Eddy-kovarians-metoden

Eddy-kovarians-metoden (også kjent som eddy-korrelasjonsmetoden) er en teknikk for å måle og beregne loddrette, turbulente strømtettheter (flukser) i atmosfærens grenselag. Den er basert på kovariansen mellom vertikal vind og en bestemt skalar, for eksempel temperatur, vanndamp eller CO2, og krever svært frekvente målinger, som regel 20 Hz (20 målinger i sekundet). Det er en statistisk metode som brukes i meteorologi og andre fag (oseanografi, hydrologi, landbruksforskning, industri mm.) til å finne utvekslingen av energi og sporstoffer over økosystemer og jordbruksområder. Det er den eneste direkte metoden for å måle slike strømtettheter.

Teknikken er også mye brukt for å verifisere og stille inn globale klimamodeller, værmodeller,  biogeokjemiske og økologiske modeller og fjernmålinger fra satellitter og fly. Teknikken er matematisk komplisert og krever varsomhet under installering og databehandling. Til dags dato finnes det ingen fast terminologi eller enkel rådende linje for eddy-kovarians-metoden, men det pågår mye arbeid i forskningsmiljøer (f.eks., FluxNet, Ameriflux, ICOS, CarboEurope, Fluxnet Canada, OzFlux, NEON, og iLEAPS) for å forene de ulike tilnærmingene.

Teknikken har i tillegg vist seg nyttig under vann ned til den bentiske sonen, der man kan måle oksygenstrømmene mellom havbunnen og overliggende vann. I disse miljøene er teknikken vanligvis kjent som eddy-korrelasjonsteknikken, eller bare eddy-korrelasjon. Oksygenstrømmene er hentet fra rådata etter de samme prinsippene som brukes i atmosfæren, og de er vanligvis brukt som et mål på karbonutveksling, noe som er viktig for lokal og globale karbonbudsjetter. For de fleste økosystemer er eddykorrelasjon den mest nøyaktige teknikken for måling av in-situ-strømmer. Eddy-kovarians-teknikken er gjenstand for mye forskning, i luft som i vann.

Prinsipper

Hvordan gjengi luftstrømmene i atmosfærens grenselag?

Vi kan tenke oss luftstrømmene nær bakken som en rekke roterende virvler med ulik størrelse, som driver bortover. Middelvinden er helst horisontal, men virvlene sørger for at luft også kan fraktes oppover og nedover. Bildet ser kaotisk ut, men loddrett bevegelse kan måles fra tårnet.

Fysisk tolkning av eddy-kovarians-metoden 

Hadde atmosfæren vært helt vindstille, ville vi fremdeles hatt utveksling av varme, vanndamp, CO2 og andre sporstoffer mellom bakken og luften, gjennom molekulær diffusjon. Denne prosessen er imidlertid meget ineffektiv og kan trygt ignoreres. Så å si all blanding foregår gjennom turbulent diffusjon, som opprettholdes av virvler.

Virvlene utveksler luft med hverandre, og siden temperatur og sporgasskonsentrasjoner i atmosfæren varierer sterkt med høyden, er vi særlig interessert i vertikal utveksling. Dersom den vertikale vinden er positivt korrelert med temperatur over f.eks. en halvtime, vil den i snitt løfte opp relativt varm luft, og dra ned relativt kald luft i denne perioden. Den samlede effekten er at atmosfæren blir varmere, siden virvlene sender en strøm av følbar varme opp fra bakken. Dersom konsentrasjonen c2 i diagrammet under er mindre enn c1, og dette mønsteret gjentar seg over tid, har vi et netto utslipp av dette sporstoffet fra bakken til atmosfæren.

Matematisk grunnlag 
Matematisk sett beregner vi den turbulente strømtettheten som en kovarians mellom momentant avvik i vertikal vindhastighet (w') fra middelverdien (w-tverrligger) og momentant avvik i gasskonsentrasjon, gitt ved blandingsforhold (s'), fra sin gjennomsnittsverdi (s-tverrligger), ganget med gjennomsnittlig lufttetthet (ρa). Den matematiske fremgangsmåten innebærer Reynolds dekomponering og flere antakelser. Se s. 15-21 i første kilde.

Referanser 
Denne artikkelen er basert på den engelske Wikipedia-siden, men forfatteren har òg lagt til poenger fra andre kilder.

Metrologi
Aerodynamikk