Transpiraation mittaaminen IR-lämpömittaria ja energiataseyhtälöä hyödyntäen

Research output: ThesisMaster's thesisTheses

Abstract

Haihduntaa voidaan mitata ekosysteemitasolla (evapotranspiraatio) kovarianssi-menetelmällä ja puutasolla (transpiraatio) esimerkiksi sap-neulojen avulla. Tähän asti kuitenkin verson tai lehden haihdunnan mittaaminen on ollut mahdollista vain kammiomittauksen avulla. Kammiomittaus häiritsee suuresti mitattavaa versoa ja veden pintailmiöt tekevät mittauksesta epäluotettavan. Luotettavaa menetelmää verson tai lehden haihdunnan mittaamiseksi ei siis ole olemassa.

Tässä tutkielmassa esitellään IR-lämpömittarin ja energiataseyhtälön soveltamiseen perustuva haihdunnanmittausmenetelmä. IR-lämpömittari mittaa kappaleiden emittoimaa lämpösäteilyä ja sen avulla voidaan mitata kappaleiden lämpötilat niitä koskettamatta. Energiataseyhtälö on matemaattinen yhtälö, joka sisältää kappaleen lämpötilaan vaikuttavat tekijät. Energiataseyhtälön termejä ovat absorboidun säteilyenergian vuo, emittoidun säteilyenergian vuo, konvektiossa siirtyvän lämmön vuo sekä haihdunnassa sitoutuneen energian määrä. Haihduntanopeus voidaan laskea energiataseen avulla, kun energiataseen muut termit tunnetaan. Tutkielmassa ehdotetaan energiataseen termien ratkaisemista mitattavan lehden ja referenssikappaleiden lämpötilojen avulla. Referenssikappaleiden käyttöön liittyy olettamus, että ne ja mitattava kappale ovat samankaltaisia ja samanlaisissa ympäristöolosuhteissa. Haihduntaan sitoutuneen energian määrä voidaan laskea, kun kaikki kappaleet ovat geometrisilta ja optisilta ominaisuuksiltaan samanlaisia, kun ne ovat samanlaisissa ympäristöolosuhteissa, kun kappaleiden lämpötilat tunnetaan, kun kappaleiden muodostamat energiavarastot ovat merkityksettömiä, kun kappale on termodynaamisessa tasapainossa ja kun energiataseyhtälön muut termit tunnetaan tai saadaan supistettua pois. Keskeiseksi tekijäksi haihdunnan mittaamisessa muodostui konvektiivisen lämmönsiirron suuruuteen vaikuttavan lämmönsiirtokertoimen määrittäminen. Lämmösiirtokertoimen määrittämistä varten kehitettiin muun muassa ns. lämmitettävä lehti. Lisäksi lämmönsiirtokerroin määritettiin tavanomaisemmin keinoin.

IR-lämpömittarin ja energiataseyhtälön soveltamista tutkittiin kokeellisesti. Koejärjestelyssä koivun taimi asetettiin vaa’an päälle ja sen haihduntanopeus mitattiin massanmuutoksen ja kuluneen ajan avulla. Taimen suora haihdunta (evaporaatio) ruukusta estettiin laittamalla se muovipussiin. Haihdunta muualta kuin lehdistä oletettiin merkityksettömäksi, samoin oletettiin että taimen massan muutos johtuu pelkästään transpiraatiosta. Koejärjestely tehtiin Juupajoella Hyytiälän metsäaseman kasvihuoneessa. Ympäristöolosuhteista ilman lämpötila, kosteus, tuulen nopeus ja auringon säteily mitattiin. Tuulen nopeutta myös manipuloitiin tuulettimen avulla.

Koejärjestely antoi tukea hypoteesille, että haihduntaa voidaan mitata IR-lämpömittaria ja energiateseyhtälöä soveltaen. Koejärjestely oli kuitenkin puutteellinen ja varta vasten tutkielmaa varten rakennettu, joten mittaustulokset eivät anna todellista kuvaa menetelmän tarkkuudesta. Teoreettisesti tarkasteltuna menetelmässä ei ole suuria heikkouksia ja se perustuu yleisesti hyväksyttyyn fysiikkaan. Menetelmä ei juuri häiritse mitattavaa kohdetta, eikä menetelmän käyttöönotossa tarvita kalliita tai vaikeakäyttöisiä laitteita. Menetelmä soveltuu erityisesti haihdunnan mittaamiseen hajasäteilyssä. Jotta mittaus onnistuisi, referenssilehtien asetteluun ja valintaan tulee kiinnittää huomiota etenkin jos haihduntaa mitataan voimakkaassa säteilyssä. Kappaleiden lämpötilat voi mitata pistemittarin tai lämpökameran avulla. Lämpökameran käyttö on suotavaa, mutta sitä rajoittaa korkea hinta.
Original languageFinnish
Publication statusPublished - Nov 2007
MoE publication typeG2 Master's thesis, polytechnic Master's thesis

