SPEKTRÁLNÍ CHARAKTERISTIKY DOPADAJÍCÍ SLUNEČNÍ RADIACE NA LOKALITĚ BÍLÝ KŘÍŽ

Transkript

1 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, SPEKTRÁLNÍ CHRKTERISTIKY DOPDJÍCÍ SLUNEČNÍ RDICE N LOKLITĚ ÍLÝ KŘÍŽ Mrtin Nvrátil 1, Vldimír Špund 2 1 Ktedr fyziky, Ostrvská univerzit, 30.dun 22, Ostrv, Česká Repulik, e-mil: mrtin.nvrtil@osu.cz 2 Ústv fyzikální iologie, Jihočeská univerzit, České udějovice, Česká Repulik ÚVOD Měření sluneční rdice v porostech lesních dřevin ptří mezi význmné chrkteristiky mikroklimtu (Cmpell 1986, Petrík et l. 1986, Dykyjová et l. 1989). Fotosynteticky ktivní rdice (FR) dopdjící n fotosyntetický prát je hlvní veličinou řídící ktivitu rekcí fotosyntézy (Lrcher 1988). Informce o změnách intenzity FR ěhem dne, vegetčního odoí ve vertikálním profilu korunové vrstvy jsou tedy jednk zákldem pro chrkterizci funkční diferencice fotosyntetického prátu v jednotlivých vrstvách koruny, jednk klíčovým prmetrem pro stnovení účinnosti trnsformce sluneční energie n úrovni porostu. Poměrně mlá pozornost je věnován spektrálnímu složení sluneční rdice dopdjící n porost porostem procházející. V některých přípdech jsou součsně prováděn měření FR i gloální rdice (GR). Změny spektrálního složení sluneční rdice v olsti FR částečně i mimo tuto olst mohou ýt podsttné pro spolehlivé použití rdičních měření z několik důvodů. Rozdílné spektrum dopdjící sluneční rdice může ýt dlším fktorem, který ovlivňuje funkční diferencici fotosyntetického prátu (Petrík et l. 1986, Thiel t l. 1996). Účinnost sorpce FR jeho využití ve fotosyntéze může záviset n spektru dopdjící sluneční rdice (Petrík et l. 1986, Lrcher 1988, Dykyjová et l. 1989). Vzhledem ke skutečnosti, že klsická čidl n ázi fotodiod, která jsou používán pro stndrdní měření FR respektive rdice v rozshu nm (pro nás GR) nemjí ideálně stejnou citlivost detekce v celém spektrálním rozshu lze očekávt, že hodnoty ozářenosti získné těmito čidly mohou ýt částečně zkresleny různým spektrálním složením dopdjící rdice (Reitmyer et l. 2002). Ověřovcí měření spekter dopdjící sluneční rdice pro porost smrku ztepilého [Pice ies (L.) Krst.] n loklitě ílý Kříž (experimentální ekologické prcoviště ÚEK VČR ílý Kříž, Morvskoslezské eskydy, Česká repulik, 943 m. n. m, E, N) ylo provedeno v sezóně 2002 v odoí léto ( července 2002) podzim (16. září 3. říjn 2002). Cílem experimentu ylo: 1) Zvládnout stndrdizovt metodiku měření spekter sluneční rdice pomocí přenosného spektrordiometru LI ) Získt dosttečně sttisticky průkzné informce o zákldních zdrojích vriility spektrálního složení FR GR. Pozornost yl změřen n následující chrkterizci zdrojů vriility spektrálního složení FR GR: 1) spektrální složení dopdjící rdice ěhem jsného olčného dne 2) vliv krátkodoých změn ozářenosti n spektrum 3) hrué stnovení vlivu elevčního úhlu n spektrum rdice 4) zákldní rozdíly ve spektrech dopdjící rdice ěhem letního podzimního odoí 5) vliv sorpce rdice n spektrum pronikjící rdice pod porostem 94

