Transpiraation mittaaminen IR-lämpömittaria ja energiataseyhtälöä hyödyntäen

Tutkimustuotos: OpinnäytePro graduOpinnäytteet

Abstrakti

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.
Alkuperäiskielisuomi
TilaJulkaistu - marraskuuta 2007
OKM-julkaisutyyppiG2 Pro gradu, diplomityö, ylempi amk-opinnäytetyö

Tieteenalat

  • 411 Maatalous ja metsätieteet
  • transpiraatio
  • haihdunta
  • IR-lämpömittari
  • energiataseyhtälö
  • lämmönsiirtokerroin

Siteeraa tätä