Fields of Science

  • 411 Agriculture and forestry

Cite this

@phdthesis{d3a2cc164e7943de9f2b25ee6e043017,
title = "Transpiraation mittaaminen IR-l{\"a}mp{\"o}mittaria ja energiataseyht{\"a}l{\"o}{\"a} hy{\"o}dynt{\"a}en",
abstract = "Haihduntaa voidaan mitata ekosysteemitasolla (evapotranspiraatio) kovarianssi-menetelm{\"a}ll{\"a} ja puutasolla (transpiraatio) esimerkiksi sap-neulojen avulla. T{\"a}h{\"a}n asti kuitenkin verson tai lehden haihdunnan mittaaminen on ollut mahdollista vain kammiomittauksen avulla. Kammiomittaus h{\"a}iritsee suuresti mitattavaa versoa ja veden pintailmi{\"o}t tekev{\"a}t mittauksesta ep{\"a}luotettavan. Luotettavaa menetelm{\"a}{\"a} verson tai lehden haihdunnan mittaamiseksi ei siis ole olemassa. T{\"a}ss{\"a} tutkielmassa esitell{\"a}{\"a}n IR-l{\"a}mp{\"o}mittarin ja energiataseyht{\"a}l{\"o}n soveltamiseen perustuva haihdunnanmittausmenetelm{\"a}. IR-l{\"a}mp{\"o}mittari mittaa kappaleiden emittoimaa l{\"a}mp{\"o}s{\"a}teily{\"a} ja sen avulla voidaan mitata kappaleiden l{\"a}mp{\"o}tilat niit{\"a} koskettamatta. Energiataseyht{\"a}l{\"o} on matemaattinen yht{\"a}l{\"o}, joka sis{\"a}lt{\"a}{\"a} kappaleen l{\"a}mp{\"o}tilaan vaikuttavat tekij{\"a}t. Energiataseyht{\"a}l{\"o}n termej{\"a} ovat absorboidun s{\"a}teilyenergian vuo, emittoidun s{\"a}teilyenergian vuo, konvektiossa siirtyv{\"a}n l{\"a}mm{\"o}n vuo sek{\"a} haihdunnassa sitoutuneen energian m{\"a}{\"a}r{\"a}. Haihduntanopeus voidaan laskea energiataseen avulla, kun energiataseen muut termit tunnetaan. Tutkielmassa ehdotetaan energiataseen termien ratkaisemista mitattavan lehden ja referenssikappaleiden l{\"a}mp{\"o}tilojen avulla. Referenssikappaleiden k{\"a}ytt{\"o}{\"o}n liittyy olettamus, ett{\"a} ne ja mitattava kappale ovat samankaltaisia ja samanlaisissa ymp{\"a}rist{\"o}olosuhteissa. Haihduntaan sitoutuneen energian m{\"a}{\"a}r{\"a} voidaan laskea, kun kaikki kappaleet ovat geometrisilta ja optisilta ominaisuuksiltaan samanlaisia, kun ne ovat samanlaisissa ymp{\"a}rist{\"o}olosuhteissa, kun kappaleiden l{\"a}mp{\"o}tilat tunnetaan, kun kappaleiden muodostamat energiavarastot ovat merkityksett{\"o}mi{\"a}, kun kappale on termodynaamisessa tasapainossa ja kun energiataseyht{\"a}l{\"o}n muut termit tunnetaan tai saadaan supistettua pois. Keskeiseksi tekij{\"a}ksi haihdunnan mittaamisessa muodostui konvektiivisen