2 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, MTERIÁL METODY Popis přístroje Přenosný spektrordiometr LI 1800 (LI COR, Nersk, US) dovoluje zjišťovt kvlittivní kvntittivní chrkteristiky světelného zdroje, v nšem přípdě slunečního záření. Je určen k měření spektrordiometrických, rdiometrických fotometrických veličin. Optický receptorem je kosinový senzor s PTFE (teflon) kopulí, úhlový rozsh je 2π sterdiánů (180 ), což umožňuje vzthovt při měření hustotu zářivého toku n jednotkovou plochu (m 2 ). Před vstupem do monochromátoru prochází dopdjící záření přes filtry. Filtry jsou umístěny v kole filtrů, spolu s nepropustným terčem mjí z úkol eliminovt záření z okolních olstí spektr. Filtrů je celkem 7 pro následující intervly vlnových délek: , , , , , , nm. Nepropustný terč slouží k získání temnostního signálu před po skončení kždého scnu. Monochromátor tvoří hologrfická mřížk, rychlost záznmu spektr je nm.s -1 v závislosti n intervlu detekovných vlnových délek, který je volitelný (1, 2, 5 10 nm). Vstupní výstupní štěrin monochromátoru mjí šířku 0,5 mm. Detektorem je silikonová fotodiod, prcující ve fotovoltickém modu. Měřící rozsh přístroje je nm. Metodik měření v polních podmínkách Zákldní metodický prolém spočívl v odstrnění vlivu fluktuce ozářenosti ěhem měření jednotlivých spekter v nlezení způsou vhodné prezentce spekter umožňující jejich kvlittivní porovnání. Měření jednotlivých spekter s krokem 1 nm trvlo cc 40 sekund. ěhem této doy yl součsně v 5 sekundových intervlech vyhodnocován ktuální intenzit dopdjící sluneční rdice pomocí dvou čidel s vlnovými rozshy nm (FR) nm (GR) s využitím přístroje Plnt Cnopy nlyzer LI 2000 (LI COR, Nersk, US). Výsledkem jsou reltivní spektr tj. podíl spektrální ozářenosti intenzity dopdjící rdice. V přípdě spekter v rozshu FR, kdy jsou výsledné spektrum i odpovídjící ozářenosti v kvntových jednotkách, získáme tkto normovné spektrum, které vypovídá o reltivním zstoupení fotonů při dné vlnové délce v rámci zvoleného rozshu spektr. Pro rozsh GR, kdy jsou výsledné spektrum i odpovídjící ozářenosti v energetických jednotkách, tkto získné normovné spektrum vypovídá o reltivním energetickém zstoupení při dné vlnové délce. Popis experimentu Měření yl proveden v letním odoí ( července 2002, mx. úhel elevce ) v podzimním odoí (16. září 3. říjn 2002, mx. úhel elevce ). V jednotlivém odoí ylo snhou zchytit lespoň 3 slunné dny 3 stinné dny. ěhem kždého dne se měřilo ráno, v poledne večer to vždy nd porostem (střech - kontrol) pod porostem (hustý porost). Pro kždou z vrint ylo provedeno deset opkování. Výsledkem celého experimentu ylo tedy cc 900 spekter. Při následném vyhodnocování yly pro jednotlivé skupiny spekter (tj. npříkld t spektr, která yl měřen ěhem letního odoí, ráno při jsné oloze, yl zhrnut do jedné skupiny) spočítány mediány, minim mxim s využitím progrmu MS Excel. 95

3 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, reltivní jednotky 5 reltivní jednotky Or. 1.: Srovnání spektrálního složení sluneční rdice dopdjící n porost smrku ztepilého () ěhem jsného () ěhem olčného dne v odoí červenec Prezentovány jsou výsledky večerních měření (úhel elevce ). () reltivním zstoupení fotonů při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. () reltivní energetické zstoupení při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. Jednotlivá normovná spektr předstvují celkový medián z dné vrinty (viz. Mteriál metody). VÝSLEDKY DISKUZE Spektrální složení dopdjící rdice ěhem jsného olčného dne (Or. 1) Při olčné oloze je spektrální distriuce sluneční rdice mezi VIS NIR téměř stejná jko pro jsnou olohu. Výrzně jsou ovšem potlčen ultrfilová infrčervená 96

