Turbulentse kovariatsiooni meetod

Turbulentse kovariatsiooni meetod (inglise keeles Eddy Covariance) on mikrometeoroloogiline meetod, millega määratakse gaaside liikumist biosfääri ja atmosfääri vahel, mõõtes vertikaalse tuule kiiruse ja gaaside segunemise vahelist kovariatsiooni. Tegemist on statistilise meetodiga, mida lisaks meteoroloogiale kasutatakse ka okeanograafias, hüdroloogias, põllumajandusteadustes, tööstusaladel jm. Mõõdetakse nii energiavooge, veeauru kui aine liikumist looduslikes ökosüsteemides. Kõige tihedamalt kasutatakse seda soojuse-, veeauru-, süsihappegaasi- ja metaanivoogude hindamiseks. Turbulentse kovariatsiooni meetodil on võrreldes teiste meetoditega märkimisväärseid eeliseid nii ajaliselt kui ruumiliselt, kuna võimaldab ennustada neto süsinikuvahetust suurel ruumilisel lahutusvõimel ning seda ajaskaalal tundidest aastateni. Mõõdetava ala suurus võib olla mõnest meetrist kilomeetriteni. Eeldused turbulentse kovariatsiooni meetodi kasutamiseks on ühtlane maapind ja taimkate, sobiv asukoht (tuule suunas), vähene õhutiheduse kõikumine. Kuna täielikult ühetaolist aluspinda on raske leida, esinevad mõõtmisvead, mille tuvastamiseks ja eemaldamiseks tuleb teha erinevaid korrektsioone. Õhuvoolu võib ette kujutada kui mitmete pööriste ühtlast horisontaalset voogu, milles igal pöörisel on nii horisontaalne kui ka vertikaalne komponent. Voo arvutamiseks mõõdetakse ära molekulid, mis on teatud punktis ning teatud aja jooksul üles ja alla liikunud. Kui mõõta õhuhulkade karakteristikuid (nt gaasi kontsentratsioon, temperatuur, niiskus), saab välja arvutada voo gaasi koguse, temperatuuri ja niiskuse. Seega saab öelda, et kovariatsioon on uuritava kontsentratsiooni ja vertikaaltuule kiirus keeristes. F=ρaw'c' Turbulentne voog (F) on keskmine õhutihedus korrutatud vertikaalse tuule kiiruse (w) ja uuritava gaasi kontsentratsiooniga (c), kus ρa on õhutihedus, ülakomad tähistavad kõikumist keskmisest. Kõige tavalisema lähenemisena kasutatakse turbulentse kovariatsiooni mõõtmiseks kolmedimensioonilist anemomeetrit ja gaasianalüsaatorit. Viimaseks sobib nii kinnine kui ka lahtine analüsaator, mille puhul on küll mõningaid erinevusi. Kinnise analüsaatori puhul on suurimaks eripäraks õhku sisseimev toru. Nii lahtise kui kinnise analüsaatori puhul on oluline, et kaugus anemomeetrist oleks võimalikult väike, et vältida mõõtevigu. Turbulentse kovariatsiooni andmete töötlemise puhul teisendatakse esimese sammuna ühikud ning eemaldatakse suure nihkega väärtused algandmestikust. Need suured nihked on peamiselt põhjustatud nii füüsilisest kui elektroonilisest mürast. Korrektuuride tegemiseks on olemas mitmeid programme, neist üldkasutatavaimaks on vabavaraline EddyPro. Lisaks viimasele on kasutusel ECO2S, Ecpack, samuti EdiRe, TK3, Alteddy ja Eddysoft. Andmestiku korrigeerimise vajadus sõltub võimalike häirivate tegurite olemasolust mõõtmisel, ehk mida ideaalsemad on mõõtmistingimused, seda vähem on vaja korrektsioone läbi viia. Suurt rolli mängib mõõteseadmete konstruktsioon, mille seadistamine võib olla erinev. Tähtsaimateks korrektuurideks on tavaliselt koordinaatide roteerimine, spektraalne, tiheduse ning horisontaalõhuvoolude parandus. Turbulentse kovariatsiooni voo arvutamise protsessis on parandused olulised, kuna võivad algselt mõõdetud voogu suurendada kahekordseks. Eriti märgatav on vahe väikeste voogude või laia ajavahemikuga mõõtmiste puhul. Samuti on tähtis kontrollida turbulentse kovariatsiooni eelduste täitmist – iga näidu taha lisatakse kvaliteedikontrolli näit. Turbulentse kovariatsiooni meetodiga öisel ajal mõõdetud süsihappegaasi