ME150 Auringon säteilyn sitoutuminen kasvillisuuteen Pasi Kolari 20.3.2014

Perusteita Kuinka puun latvuksen valon sidonta, valoympäristö ja latvusrakenne ovat yhteydessä toisiinsa? Valoympäristö latvuksen sisällä riippuu Tulevasta säteilystä Lehtien, oksien ja rungon optisista ominaisuuksista Metsänpohjan kasvillisuuden ja maan optisista ominaisuuksista (heijastus) Puun/metsikön rakenteesta ja arkkitehtuurista Lehtien määrä = lehtialaindeksi Lehtien, oksien ja puiden järjestyminen tilassa (satunnainen, säännöllinen, ryhmittynyt) Lehtikulmajakaumasta Latvusrakenne (kuin myös puuston) on osin seurausta valoympäristöstä

Vaakasuoralle tasolle tuleva suora säteily ja hajasäteily Hyytiälässä Kirkas päivä 22.7.2004 Vaihtelevaa pilvisyyttä 23.7.2004 Hajasäteilyn osuus suuri pilvistä ja taivaalta siroavan valon vuoksi

Säteilyn tulokulma vaikuttaa kuinka suuri osa säteistä osuu kohteeseen projektio säteilyä kohtisuoraan θ = 90° θ = 45° θ = 20°

Lehtialan ja -massan suhde (specific leaf area, SLA) Kasvilajien välillä SLA korreloi monien fysiologisten tekijöiden suhteen Pieni SLA  alhainen tehokkuus, pitkäikäisyys Korkea SLA korkea tehokkuus, lyhytikäisyys Lehtimassan jakautuminen puuyksilön latvuksen ja versojen sisällä on keskeinen tekijä, jolla puut voivat vaikuttaa saamaansa säteilyyn Mitä korkea SLA tarkoittaa säteilyn sitoutumisen suhteen?

Neulasten massan ja pinta-alan suhde (LMA = 1/SLA) vaihtelee voimakkaasti männyn latvuksessa Palmroth & Hari 2001

Lehtialan ryhmittyminen vaikuttaa valon sidontaan Lehtien ryhmittyminen isoihin kokonaisuuksiin päästää enemmän valoa latvuksen läpi Vastaavasti heikentää valon sidontaa per lehti Lehtiala vs. latvan vaipan ala hyvä approksimaatio latvusrakenteen vaikutukselle Duursma & Mäkelä 2007 Mikä on tämän merkitys kun vertaillaan taimikon ja vanhan metsän valon sidontaa? Huomaa myös kokonaislehtialan kasvu nuoressa metsässä Homogeeninen latvus, ei yksittäisiä puita Yksittäisten puiden latvuskoko kasvaa (ryhmittyminen voimistuu)

Verson asento ja valon sidonta Verson projektioala / kokonaisneulaspinta-ala (STAR) Männyllä n. 0.14 jos versot satunnaisessa asennossa Käytännössä hiukan isompi, koska latvuksen eri osissa verson asento on satunnaista paremmin valoa pyydystävä Smolander et al. 1994

Täysvarjo ja puolivarjo Täysvarjo muodostuu varjostavan objektin taakse n. 70x objektin läpimitan matkalle Puolivarjo (penumbra) muodostuu kun aurinko näkyy tarkastelupisteeseen osittain Tärkeä havupuiden latvuksissa, lehtipuita tasaisempi valon vaihtelu

Periaatteessa puun latvuksen valoympäristö on äärettömän monimutkainen Valon vaihtelu verson sisällä Valon vaihtelu lehden sisällä

Example of ”statistical” light distribution model, ray tracing method Irradiance distribution on the needle surfaces of one shoot Needle distribution, angles and dimensions are defined Angular distribution of irradiance is defined Light attenuation inside the shoot cylinder is stochastic process, explicit collision detection only for the twig Typical number of calculations: 100 needles in the shoot 5 locations along the longitudinal axis of each needle for each location, 20 points (surface elements) representing different surface angles are calculated for each surface element, 50 directions of incoming diffuse radiation + one direct beam are tested total 510 000 calculations per shoot !

Säteilyjakaumia eri korkeuksilla männikössä Täysvarjo Puolivarjo Lähes varjostumaton PAR mitattu suurella määrällä valoantureita parin tunnin ajan lähellä puiden latvoja latvuksen keskiosassa latvuksen alapuolella Laskettu valojakauma yli männynverson neulaspinnan on samankaltainen!