4 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, reltivní jednotky 5 reltivní jednotky 5 Or. 2.: Vliv krátkodoých změn ozářenosti n spektrum sluneční rdice dopdjící n porost smrku ztepilého. () jsná oloh. Dtum , večerní měření (kvntová ozářenost = cc 430 µmol m -2 s 1 ) () zstíněné spektrum pokles ozářenosti o 25%. () olčná oloh. Dtum , polední měření (kvntová ozářenost = µmol m -2 s 1 ). (, ) krátkodoé protržení olčnosti (kvntová ozářenost = µmol m -2 s 1 ). Spektr předstvují reltivní zstoupení fotonů při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. olst spektr (Cmpell 1986, Petrík et l. 1986), tj. olsti mimo rozsh nšeho měření. ez ohledu n denní dou roční odoí yl při ztžené oloze pozorován nárůst zstoupení fotonů v modrozelené olsti spektr ( nm) ve srovnání se spektry získnými při jsné oloze stejném odoí experimentu. N or. 1 je tto skutečnost dokumentován pro večerní měření ěhem letního odoí. Rozdíl mezi spektry získnými při jsné ztžené oloze se ovšem lišil, jk v závislosti n denní doě, tk n ročním odoí. Nše výsledky kvlittivně souhlsí s prcí Petrík et l. (1986). 97

5 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, Vliv krátkodoých změn ozářenosti n spektrum (Or. 2) N orázku jsou znázorněn reltivní spektr dopdjící FR nd porostem získná v rozmezí cc 20 minut ěhem večerního měření (kvntová ozářenost = cc 430 µmol m -2 s 1 ). Devět z deseti spekter má téměř totožný průěh. V jednom okmžiku slunce zstínil mrk (kvntová ozářenost poklesl o cc 25%). Je ptrný výrzný reltivní nárůst zstoupení fotonů v olsti nm součsně pokles v dlouhovlnné olsti FR. N orázku je zchycen průěh poledního měření dne nd porostem při olčné oloze (kvntová ozářenost = µmol m -2 s 1 ). Dvě z deseti spekter yl změřen při krátkodoém protržení olčnosti (kvntová ozářenost = () 1480 () 2080 µmol m -2 s 1 ). Při vyjsnění je ptrný výrzný reltivní pokles v modré olsti spektr nopk nárůst v dlouhovlnné olsti. Hrué stnovení vlivu elevčního úhlu n spektrum rdice (Or. 3) N orázku je srovnání reltivních spekter přímé sluneční rdice měřené z jsné olohy ěhem letního odoí pro jednotlivé denní intervly tj. ráno, poledne večer. Rnní večerní měření proíhl shodně při elevčním úhlu slunce 10 20, polední měření při mximálním elevčním úhlu (cc 60 ). Jk je z orázku 3 ptrné, není mezi spektry v rozmezí nm prkticky žádný rozdíl, výrznější rozdíly jsou vidět pro olst nm. Při mximálním elevčním úhlu je ptrný reltivní nárůst v olsti nm výrzný pokles především v olsti nm. Z or. 3 je ptrné, že spektrální složení GR při mximálním elevčním úhlu je výrzně odlišné ve srovnání se spektry získnými ráno večer při úhlu elevce Průkzný je především pokles záření v intervlech vlnových délek odpovídjících mximům záření v IČ olsti spekter celkově zvýšení podílu FR : NIR. Zjímvé je, že v IČ olsti (or. 3) v intervlech chyějících spektrálních pásů (selektivní sorpce tmosférou npř. Dykyjová et l. 1989, Thiel et l 1996) je tomu právě nopk (Or. 3). 98

