D3 Oberflächenströmungen und Energiebilanz

Thema

Die Eddy-Kovarianz-Methode misst turbulente Flüsse von fühlbarer Wärme, latenter Wärme und Kohlendioxid als Kovarianz zwischen turbulenten Schwankungen der vertikalen Luftgeschwindigkeit und turbulenten Schwankungen der Temperatur, der spezifischen Feuchtigkeit oder der Kohlendioxidkonzentration, je nachdem, welcher Fluss gemessen wird. Diese Methode erfordert eine sehr hohe zeitliche Auflösung von mindestens zehn Messungen pro Sekunde und basiert auf der Annahme, dass der Nettofluss von Wärme oder Gas nahezu vollständig von diesen turbulenten Wirbeln dominiert wird.

Ein globales Netzwerk von Stationen, die diese Eddy-Kovarianz-Methode anwenden, umfasst derzeit Hunderte von Messtürmen, die über verschiedene Ökosysteme weltweit verteilt sind. Dies ermöglicht Vergleiche von turbulenten Flüssen, die in einem tropischen Wald gemessen wurden, mit solchen, die in Grasland oder auf einem landwirtschaftlichen Feld gemessen wurden.

Die Oberflächenenergiebilanz setzt die von einer Oberfläche empfangene Nettostrahlung in Beziehung zur Verteilung dieser Strahlung auf drei verschiedene Bereiche: latente Wärme, fühlbare Wärme und den zum Boden übertragenen Wärmestrom. Genau diese verfügbare Nettostrahlung stellt sicher, dass die Summe dieser drei Wärmeströme stets mit der tatsächlich an der Oberfläche ankommenden Energie übereinstimmt.

Das Bowen-Verhältnis quantifiziert präzise die Verteilung dieser Energie zwischen fühlbarer und latenter Wärme. Die Oberflächenfeuchtigkeit führt zu einem hohen Bowen-Verhältnis auf trockenen Oberflächen, wo fast die gesamte Energie als fühlbare Wärme verloren geht, und zu einem niedrigen Verhältnis auf feuchten Oberflächen, wo der größte Teil der Energie durch Verdunstung von Wasser als latente Wärme verbraucht wird.

Die Nettostrahlung, die diese gesamte Bilanz speist, wird unter anderem durch Messung der Oberflächentemperatur mit einem Infrarotthermometer und Umrechnung dieser Temperatur in einen langwelligen Strahlungsstrom mithilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes ermittelt. Der Wärmefluss in den Boden hingegen wird aus Temperaturgradienten bestimmt, die in verschiedenen Bodentiefen gemessen werden, wobei das Fourier-Gesetz für Wärmeleitung angewendet wird.

Schließlich bieten Durchflusskammern eine direktere Methode zur Messung von Gasen wie Kohlendioxid und Methan: Sie umschließen einen Teil des Bodens in einer luftdichten Kammer und bestimmen den Fluss dieser Gase anhand der Änderungsrate ihrer Konzentration innerhalb dieser geschlossenen Kammer. Ausgehend von der Kovarianz der Wirbel, mit der dieses Dokument beginnt, bis hin zu den Strömungskammern, mit denen es endet, und über die Oberflächenenergiebilanz, das Bowen-Verhältnis sowie die Stefan-Boltzmann- und Fourier-Gesetze, ermöglicht die Messung der Oberflächenflüsse die präzise Quantifizierung der Energie und der Gase, die zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre ausgetauscht werden und für das bloße Auge unsichtbar sind, von einem einzigen Messturm aus.

ID:534