Πώς η ενέργεια και το διοξείδιο του άνθρακα κινούνται στα αλπικά δάση

Έχουν σημειωθεί μεγάλα βήματα στην ανθρώπινη κατανόηση των επιπτώσεών μας στο παγκόσμιο κλίμα τις τελευταίες δεκαετίες. Καθώς οι επιστήμονες προωθούν αυτήν την προσπάθεια, έχει καταστεί απαραίτητο να βελτιώσουμε τις γνώσεις μας για τις λεπτότερες λεπτομέρειες των αλληλεπιδράσεων μεταξύ της γήινης βιόσφαιρας και της παραπάνω ατμόσφαιρας.

Τα κλιματικά μοντέλα στις περισσότερες κλίμακες πρέπει να αντιμετωπίζουν την ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που είτε παράγεται είτε απορροφάται από το οικοσύστημα, μια ποσότητα γνωστή ως καθαρή ανταλλαγή οικοσυστημάτων (NEE). Αν και φαίνεται να είναι μια απλή παράμετρος, δεν είναι εύκολο να μετρηθεί. Εξάλλου, οι επιστήμονες δεν μπορούν να βάλουν έναν αισθητήρα σε κάθε φύλλο, σε κάθε λεπίδα γρασιδιού, σε κάθε τετραγωνική ίντσα φυτικού εδάφους ή σε κάθε ρουθούνι οποιουδήποτε πλάσματος στην περιοχή, συντονισμένο για να αναλύει κάθε αναπνοή. Από τη δεκαετία του 1950, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια σειρά μεθόδων για να μετρήσουν, να εκτιμήσουν ή να μοντελοποιήσουν τις διαδικασίες που συμβάλλουν στη NEE, εκτελώντας τη γκάμα από άμεσες παρατηρήσεις στην άγρια ​​φύση έως θεωρητικά μοντέλα που ονειρεύονται σε έναν υπολογιστή σε ένα αποστειρωμένο εργαστήριο με χωρίς παράθυρα.

Μία από αυτές τις μεθόδους, γνωστή ως τεχνική συνδιακύμανσης των δινών, μετρά την κίνηση της ενέργειας και της ύλης (κυρίως συμπεριλαμβανομένου του διοξειδίου του άνθρακα) που προκαλείται από αναταράξεις στην ατμόσφαιρα. Δεδομένου ότι η τυρβώδης ροή είναι συνήθως ο κυρίαρχος παράγοντας της συνολικής ροής κατά τη διάρκεια μιας 24ωρης ημέρας, η συνδιακύμανση των δίνων έχει αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμη. Ωστόσο, η μέθοδος δεν είναι τέλεια.

Το θέμα στο οποίο επικεντρωθήκαμε σε αυτήν την εργασία είναι ότι οι περισσότερες μετρήσεις δινικής συνδιακύμανσης συλλέγονται από ένα υψόμετρο σε έναν πύργο, ψηλά πάνω από τα φυτά σε μια τοποθεσία, αποτυπώνοντας ατελώς τις περίπλοκες λεπτομέρειες των τοπικών ατμοσφαιρικών ροών που συχνά αλλάζουν με το υψόμετρο καθώς και με οριζόντια απόσταση. Οι συνοπτικές ροές που φέρνει το μετεωρολογικό σύστημα που διέρχεται κάθε στιγμή προκαλούν κίνηση ενέργειας και ύλης, οι οποίες μετρώνται καλά από τους πύργους δινικής συνδιακύμανσης, αλλά αυτοί οι άνεμοι αλληλεπιδρούν επίσης με την τοπογραφία και τη βλάστηση παρακάτω. Τα βουνά και τα παλιά δάση έχουν σημαντικό αντίκτυπο στη ροή του αέρα, στη NEE και στη ροή ενέργειας, αλλά ακόμη και μια ήπια κλίση και ένα χωράφι με σιτάρι θα αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρά ο ουρανός με το έδαφος.

Προσομοιώσαμε τις ροές αέρα πάνω από ένα συγκεκριμένο ορεινό δάσος στις ιταλικές Άλπεις για το οποίο είχαμε μετρήσεις συνδιακύμανσης δίνων από πολλούς πύργους (η τοποθεσία Renon στη γνωστή καμπάνια ADVEX). Ο στόχος μας ήταν να χρησιμοποιήσουμε την παρατηρούμενη ροή που διέρχεται από έναν πύργο για να προβλέψουμε όλες τις ροές στην πλαγιά και στη συνέχεια να συγκρίνουμε αυτήν την πρόβλεψη με τις μετρήσεις από τους άλλους τέσσερις πύργους. Για να μοντελοποιήσουμε κινήσεις μεγάλης κλίμακας που επηρεάζονται έντονα από εφέ μικρής κλίμακας, χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο αναταράξεων Navier-Stokes (RANS) κατά μέσο όρο του Reynolds. Αυτή η μέθοδος έχει αναπαράγει με επιτυχία τις ροές που προκύπτουν από διάφορα καιρικά μοτίβα που αλληλεπιδρούν με πολύπλοκα εδάφη (όπως κεκλιμένα, δασώδη εδάφη) στο πρόσφατο παρελθόν.