6 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, reltivní jednotky c reltivní jednotky 5 c Or. 3.: Hrué stnovení vlivu elevčního úhlu n spektrum sluneční rdice dopdjící n porost smrku ztepilého ěhem letního odoí z jsné olohy. () reltivní zstoupení fotonů při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. () reltivní energetické zstoupení při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. () rnní měření (elevční úhel ), () polední měření (elevční úhel cc 60 ), (c) večerní měření (elevční úhel ). Jednotlivá normovná spektr předstvují celkový medián z dné vrinty (viz. Mteriál metody). Zákldní rozdíly spekter dopdjící rdice ěhem letního podzimního odoí (Or.4) N orázku 4.1 je pro olst FR i GR porovnání poledních měření přímé sluneční rdice nd porostem ěhem letního podzimního odoí. Přestože yl rozdíl v elevčních úhlech při těchto měřeních cc 20 je vidět, že ve spektrech se to příliš neprojeví. Je vidět pouze neptrně (řádově jednotky %) vyšší reltivní spektrální zstoupení v krátkovlnné 99

7 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, reltivní jednotky 5 reltivní jednotky Or. 4.1.: Zákldní rozdíly ve spektrech přímé rdice dopdjící n porost smrku ztepilého ěhem letního podzimního odoí () reltivní zstoupení fotonů při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. () reltivní energetické zstoupení při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. Prezentovány jsou výsledky poledních měření. () léto (elevční úhel cc 60 ), () podzim (elevční úhel cc 40 ). Jednotlivá normovná spektr předstvují celkový medián z dné vrinty (viz. Mteriál metody). olsti pro letní odoí ve srovnání s podzimem, shodně pro FR i GR. Celková ozářenost yl při letním měření cc 1800 µmol m -2 s 1, při podzimním měření cc 1100µmol m -2 s 1 (výsledek ze 3 měřících dnů 1350, µmol m -2 s 1 ). N or. 4.2 jsou znázorněn spektr přímé rdice změřená v létě n podzim nd porostem večer, tj. při stejném elevčním úhlu (10 20 ). Zde je 100

8 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, překvpivě vidět mnohem výrznější rozdíl mezi letním podzimním spektrem uvážíme li, že yl elevční úhel stejný. Nvíc ve srovnání s poledním měřením (Or 4.1) zde dochází k opčnému efektu, tedy u podzimních měření je v modré olsti reltivně větší spektrální zstoupení ve srovnání s létem, v červené olsti je tomu opět nopk, shodně pro rozsh FR i GR. reltivní jednotky 5 reltivní jednotky Or. 4.2.: Zákldní rozdíly ve spektrech přímé rdice dopdjící n porost smrku ztepilého ěhem letního podzimního odoí () reltivní zstoupení fotonů při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. () reltivní energetické zstoupení při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. Prezentovány jsou výsledky večerní měření (elevční úhel ) () léto, () podzim. Jednotlivá normovná spektr předstvují celkový medián z dné vrinty (viz. Mteriál metody). 101

9 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, reltivní jednotky 5 reltivní jednotky Or. 5.: Vliv sorpce rdice n spektrum pronikjící rdice pod porostem. () reltivní zstoupení fotonů při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. () reltivní energetické zstoupení při dné vlnové délce ve spektrálním rozshu nm. Prezentovány jsou výsledky poledních měření v letním odoí (elevční úhel cc 60 ) () nd porostem () pod hustým porostem. Jednotlivá normovná spektr předstvují celkový medián z dné vrinty (viz. Mteriál metody). Vliv sorpce rdice n spektrum pronikjící rdice pod porostem (Or. 5) N orázku je srovnání spekter přímé sluneční rdice pro olst FR i GR změřených nd porostem (kontrol) pod porostem (hustý porost). V olsti FR, jk je z orázku 5 ptrné, je spektrum pod porostem ve srovnání s kontrolou, reltivně potlčeno v olsti cc nm v olsti cc

