Ugrás a tartalomhoz

Az agroökológia modellezéstechnikája

Huzsvai László (2005)

Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum

3. fejezet - A légköri tényezők szerepe a talaj-növény-levegő rendszerben

3. fejezet - A légköri tényezők szerepe a talaj-növény-levegő rendszerben

A meteorológiai folyamatok szerepe rendkívül nagy és fontos a talaj-növény-levegő rendszer produkciójának szabályozásában. A növényi biomasszát a szoláris energia transzformált energiájának tekinthetjük. A napenergia hozza létre azokat a gradienseket, melyek a rendszer anyagait mozgatják. A felszínre érkező napenergia tehát a felszín közeli levegő- és talajrétegek anyagmozgásainak a fenntartására fordítódik. Az ezzel kapcsolatos fogalmak rövid áttekintése szükséges, mert a meteorológiai összefüggések az agroökológiai modellek alkotó elemei. A modellek környezeti változóinak értéktartománya, a légköri tulajdonságok számértéke szükséges ahhoz, hogy az eredmények alakulásában játszott szerepük érthető legyen. Az élő növényi szervezetre a talajon keresztül ható légkör-fizikai törvényszerűségek megismerése is fontos, amelyek közül azonban a növény, illetve növényállomány növekedése, fejlődése és produkciója szempontjából a legfontosabbakat ismertetjük.

Sugárzás

Valamennyi légköri folyamat energiaforrása a Nap. A Napból kiinduló sugárzás döntő része elektromágneses, ami az elektromágneses mező rezgését jelenti. A rezgés fizikai jellemzői: a hullámhossz (nm), a hullámszám (1/b cm-1) és a frekvencia. Az elektromágneses fényelmélet szerint a fénykvantumok, vagy más néven fotonok különböző hullámhosszon terjednek. A fényterjedés nem igényel közvetítő anyagot; a terjedési sebesség pedig kb. 300.000 km/s. A részecskék, a fotonok eltérő hullámhosszúságú formában jutnak a Föld felszínére. A szoláris sugárzás spektruma 200-3000 nm szélességű. Az ultraibolya sugárzás sávszélessége 200-380 nm, a látható fényé 380-780 nm, az infravörös tartományé pedig 780-3000 nm. A különböző hullámhosszokon eltérő nagyságú energia továbbítása történik. Az ultraibolya és az infravörös tartományban az energiasűrűség értéke rendkívül csekély, a látható tartományban a sugárzás intenzitása ennek mintegy 5-8-szorosa.

A sugárzó energiát különböző egységekben adják meg. Az energiaösszeg MJ/m2idő-1, a sugárzásintenzitás Wm-2-ben, ahol 1 W m-2 = 1 J m-2s-1 (1cal = 4,1868J,  1J = 1 W s)

A sugárzó energia ciklikusan érkezik a Föld felszínére. A napsugárzás ciklikusságának a Föld tengelykörüli forgása, valamint a Föld Nap körüli ellipszis pályán történő keringése az oka. A besugárzás napi ciklusa az év folyamán változik, mert a Föld forgástengelye az ekliptika síkjával 23,5d-s szöget zár be. Az év során a nappalok tartama emiatt periódikusan változik. A legnagyobb napmagasság az északi féltekén a nyári napforduló idején van, amikor a Nap a Ráktérítő felett delel és a beesési szöge 90d. A téli félévben ugyanez a jelenség a Baktérítő fölött következik be. Tehát az egyenlítői öv sugárzás szempontjából alapvetően különbözik a sarkok irányában elhelyezkedő övezetektől. Az egyenlítői övben a sugárzás évenként kétperiódusú, vagyis az Egyenlítő felett évenként két alkalommal delel a Nap a napéjegyenlőség időpontjaiban, azaz március 21. és szeptember 22. (P1 nap eltérés lehetséges) között. A térítőkörtől poláris irányban a sarkok felé haladva a sugárzás egyperiódusúvá válik, mivel ezen a területen a Nap sugárzásának beesési szöge sohasem éri el a 90d-t. A maximális napmagasság a deklináció és a földrajzi szélesség (b) függvényében:

3.1. egyenlet - A deklináció

h max = 90 adeg; aminus; aphiv; aPlusMinus; adelta;

ahol: b : a földrajzi szélesség; Pb : a napi dátumnak megfelelő deklináció

3.1. ábra - A deklináció

A deklináció


A deklináció értelmezését grafikusan a 3. ábra mutatja be. A legnagyobb napmagasság Magyarországon (b = 47d), az év folyamán, 66,5d és 19,5d között váltakozik. Ebből következik, hogy a nappalok hossza különböző. Míg hazánkban a nap-éj egyenlőség idején a nappalok tartama - néhány perc pontossággal - 12 óra, a nyári napfordulón 15 óra 29 perc, a téli napfordulón (dec. 23.) pedig csupán 8 óra 18 perc.

