Übung 5 : G = Wärmeflussdichte [Watt/m 2 ] c = spezifische Wärmekapazität k = Wärmeleitfähigkeit = *p*c = Wärmediffusität

Transkript

1 Übung 5 : Theorie : In einem Boden finden immer Temperaturausgleichsprozesse statt. Der Wärmestrom läßt sich in eine vertikale und horizontale Komponente einteilen. Wir betrachten hier den Wärmestrom in der vertikalen, auch Wärmeflussdichte im folgenden genannt. Sie ist proportional zum Vertikalgradienten der Temperatur. Je größer ein Gradient zwischen zwei betrachteten Punkten ist, desto größer auch die Wärmeflussdichte. Zusätzlich muss die Wärmeleitfähigkeit des Bodens bekannt sein. Sie geht durch die Proportionalitätskonstante k in diese Gleichung ein. G = Wärmeflussdichte [Watt/m 2 ] p = Dichte c = spezifische Wärmekapazität k = Wärmeleitfähigkeit = *p*c = Wärmediffusität Die Tautochronenmethode In unserem Fall liegen von verschiedenen Bodenschichten zeitlich kontinuierliche, vertikale Temperaturmessungen vor. Aus diesen ergibt sich die zeitliche Änderung der Temperatur. Ist die Wärmekapazität der jeweiligen Schicht bekannt, kann nun die Energiemenge berechnet werden, die insgesamt vorhanden ist, bzw. die zu anderen Schichten zu- oder abtransportiert wird. Die gesamte Wärmeflussdichte ergibt sich aus der Summe der Einzelflussdichten über alle Schichten.

2 Auswertung : Die Lufttemperaturen sind im Kronenraum durchgängig am höchsten. Die Kurven über dem Bestand und im Stammraum unterscheiden sich dagegen nur unwesentlich. In der Nacht sind die Lufttemperaturen über dem Bestand etwas höher, am Tage wird es dagegen im Stammraum wärmer. Insgesamt ist eine äußerst geringe Lufttemperaturamplitude festzustellen von 0,7 K. Ein Vergleich mit Novemberdaten anderer Jahre und Standorte könnte mehr Klarheit verschaffen. Möglich aber rein spekulativ wäre z.b. eine Schneebedeckung der Fläche bereits im November. Durch die hohe Albedo des Schnees würde am Tage weniger Strahlung absorbiert und die Lufttemperaturen würden geringer ausfallen.

3 !" #$ #$#$#$ In der Oberflächennahesten Schicht ist der deutlichste Tagesgang ausgeprägt. Während um 10 und um 11 Uhr stark positive Werte vorliegen, wurden um 12 Uhr die niedrigsten gemessen. Positive Werte bedeuten einen Wärmefluss Richtung Erdmittelpunkt, negative einen zur Atmosphäre. Theoretisch sollten die Werte in der obersten Bodenschicht gegen Mittag stark positiv sein, da hier die höchsten Oberflächentemperaturen vorliegen. Wie später in Abb. 4 zu sehen sein wird, fallen jedoch auch die Temperaturen dieser Bodenschicht um diese Uhrzeit. Allerdings nur um 0,2 C. Berücksichtigt man die Messgenauigkeit der Geräte so ist dies recht unzuverlässig. Eine mögliche Ursache könnte jedoch auch eine höhere Windgeschwindigkeit in den Mittagsstunden sein, was allerdings nicht weiter geklärt werden kann ohne die zugehörigen Werte. Ein relativ gut und zuverlässig ausgeprägtes Maximum liegt in den drei folgenden Schichten vor. Je tiefer man dabei im Boden kommt, desto mehr verlagert sich das Temperaturmaxima in den Abend. Dies entsteht durch den verzögerten Transport der Tageswärme in die unteren Bodenschichten. Das Maximum Tagsüber ist dabei leicht positiv, in der Nacht liegen relativ gleichmäßige negative Werte vor. Ab 75cm Bodentiefe ist kein Tagesgang mehr feststellbar. Die zufälligen Fluktuationen werden durch Messungenauigkeiten verursacht.

4 Addiert man nun die einzelnen Wärmeflussdichten auf erhält man die Gesamtflussdichte : %& #$ Hier ist nun wieder ein sehr ausgeprägter Tagesgang festzustellen. Von 10 bis 15 Uhr ist die Gesamtflussdichte nahe 0. Ab 17Uhr ist sie dagegen immer unter -2, in der Nacht sogar meist -4 bis -5. Angenommen diese Daten stimmen, würde somit der Boden im November mehr Energie an die Atmosphäre abgeben als umgekehrt aufgenommen wird. Dies führt zu einer stetigen Abkühlung des Bodens, die mit der Tiefe immer schwächer ausfällt, bis eine Tiefe erreicht ist, in die die Jahreszeitlichen Effekte fast nicht mehr vordringen. Um dies zu überprüfen wäre es Sinnvoll, den monatlichen Verlauf der Bodentemperaturen darzustellen um eine kontinuierliche Abkühlung zu überprüfen. Interessant ist, dass die Nullmarke in diesem Diagramm nicht überschritten wird. Die Gesamtflussdichte wird also nicht nur von der Oberflächennahesten Schicht bestimmt. In Abb. 4 sind nun noch einmal die gemittelten Tagesgänge der Bodentemperaturen zu sehen. Dies dient einer Einschätzung der Zuverlässigkeit der einzelnen Flussdichten.

5 #$ An sich bestätigt diese Grafik das vorher gesagte. Die Temperaturamplitude ist in der Bodennahen Schicht am größten, das Temperaturmaxima liegt am Tag. Allerdings wird deutlich wie geringfügig die Schwankungen in diesem Monat sind. Bestätigt wird ebenfalls, dass die Bodentemperaturen mir zunehmender Tiefe im Winter stark zunehmen. Da die Schwankungen aber sehr minimal sind, findet in keinem Bereich eine Überschneidung statt. Dadurch wird es, nach diesem Diagramm zu urteilen, zu jeder Tageszeit mit zunehmender Tiefe auch wärmer. Das heißt, es dürfte eigentlich kein positiver, nach unten gerichteter Wärmestrom auftreten. Die Gesamtflussdichte bestätigt dies im Ganzen. Einzelne positive Werte kommen zustande, da die Bodenoberflächentemperatur am Tage höhere Werte als in diesen Schichten einnehmen kann. Darüber liegen allerdings auch keine Daten vor, da die Lufttemperaturen im Stammraum bereits zu niedrig sind, um diesen Strom zu bewirken, da es z.b. in 7,5cm Tiefe bereits wärmer ist. Die Fortpflanzung des mittäglichen Temperaturmaxima ist also eher als geringerer Nachschub von Energie von unten nach oben zu sehen. Da es also z.b. mittags in 7,5cm Tiefe immer noch kälter als in 15cm Tiefe ist, der Temperaturgradient jedoch etwas geringer ist, wird auch weniger Energie in die 7,5 cm Schicht geliefert, da sich der Energietransport proportional zum Temperaturgradienten verhält. Dadurch bleibt es in 15cm etwas wärmer, da ja immer noch Energie von unten nachgeliefert wird. Sascode : Außer den gebildeten Mittelwerten identisch zum vorgegebenen

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