Δεδομένου ότι βασίσαμε τη μελέτη μας σε έναν ιστότοπο που είχε υποβληθεί σε εκτεταμένη προηγούμενη έρευνα, απολαύσαμε την πολυτέλεια να έχουμε πολλές από τις απαραίτητες εμπειρικές παραμέτρους που απαιτούνται από το μοντέλο RANS στα χέρια μας. Αυτή η θορυβώδης σειρά γεγονότων – ένα διεξοδικά ερευνημένο κεκλιμένο δάσος, ένα ώριμο μοντέλο που έχει τελειοποιηθεί από πολυάριθμες προηγούμενες μελέτες και πολλαπλοί πύργοι συνδιακύμανσης δίνων που εξακολουθούν να λειτουργούν – παρείχε μια εξαιρετική ευκαιρία να εξεταστεί αριθμητικά η ροή αέρα σε σύνθετο έδαφος με μεγάλη λεπτομέρεια κάτω από πολλές διαφορετικές συνοπτικές συνθήκες.

Τα αποτελέσματα ήταν ως επί το πλείστον επιτυχή, καθώς το μοντέλο μπόρεσε να επιλύσει πολλές λεπτομέρειες της αλληλεπίδρασης μεταξύ συνοπτικών ανέμων και του εδάφους, συμπεριλαμβανομένης της καταβατικής ροής αποστράγγισης (που προκαλείται από ψύξη, πυκνότερο αέρα κοντά στην επιφάνεια που γλιστρά κάτω από το βουνό παρά τη συνοπτική ροή προς άλλες κατευθύνσεις) , φυσαλίδες ανακυκλοφορίας που αντιστρέφουν την αντίστροφη κλίση της ροής αντίθετα από το κυρίαρχο μοτίβο καιρού και χρονικές περιόδους όπου η κλίση ενίσχυε πραγματικά τη συνοπτική ροή, προκαλώντας αυξημένες ροές ενέργειας και ύλης (βλ. Εικόνα 1).

Το μοντέλο μας ήταν σε θέση να προβλέψει πολύ καλά τις αλληλεπιδράσεις στο βαθύ θόλο. Ωστόσο, η επιστημονική κατανόηση των πολύπλοκων μοτίβων ροής που προκύπτουν από τον συνοπτικό καιρό που αλληλεπιδρά με τα δάση με κλίση δεν είναι ακόμα τέλεια. Το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε επικεντρώθηκε στις λεπτομέρειες των τοπικών κλίσεων και της βλάστησης, οι οποίες ήταν κυρίαρχοι παράγοντες στις θερμοτοπογραφικές ροές που παρατηρήθηκαν στο μεσαίο και κάτω θόλο, επομένως τα αποτελέσματά μας σε αυτό το τμήμα της τοποθεσίας του έργου ήταν ενθαρρυντικά. Ωστόσο, ο άνω θόλος επηρεάστηκε ισχυρότερα από τη συνοπτική ροή και την μεγάλης κλίμακας πρόσκρουση των Άλπεων, οι οποίες έλαβαν πολύ περιορισμένη επεξεργασία στο μοντέλο μας, και επομένως εμφανίζονταν πιο συχνά αναντιστοιχίες μεταξύ των μετρήσεων του πύργου και των προβλέψεων του μοντέλου.

Μια άλλη ευκαιρία για βελτίωση βρέθηκε σε ορισμένα από τα προφίλ θερμοκρασίας, όπου το μοντέλο μας απέτυχε να ταιριάζει με την παρατηρούμενη θερμική κατάσταση κοντά στους άλλους πύργους. Με έκπληξη διαπιστώσαμε ότι η ροή ενέργειας εντός του θόλου στην τοποθεσία του έργου ήταν πολύ ευαίσθητη στην πίεση του νερού στη βλάστηση, κάτι που το μοντέλο μας δεν έλαβε υπόψη καθόλου.

Το μοντέλο μας προώθησε την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ της τοπικής θερμοτοπογραφικής ροής κλίσης και της συνοπτικής ροής μεγάλης κλίμακας σε ένα δάσος με ισχυρή κλίση. Περαιτέρω βελτιώσεις θα πρέπει να επικεντρωθούν σε τεχνικές μείωσης της κλίμακας, όπως τα συνδυασμένα μετεωρολογικά μοντέλα και τα μοντέλα RANS, για την πρόβλεψη μεγάλης κλίμακας εξαναγκασμού που έλειπε από το μοντέλο μας. Επιπλέον, κάποια επεξεργασία των αλλαγών της λανθάνουσας ροής θερμότητας που προκαλούνται από καλλιέργειες και άλλη βλάστηση που αλληλεπιδρούν με τη ροή ενέργειας στο μεγαλύτερο δάσος θα βελτίωνε τα αποτελέσματα του μοντέλου.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Numerical study of the interplay between thermo-topographic slope flow and synoptic flow on canopy transport processes, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Agricultural and Forest Meteorology . Το έργο ολοκληρώθηκε από τους Xiyan Xu και Chuixiang Yi από το City University of New York (CUNY) Queens College και το Graduate Center, τον Leonardo Montagnani από τις Forest Services of Autonomous Province of Bolzano and the Free University of Bolzano και τον Eric Kutter (επίσης από το CUNY Queens College and the Graduate Center).