsín légkör kölcsönhatások Látens hőáram: (párolgás) k ln 1 1 e 1 d d e Eeket tdjk: : a sűrűség (1, kg m -3 ), c p : a levegő hőkapacitása (1005 J kg -1 K -1 ), k: von Kármán féle állandó (0,4), : psichrometriks állandó (0,65 mbar/ C) Eeket megbecsüljük: 1, :a két sint felsín feletti magassága, d: kisorítási rétegvastagság, (növényet magasságának 60%-a) Eeket mérjük: 1, : a sélsebesség T 1, T : a hőmérséklet, e 1, e : gőnyomás
Energia mérleg módser K Rn G e a c p Bowen arány módser: Ebből a áramok: Vissahelyettesítve: Feltessük, hogy K H =K V H E Ae 1 Ae H H E Ae 1 E 1 H E c K p H c p K V T e T 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.
Örvény-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 óon VOC CH 4
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
Infravörös gáanaliátor (IRGA) A kibocsátott infravörös hllámok absorpcióját méri. All: forrás, fent: detektor Egyéb gyors válasidejű senorok: O 3, CH 4, VOC
Adatgyűjtő berendeések és softverek
Első pillantásra kaotiksnak tűnik V. Eddy kovariancia módser
Első pillantásra kaotiksnak tűnik A félórás átlagok visont csökkenő tendenciát mtattnak V. Eddy-kovariancia módser
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
V. Eddy-kovariancia módser Spektrm analíis: adott méretű örvények mekkora energiát hordonak 3 maimm ~ 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.
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
w F ' ' ' ' ' ' w w w w w w F A anyagmegmaradás elve miatt: 0 w Fls: a koncentráció és a vertikális sebesség sorata Reynolds átlagolás: A A A A A A A 0 A A jellemő pillanatnyi értéke (A) felírható, egy átlag (A), és a attól való eltérés (A ), a ún. flktáció össegeként. B A AB ca ca B A B A átlag flktáció w w F Átlagolási sabályok alapján: 0 w F w
Momentmáram: ' w' v' w 1/ * ' Senibilis hőáram: H c p w' T ' s Látens hőáram: CO áram: E Lw'q' F w'co CO '
Footprint forrásterület: F * k m e / / k * m : a átlagos sélsebesség m mérési magasság * : a súrlódási sebesség K: a von Kármán-féle állandó (értéke 0,4)
Össetevőkre bontás 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 éjjel: GPP=0 R eco F c R ref e E 0 1 1 56,0 t46,0 t: a hőmérséklet C-ban R ref : a referencia légés 10 C-on E 0 : a aktivációs energia
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 1 56,0 t 1 46,0 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
A CO áramának és a PAR kapcsolata
A CO áramának és a PAR kapcsolata
A CO áramának és a PAR kapcsolata
A CO áramának és a PAR kapcsolata
NEE: Net Ecosystem Echange