l{\"a}mm{\"o}nsiirron suuruuteen vaikuttavan l{\"a}mm{\"o}nsiirtokertoimen m{\"a}{\"a}ritt{\"a}minen. L{\"a}mm{\"o}siirtokertoimen m{\"a}{\"a}ritt{\"a}mist{\"a} varten kehitettiin muun muassa ns. l{\"a}mmitett{\"a}v{\"a} lehti. Lis{\"a}ksi l{\"a}mm{\"o}nsiirtokerroin m{\"a}{\"a}ritettiin tavanomaisemmin keinoin. IR-l{\"a}mp{\"o}mittarin ja energiataseyht{\"a}l{\"o}n soveltamista tutkittiin kokeellisesti. Koej{\"a}rjestelyss{\"a} koivun taimi asetettiin vaa’an p{\"a}{\"a}lle ja sen haihduntanopeus mitattiin massanmuutoksen ja kuluneen ajan avulla. Taimen suora haihdunta (evaporaatio) ruukusta estettiin laittamalla se muovipussiin. Haihdunta muualta kuin lehdist{\"a} oletettiin merkityksett{\"o}m{\"a}ksi, samoin oletettiin ett{\"a} taimen massan muutos johtuu pelk{\"a}st{\"a}{\"a}n transpiraatiosta. Koej{\"a}rjestely tehtiin Juupajoella Hyyti{\"a}l{\"a}n mets{\"a}aseman kasvihuoneessa. Ymp{\"a}rist{\"o}olosuhteista ilman l{\"a}mp{\"o}tila, kosteus, tuulen nopeus ja auringon s{\"a}teily mitattiin. Tuulen nopeutta my{\"o}s manipuloitiin tuulettimen avulla. Koej{\"a}rjestely antoi tukea hypoteesille, ett{\"a} haihduntaa voidaan mitata IR-l{\"a}mp{\"o}mittaria ja energiateseyht{\"a}l{\"o}{\"a} soveltaen. Koej{\"a}rjestely oli kuitenkin puutteellinen ja varta vasten tutkielmaa varten rakennettu, joten mittaustulokset eiv{\"a}t anna todellista kuvaa menetelm{\"a}n tarkkuudesta. Teoreettisesti tarkasteltuna menetelm{\"a}ss{\"a} ei ole suuria heikkouksia ja se perustuu yleisesti hyv{\"a}ksyttyyn fysiikkaan. Menetelm{\"a} ei juuri h{\"a}iritse mitattavaa kohdetta, eik{\"a} menetelm{\"a}n k{\"a}ytt{\"o}{\"o}notossa tarvita kalliita tai vaikeak{\"a}ytt{\"o}isi{\"a} laitteita. Menetelm{\"a} soveltuu erityisesti haihdunnan mittaamiseen hajas{\"a}teilyss{\"a}. Jotta mittaus onnistuisi, referenssilehtien asetteluun ja valintaan tulee kiinnitt{\"a}{\"a} huomiota etenkin jos haihduntaa mitataan voimakkaassa s{\"a}teilyss{\"a}. Kappaleiden l{\"a}mp{\"o}tilat voi mitata pistemittarin tai l{\"a}mp{\"o}kameran avulla. L{\"a}mp{\"o}kameran k{\"a}ytt{\"o} on suotavaa, mutta sit{\"a} rajoittaa korkea hinta.",
keywords = "411 Maatalous ja mets{\"a}tieteet, transpiraatio, haihdunta, IR-l{\"a}mp{\"o}mittari, energiataseyht{\"a}l{\"o}, l{\"a}mm{\"o}nsiirtokerroin",
author = "Janne Korhonen",
year = "2007",
month = "11",
language = "suomi",

