Άσκηση 3: Εξατμισοδιαπνοή Ο υδρολογικός κύκλος ξεκινά με την προσφορά νερού από την ατμόσφαιρα στην επιφάνεια της γης υπό τη μορφή υδρομετεώρων που καταλήγουν μέσω της επιφανειακής απορροής και της κίνησης των υπόγειων νερών στους ποταμούς, στις λίμνες και στις θάλασσες. Ο κύκλος κλείνει με την επιστροφή του νερού στην ατμόσφαιρα μέσω της εξάτμισης και της εξατμισοδιαπνοής. Κατά συνέπεια, η εξάτμιση του νερού από ελεύθερες υδάτινες επιφάνειες ή από γυμνό έδαφος και η εξατμισοδιαπνοή από φυτοκαλλυμένες εδαφικές επιφάνειες αποτελούν σημαντικές συνιστώσες του υδρολογικού κύκλου, όμως ταυτόχρονα είναι και οι λιγότερο κατανοητές, ενώ η εκτίμησή τους παρουσιάζει ιδιαίτερες δυσκολίες. Εξάτμιση Η εξάτμιση είναι η μετάβαση των μορίων ενός σώματος από την υγρή στην αέρια φάση. Η εξάτμιση του νερού στην ατμόσφαιρα γίνεται από τις υδάτινες μάζες, το έδαφος και τις υγρές καλλιέργειες και μετριέται σε μάζα νερού ανά μονάδα επιφάνειας ή ως ισοδύναμο ύψος νερού σε mm. Στο γήινο σύστημα, η εξάτμιση αποτελεί το συνδετικό κρίκο μεταξύ του υδατικού και του ενεργειακού ισοζυγίου. Το μεγαλύτερο ποσοστό της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας S απορροφάται από την επιφάνεια της γης, αυξάνοντας την εσωτερική της ενέργεια, η οποία μεταδίδεται στην ατμόσφαιρα μέσω της εκπομπής μεγάλου μήκους γήινης ακτινοβολίας L, της αισθητής και λανθάνουσας θερμότητας και της μεταφοράς. Καθώς η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού (δηλ. το ποσό της θερμότητας που πρέπει να απορροφηθεί για να περάσει το νερό από τη υγρή στην αέρια φάση) είναι μεγάλη, η εξάτμιση συνεπάγεται τη μεταφορά και ανακατανομή μεγάλων ποσών ενέργειας διαδραματίζοντας σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του καιρού και του κλίματος. Η εξάτμιση εξαρτάται κυρίως από μετεωρολογικούς παράγοντες: την ηλιακή ακτινοβολία (και άρα το γεωγραφικό πλάτος, την εποχή του έτους, το υψόμετρο, την ώρα της ημέρας και τη νέφωση), τη θερμοκρασία, την πίεση των υδρατμών, την ταχύτητα του ανέμου και τη φύση της επιφάνειας εξάτμισης. Για τους λόγους αυτούς, η εξάτμιση είναι μεγαλύτερη την ημέρα από τη νύχτα, τη θερινή από τη χειμερινή περίοδο και σε περιοχές με ισχυρούς ανέμους. Εκτός από τους μετεωρολογικούς παράγοντες εξαρτάται, στις υδάτινες επιφάνειες, από τη σύσταση του νερού, το βάθος της υδάτινης συλλογής και την έκταση των υδάτινων επιφανειών και στις εδαφικές επιφάνειες, από την περιεκτικότητα του εδάφους σε υγρασία, τα τριχοειδή χαρακτηριστικά του εδάφους, το βάθος του υδροφόρου ορίζοντα, το χρώμα του εδάφους και την