3.2. egyenlet - A napi Napmagasság változa

sinh n = n sin p s sin d + cos p s cos d s cos o


ahol: b : földrajzi szélesség b  : deklináció (+23,5d - 23,5d) b : óraszög

3.3. egyenlet - Az óraszög az egyenlítői rendszerben a meridiántól az óramutató járásának irányában mért szögtávolság

sin p s sin d + cos p s cos d s cos o = 0


3.4. egyenlet - (4.)

cos o n = sin p s sin d cos p s cos d = m tg p s tg d


Mindezek alapján tehát bármely napra, vagy a nap bármely időpontjára meghatározható a Nap a Föld bármely vonatkozási pontjához viszonyított helyzete.

A sugárzás a Föld felszínére változó hosszúságú légkörön keresztül jut és energiája emiatt csökken. Az ideálisan tiszta légkör a napsugárzást átengedi. A légkör felső határára érkező sugárzás merőleges beesés esetén 8,13 J/cm2min, amely 1354 W/m2 intenzitásnak felel meg. Az ideálisan tiszta légkörbe belépő merőleges beesési szögű sugárzás a légkörön áthaladva energiájának 9%-t veszti el. A veszteséget a légkör természetes szennyezettsége okozza. A légkör szennyezettsége következtében a sugárzás részben visszaverődik, részben szóródik, csekély hányada pedig elnyelődik. A bekövetkező veszteséget kioltásnak vagy extinkciónak nevezik. A szennyezett légkör extinkciója az ideálisan tiszta légkörének mintegy háromszorosa. Hazánkban a légkör felső határára érkező energiamennyiség mintegy 25-30% közötti extinkciós veszteségével számolunk.

A Földfelszínre jutó sugárzás nagysága a napmagasság (h) szinuszával, illetve a zenittávolság (z) koszinuszával arányos (4. ábra). A napmagasság ismeretében a nap folyamán bármely irányból érkező sugárzás intenzitása becsülhető. Viszonylag jól becsülhető a légkörön keresztül a felszínre jutó energiaösszeg is.

3.2. ábra - A Földfelszínre jutó sugárzás

A Földfelszínre jutó sugárzás


3.3. ábra - A globálsugárzás napi változása Magyarországon derült égbolt esetén

A globálsugárzás napi változása Magyarországon derült égbolt esetén


A légkörbe belépő sugárzás a különböző szennyező anyagokon szóródik, a kezdetben egyenes vonal mentén haladó fotonok egy része zegzugos, azaz hosszabb úton jut le a Föld felszínére. A sugárzás kétkomponensűvé válik. Az egyenes úton a Föld felszínére jutó direkt sugárzás az egyik összetevő a másik pedig a zegzugos útvonalú ún. diffúz, vagy szórt sugárzás. A kettő együtt a globálsugárzást alkotja.

Magyarországra a globálsugárzás napi változását az 5. ábra mutatja be. Az ábrán közölt értékek hazánk területének észak-déli irányban vett földrajzi szélességbeli különbözőségét figyelembe véve írják le. A sugárzás ciklikus változása az évi menetben is jól tükröződik. A 6. ábra mutatja be a hazánkra jellemző sugárzás eloszlási valószínűségeit hónapokra lebontva. (A valószínűségi görbék a hónapok középső napjára vonatkoznak.) A sugárzási értékek elsősorban a Nagyalföldre érvényesek, mivel azok a Nagyalföld közepes energia-ellátottságú területeiről származnak. A globálsugárzás területi eloszlását a 7. ábra szemlélteti, melynek alsó térképén az évi összegek láthatók. A középső és a felső térkép a nyári félév, illetve a téli félév energia-eloszlását szemlélteti Magyarország területére 1951-1980. közötti időszak átlagában.

