Co-variância Eddy - Eddy covariance
A técnica de covariância turbulenta (também conhecida como correlação turbulenta e fluxo turbulento ) é uma técnica de medição atmosférica chave para medir e calcular fluxos turbulentos verticais dentro das camadas limites atmosféricas . O método analisa vento de alta frequência e séries de dados escalares atmosféricos, gás, energia e momento, o que produz valores de fluxos dessas propriedades. É um método estatístico usado em meteorologia e outras aplicações ( micrometeorologia , oceanografia, hidrologia, ciências agrícolas, aplicações industriais e regulatórias, etc.) para determinar as taxas de câmbio de gases traço em ecossistemas naturais e campos agrícolas, e para quantificar as taxas de emissões de gases de outras áreas de terra e água. É freqüentemente usado para estimar fluxos de momentum , calor , vapor d'água, dióxido de carbono e metano.
A técnica também é usada extensivamente para verificação e ajuste de modelos climáticos globais , modelos de mesoescala e meteorológicos, modelos biogeoquímicos e ecológicos complexos e estimativas de sensoriamento remoto de satélites e aeronaves. A técnica é matematicamente complexa e requer muito cuidado na configuração e processamento de dados. Até o momento, não há uma terminologia uniforme ou uma metodologia única para a técnica de covariância turbulenta, mas muito esforço está sendo feito por redes de medição de fluxo (por exemplo, FluxNet , Ameriflux , ICOS , CarboEurope , Fluxnet Canadá , OzFlux , NEON e iLEAPS ) para unificar as várias abordagens.
A técnica também provou ser aplicável sob a água à zona bentônica para medir fluxos de oxigênio entre o fundo do mar e a água sobrejacente. Nesses ambientes, a técnica é geralmente conhecida como técnica de correlação turbulenta ou apenas correlação turbulenta. Os fluxos de oxigênio são extraídos de medições brutas em grande parte seguindo os mesmos princípios usados na atmosfera e são normalmente usados como substitutos para a troca de carbono, que é importante para os orçamentos de carbono locais e globais. Para a maioria dos ecossistemas bentônicos, a correlação de redemoinhos é a técnica mais precisa para medir fluxos in-situ . O desenvolvimento da técnica e suas aplicações subaquáticas continuam sendo uma área frutífera de pesquisa.
Princípios gerais
- Representação do fluxo de ar na camada limite atmosférica
O fluxo de ar pode ser imaginado como um fluxo horizontal de numerosos redemoinhos rotativos, ou seja, vórtices turbulentos de vários tamanhos, com cada redemoinho tendo componentes horizontais e verticais. A situação parece caótica, mas o movimento vertical dos componentes pode ser medido a partir da torre.
- Significado físico do método de covariância turbulenta
Em um ponto físico na torre, no Time1, Eddy1 move uma parcela de ar c1 para baixo na velocidade w1. Então, no Time2, Eddy2 move a parcela c2 para cima na velocidade w2. Cada pacote possui concentração de gás, pressão, temperatura e umidade. Se esses fatores, junto com a velocidade, forem conhecidos, podemos determinar o fluxo. Por exemplo, se alguém soubesse quantas moléculas de água caíram com redemoinhos no Tempo1 e quantas moléculas subiram com redemoinhos no Tempo2, no mesmo ponto, seria possível calcular o fluxo vertical de água neste ponto ao longo desse tempo. Assim, o fluxo vertical pode ser apresentado como uma covariância da velocidade do vento vertical e a concentração da entidade de interesse.
- Resumo
O vento 3D e outra variável (geralmente concentração de gás, temperatura ou momento) são decompostos em componentes médios e flutuantes. A covariância é calculada entre o componente flutuante do vento vertical e o componente flutuante da concentração de gás. O fluxo medido é proporcional à covariância.
A área de onde os redemoinhos detectados se originam é descrita probabilisticamente e chamada de pegada de fluxo . A área de pegada de fluxo é dinâmica em tamanho e forma, mudando com a direção do vento, estabilidade térmica e altura das medições, e tem uma borda gradual.
