Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4888
Main Title: Energy and water fluxes at the soil atmosphere interface of water repellent soils
Translated Title: Energie- und Wasserflüsse an der Grenzschicht zwischen Boden und Atmosphäre benetzungsgehemmter Böden
Author(s): Schonsky, Horst Georg
Advisor(s): Peters, Andre
Referee(s): Wessolek, Gerd
Bachmann, Jörg
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Soil water repellency (SWR), the inhibited wetting of soils, is a characteristic shown by soils of all types and in all climatic regions around the world; SWR seems to be rather the norm than the exception. The hydraulic effects of SWR have been studied reasonably well and are still studied up to date. The effects of SWR on the soil atmosphere energy balance on the other hand have not been the subject of thorough investigations so far. Via evapotranspiration the soil atmosphere energy balance is directly linked to the soil water balance. Therefore it is of utmost importance to measure the water balance in order to gauge the energy balance. The aim of my doctorate was to attain quantitative information on the effects of SWR on the soil atmosphere energy balance. To achieve this we, my colleagues and me, employed different methods. First we conducted a numerical study of the soil water balance and especially evapotranspiration in a conceptual frame to get an idea on the quantitative effects to be expected from SWR. Secondly we measured longwave radiation (infrared) in a field study from an extremely water repellent and an artificially wettable soil to obtain differences in temperature and thermal radiation from these soils. Thirdly we attempted to measure the soil atmosphere energy balance differences of water repellent and artificially wettable soil employing weighable lysimeters. In the numerical study we estimated a reduction in evapotranspiration from 30–300 mm per year or 9%–76% less evapotranspiration from water repellent soil. During our field study we found differences in emitted thermal radiation between water repellent and wettable soil. When the radiation difference is transferred from units of energy per square meter to an amount of water vaporized per square meter the difference translates to 0.13 mm per day, which is a very small value. If the reduction of evapotranspiration postulated in our first study is true this implies that the main part of energy not going into evapotranspiration leaves the soil via sensible heat flux. Our lysimeter study to measure the soil atmosphere energy balance did not yield strong results on the effects of SWR for the energy balance. Nonetheless we managed to develop a new filter algorithm for smoothing lysimeter data, which is better suited than commonly used algorithms to discern between measurement noise and desired signals. We developed a better tool for analysing lysimeter data, which can aid in future lysimeter studies, not only regarding SWR. Overall we managed to derive information on the effects of SWR on the soil atmosphere energy balance on a conceptual level and to measure differences in thermal radiation caused by SWR. It can be concluded that future studies of the effects of SWR on the soil atmosphere energy balance should best be approached interdisciplinary, with expertise from the fields of soil physics, plant physiology and micro meteorology.
Viele Böden weltweit zeigen Benetzungshemmung gegenüber Wasser (engl.: Soil Water Repellency, SWR) unabhängig von Bodentyp oder Klimazone; Benetzungshemmung von Böden scheint eher die Norm, als die Ausnahme zu sein. Die hydraulischen Auswirkungen der Benetzungshemmung wurden und werden recht ausgiebig erforscht. Andererseits sind die Auswirkungen der Benetzungshemmung auf die Energiebilanz zwischen Boden und Atmosphäre bisher nicht tiefgehend analysiert worden. Durch Evapotranspiration besteht eine direkte Verbindung der Bodenenergiebilanz und der Bodenwasserbilanz, daher ist die Erfassung der Wasserbilanz unumgänglich für die Ermittlung der Energiebilanz. Ziel meiner Doktorarbeit war es quantitative Informationen zu den Auswirkungen der Benetzungshemmung auf die Energiebilanz Boden/Atmosphäre zu erhallten. Um dies zu erreichen haben wir, meine Kollegen und ich, verschiedene Methoden angewendet. Erstens haben wir eine numerische Studie der Bodenwasserbilanz und speziell der Evapotranspiration, in einem konzeptuellen Rahmen durchgeführt. Ziel dieser Studie war eine quantitative Schätzung der zu erwartenden Effekte der Benetzungshemmung. Zweitens haben wird langwellige (infrarote) Ausstrahlung eines extrem benetzungsgehemmten und eines künstlich benetzbar gemachten Bodens in einem Feldexperiment gemessen, um Ausstrahlungsunterschiede zu analysieren. Drittens haben wir versucht die Unterschiede der Energiebilanz zwischen Boden und Atmosphäre von benetzungsgehemmten und künstlich benetzbaren Böden in einer Studie mit wägbaren Lysimetern zu erfassen. In der numerischen Studie haben wir eine Verringerung der Evapotranspiration von 30–300 mm pro Jahr, das entspricht 9%–76% Verringerung, durch Benetzungshemmung geschätzt. In der Feldstudie haben wir Unterschiede in der emittierten thermischen Strahlung gefunden. Wird der unterschied in Ausstrahlung von Energie pro Quadratmeter in ein Volumen verdampftes Wasser pro Quadratmeter umgerechnet ergibt sich ein unterschied von 0.13 mm pro Tag. Dies ist ein relativ kleiner Unterschied. Wenn die in unserer ersten Studie postulierte Abnahme der Evapotranspiration zutreffend ist, dann bedeutet das, dass der Hauptteil der nicht in die Verdunstung gehenden Energie über fühlbare Wärme abtransportiert wird. Unsere Lysimeterstudie zur Messung der Energiebilanz hat keine klaren Ergebnisse erbracht. Nichtsdestotrotz ist es uns gelungen einen neuen Filteralgorithmus zum Glätten von Lysimeterdaten zu entwickeln, der besser als allgemein gebräuchliche Algorithmen geeignet ist, um zwischen Messrauschen und gewollten Signalen zu unterschieden. Wir haben somit ein besseres Werkzeug zur Lysimeterdatenauswertung entwickelt, dass in zukünftigen Lysimeterstudien eingesetzt werden kann, sei es zur Messung von Effekten durch Benetzungshemmung oder Messungen in anderen Zusammenhängen. Grundsätzlich ist es uns gelungen Informationen zu den Auswirkungen benetzungsgehemmter Böden auf die Energiebilanz zwischen Boden und Atmosphäre auf konzeptueller Ebene zu finden und durch Benetzungshemmung verursachte Unterschiede in der thermischen Ausstrahlung zu messen. Wir schlussfolgern, dass zukünftige Studien das Thema betreffend interdisziplinär angegangen werde sollten. Hierzu ist Wissen aus der Bodenphysik, der Pflanzenphysiologie sowie der Mikrometeorologie notwendig.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5191
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4888
Exam Date: 27-May-2015
Issue Date: 2015
Date Available: 10-Dec-2015
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Subject(s): soil water repellency
energy balance
long wave surface radiation
soil water dynamics
Enegiebilanz
langwellige Oberflächenstrahlung
Bodenwasserdynamik
Bodenbenetzungshemmung
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de
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