Turbulence-driven pressure-pumping - from above the canopy into the soil
Projektverantwortliche
Projektbeschreibung:
Gasaustausch findet in der Atmosphäre primär durch turbulenten und laminaren Fluss statt. Im Boden dagegen spielt advektiver Transport eine untergeordnete Rolle; Diffusion ist hier der dominierende Prozess. Trotz der Unterschiedlichkeit und scheinbaren Unabhängigkeit dieser Prozesse wurden Anstiege der Gastransportraten im Boden um mehrere 10 % während Phasen starken Windes bei Feldstudien beobachtet (Maier et al., 2010). Dieser Effekt ist auf wind-induzierte Druckfluktuationen zurückzuführen, die sich in das luftgefüllte Porensystem des Bodens fortpflanzen, und zu minimal oszillierendem Luftmassenfluss führen (Maier et al., 2012). Durch den oszillierenden Charakter des Luftmassenfluss ist der direkte Beitrag zum Gastransport sehr gering. Die damit einhergehende Dispersion jedoch führt zu einem Anstieg der effektiven Transportrate entgegen des Konzentrationsgradienten. Der „Pressure-Pumping“ (PP) -Effekt kann bei Nichtberücksichtigung zu Unsicherheiten und Fehlern bei der Bestimmung von Gasflüssen mit der Gradientenmethode und Kammermethoden führen. Für langfristiges Monitoring von treibhausrelevanten Gasflüssen stellt diese Unsicherheit ein Problem dar, da auch Perioden mit starkem Wind erfasst werden müssen.
Wir stellen die Hypothese auf, dass der PP-Effekt in gut-belüfteten Böden stärker ausgeprägt ist. Wir wollen diese Hypothese in Feldstudien an 4 verschiedenen Standorten (2 x Wald, Weide, Maisfeld) und Wiederholung bei unterschiedlicher Bodenfeuchte überprüfen. Dazu werden wir ein Tracergas kontinuierlich in den Boden einspeisen, um so die effektive Transportrate bestimmen zu können. Der PP-Effekt soll zudem an Bodenproben im Labor unter standardisierten Bedingungen untersucht werden (siehe Abb.1).
Ein weiteres Ziel ist es, die Rolle der Struktur des Pflanzenbestandes für die räumliche Variabilität der Druckfluktuationen zu untersuchen. Dazu werden wir die Windbewegung in und über dem Pflanzenbestand, sowie die hochfrequente Druckfluktuation an der Bodenoberfläche und im Boden erfassen. Dies wird es ermöglichen, die Luftbewegung, die Druckfluktuationen und deren Fortpflanzung in den Boden zu detektieren. So kann die beobachtete „Beschleunigung“ der Transportrate direkt mit den Druckfluktuationen in Beziehung zu gesetzt werden.
Die natürlichen Druckfluktuationen werden bei Kammermessungen durch die Kammer zum Teil ausgeschlossen oder geschwächt. Daher stellen wir die Hypothese auf, dass der Ausschluss der Druckfluktuationen zu einer Unterschätzung des ungestörten Oberflächeneffluxes durch Kammermessungen führt. Wir haben das Ziel, Korrekturfaktoren für Kammermessung entwickeln, um so den methodischen Messfehler zu kompensieren
Ein besseres Prozessverständnis für diesen nur unzureichend untersuchten Effekt würde helfen, die Verlässlichkeit und Präzision von Messungen von Bodengasflüssen zu steigern, die die Grundlage für weitergehende Forschung darstellen.
MAIER, M., SCHACK-KIRCHNER, H., AUBINET, M., GOFFIN, S., LONGDOZ, B., PARENT, F. (2012): Turbulence Effect on Gas Transport in Three Contrasting Forest Soils. Soil Science Society of America Journal, 76 (5), 1518-1528.
MAIER, M., SCHACK-KIRCHNER, H., HILDEBRAND, E.E., HOLST, J. (2010): Pore-space CO2 dynamics in a deep, well-aerated soil. European Journal of Soil Science 61, 877-887.
Project description:
Gas transport in the atmosphere is dominated by turbulent exchange and laminar flow of air. In the soil, in contrast, such mass-flow of air is negligible; soil gas transport is governed by molecular diffusion. At first glance, the transport processes in the atmosphere and in the soil appear not to be linked with each other. However, it was observed in field studies that gas transport rates can increase by several 10% during periods of strong wind (Maier et al., 2010). This effect is due to turbulence-induced pressure-pumping, that propagates into the air-filled soil-pores. The pressure fluctuations cause a minimally oscillating air flow in the pores (Maier et al., 2012). The direct contribution of the air flow to the overall gas exchange is negligible due to the alternating direction of the flow. Yet, the movement of air is accompanied by dispersion, that leads to an enhanced transport against the underlying concentration gradient – appearing as an enhancement of diffusion. Neglecting this pressure-pumping effect can result in large errors when the gradient method or chambers are used to estimate gas fluxes from or within the soil. This uncertainty represents a problem especially for long term monitoring studies where also highly turbulent periods have to be covered.
We hypothesize that the pressure-pumping effect is more important if a soil is well-aerated. To test this we will conduct field experiments at 2 forest sites and 2 agricultural sites (site-effect) and during different seasons (effect of soil water content). We will feed tracer gas into the soil to monitor the resulting effective gas transport rate. The PP-effect will be also investigated in laboratory experiments on soil samples under controlled conditions (see Fig. 1).
Another objective is to assess the spatial variability of the pressure fluctuations at the soil surface and to investigate its dependence on the canopy structure. Turbulence will be monitored above and within the canopy, as well as the high-frequency pressure-fluctuations at the soil surface and in the soil. This will allow us to follow the transformation of turbulence to pressure fluctuation and to detect their propagation into the soil. Thus, we will be able to relate directly the observed transport enhancement of the tracer gas with pressure fluctuations and the oscillation of the soil air column.
When a chamber is used to determine the soil gas efflux, the natural pressure fluctuations are excluded or attenuated by the closed chamber. Therefore we hypothesize that the exclusion of the pressure fluctuations leads to an underestimation of the undisturbed efflux using chamber measurements. Our objective is to derive correction factors for chamber measurements in order to compensate the (possible) methodological bias.
A deeper insight into these processes will help to increase the reliability and precision of measurements of soil gas fluxes, which represent the methodological base for a large field of ecological research.
MAIER, M., SCHACK-KIRCHNER, H., AUBINET, M., GOFFIN, S., LONGDOZ, B., PARENT, F. (2012): Turbulence Effect on Gas Transport in Three Contrasting Forest Soils. Soil Science Society of America Journal, 76 (5), 1518-1528.
MAIER, M., SCHACK-KIRCHNER, H., HILDEBRAND, E.E., HOLST, J. (2010): Pore-space CO2 dynamics in a deep, well-aerated soil. European Journal of Soil Science 61, 877-887.