voo andmed võivad olla reaalsest tunduvalt väiksemad, kuna õhuliikumine on madalam, mistõttu mõjutavad oluliselt horisontaalse tuule omadusi. Peamised eeldused turbulentse kovariatsiooni kasutamiseks on: tegemist turbulentse vooga; mõõtmispunkt on allatuult ja määratletud alal; mõõdetud vood on asjakohasest piirkonnast; maapind on horisontaalne ja taimkate ühtlane; instrumendid on võimelised mõõtma väikeseid muudatusi suurel (alates 5 Hz kuni 40 Hz) sagedusel. Peamiselt kasutatakse turbulentse kovariatsiooni meetodit: kasvuhoonegaaside määramiseks, süsihappegaasi emissiooni hindamiseks, metaani emissiooni hindamiseks, veekao hindamiseks. Harvem kasutatakse meetodit ka: täpseks niisutamiseks põllumajanduses, süsiniku sidumise hindamiseks, prügilagaaside emissiooni hindamiseks, gaasilekete avastamiseks, metaaniemissiooni hindamiseks igikeltsa-aladelt, biogeeniliste lenduvate orgaaniliste ühendite emissiooni arvutamiseks. Turbulentse kovariatsiooni meetodit on kasutatud ka veealustel uuringutel põhjavööndites, et mõõta hapnikuvooge merepõhja ja ülemiste veekihtide vahel. Veekeskkonnas kasutatavat turbulentset kovariatsiooni nimetatakse turbulentse korrelatsiooni meetodiks (eddy correlation). Hapnikuvoogude suurused leitakse algandmetest peamiselt samade printsiipide alusel nagu atmosfääriski ning kasutatakse peamiselt süsinikuvahetuse uurimiseks, mis on tähtis kohaliku ja globaalse süsinikuringe hindamiseks. Peamiste põhjavööndite ökosüsteemide puhul on turbulentse korrelatsiooni meetod kõige täpsem variant kindlate süsteemide voo mõõtmiseks. Soontagal asuvas 35 m kõrgusel selleks spetsiaalselt kohandatud mastis tehakse turbulentse kovariatsiooni meetodil pidevaid CO2 ja H2O mõõtmisi (20 Hz sagedusega, keskmistatakse 30 min intervalliga, 1440 keskmistatud tulemust). Kuna pikaajalistes andmeridades on lüngad vältimatud, mõõdetakse lisaks CO2 ja H2O voogudele mastis ka õhurõhku, -temperatuuri ja -niiskust ning sademeid, et siis hiljem andmelünki interpoleerida. Lisaks mõõdetakse ööpäev läbi päikesekiirgust: kogukiirgust, lühi- ja pikalainelist otse- ja maapinnalt peegelduvast kiirgust. Baldocchi, D., B. Hicks, and T. Meyers. 1988. Measuring biosphere-atmosphere exchanges of biologically related gases with micrometeorological methods. Ecology 69, 1331–1340 Verma, S.B.: 1990, Micrometeorological methods for measuring surface fluxes of mass and energy, Remote Sensing Reviews 5(1): 99–115 Burba, G., Anderson, D., 2010. A brief practical guide to Eddy Covariance flux measurements: principles and workflow examples for scientific and industrial applications. LI-COR Biosciences Baldocchi, D., Meyers, T., 1991. Trace gas exchange above the floor of a deciduous forest. Evaporation and CO2 efflux. Journal of Geophysical Research 96, 7271–7285. Massman, W., Lee, X., 2002. Eddy covariance flux corrections and uncertainties in long-term studies of carbon and energy exchanges. Agricultural and Forest Meteorology 113, 121–144. Papale, D., Reichstein, M., Aubinet, M., Canfora, E., Bernhofer, C., Kutsch, W., Longdoz, B., Rambal, S., Valentini, R., Vesala, T., Yakir, D., 2006. Towards a standardized processing of net ecosystem exchange measured with eddy covariance technique: algorithms and uncertainty estimation. Biogeosciences 3, 571–583. Berg, P., H. Røy, F. Janssen, V. Meyer, B. B. Jørgensen, M. Hüttel, and D. de Beer. 2003. Oxygen uptake by aquatic sediments measured with a novel non-invasive eddy correlation technique. Marine Ecology Progress Series. 261:75–83. "PROGRAMMI KESTA TEADUS- JA ARENDUSTÖÖ TOETUSE KASUTAMISE AASTAARUANNE", SA Eesti Teadusagentuur 2012