Methoden der Kohlenstoffmessung im Gelände und im Labor
1.2 Gasmessung nach der Eddy-Kovarianz-Methode
Inhalt dieses Kapitels
1. Einführung
2. Prinzip des Aufbaus des Eddy-Kovarianz-Systems
3. Anwendung und Problematik der Eddy-Kovarianz-Methode
4. Vergleich mit der
geschlossenen Haubenmessmethode
1. Einführung
Die Eddy-Kovarianz-Methode ist eine direkte mikrometeorologische Messmethode, um turbulenten Gasaustausch zu quantifizieren, bei der die durchschnittliche Luft, die einen Messpunkt passiert, in Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeit, die Bewegungsrichtung und die Gaskonzentration bzw. -dichte über ein bestimmtes Messintervall gemessen wird. Dadurch wird es unter anderem ermöglicht, Kohlendioxidflüsse in die Atmosphäre auf Landschaftsebene, beispielsweise in Moorökosystemen, räumlich zu integrieren. Das Ergebnis, das meist noch durch einen Korrekturfaktor korrigiert wird, wird als Eddy-Flux (Verwirbelungsfluss) bezeichnet. Die Korrektur der gewonnenen Rohdaten wird aufgrund des unvermeidbaren Unvermögens des Messsystems alle strömungsrelevanten Luftverwirbelungen (Eddies) zu erfassen durchgeführt. Im Folgenden ist die Eddy-Kovarianz-Gleichung dargestellt, die sich aus der Flussdichte (F) eines Skalars (c) und der vertikalen Windgeschwindigkeit (w) und der Dichte (Konzentration) (ρ) des Skalars (c) zusammensetzt.
Eddy-Tower bei Schechenfilz südlich des Starnberger Sees, Bayern
 (Foto: Christian Heller 2010) |
2. Prinzip des Aufbaus des Eddy-Kovarianz-Systems
Bei der Gasmessung nach der Eddy-Kovarianz-Methode findet die Eddy-Flux- bzw. die Gasmessung mittels eines Messturms direkt im offenen System der Atmosphäre statt, meist in einer Sensorhöhe von 6 bis 14 m. Neben Kohlendioxid können auch klimarelevante Spurengase, wie Methan und Lachgas und auch Wasserdampf gemessen werden. Für die Anwendung der Eddy-Kovarianz-Gleichung sind Messungen der Fluktuation der Spurengaskonzentration und der vertikalen Windgeschwindigkeit notwendig. Deshalb gehören zum Messsystem eines Eddy-Messturms ein schnell ansprechender dreidimensionaler Windmesser, ein Thermometer, ein Feuchtigkeitsmessgerät und eine Pumpe für die Luftsogwirkung im Luftrohr, in dem die Gase gemessen werden, das an beiden Enden mit zwei Teflonfiltern verbunden ist und zu einem ebenfalls sehr exakt und schnell messenden Infrarotgasanalysator (IRGA) führt. Im Bezug auf den IRGA gibt es sowohl offene (open-path), als auch geschlossene (closed-path) Messsysteme. Geschlossene Systeme haben den Vorteil, dass sie geringere Korrekturen für Effekte der Luftdichte erfordern und dass sie über längere Zeiträume selbstständig messen können.
Mindestens genauso wichtig wie die Messinstrumente ist die Software zur Datenanalyse und Korrektur der Messergebnisse. Es gibt offene und geschlossenen Messsysteme in denen diese Software unterschiedliche Ausführungskriterien erfüllen muss. Zur Auswertung der Messergebnisse wird häufig die Eddy Fluxes Integrated Software (EFIS) verwendet.
Die folgende Abbildung zeigt das typische Schema eines Eddy-Kovarianz-Messsystems, in dem Luft von einem Punkt nahe dem Windmesser in ein Probenrohr geleitet und zum geschlossenen IRGA überführt wird. Variationen in der Durchflussmenge werden durch einen dem System angeschlossenen Druckumwandler automatisch kompensiert. Dieser liefert wiederum an die Software die relevanten Informationen zu den Korrekturalgorithmen zur Interpretation der Ergebnisse des IRGA. Durch einen Durchflussmengenregler wäre es auch möglich konstante Durchflussmengen zu ermöglichen, wodurch ansonsten nötige Korrekturen minimiert werden.
