Laemmel, Thomas

Lang, Friederike

Maier, Martin

Mohr, Manuel

Schack-Kirchner, Helmer

Schindler, Dirk

German

DBGPrints Repository

Tagungsbeitrag zu: Jahrestagung der DBG, Kommission I Titel der Tagung: Horizonte des  Bodens Veranstalter:  DBG Termin und Ort:  2.-7.9.2017, Göttingen Berichte der DBG:    http://www.dbges.de   Direkter Nachweis des Einflusses von wind-induzierten Druckfluktuationen auf den Gastransport im Boden  Thomas Laemmel1*, Martin Maier1, Manuel Mohr2, Helmer Schack-Kirchner1, Dirk Schindler2, Friederike Lang1  1Professur für Bodenökologie, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 79085 Freiburg im Breisgau 2Professur für Umweltmeteorologie, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 79085 Freiburg im Breisgau  * thomas.laemmel@bodenkunde.uni-freiburg.de  1. Einleitung  Gasaustausch an der Grenzfläche zwi-schen Boden und Atmosphäre ist von zentraler Bedeutung für eine Reihe von Bodeneigenschaften (u. a. Sauerstoff-verfügbarkeit, Redoxpotential, Treib-hausgasumsatz). Er wird gewöhnlich als reiner Diffusionsprozess beschrie-ben. Dazu wird oft der Gasdiffusions-koeffizient des Bodens (DS) berechnet, welcher mithilfe des Fick’schen Geset-zes die Berechnung des diffusiven Gas-flusses basierend auf dem Gaskonzent-rationsgradienten erlaubt. Im Rahmen von Freilanduntersuchungen zum Gasaustausch wurden aber auch Hin-weise auf weitere Transportprozesse gefunden. So wird angenommen, dass durch wind-induzierte Luftdruckfluktua-tionen ein sogenannter „pressure-pumping“ Effekt (PPE) die Gastrans-portrate im Boden deutlich erhöhen kann. Dieser nicht-diffusive intermittie-rende Prozess lässt sich bisher im Frei-land nur schwer quantifizieren.  Um den Beitrag von nicht-diffusiven Transportprozessen zu quantifizieren, und sie mit der reinen molekularen Dif-fusion vergleichen zu können, wird oft ein effektiver resultierender Gasdiffusi-onskoeffizient des Bodens (Deff) defi-niert. Erfolgt der Bodengastransport ausschließlich durch molekulare Diffu-sion, so gilt: Deff = DS. Spielen nicht-diffusive Transportprozesse eine signi-fikante Rolle, so ist Deff > DS und im Fall des PPE: Deff = DS + DPPE, mit DPPE > 0 als Anteil, der sich nicht durch reine molekulare Diffusion erklären lässt.  Ziel unserer Arbeit war, den Einfluss des „pressure-pumping“ Effektes (PPE) auf den Gastransport in situ nachzu-wiesen und zu quantifizieren. Zusätzlich sollten die verantwortlichen wind-induzierten Luftdruckfluktuationen cha-rakterisiert werden.  2. Material und Methoden  Methode zum Monitoring des Bo-dengastransports  Die Methode basiert auf der Erfassung und Überwachung von Konzentrationen eines Tracer-Gases, welches kontinu-ierlich mit einer konstanten Rate in ei-ner gewissen Bodentiefe eingespeist wird (Abb. 1, Laemmel et al., 2017). Aufgrund der hohen Diffusionsge-schwindigkeit (D0 in Luft 0.604 cm²/s) wurde Helium (He) als Tracer-Gas aus-gewählt. Die He-Einspeisung sowie die räumliche und zeitliche Messung von He-Konzentrationen erfolgten durch ein innovatives Gasprobenahmesystem. Das System besteht aus Sampler mit sieben Accurel© Membranen, die gas-durchlässig und wasserundurchlässig sind, und die zur Einspeisung oder Gasprobennahme verwendet werden können. Die Messstellen/-tiefen sind durch aufblasbare Abschnitte getrennt, die durch weiche Silikonzylinder ge-schützt werden.    Abbildung 1: Aufbau des Gassamplers der zum Monitoring des Bodengas-transports verwendet wird (Laemmel et al., 2017).  Bodengasproben können in verschie-denen Messtiefen durch einen Zugang angesaugt und durch eine weitere Zu-leitung zurück in die Accurel-Membrane gespeist werden, so dass die Proben-nahme druckneutral erfolgt. Die ver-schiedenen Messpositionen können durch ein totvolumenarmes Ventil (VI-CI® AG International, Schenkon, Schweiz) angesteuert werden. Die Be-stimmung der He-Konzentration erfolgt mit einem Micro GC (3000 Micro GC Gas Analyzer, Trägergas: Argon, Säu-le: Molsieve, Inficon GmbH, Köln, Deutschland).  Zur Installation des Gassamplers wird ein kreisrundes Loch im Boden mit ei-nem Murach-Bohrer vorgebohrt (Abb. 2), der einen etwas größeren Durch-messer als der Gassampler aufweist. Nach vorsichtiger Installation werden die silikongeschützen Trennelemente des Gassamplers aufgeblasen, um Luftaustausch (bypass) zwischen den Messtiefen entlang des Bohrlochs zu verhindern.     