3.4. ábra - A hazánkra jellemző sugárzási eloszlás valószínűségei (%)

A hazánkra jellemző sugárzási eloszlás valószínűségei (%)


A felszínre érkező globálsugárzás egy része a felszín reflexiója miatt elvész. A visszavert sugárzás százalékos értéke az albedó. Az albedó változó értékű, így például a friss hófelszíné 80%, az idősebb hófelszíné 70%, a zárt zöld növényzeté a nyári félévben zöld árnyalatától függően 20-25% közötti. A csernozjom talaj albedója a talajalbedók között a legkisebb 10-15%. A nedves csernozjom talajé 10%, a száraz talajé pedig 15%. A homoktalajok albedója valamivel nagyobb, de még a humuszmentes, száraz homoké sem nagyobb 30%-nál. A globálsugárzásból az albedót levonva kapjuk az ún. rövidhullámú mérleget, vagyis a Föld felszíne által elnyelt energiamennyiséget.

Az elnyelt sugárzás azonban csak részben marad az elnyelő felületben, mert annak egy része a felületi hőmérséklettől függően az égbolt felé kisugárzódik. A kisugárzott energia egy részét a 10 nm körüli hullámhosszúságú hősugárzást a légkörben lévő vízgőz és széndioxid elnyeli, majd részben visszasugározza. A kisugárzott és a visszasugárzott energia különbsége az ún. effektív kisugárzás, amely a nyári félévben a globálsugárzás mintegy 20-30%-a. Amennyiben a globálsugárzásból levonjuk az albedó értékét, továbbá az effektív kisugárzás útján távozó értéket, maradékként a teljes sugárzási mérleget (Rn) kapjuk. A sugárzási mérleg hazánkban, a nyári hónapokban a globálsugárzás fele, a tavaszi és az őszi hónapokban pedig a globálsugárzás 35-40%-a.

A sugárzási mérleg területi eloszlását a 8. ábra mutatja be. Az ábra felső térképe a nyári félév, a középső és az alsó térképe a téli és az évi összegeket szemlélteti. A térképi információk a különböző modellezési feladatokhoz és becslésekhez jól hasznosíthatók.

A néhány megfigyelő pontra vonatkozó havi globálsugárzási érték, illetőleg sugárzási mérleg segíti a tájékozódást. A gyakorlati munkában szükség lehet a sugárzó energia nagyságára. A sugárzási adatok beszerzéses nem egyszerű és gyors, amikor is a különböző becslő eljárások alkalmazása jelentheti a megoldást. A sugárzásbecslésre ma már különböző formulák állnak rendelkezésre.

3.5. egyenlet - A sugárzás tartama és a besugárzott energiamennyiség közötti összefüggést Angström tömörítette tapasztalati formába

G = G 0 ( a + b s N s N 0 )


ahol: G : a felületegységre eső besugárzott energiamennyiség napi összege G0 : a globálsugárzás energiája felhőmentes feltételek esetén N0 : a csillagászatilag lehetséges napfénytartam (óra/nap) N : a tényleges napfénytartam, vagyis a direkt sgurázás tartama, ami elsősorban a felhőzet függvénye. N/N0 arány a relatív napfénytartam.

3.5. ábra - A globálsugárzás területi eloszlása

A globálsugárzás területi eloszlása


3.6. egyenlet - Az Angström-féle összefüggés hazánkra alkalmazható formulája. (Az állandók értéke az eltérő éghajlatú területeken különböző)

G = G 0 ( 0.18 + 0.55 s N s N 0 )


3.6. ábra - A sugárzási mérleg területi eloszlása

A sugárzási mérleg területi eloszlása


Az 1. táblázatban a hónapok középső napjára vonatkozó lehetséges napfénytartam (N0), valamint a derült égbolt esetén a felszínre lejutó globálsugárzás (G0) 47d N-re vonatkozó földrajzi szélességre számított napi összegét adjuk meg.

3.1. táblázat - A napi tényleges, lehetséges és a relatív napfénytartam hazai átlagértékei

HónapTényleges (N)Lehetséges (N0)Relatív
 K - Napfénytartam Napfénytartam
Január2,08,90,22
Február3,010,20,29
Március4,511,80,38
Április6,113,50,45
Május7,815,00,52
Június8,515,70,54
Július9,215,40,60
Augusztus8,514,20,60
Szeptember6,412,60,51
Október4,310,90,39
November2,39,30,25
December1,58,30,18

A számított globálsugárzás értékek jó tájékoztatást nyújtanak hazánkban a napfényes órák számának, és a relatív napfénytartam havonkénti értékének alakulásáról.