10 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, nm podoně v olsti nd 600 nm, což jsou spektrální intervly, kde sorují fotosynteticky ktivní pigmenty. Nopk záření v olsti nm je nejvíce odráženo (viz. zelená rv listů) (Petrík et l. 1986), což se projevuje reltivně zvýšeným spektrálním zstoupením v této olsti (Or. 5). N orázku 5 je pro rozsh GR vidět stejný efekt. Výrzný reltivní nárůst v lízké infrčervené spektrální olsti ( s tím související pokles v modré olsti) dokzuje, že záření těchto vlnových délek je rostlinmi velmi málo sorováno, čímž se rostliny chrání před ndměrným zhříváním listů (Cmpell 1986, Lrcher 1988) ZÁVĚR Hlvním cílem experimentu ylo dosttečně průkzně nlyzovt zdroje vriility spektrálního složení dopdjící sluneční rdice v olsti fotosynteticky ktivní rdice (FR, nm) gloální rdice (GR, nm). Z dosvdního zprcování výsledků vyplývá, že pro olst FR jsou nejvýznmnější rozdíly ve spektrální hustotě toku fotonů v krátkovlnější ( nm) dlouhovlnější ( nm) olsti spektr pozorovány při ztžené jsné oloze (Or. 1). Průkzné změny ve spektru FR se neprojevují pouze při stilně nízké neo vysoké olčnosti, le v mximálním rozshu se mohou projevit při krátkodoém vyjsnění neo zstínění slunce (Or. 2). Vliv rozdílného elevčního úhlu při jsné (resp. ztžené oloze dt nepulikován) oloze n reltivní spektrum FR je oecně menší projevuje se pouze v dlouhovlnější olsti spektr (je tedy specifičtější, Or. 3). Reltivní energetické spektrum GR je ovšem výrzně citlivé jk vůči olčné, neo jsné oloze (Or. 1), tk vůči změnám elevčního úhlu slunce (Or. 3). Je tedy zřejmé, že právě elevční úhel výrzně ovlivňuje zstoupení rdice v červené lízké infrčervené olsti spektr. Minimální rozdíly mezi testovnými vrintmi yly zjištěny při porovnání reltivních spekter FR i GR získných ěhem letního podzimního odoí (při stejném zstoupení olčnosti denní doě, or ). Z podsttný výsledek experimentu lze povžovt fkt, že reltivní spektrum dopdjící sluneční rdice je citlivé n několik klimtických fktorů, jejichž vzájemné půsoení může zvýrzňovt, neo nopk potlčovt prezentovné rozdíly spektrálního složení FR GR. Jedním ze zákldních fktorů je rozdílný vliv tzv. molekulárního rozptylu (Ryleighov rozptylu) n molekulách plynů tvořících vzduch, prchových částicích, vodních kpičkách ledových krystlech rozptylu n větších částicích v ovzduší (Mieův rozptyl) (Cmpell 1986, Petrík et l. 1986). Je tedy zřejmé, že pro detilnější pochopení rozshu změn ve spektrech dopdjící rdice pro možnost jejich přesnější kvntifikce predikce je nutno lespoň částečně eliminovt kominovné půsoení výše zmíněných fktorů. V letošním roce se proto změříme n studium vlivu difúzního koeficientu při konstntním elevčním úhlu vice vers n ozářenosti tvr spektr. 103

11 Rožnovský, J., Litschmnn, T. (ed): Seminář Mikroklim porostů, rno, 26. řezn 2003, LITERTUR: Cmpell, G.S (1986) n Introduction to Envirinmentl iophysics, pp Springer Verlg, New York Dykyjová, D. kolektiv (1989) Metody studi ekosystémů, pp cdemi, Prh Lrcher, W. (1988) Fyziologická ekologie rostlin, pp cdemi, Prh Petrík, M., Hvlíček, V. nd Uhrecký, I. (1986) Lesníck ioklimtológi, pp Prírod, rtislv Reitmyer, H., Werner, H. nd Fin, P. (2002) Novel System for Spectrl nlysis of Solr Rdition within Mixed eech-spruce Stnd. Plnt iol. Vol. 4. pp Thiel, S., Dohring, T., Kofferlein, M., Kosk,., Mrtin, P. nd Seidlitz, H.K. (1996) Phytotron for Plnt Stress Reserch: How Fr Cn rtificil Lighting Compre to Nturl Sunlight? J. Plnt. Physiol. Vol pp Výzkum yl podporován z progrmu Výzkumná centr MŠMT (LN00141) Mgr. Mrtin Nvrátil; Doc.RNDr. Vldimír Špund, CSc Ktedr fyziky, Ostrvská univerzit, 30.dun 22, Ostrv, e-mil: mrtin.nvrtil@osu.cz; vldimir.spund@osu.cz 104