Öko- und Ertragsphysiologie : Strahlung & Energiebilanz. Dr Mana Gharun, Institut für Agrarwissenschaften

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1 Öko- und Ertragsphysiologie : Strahlung & Energiebilanz Dr Mana Gharun, Institut für Agrarwissenschaften

2 Öko- und Ertragsphysiologie DS6 Strahlungs- und Energiebilanz Strahlungsspektrum Strahlungs- und Energiebilanz der Erde Reflektion, Transmission, Absorption von Pflanzen Energiebilanz eines Blattes Fühlbarer (sensibler) Wärmefluss Latenter Wärmefluss, Evapotranspiration Thermogenese

3 Elektromagnetisches Strahlungsspektrum Strahlungsspektrum der Erde µm UV: nm Photosynthetisch aktiver Bereich (PAR): nm Sichtbares Licht: nm Nahes Infrarot: nm Fernes Infrarot : nm

4 Strahlungs- & Energiebilanz der Erde shortwave 100 ET Strahlungsbilanz (Summe kurz- und langwelliger Strahlung) Energiebilanz (Summe aller Energieflüsse) (Schulze, Beck & Müller-Hohenstein 2002)

5 Strahlungsbilanz der Erde Globalstrahlung 341 W m -2 Albedo ca. 30% shortwave Strahlungsbilanz = 0 = einfallende kurzwellige Strahlung kurzwellige Reflexstrahlung emittierte langwellige Strahlung Strahlungsbudget = 30% = einfallende kurzwellige Strahlung langwellige Reflexstrahlung + langwellige Gegenstrahlung Strahlungsbilanz (Summe kurz- und langwelliger Strahlung) (Schulze, Beck & Müller-Hohenstein 2002)

6 Energiebilanz der Erde shortwave Energiebilanz = 0 = einfallende kurzwellige Strahlung langwellige Reflexstrahlung + langwellige Gegenstrahlung langwelliger fühlbarer Wärmefluss latenter Wärmefluss (ET) Energiebilanz (Summe aller Energieflüsse, d.h., Strahlung und Wärme) Koppelung mit Wasser-Haushalt (Schulze, Beck & Müller-Hohenstein 2002)

7 Strahlung Wirkung auf Pflanzen

8 Reflektion, Transmission und Absorption Reflektion UV: <3% PAR: 6 10% (grün 10 20%, rot 3 10%) IR: 70% (wichtig für Fernerkundung) Transmission: f (Blatttyp) am höchsten im grünen Bereich und im nahen IR (>720 nm) Absorption UV: 90% (Epidermis und Cuticula) PAR: 60 80% IR: kaum in nahen IR, stark im fernen IR Nur 1 2 % der W/m 2 Strahlung, die die Pflanze erreicht (direkte und diffuse kurzwellige Strahlung), wird in der Photosynthese genutzt (Larcher 1994)

9 Lichtabsorption von Pflanzen bedingt durch Chloroplasten-Pigmente (Chlorophylle, Carotinoide) aber weniger im grünen Bereich

10 Energiebilanz eines Blattes SR net - LR net - H - λe - M = 0 SR Atm LR AtoG H SR net = Kurzwellige Strahlung LR Ground λe M LR net = Langwellige Strahlung H = fühlbarer/sensibler Wärmefluss λe = latenter Wärmefluss, ET M = metabolische Energie LR AtoG SR Ground

11 x Energiebilanz eines Blattes Regulierung der kurzwelligen Strahlungsbilanz z.b. Reflektion von Strahlung von der Blattoberfläche Stacheln Blattwachse Blattbehaarung SR net

12 Energiebilanz eines Blattes Regulierung der kurzwelligen Strahlungsbilanz z.b. Blattwinkelstellung a) Blatt folgt dem Lauf der Sonne, um Einstrahlung zu maximieren. Z.B. Bohne b) Konstant horizontale Blattstellung. z.b. Klee c) Konstant vertikale Blattstellung. z.b. Hasenlattich, Gräser d) Parallele Stellung ab spätem Vormittag. (Ehleringer & Forseth 1980)

13 Energiebilanz eines Blattes Fühlbarer (sensibler) Wärmefluss (H) H = ρc p T r b H Direkte Wärmeabgabe an die Umgebung Ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Luft und Blatt (DT=T a T l ). Ist indirekt proportional zum Grenzschichtwiderstand zwischen Blatt und Atmosphäre (boundary layer, r b ). Kann positiv oder negativ sein, d.h. das Blatt wärmen oder kühlen. r = Dichte der Luft; c P = spez. Wärmekapazität

14 Fühlbarer (sensibler) Wärmefluss (H) Grenzschicht-Widerstand (r b ) Grenzschicht ist die Luft nahe am Blatt, deren Temperatur, Gaskonzentration (H 2 O, CO 2 ) und Bewegung vom Blatt beeinflusst wird Wind r b = l u l = Länge des Blattes u = Windgeschwindigkeit Grosse Blätter haben eine grössere Grenzschicht und einen grösseren Grenzschichtwiderstand als kleine Blätter. Grosse Blätter haben einen geringeren fühlbaren Wärmefluss H und heizen stärker auf als kleine Blätter.

15 Regulierung des fühlbaren Wärmeflusses z.b. Spontane Anpassung der Blattfläche bei Hitze (Banane)

16 Regulierung des fühlbaren Wärmeflusses z.b. kleine Blattflächen in ariden, heissen Gebieten

17 Regulierung des fühlbaren Wärmeflusses z.b. Polsterpflanzen in kalten, Alpinen Gebieten

18 Latenter Wärmefluss (λe) λe = ρc p γ D L g s bei gut durchmischter Atmosphäre λ = Energiebedarf der Evaporation E von Wasser r = Dichte der Luft c P = spez. Wärmekapazität g = Psychrometer-Konstante D L = Dampfdruckdifferenz Blatt Atmosphäre, d.h. VPD g s = stomatäre Leitfähigkeit Verdunstungskälte der ET Transpirierendes Blatt kühlt im Vgl. zu nicht transpirierender Oberfläche

19 Latenter Wärmefluss/Transpiration (λe) Auswirkung des latenten Wärmeflusses von Vegetation Knautia arvensis T Luft = 18 C T Vegetation = 21.6 C, T Blätter : 16 bis 22 C, ca. 4 K über T Luft T Blüten > 30 C, nahe der optimalen Temperatur für Bienen (35 C).

20 Latenter Wärmefluss (λe) T Blatt > T Luft T Blatt < T Luft Trotz Kühlung ist Blatt meist wärmer als Umgebungsluft (Jones 2014)

21 Latenter Wärmefluss (λe) Bei Unterbrechung der Transpiration steigt Blatttemperatur in lethale Bereiche Citrullus colocynthis (Schulze, Beck & Müller-Hohenstein 2002)

22 Thermogenese Pflanzen können nicht nur kühlen Aronstabgewächse können durch Respiration Hitze erzeugen Tropische Arten können sich bis zu 35 C über Umgebungstemperatur erwärmen, um Bestäuber anzulocken Philodendron selloum (Ito & Seymour 2005)

23 Energiebilanz eines Blattes SR net - LR net - H - λe - M = 0 SR Atm LR AtoG H SR net = Kurzwellige Strahlung LR Ground λe M LR net = Langwellige Strahlung H = fühlbarer/sensibler Wärmefluss λe = latenter Wärmefluss, ET M = metabolische Energie LR AtoG SR Ground