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Stoff- und Energieaustausch zwischen Phytosphäre und bodennaher Atmosphäre

Stoff- und Energieaustausch zwischen Phytosphäre und bodennaher Atmosphäre

Eddy-Kovarianz-SystemWechselwirkungen zwischen zwei Systemen können nur im Austausch von Energien, Impulsen und Stoffen stattfinden. Energien und Stoffe können gleichzeitig Träger von Informationen sein. Ein solcher Austausch wird synonym als Transport, Fluss oder Strom bezeichnet. Die repräsentative Messung und Beschreibung von Pools und Flüssen in Ökosystemen geschieht in der Regel an Hand von Ökotopen. Sie werden als räumliche Repräsentanten/Manifestationen des Ökosystems verstanden und sind ihrem Inhalt, ihrer Struktur und ihres Stoff- und Energiehaushalts nach horizontal homogen. Ökotope sind demnach dreidimensionale, säulenförmige Ökosystemausschnitte, die lediglich vertikal gegliedert sind: Alle veränderlichen Eigenschaften zu einer Zeit t sind nur Funktionen der Höhe z. In Ökotopen wird folglich der Austausch von Stoffen und Energien auf ein eindimensionales Problem reduziert. So tritt z.B. in einigen mikrometeorologischen Modellen zur Beschreibung des Stoffaustausches zwischen bodennaher Atmosphäre und Phytosphäre an die Stelle der Gesamtmenge der Blätter mit ihren Stomata ein einziges "big-leaf" mit der Fläche des Ökotops.

Austauschprozesse setzen Systemgrenzen voraus, durch die hindurch der Fluss stattfindet. Es ist sinnvoll, die Hüllfläche des Systems Phytosphäre/Pedosphäre als Grenzfläche zwischen den Systemen Atmosphäre und Phytosphäre/Pedosphäre anzusehen und alle Flüsse als Flussdichten senkrecht zu dieser Hüllfläche anzugeben. Als letztere kann z.B. das konzeptionelle Niveau der Impulssenke angesetzt werden. Flussdichten sind demnach die pro Flächeneinheit und Zeiteinheit ausgetauschten Energie-, Impuls- oder Stoffmengen.

Zur Ermittlung von Stoffflussdichten in der bodennahen Atmosphäre ist es erforderlich, nicht nur die einzelnen Stoffarten bzw. Spezies und deren Kombinationen unter Berücksichtigung ihrer Teilchengröße möglichst getrennt zu betrachten, sondern auch Eintrags- und Austrags-"Pfade". Dies spiegelt zum einen wider, dass an unterschiedlichen Orten eingetragene Stoffe unterschiedliche physiologische Effekte haben können, zum anderen erleichtert die Unterteilung die messtechnische Erfassung.

Luftinhaltsstoffe

Luftinhaltsstoffe
Übersicht über Formen vertikaler Flussdichten in der bodennahen Atmosphäre (nach Grünhage et al. 1993)

 

Man unterscheidet bei den zur Erdoberfläche hin gerichteten Flussdichten luftgetragener Stoffe sedimentierende und nicht sedimentierende Anteile. Bei den sedimentierenden differenziert man weiter nach dem nassen Fluss von Tropfen und dem trockenen Fluss von Sinkstäuben ("coarse particles"). Da nasse und trockene Flüsse sedimentierender Stoffe weitgehend gleichen Bedingungen unterliegen, ist es oft angemessen, die aus ihnen resultierenden Depositionen gemeinsam als sog. Bulkdeposition zu erfassen. Teilchen ohne merkliche Sinkgeschwindigkeit (Aerosole oder Fein-/Schwebstäube, "fine particles") und Gase bilden die Bestandteile der nicht sedimentierenden Stofffraktion.

Böden und Vegetation können Gase emittieren (N2O, CH4, NO, NH3, CO2, H2S etc.) und damit Quellen eines nach oben gerichteten Stoffflusses sein. Die Emissionen können dabei Depositionen desselben Gases aus der Atmosphäre überlagern. Aufgewirbelte Stäube werden als resuspendierte Teilchen bezeichnet, der Vorgang des Aufwirbelns als Resuspension. Resuspension kann Schweb- und Sinkstäube freisetzen.