O efeito da separação do sensor, comprimento de amostragem finito, cálculo da média do caminho sônico, bem como outras limitações instrumentais, afetam a resposta de frequência do sistema de medição e podem precisar de uma correção co-espectral, especialmente perceptível com instrumentos de caminho fechado e em alturas baixas abaixo de 1 a 1,5 m.
Base matemática
Em termos matemáticos, o "fluxo parasita" é calculado como uma covariância entre o desvio instantâneo na velocidade vertical do vento (w ') do valor médio (w-overbar) e o desvio instantâneo na concentração de gás, razão de mistura (s'), de sua média valor (s-overbar), multiplicado pela densidade média do ar (ρa). Várias operações e suposições matemáticas, incluindo a decomposição de Reynolds, estão envolvidas na obtenção de equações fisicamente completas do fluxo turbulento para equações práticas para calcular o "fluxo de redemoinhos", conforme mostrado abaixo.
Principais suposições
- As medições em um ponto podem representar uma área contra o vento
- As medições são feitas dentro da camada limite de interesse
- A pegada de busca / fluxo é adequada - os fluxos são medidos apenas na área de interesse
- O fluxo é totalmente turbulento - a maior parte da transferência vertical líquida é feita por redemoinhos
- O terreno é horizontal e uniforme: a média das flutuações é zero; flutuações de densidade insignificantes; convergência e divergência de fluxo insignificante
- Os instrumentos podem detectar mudanças muito pequenas em alta frequência, variando de no mínimo 5 Hz a 40 Hz para medições baseadas em torre
Programas
Atualmente (2011) existem muitos programas de software para processar dados de covariância parasita e derivar quantidades como calor, quantidade de movimento e fluxos de gás. Os programas variam significativamente em complexidade, flexibilidade, número de instrumentos e variáveis permitidos, sistema de ajuda e suporte ao usuário. Alguns programas são softwares de código aberto , enquanto outros são de código fechado ou proprietários .
Os exemplos incluem software comercial com licença gratuita para uso não comercial, como EddyPro ; programas livres de código aberto, como ECO 2 S e ECpack ; pacotes de código fechado gratuitos, como EdiRe , TK3 , Alteddy e EddySoft .
Usos
Usos comuns:
- Emissão de gases de efeito estufa
- Monitoramento de emissão de dióxido de carbono
- Monitoramento de emissões de metano
- Medindo a perda de água, evapotranspiração
- Eficiência instantânea do uso da água
- Eficiência do uso de radiação instantânea
Usos novos:
- Precision irrigação , agricultura de precisão
- Monitoramento de sequestro e captura de carbono
- Emissões de gases de aterro sanitário para a atmosfera
- Emissões de gases deslocados por fraturamento hidráulico para a atmosfera
- Detecção e localização de vazamento de gás
- Emissão de metano de regiões de permafrost
- Emissão de COVs biogênicos
- Medição de fluxo de troca gasosa reativa
Aplicativos comuns
Evapotranspiração:
O sensoriamento remoto é uma abordagem para modelar a evapotranspiração usando um balanço de energia e o fluxo de calor latente para encontrar as taxas de evapotranspiração. A evapotranspiração (ET) é uma parte do ciclo da água , e leituras exatas de ET são importantes para modelos locais e globais de gerenciamento de recursos hídricos. As taxas de ET são uma parte importante da pesquisa em campos relacionados à hidrologia, bem como para as práticas agrícolas. O MOD16 é um exemplo de programa que mede melhor a ET para climas temperados.
Micrometeorologia:
A micrometeorologia enfoca o estudo do clima na escala específica do dossel da vegetação, novamente com aplicações em pesquisas hidrológicas e ecológicas. Neste contexto, a covariância de redemoinhos pode ser usada para medir o fluxo de massa de calor na camada de superfície limite, ou na camada limite ao redor da cobertura vegetal. Os efeitos da turbulência podem, por exemplo, ser de interesse específico para modeladores do clima ou para aqueles que estudam o ecossistema local. Velocidade do vento, turbulência e concentração de massa (calor) são valores que podem ser registrados em uma torre de fluxo. Por meio de medições relacionadas às propriedades de covariância parasita, como coeficientes de rugosidade, podem ser calculados empiricamente, com aplicações para modelagem.