παρουσία βλάστησης. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες βρίσκονται σε αλληλοεξάρτηση και η επίδραση καθενός από αυτούς δεν μπορεί να εκτιμηθεί με ακρίβεια. Εξατμισοδιαπνοή Η διαπνοή είναι η διαδικασία που χρησιμοποιούν τα φυτά για την ανάπτυξή τους. Απορροφούν το εδαφικό νερό με το ριζικό τους σύστημα και το μεταβιβάζουν στην ατμόσφαιρα υπό μορφή υδρατμών δια των στομάτων που έχουν στο φύλλωμά τους. Η διαπνοή επηρεάζεται από φυσιολογικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες. Η εξατμισοδιαπνοή είναι μία παράμετρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη συνολική διεργασία μεταφοράς υγρασίας στην ατμόσφαιρα (εξάτμιση από τις διάφορες επιφάνειες και διαπνοή από τη βλάστηση) και χαρακτηρίζεται ως Πραγματική Εξατμισοδιαπνοή (ΑΕ). Σε αντιδιαστολή, η Δυνητική Εξατμισοδιαπνοή (ΡΕ) ορίζεται ως η εξάτμιση σε μία εκτεταμένη επιφάνεια μικρού ύψους πράσινης βλάστησης, που σκιάζει απόλυτα το έδαφος, ενιαίου ύψους και με πλήρη επάρκεια νερού (Penman 1956), δηλαδή η ΡΕ παριστάνει το μέγιστο της δυνατής απώλειας νερού από μία φυτοκαλυμμένη περιοχή. Η ΡΕ ουσιαστικά ελέγχεται από μετεωρολογικούς παράγοντες σε αντίθεση με την ΑΕ που ελέγχεται και επηρεάζεται σημαντικά από παράγοντες σχετικούς με τα φυτά και το έδαφος. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι εκτίμησης της εξατμισοδιαπνοής, είτε μεγάλης ακρίβειας, είτε προσεγγιστικές. Η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται κυρίως από την υπό μελέτη επιφάνεια και από το σκοπό της μελέτης. Υπολογισμός Δυνητικής Εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο Penman-Monteith Η μέθοδος Penman είναι μία μέθοδος για την εκτίμηση της εξάτμισης που λαμβάνει υπόψη το ισοζύγιο ενέργειας και τη μεταφορά μάζας. Τα μετεωρολογικά στοιχεία που χρησιμοποιεί είναι η θερμοκρασία θ σε C (ή Τ σε Κ), η σχετική υγρασία RH (%), η σχετική ηλιοφάνεια n/n (ο λόγος της πραγματικής ηλιοφάνειας n προς την αστρονομική διάρκεια της ημέρας Ν) και η ταχύτητα ανέμου u στα 2m σε m/s. Η μέθοδος Penman προϋποθέτει ότι οι υδρατμοί στο όριο της υδάτινης επιφάνειας είναι κορεσμένοι, συνεπώς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στην περίπτωση της διαπνοής από φυτικές επιφάνειες. Για το λόγο αυτό, ο Monteith εισήγαγε την επιφανειακή αντίσταση των φυλλωμάτων στην εξάτμιση. Έτσι, προέκυψε η μέθοδος Penman-Monteith, η οποία είναι κατάλληλη για την εκτίμηση της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής από εδαφικές επιφάνειες και δίνεται από την εξίσωση: Ε = + γ R n λ + γ Δ + γ F(u)D
όπου: γ = (1 + 0,33u)γ είναι η τροποποιημένη έκφραση του ψυχομετρικού συντελεστή γ σε hpa/ C. Η τυπική τιμή του ψυχρομετρικού συντελεστή γ είναι γ = 0.67 hpa/ C F(u) = 90 θ+273 u Δ = 4098 e s (237.3+θ) 2 είναι η τροποποιημένη μορφή της συνάρτησης ανέμου σε kg/(hpa m2 day) είναι κλίση της καμπύλης κορεσμού των υδρατμών σε hpa/κ όπου o e s = 6.11 exp ( 17.27θ 237.3+θ ) είναι η τάση κορεσμένων υδρατμών σε hpa λ = 2501 2.361 θ είναι η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης D = e s e = e s RH e s είναι το έλλειμα κορεσμού των υδρατμών D (η διαφορά της μερικής πίεσης των υδρατμών από την πίεση κορεσμού των υδρατμών) R n = S n L n είναι η ολική καθαρή ενέργεια ακτινοβολίας, όπου: o S n = (1 a)f s S 0 έδαφος, όπου είναι η μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία που εισέρχεται στο α είναι ο συντελεστής ανάκλασης της εδαφικής επιφάνειας ή λευκαύγεια (ενδεικτικές τιμές της λευκαύγειας δίνονται στον Πίνακα 1) f s = a s + b s n N είναι o αδιάστατος συντελεστής απορρόφησης από την ατμόσφαιρα με τυπικές τιμές των παραμέτρων a s = 0.25, b s = 0.50 S 0 είναι η ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος που φτάνει στο όριο της ατμόσφαιρας και είναι συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους και της εποχής του έτους (οι τιμές της δίνονται στον Πίνακα 2) o L n = ε n f L σt 4 = ε n f L σ(θ + 273) 4 είναι η καθαρή μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία όπου σ η σταθερά Stefan-Boltzman: σ = 4.9 10 6 kj/(m 2 K 4 day) ε n = a e b e e είναι αδιάσταστος συντελεστής με e = RH e s την μερική τάση των υδρατμών στη θερμοκρασία θ και τιμές των σταθερών κατά Penman a e = 0.56, b e = 0.09 f L = a L + b L n N είναι ο συντελεστής επίδρασης της νέφωσης με τιμές των σταθερών κατά Penman a L = 0.1, b L = 0.9 n είναι η πραγματικές ώρες ηλιοφάνειας και Ν είναι δυνατές ώρες ηλιοφάνειας, οι οποίες δίνονται από τον Πίνακα 3
Πίνακας 1: Τυπικές τιμές της λευκαύγειας (albedo) Επιφάνεια Τιμή λευκαύγειας Νερό / Τυπική τιμή 0.04 0.10 / 0.08 Έδαφος 0.10 0.25 Έρημος 0.20 0.35 Δάσος κωνοφόρων 0.11 0.16 Δενδρώδεις καλλιέργειες 0.15 0.20 Λοιπές καλλιέργειες / Τυπική τιμή για Ελλάδα 0.20 0.26 / 0.25 Παλιό χιόνι 0.35 0.65 Φρέσκο χιόνι 0.80 0.90 Πίνακας 2: Μέσες μηνιαίες τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο όριο της ατμόσφαιρας S 0 σε [kj/m 2 day] για γεωγραφικά πλάτη φ 36-46 στο Βόρειο Ημισφαίριο Πίνακας 3: Μέσες μηνιαίες τιμές της αστρονομικής διάρκειας της ημέρας Ν σε ώρες για γεωγραφικά πλάτη φ 36-46 στο Βόρειο Ημισφαίριο
Άσκηση Στο αρχείο excel (Άσκηση_3.xlsx) που συνοδεύει την άσκηση, δίνονται τα απαραίτητα μετεωρολογικά δεδομένα σε μηνιαίες τιμές για ένα υδρολογικό έτος για τον υπολογισμό της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής με τη μέθοδο Penman-Monteith. Να θεωρήσετε ότι η εξεταζόμενη επιφάνεια βρίσκεται σε: α) περιοχή γεωγραφικού πλάτους φ 36 και i) είναι γυμνό έδαφος (λευκαύγεια α 0.10), ii) καλύπτεται από καλλιέργειες (α 0.25), iii) είναι σε αστικό περιβάλλον με ψυχρά υλικά (α 0.50) β) περιοχή γεωγραφικού πλάτους φ 42 και i) είναι γυμνό έδαφος (α 0.10), ii) καλύπτεται από καλλιέργειες (λευκαύγεια α 0.25), iii) είναι σε αστικό περιβάλλον με ψυχρά υλικά (α 0.50) γ) περιοχή γεωγραφικού πλάτους φ 46 και i) είναι γυμνό έδαφος (α 0.10), ii) καλύπτεται από καλλιέργειες (λευκαύγεια α 0.25), iii) είναι σε αστικό περιβάλλον με ψυχρά υλικά (α 0.50). Να υπολογίσετε σε κάθε μία από τις παραπάνω περιπτώσεις τις μηνιαίες τιμές της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής (σε mm/μήνα) και να παρουσιάσετε σε διάγραμμα τις ενδοετήσιες μεταβολές της. Να σχολιάσετε τις μεταβολές που παρατηρείτε σε συνάρτηση με το γεωγραφικό πλάτος, την εποχή του χρόνου και την εδαφοκάλυψη.