A napi globálsugárzás meghatározására McCullough dolgozott ki gyakorlati számítást. Minthogy a sugárzás ciklikusan változó értéke a térítőkör, valamint a sarkkör közötti területeken egyperiódusú formában nyilvánul meg, harmonikus analízis segítségével határozható meg a légkör felső határára érkező, ún. extraterresztrikus sugárzás összegének alapegyenlete:

3.7. egyenlet - Az extraterresztrikus sugárzás összegének alapegyenlete

G 0 = A n ( p ) + s A n p cosn o D + B n p sinn o D n J n cm m 2 n nap m 1


3.8. egyenlet - Az egyenlet sorba fejtése után az elsőrendű felharmonikus megtartásával a munkaegyenlet az alábbi formában írható fel.

G 0 = A n m A 1 cos ( 2 p 365 s n ) + A 2 cos ( 4 p 365 s n ) + B 1 sin ( 2 p 365 s n ) + B 2 sin ( 4 p 365 s n )


ahol: b = 47d (Magyarország esetén) An = 614,8 A1 = -368,9 A2 = 11,5 B1 = 63,3 B2 = 2,0 n = az év napjainak sorszáma (1-365) ω = a Föld Nap körüli átlagos keringési sebessége (rad/nap)

A1 és B1 az alapharmonikus, A2, B2 pedig az első felharmonikus együtthatói.

A feltételezett napállandó 1 370 W/m2. Az eljárás előnye, hogy a számításokhoz nincs szükség paraméterre, csupán a napok sorszámát és a földrajzi szélességet kell ismerni. Az év bármely napjára megállapítható, ezáltal a vonatkoztatási pont fölött a légkör felső határára érkező energiamennyiség.

3.9. egyenlet - A globálsugárzás közepes földrajzi szélességekre vonatkozó összefüggése

G = V 1 .163 s c s o G max 2 T J n m m 2 n nap m 1 G max = 4 .187 0 .32sin h max 5 .8 m 1 sinh T J n cm m 2 h max = 90 m p P d cos o = m tg p s tg d


ahol: b : a nappaltartam percekben c : a relatív napfénytartam V : légköri veszteségi tényező (aextinkció) a légköri úthossz hatásával Gmax : napi maximális globálsugárzás hmax : a delelési napmagasság

Az összefüggéssel a napi relatív napfénytartam, a tényleges globálsugárzás becsülhető anélkül, hogy az extraterresztrikus sugárzást meg kellene határozni. Az összefüggés állandói CGS-ben adottak. Az eredmény pedig átszámítható J/m2-re is.

Napsugárzás a növényállományokban

A természetes és a termesztett növényállományokba a napsugárzás az állomány struktúrájától függő mértékben hatol be, és egy része lejut a talaj felszínéig. A folyamat során a napsugárzás mennyiségileg és minőségileg is megváltozik.

A napsugárzás mennyiségi változását a növénytakaró energia elnyelése okozza. Az elnyelt energia a fotoszintézis energiaszükségletét fedezi, szabályozza a növény hőmérsékletét és vízforgalmát. Az elnyelt energia egy részét a növénytakaró a hullámhossz-transzformációval visszasugározza a levegőbe.

A növénytakaró által elnyelt energia a zöldtömeggel arányos. A növénytömeg jellemzésére a növénytermesztési gyakorlatban a legalkalmasabb mutató a levélfelületi index (LAI = leaf area index): az 1 m2 talajfelületre jutó levélfelület nagysága (m2). A levélfelületi index fajonként a fejlettségi állapottól, a termesztés módtól, az állománysűrűségtől, a tápanyag-ellátottságtól, a vízellátottságtól, stb. függ. A növényállományok levélzete a beeső sugárzás mintegy 80%-t nyeli el. Az infravörös tartományban az elnyelés 15 és 20% közötti. Az átbocsátás átlagos értéke 25%, a visszaverődés a látható tartományban 20-25%, míg az infravörös tartományban 40-45% körüli. Az elnyelési arányt b-val, az átbocsátási arányt a-val, a visszaverődési arányt r-rel jelölve kapjuk:

3.10. egyenlet - Az elnyelési arányt b-val, az átbocsátási arányt a-val, a visszaverődési arányt r-rel jelölve kapjuk

t + a + r = 1.0


Az arányszámok egymáshoz viszonyított értéke hullámhosszanként változik, spektrális eloszlásuk pedig növényállományra jellemző. A 9. ábra gabona állományra szemlélteti a teljes napszínképre vonatkozó jellegzetes arányokat.

