Corso su Tecniche Eddy Covariance, Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

1. Basi della teoria Eddy Covariance • Gerardo Fratini • LI-COR Biosciences GmbH/Inc. Corso su Tecniche Eddy Covariance, Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

2. Che cos’è l’Eddy Covariance? • Una metodologia di misura degli scambi di massa e/o energia che avvengono tra un ecosistema e l’atmosfera • La metodologia più diretta, accurata e consolidata per la misura di tali flussi

3. Cosa si può misurare con l’Eddy Covariance? • I flussi netti (emissione – assorbimento) di qualsiasi entità scambiata tra atmosfera ed ecosistema • Alla sola condizione che il movimento in aria di tale entità sia completamente determinato dalla turbolenza atmosferica

4. Esempi di quantità misurabili (e misurate) • Scambi naturali e/o antropogenici di gas serra • Scambi di energia (calore sensibile, calore latente, energia meccanica) CH4 CO2 N2O H2O

5. Esempi di quantità misurabili (e misurate) • Flussi di gas serra ed aerosol in ambiente urbano CO2 CH4 H2O

6. Esempi di quantità misurabili (e misurate) • Flussi di vapore acqueo, CO2 ed aerosol marino H2O CO2 H2O H2O

7. Esempi di quantità misurabili (e misurate) • Composti organici volatili (VOCs) • Particolato fine (< 10-20 mm) CO2 H2O

8. Esempi di quantità misurabili (e misurate) • Emissione di particolato e CO2/H2O da incendi CO2 H2O

9. Su cosa ci concentreremo noi.. • Flussi di gas (serra), in particolare CO2, H2O, CH4 • Flussi di energia termica: • Flussi di calore sensibile • Flussi di calore latente • Flussi di energia meccanica: • Flussi di ‘quantità di moto’ (l’energia associata al movimento di masse di aria)

10. Su cosa di basa la “misura EC” dei flussi? • Teoria fisico-matematica della turbolenza atmosferica • Ipotesi semplificative che riducono la formulazione dei flussi di scambio ad una quantità misurabile wind

11. Su cosa di basa la “misura EC” dei flussi? • Se ecosistema (e fuoco) sono estesi a sufficienza.. wind

12. Su cosa di basa la “misura EC” dei flussi? • Il flusso NETTO attraverso il volume è solo verticale..

13. Ricapitolando.. • Sotto le ipotesi di: • Ecosistema omogeneo • Dinamiche di interazione ecosistema/atmosfera (fuoco, nell’esempio) indipendenti dal punto di osservazione • Dinamiche di interazione ecosistema/atmosfera “costanti nel tempo” (stazionarie) • .. i flussi di scambio sono prevalentemente verticali!

14. Come avviene il trasporto verticale? • Movimento vorticoso verso il basso – rimpiazza con aria “più pulita” • Movimento vorticoso (eddy!) verso l’alto – porta via CO2. superficie immaginaria di interfaccia ecosistema/atmosfera Gradiente verticale di CO2

15. Come avviene il trasporto verticale? • Una componente di vento verso l’alto è associata ad una emissione di CO2. • Una componente di vento verso il basso è associata ad un “assorbimento” di aria con meno CO2. • I due fenomeni vanno nella stessa direzione • Il risultato è una emissione netta di CO2. Gradiente verticale di CO2 superficie immaginaria di interfaccia ecosistema/atmosfera

16. Come avviene il trasporto verticale? • Vediamo da vicino cosa succede in un punto sulla superficie immaginaria di interfaccia TEMPO: T1 (es: 08:00) velocità “particella” di aria P1 caraterizzata da: Elevata concentrazione CO2 (temperatura, pressione, Umidità) P1 qualche istante prima

17. Come avviene il trasporto verticale? • Vediamo da vicino cosa succede in un punto sulla superficie immaginaria di interfaccia TEMPO: T2 (es: 08:02) P2 qualche istante prima “particella” di aria P2 caraterizzata da: minore concentrazione CO2 (temperatura, pressione, Umidità) velocità

18. Come possiamo misurare tutto questo? • Dalle schematizzazioni precedenti risulta evidente che per caratterizzare il flusso di CO2 dobbiamo conoscere (almeno): • La velocitàverticale (w) con cui si muove l’aria ad ogni istante • La concentrazione(c) di CO2 ad ogni istante • Idealmente, vorremmo conoscere queste grandezze in ogni punto del piano di interfaccia. In pratica, le misureremo in un solo punto superficie immaginaria di interfaccia ecosistema/atmosfera

19. Una visione un po’ più vicina alla realtà • Nella realtà, la turbolenza atmosferica è caratterizzata dalla sovrapposizione di eddies (vortici) di dimensioni molto diversi • Ogni dimensione caratteristica è associata ad un tempo caratteristico, per esempio il tempo impiegato a passare per un determinato punto