Abbildung 2: Installation des Gaspro-benahmesystem im Feld. (a) der Bo-denkern gewonnen mit dem Murach-Bohrer); (b) Installation des Gassamplers in das Bohrloch.  Durch die kontinuierliche Einspeisung von Helium in den Boden ( in vernach-lässigbar kleiner Menge), und unter der Annahme, dass der Bodengastransport ausschließlich durch molekulare Diffu-sion erfolgt, ergibt sich nach einer ge-wissen Zeit ein diffusives Steady-State He-Konzentrationsprofil entlang des Gassamplers. Aus den gemessenen He-Konzentrationen lässt sich Deff ab-leiten. Treten externe Effekte auf (Re-gen, Wind) wird der diffusive Steady-State der He-Konzentrationen im Bo-den gestört.  Gastransportmodellierung  Die Verteilung von He im Boden wurde mittels Finite-Elemente Modellierung (FEM) simuliert (Software COMSOL Multiphysics). Dafür wurde die Geomet-rie des Gassamplers in seiner Umge-bung im FEM-Modell abgebildet. Fünf b a Bodenschichten mit jeweils einem un-abhängigen Deff wurden entlang des Gassamplers definiert. Der obere Teil des FEM-Modells wurde mit einer Luft-schicht begrenzt, an dessen oberen Grenze die He-Konzentration 5 ppm beträgt. Der untere Teil des Modells wurde mit einer Bodenschicht begrenzt, in welcher der Deff aus Bodenfeuchte-daten mit einem Transfermodell abge-leitet wurde.  Unter Angabe der Einspeisungsrate sowie der Einspeisungsposition wurde mittels eines Parameter-Sweep-Verfahrens für alle möglichen Deff-Kombinationen die theoretische He-Konzentration an den Messstellen des Gassamplers vorwärts modelliert. Da-nach wurden die gemessenen He-Konzentrationen mit theoretischen He-Konzentrationen verglichen und deren Übereinstimmung evaluiert. Daraus ließ sich das Deff-Tiefenprofil zu jedem Zeit-punkt bestimmen.  Standort  Die Methode zum Monitoring des Bo-dengastransports wurde während einer dreimonatigen Messkampagne auf der Versuchsfläche der Professur für Um-weltmeteorologie der Universität Frei-burg in Hartheim (SW Deutschland) angewendet. Dieser Standort ist über-wiegend mit Waldkiefer (Pinus sylvest-ris L.) bestockt (mittlere Bestandhöhe  18 m). Da es sich um eine Fläche in der ehemaligen Rheinaue handelt, ist dort überwiegend Sand und Kies als Aus-gangsmaterial zu finden. Der Boden ist gut belüftet und kann nach WRB als haplic Regosol klassifiziert werden.  Wind- und Luftdruck-Messung  Auf der Fläche ist ein 30 m hoher Mes-sturm vorhanden, an dem der 3D Windvektor und der Luftdruck in fünf Höhen (2 m, 9 m, 18 m, 21 m und 30 m) über und unter der Kronenschicht gemessen werden. Zusätzlich wurde der Luftdruck an der Bodenoberfläche gemessen.  Die Messung der 3D Windvektoren er-folgte durch Ultraschallanemometer (81000VRE, R.M. Young Company, Traverse City, USA). Der Luftdruck wurde mit einem hochsensiblen diffe-rentiellen Drucksensor (GMSD 2.5 MR, Greisinger Electronic GmbH, Re-genstauf, Deutschland) gemessen (Mohr et al., 2016).  Auswertung der meteorologischen Daten  Die Windvektor- und Luftdruckdaten wurden in 30 min Intervallen analysiert. Die Luftdruckdaten wurden bandpass-gefiltert, so dass nur Luftdruckperioden zwischen 10-100 s berücksichtigt wur-den, da diese Perioden als wind-induziert gelten (Mohr et al., 2016). Die Hauptperioden und -amplituden der Luftdruckfluktuationen wurden mit einer Wavelet-Transformation berechnet. Zusätzlich wurde der „pressure pum-ping coefficient“ (PPC in Pa/s) berech-net, welcher die mittlere absolute Stei-gung des gefilterten Luftdrucksignals entspricht und ein Maß für die „Pumpin-tensität“ der Druckfluktuationen ist (Mohr et al., 2016).  3. Ergebnisse und Diskussion  Exemplarisch werden hier die Ergeb-nisse einer Periode von drei Tagen (8.-10. Juli 2016) präsentiert (Abb. 3). Während der Perioden mit hohen Windgeschwindigkeiten über der Kro-nenschicht und hohen PPC-Werten (A und B, Abb. 3a,b), war eine temporäre Abnahme der He-Konzentrationen im Oberboden sichtbar (Abb. 3c,d).  Zwi-schen 0 und -5 cm Tiefe wies Deff zeit-gleich eine temporäre Erhöhung auf (Abb. 3e). Wir führen diese Beobach-tung auf den nicht-diffusiven PPE zu-rück, der temporär den Gastransport im Boden beschleunigt.  