Ecossistemas pantanosos:
A vegetação de áreas úmidas varia amplamente e varia de planta para planta ecologicamente. A existência de plantas primárias em áreas úmidas pode ser monitorada usando tecnologia de covariância de redemoinhos em conjunto com informações de fornecimento de nutrientes monitorando os fluxos líquidos de CO 2 e H 2 O. As leituras podem ser feitas em torres de fluxo ao longo de vários anos para determinar a eficiência do uso da água, entre outros.
Gases de efeito estufa e seu efeito de aquecimento:
Fluxos de gases de efeito estufa da vegetação e campos agrícolas podem ser medidos por covariância de turbilhões conforme referenciado na seção de micrometeorologia acima. Ao medir o fluxo turbulento vertical de estados de gás de H 2 O, CO 2 , calor e CH 4, entre outros compostos orgânicos voláteis, o equipamento de monitoramento pode ser usado para inferir a interação do dossel. As interpretações de toda a paisagem podem ser inferidas usando os dados acima. Alto custo operacional, limitações climáticas (alguns equipamentos são mais adequados para determinados climas) e suas limitações técnicas resultantes podem limitar a precisão da medição.
Produção de vegetação em ecossistemas terrestres:
Os modelos de produção de vegetação requerem observações precisas do solo, neste contexto, da medição do fluxo covariante de turbilhões. A covariância parasita é usada para medir a produção primária líquida e a produção primária bruta de populações de plantas. Os avanços na tecnologia permitiram pequenas flutuações, resultando em uma escala de medições de 100-2000 metros de massa de ar e leituras de energia. O estudo do ciclo do carbono no crescimento e na produção de vegetação é de vital importância para produtores e cientistas. Usando essas informações, o fluxo de carbono entre os ecossistemas e a atmosfera pode ser observado, com aplicações que vão desde mudanças climáticas a modelos meteorológicos.
Métodos relacionados
Acúmulo de Eddy
Verdadeira acumulação de redemoinhos
A verdadeira técnica de acumulação de redemoinhos pode ser usada para medir fluxos de gases traço para os quais não há analisadores rápidos o suficiente disponíveis, portanto, onde a técnica de covariância de redemoinhos é inadequada. A ideia básica é que as parcelas de ar que se movem para cima (correntes ascendentes) e as que se movem para baixo (correntes descendentes) são amostradas proporcionalmente à sua velocidade em reservatórios separados. Um analisador de gás de resposta lenta pode então ser usado para quantificar as concentrações médias de gás nos reservatórios de corrente ascendente e descendente.
Acúmulo de redemoinhos relaxado
A principal diferença entre a técnica de acumulação de turbilhões verdadeira e relaxada é que a última coleta amostras de ar com uma taxa de fluxo constante que não é proporcional à velocidade do vento vertical.
Veja também
- Eddy (dinâmica de fluidos)
- Respiração do ecossistema
- Evaporação
- Evapotranspiração
- Emissão de gases de efeito estufa
- Fluxo de calor
- FluxNet
- Fluxo de calor latente
- Transpiração
Referências
Leitura adicional
- Burba , G., 2013. Método de covariância parasita para aplicações científicas, industriais, agrícolas e regulatórias: um livro de campo sobre a medição do intercâmbio de gases do ecossistema e taxas de emissão regional. LI-COR Biosciences, Lincoln, EUA, 331 pp.
- Aubinet, M., T. Vesala, D. Papale (Eds.), 2012. Eddy Covariance: A Practical Guide to Measurement and Data Analysis. Springer Atmospheric Sciences, Springer Verlag, 438 pp.
- Foken, T., 2008. Micrometeorology, Springer-Verlag, Berlin, Germany, 308 pp.
- Lee, X., W. Massman e B. Law, 2004. Handbook of Micrometeorology. Kluwer Academic Publishers, Holanda, 250 pp.
- Rosenberg, NJ, BL Blad e SB Verma, 1983. Microclimate: The Biological Environment, Wiley-Interscience, 580 pp.