Badania wymiany ciepła i masy w atmosferze

Zmiany składu chemicznego atmosfery wpływają na warunki życia człowieka zarówno w sposób bezpośredni, jak i pośredni. Zmiany te zależą między innymi od procesów wymiany między powierzchnią Ziemi a atmosferą, których opis i parametryzacja wymagają rozwoju zarówno teorii jak i technik pomiarowych ich dotyczących. W niniejszej monografii przestawione zostały nowoczesne techniki pomiarowe, które są obecnie stosowane do oceny wielkości strumieni oraz stężeń określonych gazów w atmosferze. Wszystkie przedstawione wyniki badań zostały uzyskane w polskich warunkach klimatycznych nad różnymi typami użytkowania terenu. W pierwszym rozdziale zostały przedstawione zarówno teoretyczne, jak i praktyczne rozważania dotyczące wykorzystania metody Bowena. Technika ta jest stosowana z powodzeniem od lat 80-tych do badań nad wymianą pary wodnej i ciepła miedzy powierzchnią czynną a atmosferą. Zastosowanie tej metody w ostatnich latach zostało rozszerzone do tez do badań pomiarów strumieni innych gazów, takich jak amoniak czy metan. Technika kowariancji wirów jest obecnie uznawana za standardową podczas pomiarów strumieni masy i energii nad ekosystemami. Teoretyczne i techniczne podstawy tej metody, a także wstępne wyniki pomiarów zostały przedstawione w drugim rozdziale monografii. Opisano również parametryzacje tych procesów. Źródłem danych był system kowariancyjny zainstalowany w końcu 2008 nad lasem sosnowym w Tucznie. Metody komorowe mogą być traktowane zastępczo lub jako uzupełnienie pomiarów wykonanych przy pomocy system kowariancyjnego np. w małej skali przestrzennej lub w warunkach braku turbulencji w atmosferze. Pomiary komorami obsługiwanymi ręcznie w warunkach terenowych są wykonywane z małą częstotliwością (zwykle raz na miesiąc) z powodu wymaganego dużego wkładu pracy fizycznej. Technika ta musi być stosowana równolegle wraz z pomiarami takich charakterystyk jak temperatura powietrza i promieniowanie całkowite, co pozwala na interpolację uzyskanych wyników między poszczególnymi sesjami pomiarowymi. Zarówno technika pomiarowa, jak i obliczeniowa stosowane w metodzie komorowej zostały zaprezentowane w trzecim rozdziale. Badania te przeprowadzone zostały na terenie stacji pomiarowej w Rzecinie, której obsługą zajmują się pracownicy Katedry Meteorologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu od końca 2003 roku. Tereny zurbanizowane w Polsce są silnym emiterem dwutlenku węgla, ponieważ ciepło potrzebne w gospodarstwach domowych, pochodzi ze spalania węgla kamiennego. Pomiary strumieni dwutlenku węgla przy pomocy system kowariancyjnego, które wykonywano w latach od 2006 do 2009 nad Łodzią zostały zaprezentowane w czwartym rozdziale pracy. Obszar ten jest stałym (niezależnie od pory roku) emiterem dwutlenku węgla. Letnia emisja CO₂ obserwowana nad Łodzią jest najmniejsza z całego roku głównie z powodu silnej aktywności fotosyntetycznej roślin i mniejszej aktywności grzewczej. Tlenki azotu wpływają bezpośrednio na stan zdrowia ludzkiego i fakt ten jest szczególnie zauważalny w centrach dużych miast. Celem badań przedstawionych w piątym rozdziale monografii była prezentacja zmian stężeń tlenków azotu oraz ozonu w przygruntowej warstwie powietrza. Obserwacje wskazują na wpływ procesów fotochemicznych na tworzenie się badanych związków w atmosferze nad Warszawą. Naturalna radiacyjność atmosfery wynika głównie z występowania w niej radonu (222Rn). Jest on także obserwowany w Polsce. Rozdział szósty zawiera wyniki badań czasowej zmienności stężenia tego pierwiastka przy powierzchni ziemi. Wyniki pomiarów stężenia radonu zostały przedstawione na tle parametrów metrologicznych w warunkach miejskich oraz poza miastem. Wielkości i kierunek wymiany dwutlenku węgla między atmosferą a podłożem zależy w dużej mierze od stanu rozwoju szaty roślinnej. Współczynnik Ulistnienia (ang. LAI) jest powszechnie stosowanym parametrem do opisu szaty roślinnej i jest to stosunek powierzchni żywych liści do powierzchni gruntu, nad którym się znajdują. Ocena wartości tego parametru w warunkach leśnych odbywa się przy zastosowaniu wielu różnych metod. Technika fotografii hemisferycznej została zaprezentowana, jako jedna z niedestruktywnych metod oceny LAI w lesie. Badania te były prowadzone na pierwszej leśnej stacji pomiarowej, na której wykonuje się pomiary metodą kowariancji wirów, w Tucznie. Metan jest ostatnio postrzegany jako jeden z najważniejszych gazów szklarniowych związanych z obserwowanym obecnie dodatnim wymuszeniem radiacyjnym na Ziemi. Tereny podmokłe są opisywane w literaturze, jako jedno z największych źródeł emisji tego gazu do atmosfery. Pomiary strumieni metanu sprawiają sporą trudność z powodu jego niskiego stężenia w powietrzu. Rozszerzona Metoda Akumulacji Wirów (ang. REA) jest obecnie uznawana za stosunkowo łatwą i pewną metodę pomiarów strumieni gazów występujących w atmosferze w małym stężeniu. Pierwszy w Polsce system REA do pomiarów strumieni metanu został zbudowany i przetestowany w warunkach terenowych przez pracowników Katedry Meteorologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Wyniki tych prac przedstawiono w rozdziale ósmym. Jedna z największych cech pozytywnym metody komorowej jest możliwość zastosowania jej w warunkach braku turbulencji, wtedy gdy metoda kowariancji wirów nie może być wykorzystywana. Wyniki badań w takich warunkach (najczęściej nocą) zostały przedstawione w ostatnim rozdziale monografii.