20. Come possiamo misurare tutto questo? • Dobbiamo poter risolvere variazioni - anche piccole - di queste grandezze sia su tempi brevissimi (≈0.1 secondi), sia su tempi lunghi (≈15÷120 minuti)

21. Come possiamo misurare tutto questo? • Formulazione matematica • In effetti, dalla teoria fisico-matematica della turbolenza atmosferica, e sotto le ipotesi viste sopra, si ricava che il flusso di scambio ad ogni istante può essere espresso come: FLUSSO VERTICALE ISTANTANEO di scambio ecosistema / atmosfera CONCENTRAZIONE ISTANTANEA CO2 VELOCITA’ VERTICALE ISTANTANEA DENSITA’ DELL’ARIA

22. Come possiamo misurare tutto questo? • Flusso istantaneo e flusso medio • In generale, il flusso istantaneo varia molto ed è poco rappresentativo. Siamo più interessati al flusso medio durante un certo intervallo, tipicamente mezz’ora • Passare dal flusso istantaneo al flusso medio ci richiede un piccolo passaggio preliminare: • Definizione di media e fluttuazioni (variazioni rispetto alla media)

23. Come possiamo misurare tutto questo? • Media e fluttuazioni Valore istantaneo della variabile Fluttuazione istantaea rispetto alla media Valore medio dei 2000 punti x

24. Come possiamo misurare tutto questo? • Media e fluttuazioni • Media: • Fluttuazioni:

25. Come possiamo misurare tutto questo? • Formulazione matematica • Con questa definizione di media e fluttuazioni, possiamo scrivere il flusso verticale medio (ad esempio su mezz’ora) come: COVARIANZA: MEDIA DEI PRODOTTI DELLE FLUTTUAZIONIdi w e c FLUSSO VERTICALE MEDIO DENSITA’ MEDIA DELL’ARIA

26. Digressione sul significato di covarianza Varianzadiw VarianzadiCO2

27. Digressione sul significato di covarianza Covarianzatraw e c Coefficiente di correlazione: quanto gli andamenti delle due variabili si “somigliano” Quanto varia la velocita’ verticale Quanto varia la concentrazione di CO2

28. Digressione sul significato di covarianza Varianzadiw VarianzadiCO2 • Covarianza: media dei prodotti delle fluttuazioni istantanee delle due variabili:

29. Come possiamo misurare tutto questo? • Ancora sull’equazione del flusso QUESTO E’ IL RISULTATO CUI SIAMO PIU’ INTERESSATI IN ASSOLUTO DECISAMENTE PIU’ COMPLESSO... RELATIVAMENTE SEMPLICE DA MISURARE/CALCOLARE

30. Come possiamo misurare tutto questo? • Ancora sull’equazione del flusso Perché... Dobbiamo... • Misurare a lungo • Misurare velocemente • Misurare con molta precisione • Misurare con accuratezza • Dobbiamo mediare su mezz’ora e monitorare in continuo • I valori delle variabili cambiano velocemente • Le fluttuazioni possono essere molto piccole • Vogliamo conoscere i valori “veri” delle variabili in gioco

31. Come possiamo misurare tutto questo? • Cosa significa misurare ‘con precisione’ e con ‘accuratezza’? Imprecisa Inaccurata Imprecisa Accurata Precisa Inaccurata Precisa Accurata

32. Come avviene la misura Eddy Covariance? • Un analizzatore misura velocemente ed accuratamente la concentrazione istantanea del gas di interesse (per esempio CO2) Un anemometro sonico misura velocemente e con elevata accuratezza la componente verticale della velocità del vento

33. Come avviene la misura Eddy Covariance? Calore sensibile Quantità di moto L’anemometro sonico misura velocemente e con elevata accuratezza tutte le componenti della velocità del vento e le fluttuazioni di temperaturadell’aria

34. Dove avviene la misura Eddy Covariance? • Lo stratolimiteatmosferico (o planetario) • La parte di atmosfera direttamente influenzata dalla presenza della superficie terrestre e che risponde alle forzanti con tempi di scala di un’ora o meno • Si estende per circa 1-1,5 Km al di sopra del terreno, ed occupa circa un decimo della troposfera

35. Dove avviene la misura Eddy Covariance? • Lo strato a flussocostante 1000-1500 m Marginesuperioredellostratolimite Strato a mescolamenteperfetto 100-150 m Strato a flussocostante 1 .5 - 2 h Sottostratoviscoso h (layers are based on Stull, 1988; Denmead et al., 1996; and Oke, 2007)

36. Esempio di una stazione Eddy Covariance!! Anemometrosonico Analizzatore CO2 / H2O a circuitoaperto Termocoppia Inclinometro

37. Pausa...