La covarianza de remolinos (también conocida como correlación de remolinos y flujo de remolinos ) es una técnica de medición atmosférica clave para medir y calcular flujos turbulentos verticales dentro de las capas límite atmosféricas . El método analiza series de datos atmosféricos escalares y de viento de alta frecuencia , gas, energía y momento, [1] lo que produce valores de flujos de estas propiedades. Es un método estadístico utilizado en meteorología y otras aplicaciones ( micrometeorología , oceanografía, hidrología, ciencias agrícolas, aplicaciones industriales y regulatorias, etc.) para determinar las tasas de intercambio de gases traza sobre ecosistemas naturales y campos agrícolas, y para cuantificar las tasas de emisiones de gases de otras áreas terrestres y acuáticas. Se utiliza con frecuencia para estimar los flujos de momento , calor , vapor de agua, dióxido de carbono y metano. [2] [3] [4] [5] [6] [7]
La técnica también se utiliza ampliamente para la verificación y el ajuste de modelos climáticos globales , modelos de mesoescala y meteorológicos, modelos biogeoquímicos y ecológicos complejos y estimaciones de teledetección desde satélites y aeronaves. La técnica es matemáticamente compleja y requiere un cuidado significativo en la configuración y el procesamiento de datos. Hasta la fecha, [ ¿cuándo? ] no existe una terminología uniforme ni una metodología única para la técnica de covarianza de remolinos, pero las redes de medición de flujo (por ejemplo, FluxNet , Ameriflux, ICOS, CarboEurope, Fluxnet Canada, OzFlux, NEON e iLEAPS) están haciendo un gran esfuerzo para unificar los diversos enfoques.
La técnica también ha demostrado ser aplicable bajo el agua en la zona bentónica para medir los flujos de oxígeno entre el fondo marino y el agua suprayacente. [8] En estos entornos, la técnica se conoce generalmente como la técnica de correlación de remolinos, o simplemente correlación de remolinos. Los flujos de oxígeno se extraen de mediciones brutas siguiendo en gran medida los mismos principios que se utilizan en la atmósfera, y se utilizan normalmente como un indicador del intercambio de carbono, que es importante para los presupuestos de carbono locales y globales. Para la mayoría de los ecosistemas bentónicos, la correlación de remolinos es la técnica más precisa para medir los flujos in situ . El desarrollo de la técnica y sus aplicaciones bajo el agua siguen siendo un área fructífera de investigación. [9] [10] [11] [12] [13]
El flujo de aire puede imaginarse como un flujo horizontal de numerosos remolinos giratorios, es decir, vórtices turbulentos de diversos tamaños, cada uno de los cuales tiene componentes horizontales y verticales. La situación parece caótica, pero el movimiento vertical de los componentes se puede medir desde la torre.
En un punto físico de la torre, en el momento 1, el remolino 1 mueve la parcela de aire c 1 hacia abajo a una velocidad . Luego, en el momento 2, el remolino 2 mueve la parcela c 2 hacia arriba a una velocidad . Cada parcela tiene concentración de gas, presión, temperatura y humedad. Si se conocen estos factores, junto con la velocidad, podemos determinar el flujo. Por ejemplo, si uno supiera cuántas moléculas de agua bajaron con los remolinos en el momento 1 y cuántas moléculas subieron con los remolinos en el momento 2, en el mismo punto, se podría calcular el flujo vertical de agua en este punto durante este tiempo. Por lo tanto, el flujo vertical se puede presentar como una covarianza de la velocidad vertical del viento y la concentración de la entidad de interés.
El viento 3D y otra variable (normalmente la concentración de gas, la temperatura o el momento) se descomponen en componentes medios y fluctuantes. La covarianza se calcula entre el componente fluctuante del viento vertical y el componente fluctuante de la concentración de gas. El flujo medido es proporcional a la covarianza.
El área desde donde se originan los remolinos detectados se describe de forma probabilística y se denomina huella de flujo . [14] El área de la huella de flujo es dinámica en tamaño y forma, cambia con la dirección del viento, la estabilidad térmica y la altura de las mediciones, y tiene un borde gradual.
El efecto de la separación de sensores, la longitud de muestreo finita, el promedio de la trayectoria sónica, así como otras limitaciones instrumentales, afectan la respuesta de frecuencia del sistema de medición y pueden necesitar una corrección coespectral, especialmente notable con instrumentos de trayectoria cerrada y a alturas bajas por debajo de 1 a 1,5 m.
En términos matemáticos, el "flujo de remolinos" se calcula como una covarianza entre la desviación instantánea de la velocidad vertical del viento ( ) con respecto al valor medio ( ) y la desviación instantánea de la concentración de gas, la relación de mezcla ( ), con respecto a su valor medio ( ), multiplicada por la densidad media del aire ( ). Varias operaciones matemáticas y suposiciones, incluida la descomposición de Reynolds, están involucradas para llegar de ecuaciones físicamente completas del flujo turbulento a ecuaciones prácticas para calcular el "flujo de remolinos", como se muestra a continuación.