}

Transpiraation mittaaminen IR-lämpömittaria ja energiataseyhtälöä hyödyntäen. / Korhonen, Janne.

2007. 80 p.

Research output: ThesisMaster's thesisTheses

TY - THES

T1 - Transpiraation mittaaminen IR-lämpömittaria ja energiataseyhtälöä hyödyntäen

AU - Korhonen, Janne

PY - 2007/11

Y1 - 2007/11

N2 - Haihduntaa voidaan mitata ekosysteemitasolla (evapotranspiraatio) kovarianssi-menetelmällä ja puutasolla (transpiraatio) esimerkiksi sap-neulojen avulla. Tähän asti kuitenkin verson tai lehden haihdunnan mittaaminen on ollut mahdollista vain kammiomittauksen avulla. Kammiomittaus häiritsee suuresti mitattavaa versoa ja veden pintailmiöt tekevät mittauksesta epäluotettavan. Luotettavaa menetelmää verson tai lehden haihdunnan mittaamiseksi ei siis ole olemassa. Tässä tutkielmassa esitellään IR-lämpömittarin ja energiataseyhtälön soveltamiseen perustuva haihdunnanmittausmenetelmä. IR-lämpömittari mittaa kappaleiden emittoimaa lämpösäteilyä ja sen avulla voidaan mitata kappaleiden lämpötilat niitä koskettamatta. Energiataseyhtälö on matemaattinen yhtälö, joka sisältää kappaleen lämpötilaan vaikuttavat tekijät. Energiataseyhtälön termejä ovat absorboidun säteilyenergian vuo, emittoidun säteilyenergian vuo, konvektiossa siirtyvän lämmön vuo sekä haihdunnassa sitoutuneen energian määrä. Haihduntanopeus voidaan laskea energiataseen avulla, kun energiataseen muut termit tunnetaan. Tutkielmassa ehdotetaan energiataseen termien ratkaisemista mitattavan lehden ja referenssikappaleiden lämpötilojen avulla. Referenssikappaleiden käyttöön liittyy olettamus, että ne ja mitattava kappale ovat samankaltaisia ja samanlaisissa ympäristöolosuhteissa. Haihduntaan sitoutuneen energian määrä voidaan laskea, kun kaikki kappaleet ovat geometrisilta ja optisilta ominaisuuksiltaan samanlaisia, kun ne ovat samanlaisissa ympäristöolosuhteissa, kun kappaleiden lämpötilat tunnetaan, kun kappaleiden muodostamat energiavarastot ovat merkityksettömiä, kun kappale on termodynaamisessa tasapainossa ja kun energiataseyhtälön muut termit tunnetaan tai saadaan supistettua pois. Keskeiseksi tekijäksi haihdunnan mittaamisessa muodostui konvektiivisen lämmönsiirron suuruuteen vaikuttavan lämmönsiirtokertoimen määrittäminen. Lämmösiirtokertoimen määrittämistä varten kehitettiin muun muassa ns. lämmitettävä lehti. Lisäksi lämmönsiirtokerroin määritettiin tavanomaisemmin keinoin. IR-lämpömittarin ja energiataseyhtälön soveltamista tutkittiin kokeellisesti. Koejärjestelyssä koivun taimi asetettiin vaa’an päälle ja sen haihduntanopeus mitattiin massanmuutoksen ja kuluneen ajan avulla. Taimen suora haihdunta (evaporaatio) ruukusta estettiin laittamalla se muovipussiin. Haihdunta muualta kuin lehdistä oletettiin merkityksettömäksi, samoin oletettiin että taimen massan muutos johtuu pelkästään transpiraatiosta. Koejärjestely tehtiin Juupajoella Hyytiälän metsäaseman kasvihuoneessa. Ympäristöolosuhteista ilman lämpötila, kosteus, tuulen nopeus ja auringon säteily mitattiin. Tuulen nopeutta myös manipuloitiin tuulettimen avulla. Koejärjestely antoi tukea hypoteesille, että haihduntaa voidaan mitata IR-lämpömittaria ja energiateseyhtälöä soveltaen. Koejärjestely oli kuitenkin puutteellinen ja varta vasten tutkielmaa varten rakennettu, joten mittaustulokset eivät anna todellista kuvaa menetelmän tarkkuudesta. Teoreettisesti tarkasteltuna menetelmässä ei ole suuria heikkouksia ja se perustuu yleisesti hyväksyttyyn fysiikkaan. Menetelmä ei juuri häiritse mitattavaa kohdetta, eikä menetelmän käyttöönotossa tarvita kalliita tai vaikeakäyttöisiä laitteita. Menetelmä soveltuu erityisesti haihdunnan mittaamiseen hajasäteilyssä. Jotta mittaus onnistuisi, referenssilehtien asetteluun ja valintaan tulee kiinnittää huomiota etenkin jos haihduntaa mitataan voimakkaassa säteilyssä. Kappaleiden lämpötilat voi mitata pistemittarin tai lämpökameran avulla. Lämpökameran käyttö on suotavaa, mutta sitä rajoittaa korkea hinta.