Um diese Beobachtung weiter zu cha-rakterisieren, wurde für die Perioden A und B der Deff-Anteil berechnet, der nicht durch reine molekulare Diffusion zu erklären ist. Dafür wurde ein theore-tisch rein molekularer Diffusionskoeffi-zient (DSth) durch Interpolation der Deff-Werte der windarmen Episoden vor (Aref1 und Bref1) und nach (Aref2, Bref2) A und B berechnet. Während dieser windarmen Episoden galt: Deff = DS, was bedeutet, dass der Gastransport im Boden überwiegend durch molekula-re Diffusion erfolgt. Die Differenz zwi-schen Deff und DSth während A und B wurde als DPPE definiert: Deff = DSth + DPPE. Der DPPE/DSth Wert im Oberboden (0 cm bis -5 cm) erreichte während A 34 % und während B 23 %.    Abbildung 3: (a) Hochfrequente Wind-geschwindigkeiten in 30 m (blau) und in 2 m (orange) Höhe. (b) Gefilterte hoch-frequente Luftdruckfluktuationen (blau) und entsprechende PPC-Werte pro 30 min (orange). (c) und (d): Helium-Konzentrationen in -0.5 cm und -5.5 cm Bodentiefe (blau: Messwerte, orange: Spline-Interpolation). (e): Optimierter effektive Gasdiffusionskoeffizient des Bodens zwischen 0 cm und -5 cm. Die Periode Aref1, A, Aref2, Bref1, B und Bref2 wurden für die Berechnung der Erhö-hung des Bodengastransports durch PPE verwendet.  Die frequenzbasierte Analyse der Druckdaten zeigte, dass die für den PPE verantwortlichen wind-induzierten Luftdruckfluktuationen Perioden zwi-schen 10 s und 30 s und Amplituden zwischen 2 Pa und 10 Pa aufweisen. Mit zunehmendem PPC nehmen die mittleren Druckperioden ab und die mittleren Druckamplituden zu (Mohr et al., 2016).    Abb. 4: Abhängigkeit der PPC von der mittleren Windgeschwindigkeit (a) über  und (b) unter der Kronenschicht.  Zwischen der Windgeschwindigkeit über der Kronenschicht und dem PPC konnte eine enge Korrelation festge-stellt werden (Abb. 4a). Mit den mittle-ren Windgeschwindigkeiten unter der Kronenschicht ist hingegen keine Kor-relation sichtbar (Abb. 4b).   Mohr et al. (2017) konnten zeigen, dass die Ausbreitungsrichtung der an der Bodenoberfläche gemessenen Luft-druckfluktuationen mit der Windrichtung über der Kronenschicht übereinstimmt. Außerdem korreliert die Propagations-geschwindigkeit der Luftdruckfluktuati-onen an der Bodenoberfläche sehr eng mit der mittleren horizontalen Windge-schwindigkeit in 30 m Höhe.  Schlussfolgerungen  Erstmalig konnte direkt der Einfluss von wind-induzierten Druckfluktuationen auf den Gastransport im Boden messtech-nisch in situ erfasst und seine Bedeu-tung als nicht-diffusiver Gastransport-prozess bestätigt werden. Die boden-nahen Luftdruckfluktuationen scheinen mit atmosphärischen Phänomenen über der Krone gekoppelt zu sein und nicht mit bodennahen Luftbewegungen. Wie diese Luftdruckfluktuationen über der Krone generiert werden, bleibt ebenso eine offene Frage wie ihr Ein-fluss auf die weit verbreiteten Kam-mermessungen zur Bestimmung von Bodengasflüssen.  Literatur  Laemmel, T.; Maier, M.; Schack-Kirchner, H.; Lang, F. (2017): An in situ method for real-time measurement of gas transport in soil. European Journal of Soil Science, 68 (2), 156-166. DOI: 10.1111/ejss.12412.  Laemmel, T.; Mohr, M.; Schack-Kirchner, H.; Schindler, D.; Maier, M. (2017b): Direct observation of wind-induced pressure-pumping on gas transport in soil. Soil Science Society of America Journal, 81 (4), 770-774. DOI: 10.2136/sssaj2017.01.0034n  Mohr, M.; Laemmel, T.; Maier, M.; Schindler, D. (2016): Analysis of air pressure fluctuations and topsoil gas concentrations within a Scots Pine Forest. Atmosphere, 7 (10), 125. DOI: 10.3390/atmos7100125.  Mohr, M.; Laemmel, T.; Maier, M.; Schindler, D. (2017): Spatial variability of wind-induced air pressure fluctuations responsible for pressure pumping. Tellus B, 69 (1), 1361757. DOI: 10.1080/16000889.2017.1361757 

Direkter Nachweis des Einflusses von wind-induzierten Druckfluktuationen auf den Gastransport im Boden

http://eprints.dbges.de/1255/1/Laemmel_et_al_2017_DBG_G%C3%B6ttingen.pdf

Direkter Nachweis des Einflusses von wind-induzierten Druckfluktuationen auf den Gastransport im Boden

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

DBGPrints Repository