L’area sorgente dei flussi superficiali: stima sperimentale con misure di correlazione turbolenta su piccola scala

Abstract

In questa tesi è stato affrontato il problema micrometeorologico della quantificazione sperimentale dell’area sorgente dei flussi di massa ed energia misurati tramite la correlazione turbolenta. Nello specifico è stato studiato il comportamento di apparati strumentali tradizionalmente utilizzati per la misura di flussi turbolenti in condizioni di limitata estensione superficiale dell’area sorgente e a distanze molto prossime alla superficie di scambio, per valutare l’attendibilità di misure effettuate su scala spaziale ridotta. A tale scopo sono stati implementati tre esperimenti con molteplici e identici sistemi di correlazione turbolenta per la stima dei flussi di anidride carbonica. Ogni sistema è costituito da un anemometro sonico e un analizzatore di gas nell’infrarosso a cammino aperto. Nel primo esperimento sono state esaminate le caratteristiche delle misure turbolente a quote di misura tradizionali e insolitamente vicine al suolo mentre nelle altre due situazioni sperimentali sono state manipolate le sorgenti naturali e artificiali di CO2 per quantificarne la distribuzione spaziale delle sorgenti. Questi esperimenti hanno consentito di evidenziare quali siano i limiti principali all’utilizzo delle strumentazioni a distanze molto ridotte, dell’ordine delle poche decine di centimetri, dalla superficie di scambio gassoso e quali siano le varianti tecniche da provare in queste condizioni. Inoltre le stime sperimentali dell’estensione dell’area sorgente con i due metodi distinti dell’emissione naturale e artificiale di anidride carbonica hanno indicato una limitata estensione della superficie che influenza i sistemi di misura. I risultati sembrano mostrare una riduzione molto significativa rispetto alle dimensioni associate all’area sorgente, sia empiricamente sia considerando il modello di footprint di Schuepp, molto diffuso nella comunità scientifica. Sviluppi futuri di questa ricerca consisteranno essenzialmente nell’utilizzo di differenti soluzioni tecniche per la misura dei flussi su piccola scala e nell’affinamento delle simulazioni dell’area sorgente dei rilevatori con i più recenti sviluppi della fluidodinamica computazionale.

In this thesis we faced the experimental evaluation of footprint of mass and energy fluxes measured by eddy correlation technique. Specifically the behaviour of routinely exploited systems has been tested in situation of restricted surface of the fluxes source area and with sampling extremely close to the exchange interface, to test the reliability of small scale measurements. With this objective three distinct experimental setups have been implemented with multiple identical equipment of eddy correlation for the estimate of carbon dioxide fluxes, each one realized with a sonic anemometer and an open path infrared gas analyzer In the first experiment characteristics of turbulence measurements have been evaluated at different heights, both routinely used in the practice both exceptionally close to the ground, while in the remaining two we manipulated natural and artificial sources of CO2 whose flux has been detected at different heights. This allowed us to highlight the most limiting factors in the exploitation of turbulent measurements at very small distances, of the order of some tens of centimetres, away from the exchange surface and the technical upgrades to be tested in these situations. Moreover the experimental estimates of source area extension with the two distinct methods of natural and artificial emission of carbon dioxide indicated a limited extension of surface influencing measurement systems. Results showed a reduction of approximately one order of magnitude of the source area, both empirically evaluated both using a commonly adopted analytical footprint model. The development directions are already well delimited and consist essentially in the use of different technical solutions for the measurements on small spatial scales and in the improvement of the simulations of the detectors footprint with most recent developments of computational fluid dynamics.