3.7. ábra - Egy zöld levél átlagos átbocsátása, elnyelése és visszaverése a különböző hullámhosszokon (Monteith, 1973)

Egy zöld levél átlagos átbocsátása, elnyelése és visszaverése a különböző hullámhosszokon (Monteith, 1973)


A növényállomány elnyelő-képességét egyrészt a levelek átbocsátási együtthatója, másrészt az elnyelő növényi tömeg és a levélzet geometriai rendszere tág határok között határozza meg. Fontos, hogy az elnyelő-képességet a levél víz- és tápanyag-ellátottsága, valamint kora jelentősen befolyásolja.

3.11. egyenlet - A növényállományok sugárzáselnyelő-képességét a Beer-törvény írja le

I = I 0 s e m ax T ( W n m m 2 )


ahol: I0 : az elnyelő közegre eső sugárzási áramsűrűség I : áramsűrűség x út megtétele után

Az a univerzális együtthatóval az átlagos elnyelési érték becsülhető, amikor is az optikai sűrűség helyett az azzal arányos LAI érték alkalmazható:

3.12. egyenlet - Az a univerzális együtthatóval az átlagos elnyelési érték becsülhető, amikor is az optikai sűrűség helyett az azzal arányos LAI érték alkalmazható

I = I 0 s e m a' LAI T ( W n m m 2 )


ahol: a' : a látható sugárzásra vonatkozó kioltási együttható

Fűfélék a értéke 0,3-0,5 közötti, magas növésű és nagy levélfelületi indexű növényeké 0,7.

Ha b (elnyelés) értéke a visszaverődéshez és az átbocsátáshoz mérten jelentős, az alábbi összefüggést kell alkalmazni:

3.13. egyenlet - Ha b (elnyelés) értéke a visszaverődéshez és az átbocsátáshoz mérten jelentős, az alábbi összefüggést kell alkalmazni: (13.)

I = a I m t I 0 e m aLAI


ahol: b : az elnyelési együttható a : közelítő értéke 0,5

Az egyenlet segítségével a sugárzáscsökkenés rétegenként is meghatározható.

A növényállományok sugárzáskioltását, vagyis az árnyékoló hatás mértékét az állomány kora, fejlettsége, víz- és tápanyag-ellátottsága jelentősen befolyásolja. Az állományok felső leveleinek a kioltása az alsóbb levelekhez viszonyítva erőteljesebb, mert a felső levelekben a színtestek mennyisége mintegy 150-180%-al nagyobb, mint az árnyék levelekben.

A növényállományon áthaladó sugárzás minősége is erőteljesen változik. Ennek oka, hogy mind a visszaverődés, mind az elnyelés, mind pedig az áteresztés a hullámhossz függvénye. Általános a vörös és kék tartomány erőteljes abszorpciója és a zöld tartomány kiemelkedő reflexiója. Ebből következik, hogy a növényállomány a napenergiát az ún. fotoszintetikusan aktív sugárzást (PAR) kiszűrve engedi a talaj felszínére. Az irodalmi forrásmunkák a fotoszintetikus sugárzás fogalmát eltérően értelmezik. A fotoszintézis fenntartására a látható sugárzás kb. 90%-a fordítódik, ami azt jelenti, hogy a fotoszintetikus sugárzás (PAR) a globálsugárzás fele. Gyakorlati feladatokban ez az arány használható, a részletes elemzéshez azonban értékét pontosan meg kell határozni.

Amikor a növényállomány által elnyelt sugárzásról beszélünk, külön meg kell említeni a sugárzó energia hasznosulását. Ismert, hogy 1 gramm glükóz elégetésekor kb. 16 kJ energia szabadul fel. Ez az értéket alkalmaztuk az energia beépülési arányának kifejezésére is. Amennyiben ismerjük a területegységen képződött növényi szárazanyag tömeget, úgy megállapítható a sugárzó energia beépülési aránya, az ún. efficiencia. Az efficiencia azt fejezi ki, hogy a beeső sugárzás hány százaléka épült be. Ismerve a beeső energia nagyságát, valamint a szárazanyag elemi tömegének energia ekvivalenciáját, a hasznosulási arány e két érték hányadosából képezhető. A teljes szoláris színképre vonatkoztatott energiahasznosulás szántóföldi növényekre 1,5-2,5%. A látható sugárzásra vonatkozó arány pedig a teljes színképre vonatkozó érték kétszerese. Az energiahasznosulás jelentős mértékben fokozható, a növényfajtól, a tápanyag-ellátottságtól és az állománysűrűségtől függően elérheti a 6-8%-ot is. Az energiahasznosulásban a nitrogénellátottság fontos szerepet játszik, mert a nitrogénbőség a növények fotoszintetikus kapacitását növeli.