Schema des Aufbaus eines Eddy-Kovarianz-Messsystems nach Moncrief et al. 1997
 (Quelle: Moncrief et. al. 1997, veränderte und übersetzte Darstellung) |
3. Anwendung und Problematik der Eddy-Kovarianz-Methode
Die Eddy-Kovarianz-Methode ermöglicht es beispielsweise die Kohlenstoffflüsse auf landwirtschaftlich genutzten Moor- oder Grasflächen zu messen und so den Kohlenstoffhaushalt abzuschätzen und mögliche Kohlenstoffquellen und -senken zu erkennen. Die Methode kann dabei mit einem geringen Personalaufwand angewendet werden. Die Messergebnisse dieser Methode weisen allerdings Unsicherheiten in dem Rahmen auf, als das die Messungen auf einer bestimmten Fläche meist nur einfach durchgeführt werden und für einen geschlossenen IRGA nach Veenendaal et al. (2007) von einer durchschnittlichen Unsicherheit zwischen 3 und 4 mol C m-2 a-1 ausgegangen wird. Besonders in Moorökosystemen ist die Fehlertoleranz schwer abzuschätzen, da die übrigen Kohlenstoffabflüsse des Ökosystems meist nur ungenau angegeben werden können und akkurate Daten nicht immer verfügbar sind. Eine genaue Fehleranalyse erfordert wiederum einen sehr extensiven Aufbau der Messinstrumente.
4. Vergleich mit der geschlossenen Haubenmessmethode
Direkt über dem Boden angewendet hat die Eddy-Kovarianz-Methode mehrere Vorteile gegenüber der Methode der Haubenmessung mit einer verschlossenen Kammer:
1. Die Bodenoberfläche und das Bodenmikroklima sind nicht gestört.
2. Die Messungen werden unter „natürlich“ turbulenten Bedingungen durchgeführt.
3. Bei der Messung wird eine größere Oberfläche abgedeckt.
Diese Methode der Kohlenstoffmessung erfordert auf Waldflächen allerdings ausreichend turbulente Bedingungen unter dem Blätterdach der Bäume und einen Ausschluss von anderen Quellen und Senken zwischen der Bodenoberfläche und dem Sensor. Durch diese Methode wird nicht nur die Bodenatmung erfasst, sondern auch die Atmung und Photosynthese der Vegetation der Untersuchungsfläche. Die Gesamtökosystematmung vom Boden und der Vegetation kann durch Hochrechnung der nächtlichen Strömungen und Analyse der Tagesmessungen abgeleitet werden. Eine Trennung von Bodenatmung und Vegetationsatmung ist ohne empirische Schätzungen unter Berücksichtigung möglicher horizontaler Luftströmungen allerdings nicht möglich.
Die Eddy-Kovarianz-Methode ist eine sehr genaue Methode um den Kohlenstoffdioxidausstoß des Bodens zu messen, da im Gegensatz zur Haubenmethode die natürliche Verteilung des vertikalen Druckgradienten, die horizontale Windgeschwindigkeit und der vertikale Kohlenstoffdioxidgradient nicht gestört werden. Wenn es um die effektive Bestimmung der Bodenatmung geht, ist die Anwendung dieser Methode allerdings nicht immer geeignet, da sich aufgrund der Messhöhe eine Kohlenstoffsenke, beispielsweise in Form eines jungen, niedrigen Baumbestandes, zwischen Boden und Sensor befinden kann, die wiederum zu einer deutlichen Beeinflussung des Messergebnisses führen kann. Die Anwendung der Eddy-Kovarianz-Methode bei Spurengasen, wie Methan oder Lachgas, erfordert besonders schnelle und hochpräzise Messinstrumente mit einem hohen Kostenaufwand, da diese in der Atmosphäre in so niedrigen Konzentrationen vorkommen.
Literatur:
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Lankreijer,
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(2003): Measurement of Soil Respiration.
In:
Valentini, R. (2003):
Fluxes of Carbon, Water and Energy of European Forests -
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York.
Moncrieff, J.; Valentini, R.; Greco, S.; Seufert, G.; Ciccioli, P. (1997): Trace gas exchange over terrestrial ecosystems: methods and perspectives in micrometeorology. In: Journal if Experimental Botany, Vol. 48, No. 310, S. 1133-1142.
Tirone, G.;
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(2004): Evergreen Mediterranean Forests. Carbon and Water Fluxes,
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