AB - Haihduntaa voidaan mitata ekosysteemitasolla (evapotranspiraatio) kovarianssi-menetelmällä ja puutasolla (transpiraatio) esimerkiksi sap-neulojen avulla. Tähän asti kuitenkin verson tai lehden haihdunnan mittaaminen on ollut mahdollista vain kammiomittauksen avulla. Kammiomittaus häiritsee suuresti mitattavaa versoa ja veden pintailmiöt tekevät mittauksesta epäluotettavan. Luotettavaa menetelmää verson tai lehden haihdunnan mittaamiseksi ei siis ole olemassa. Tässä tutkielmassa esitellään IR-lämpömittarin ja energiataseyhtälön soveltamiseen perustuva haihdunnanmittausmenetelmä. IR-lämpömittari mittaa kappaleiden emittoimaa lämpösäteilyä ja sen avulla voidaan mitata kappaleiden lämpötilat niitä koskettamatta. Energiataseyhtälö on matemaattinen yhtälö, joka sisältää kappaleen lämpötilaan vaikuttavat tekijät. Energiataseyhtälön termejä ovat absorboidun säteilyenergian vuo, emittoidun säteilyenergian vuo, konvektiossa siirtyvän lämmön vuo sekä haihdunnassa sitoutuneen energian määrä. Haihduntanopeus voidaan laskea energiataseen avulla, kun energiataseen muut termit tunnetaan. Tutkielmassa ehdotetaan energiataseen termien ratkaisemista mitattavan lehden ja referenssikappaleiden lämpötilojen avulla. Referenssikappaleiden käyttöön liittyy olettamus, että ne ja mitattava kappale ovat samankaltaisia ja samanlaisissa ympäristöolosuhteissa. Haihduntaan sitoutuneen energian määrä voidaan laskea, kun kaikki kappaleet ovat geometrisilta ja optisilta ominaisuuksiltaan samanlaisia, kun ne ovat samanlaisissa ympäristöolosuhteissa, kun kappaleiden lämpötilat tunnetaan, kun kappaleiden muodostamat energiavarastot ovat merkityksettömiä, kun kappale on termodynaamisessa tasapainossa ja kun energiataseyhtälön muut termit tunnetaan tai saadaan supistettua pois. Keskeiseksi tekijäksi haihdunnan mittaamisessa muodostui konvektiivisen lämmönsiirron suuruuteen vaikuttavan lämmönsiirtokertoimen määrittäminen. Lämmösiirtokertoimen määrittämistä varten kehitettiin muun muassa ns. lämmitettävä lehti. Lisäksi lämmönsiirtokerroin määritettiin tavanomaisemmin keinoin. IR-lämpömittarin ja energiataseyhtälön soveltamista tutkittiin kokeellisesti. Koejärjestelyssä koivun taimi asetettiin vaa’an päälle ja sen haihduntanopeus mitattiin massanmuutoksen ja kuluneen ajan avulla. Taimen suora haihdunta (evaporaatio) ruukusta estettiin laittamalla se muovipussiin. Haihdunta muualta kuin lehdistä oletettiin merkityksettömäksi, samoin oletettiin että taimen massan muutos johtuu pelkästään transpiraatiosta. Koejärjestely tehtiin Juupajoella Hyytiälän metsäaseman kasvihuoneessa. Ympäristöolosuhteista ilman lämpötila, kosteus, tuulen nopeus ja auringon säteily mitattiin. Tuulen nopeutta myös manipuloitiin tuulettimen avulla. Koejärjestely antoi tukea hypoteesille, että haihduntaa voidaan mitata IR-lämpömittaria ja energiateseyhtälöä soveltaen. Koejärjestely oli kuitenkin puutteellinen ja varta vasten tutkielmaa varten rakennettu, joten mittaustulokset eivät anna todellista kuvaa menetelmän tarkkuudesta. Teoreettisesti tarkasteltuna menetelmässä ei ole suuria heikkouksia ja se perustuu yleisesti hyväksyttyyn fysiikkaan. Menetelmä ei juuri häiritse mitattavaa kohdetta, eikä menetelmän käyttöönotossa tarvita kalliita tai vaikeakäyttöisiä laitteita. Menetelmä soveltuu erityisesti haihdunnan mittaamiseen hajasäteilyssä. Jotta mittaus onnistuisi, referenssilehtien asetteluun ja valintaan tulee kiinnittää huomiota etenkin jos haihduntaa mitataan voimakkaassa säteilyssä. Kappaleiden lämpötilat voi mitata pistemittarin tai lämpökameran avulla. Lämpökameran käyttö on suotavaa, mutta sitä rajoittaa korkea hinta.

KW - 411 Maatalous ja metsätieteet

KW - transpiraatio

KW - haihdunta

KW - IR-lämpömittari

KW - energiataseyhtälö

KW - lämmönsiirtokerroin

M3 - Pro gradu

ER -