Valon sidonta ja fotosynteesituotos: Hajasäteily on suoraa säteilyä tehokkaampaa Oletetaan satunnaisesti jakautunut kolmiulotteinen lehtipinta-ala Joka suunnalta tuleva hajasäteily: suuri lehtipinta-ala on alhaisessa valossa Suora säteily: Puolet lehtipinta-alasta on ”pimeällä puolella” (hiukan valoa voi toki kulkeutua lehden läpi) Fotosynteesin kyllästyvä valovaste Säteilyn käytön tehokkuus kasvaa valon määrän vähetessä Tasainen valojakauma (puolivarjon osuus huomattava) on tehokkaampi kuin kaksihuippuinen valo/varjo-jakauma P I

Latvuksen valoympäristön yksinkertaisempi määrittäminen Ei täsmällisesti määritettyä latvusrakennetta, lehvästö on tasaisesti jakautunutta massaa Vain lehtitiheys per tilavuusyksikkö on määritelty Latvun sisällä voi olla pystysuuntaista vaihtelua lehtien optisissa ominaisuuksissa , muodossa, asennossa,…

Valon intensiteetti lehtipinnoilla vs absorboitunut valo Lehteen absorboituva valo on kaikista suunnista tulevien valonsäteiden summa Poislukien heijastunut ja lehden läpäissyt valo

Valon vaimeneminen satunnaisesti jakautuneessa lehvästössä

Säteilyn vaimeneminen absorboivassa homogeenisessa aineessa Jokaista valon absorboivassa aineessa kulkemaa pituusyksikköä kohti valo vaimenee suhteellisesti yhtä paljon, esimerkiksi: Valon intensiteetti aluksi 100 yksikköä Ensimmäiseen senttimetriin ainepaksuutta valosta imeytyy 30% = 30 yksikköä, jää 70 yksikköä Toiseen cm:iin jää 30% 70:stä = 21 yksikköä, jäljellä 49 yksikköä jne. Valon vaimenemista satunnaisesti jakautuneessa lehvästössä voidaan käsitellä tällä tavalla

Lambert-Beer yhtälö säteilyn vaimenemiselle absorboivassa homogeenisessa aineessa I(x) = I0 e-kx I0 on tulevan säteilyn voimakkuus x on säteilyn aineessa kulkema matka k on vaimenemiskerroin Vaimenemiskerroin k kertoo kuinka iso osuus säteistä katoaa kuljettua matkaa kohti valon kulkiessa läpi äärettömän ohuen kerroksen absorboivaa ainetta Valon vaimenemista satunnaisesti jakautuneessa lehvästössä voidaan käsitellä tällä tavalla Myös patjan alle säilötty rahatukku menettää arvoaan samalla tavalla... I0 I x

Kumulatiivinen valon sitoutuminen homogeeniseen latvukseeen Suhteellinen absorptio ei muutu mentäessä syvemmälle latvukseen mutta absoluuttinen pienenee! Absorboituneen säteilyn osuus fAPAR = 1 – e-kx

Optisen polun pituus latvuksessa Matka, jonka säteily kulkee absorboivassa aineessa = s*LAD S on fyysinen etäisyys (m) LAD = lehtialatiheys = sädettä vastaan kohtisuora valoa absorboiva pinta-ala (m2) per tilavuusyksikkö (m3) Riippuu säteilyn tulokulmasta θ Säteilyn suuntajakauma on tunnettava jotta voidaan laskea valo eri syvyyksillä latvustossa Voidaan myös olettaa taivaankannelle tasaisesti jakautunut tai suoraan ylhäältä tuleva säteily, vastaavasti LAI:n ja LAD:n määritelmä muuttuu! θ

Verson asento ja valon sidonta havupuilla Säteilyn vaimenemiskerroin = verson projektioala / kokonaisneulasala  riippuu miten lehtipinta-ala määritellään (kokonaisala vai projektio) Männyllä n. 0.14 jos versot satunnaisessa asennossa Käytännössä isompi (esim. Hyytiälässä n. 0.18), koska latvuksen eri osissa verson asento on satunnaista paremmin valoa pyydystävä, lisäksi oksat ja rungot ottavat osansa valosta Smolander et al. 1994

Lehtiasennon vaikutus valonsidonnan jakautumiseen latvustossa Ylemmät lehdet/versot pystymmässä, päästävät säteilyn paremmin lävitse Alemmat lehdet lähempänä vaakatasoa Onko puulle hyötyä tämänkaltaisesta valon jaosta?