En 2011, existían muchos programas de software [15] para procesar datos de covarianza de vórtices y derivar cantidades como calor, momento y flujos de gas. Los programas varían significativamente en complejidad, flexibilidad, número de instrumentos y variables permitidos, sistema de ayuda y soporte al usuario. Algunos programas son software de código abierto , mientras que otros son de código cerrado o propietarios .
Los ejemplos incluyen software comercial con licencia libre para uso no comercial como EddyPro; programas libres de código abierto como ECO2S, InnFLUX, [16] y ECpack; paquetes libres de código cerrado como EdiRe, TK3, Alteddy y EddySoft.
Usos comunes:
Usos novedosos:
La teledetección es un método para modelar la evapotranspiración utilizando un balance de energía y el flujo de calor latente para encontrar las tasas de evapotranspiración. La evapotranspiración (ET) es parte del ciclo del agua y las lecturas precisas de ET son importantes para los modelos locales y globales para gestionar los recursos hídricos. Las tasas de ET son una parte importante de la investigación en campos relacionados con la hidrología, así como para las prácticas agrícolas. MOD16 es un ejemplo de un programa que mide la ET mejor para climas templados. [1] [17]
La micrometeorología se centra en el estudio del clima a escala específica del dosel vegetal, con aplicaciones también en la investigación hidrológica y ecológica. En este contexto, la covarianza de vórtices se puede utilizar para medir el flujo de masa de calor en la capa superficial límite o en la capa límite que rodea el dosel vegetal. Los efectos de la turbulencia pueden ser, por ejemplo, de interés específico para los modeladores climáticos o para quienes estudian el ecosistema local. La velocidad del viento, la turbulencia y la concentración de masa (calor) son valores que se pueden registrar en una torre de flujo. A través de mediciones relacionadas con la covarianza de vórtices, se pueden calcular empíricamente propiedades como los coeficientes de rugosidad, con aplicaciones en el modelado. [18]
La vegetación de los humedales varía ampliamente y varía ecológicamente de una planta a otra. La existencia de plantas primarias en los humedales se puede monitorear utilizando la tecnología de covarianza de remolinos junto con la información sobre el suministro de nutrientes mediante el monitoreo de los flujos netos de CO2 y H2O . Se pueden tomar lecturas de torres de flujo a lo largo de varios años para determinar la eficiencia del uso del agua, entre otras cosas. [19]
Los flujos de gases de efecto invernadero de la vegetación y los campos agrícolas se pueden medir mediante la covarianza de vórtices, como se hace referencia en la sección de micrometeorología anterior. Al medir el flujo turbulento vertical de los estados gaseosos de H2O , CO2 , calor y CH4 , entre otros compuestos orgánicos volátiles, se puede utilizar un equipo de monitoreo para inferir la interacción del dosel. Luego, se pueden inferir interpretaciones de todo el paisaje utilizando los datos anteriores. El alto costo operativo, las limitaciones climáticas (algunos equipos son más adecuados para ciertos climas) y las limitaciones técnicas resultantes pueden limitar la precisión de la medición. [20]
Los modelos de producción de vegetación requieren observaciones terrestres precisas, en este contexto, a partir de la medición del flujo covariante de vórtices. La covariancia de vórtices se utiliza para medir la producción primaria neta y la producción primaria bruta de las poblaciones de plantas. Los avances en la tecnología han permitido fluctuaciones menores que dan como resultado mediciones de masa de aire y lecturas de energía a una escala de 100 a 2000 metros. El estudio del ciclo del carbono en el crecimiento y la producción de vegetación es de vital importancia tanto para los agricultores como para los científicos. Con esta información se puede observar el flujo de carbono entre los ecosistemas y la atmósfera, con aplicaciones que van desde el cambio climático hasta los modelos meteorológicos. [1]
La técnica de acumulación de remolinos reales se puede utilizar para medir flujos de gases traza para los que no hay analizadores lo suficientemente rápidos disponibles, por lo que la técnica de covarianza de remolinos no es adecuada. La idea básica es que las parcelas de aire que se mueven hacia arriba (corrientes ascendentes) y las parcelas de aire que se mueven hacia abajo (corrientes descendentes) se muestrean proporcionalmente a su velocidad en depósitos separados. Luego se puede utilizar un analizador de gases de respuesta lenta para cuantificar las concentraciones promedio de gas en los depósitos de corrientes ascendentes y descendentes. [21] [22]
La principal diferencia entre la técnica de acumulación de remolinos verdadera y relajada es que esta última muestrea aire con un caudal constante que no es proporcional a la velocidad vertical del viento. [23] [24] [25]
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