Lehtialaindeksi (leaf area index, LAI) = lehtipinta-ala m2 per m2 maa-alaa kokonaispinta-ala (all-sided) projektioala ei yksikäsitteinen, miten projektio määritellään? säteilynvaimenemislaskelmissa säteilyn kulkema matka latvuksessa voidaan ilmaista varjostavana lehtialana per m2 maata

Laskuharjoitus Laske vuotuinen puustoon sitoutunut säteily ja sen osuus kokonaissäteilystä Etelä- ja Pohjois-Suomessa sekä harvassa ja tiheässä mäntymetsässä. Käytössäsi on mitattu päivittäinen säteily (PAR, mol m-2 d-1) Pohjois-Hämeestä (Hyytiälä) ja Itä-Lapista (Värriö). Käytä ongelmaa yksinkertaistavia oletuksia: kaikki valo tulee taivaalta kohtisuoraan alaspäin, lehdet ovat vaakatasossa ja satunnaisesti jakautuneet latvuksiin. Puuston lehtialaindeksin (LAI) vaihteluvälistä voi poimia vinkkejä tehtävän kirjallisuudesta. Miten tulos suhtautuu käsitykseesi vuotuisesta yhteytystuotoksesta Pohjois-Hämeessä ja Itä-Lapissa? Esim. Mäkelä et al. 2008 Global Change Biology 14, 92–108.

Metsikön energiatase Vain osa (kuinka iso?) puiden sitomasta säteilyenergiasta käytetään yhteytystuotteiden muodostamiseen, mihin päätyy loppuosa energiasta?

varastoitu energia = saatu energia - energiahäviö Metsikön energiatase Pääsääntö (fysiikasta): energia ei häviä mutta se voi muuttaa muotoaan varastoitu energia = saatu energia - energiahäviö Fotosynteesituotos = kemiallinen energia, hyvin pieni osa energiataseesta Valon absorptio, riippuu aallonpituudesta Säteily Lämpö Haihdunta CO2

Lehden energiatase Auringon säteily Lämpösäteily taivaalta Heijastunut säteily Lämpösäteily Havaittava lämpö lehdestä (konvektio) Latentti lämpö (haihdunta) Varastointi kemiallisena energiana (fotosynteesi) Lehden läpäissyt säteily Energiavuo sisään = energiavuo ulos + energian varastoituminen!

Typical optical properties of green leaves Visible light Near infrared 400-750 nm 750-3000 nm absorbance 85% 10% reflectance 10% 45% transmittance 5% 45% Absorbance increases, transmittance decreases with increasing leaf thickness

Säteilyn yksiköistä Fotonivuon tiheys Energiavuon tiheys Tasopinnalle tulee N kpl fotoneja per aikayksikkö PAR ilmaistaan usein yksiköissä µmol/(m2 s) 1 mol = 6.022*1023 fotonia Energiavuon tiheys Fotonin energia = hc/λ h on Planckin vakio 6.626*10-34 Js c on valon nopeus (3*108 m/s) λ on valon aallonpituus (m) Näkyvälle valolle keskimääräinen λ n. 550 nm 1 µmol/(m2 s) ≈ 0.217 J/(m2 s)

Valon käytön tehokkuus Light use efficiency (LUE) Pitkän aikavälin fotosynteesituotos = LUE*APAR Yleensä LUE on metsikkö/ekosysteemitason suure Ilmaistaan usein yksiköissä mol C per mol PAR Fotosynteesin kemiallinen ”hyötysuhde”? Kemiallinen reaktio 6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2 Sitoutuva energia 480 kJ / mol C

Tehtävän palautuksesta Kirjallinen raportti Kirjallisen raportin kuvaus arkistointia varten malli ensimmäisen luentokerran slaideissa Raportin liitteeksi säteilydata ja siitä lasketut absorboituneet säteilyt voi olla taulukkona raportissa tai esim. erillisenä Excel-tiedostona mitattu data Moodlessa Erillinen datankuvaus esimerkin mukaan