Teoría y Cálculos

La medición del flujo de dióxido de carbono (CO2) sobre ecosistemas permite la determinación de la cantidad carbono que es secuestrado (asimilado) por las plantas a través de la fotosíntesis. Su registro continuo permite el análisis de la variabilidad diaria, estacional e interanual. Tomando en cuenta las variaciones en las condiciones ambientales, fenológicas y de manejo, es posible tener una idea del impacto de las variaciones en esas condiciones sobre el flujo neto de carbono. Las mediciones del flujo de CO2 se lleva a cabo usualmente junto con mediciones del flujo de vapor de agua (H2O), que permiten estimar la evapotranspiración del ecosistema, es decir la transpiración del canopeo y la evaporación de agua procedente del suelo y de la superficies vegetales mojadas.

La estimación de estos flujos se realiza con el método de flujos turbulentos. El sistema consiste básicamente de un anemómetro sónico, capaz de medir la velocidad del viento en los tres ejes cartesianos ortogonales y de un analizador CO2/ H2O, que mide las concentraciones de estos dos gases. El anemómetro y el analizador son instalados sobre un soporte a una altura entre pocos metros y decenas de metros; la altura determina junto con otras variables, el tamaño del área fuente de la que se está tomando información. El anemómetro y el analizador toman datos a una muy alta frecuencia (usualmente de 20 Hz, 20 datos por segundo).

El flujo es proporcional a la covarianza entre la velocidad del viento vertical por un lado y de la concentración de dióxido de carbono, de vapor de agua ó de la temperatura por otro lado. La covarianza es:

donde w es la velocidad del viento vertical y donde a representa la concentración de dióxido de carbono, la concentración de vapor de agua ó la temperatura del aire. N es el número de mediciones en un intervalo de medición, por ejemplo N = 36000 para un intervalo de medición de 30 minutos y midiendo con una frecuencia con 20 Hz.

El flujo es calculado a través de la covarianza entre la velocidad del viento vertical y la concentración del CO2 y vapor de agua, respectivamente. Con la información provista por el anemómetro también puede calcularse una temperatura sónica, muy cercana a la temperatura del aire.



Los flujos de dióxido de carbono, de vapor de agua y del calor latente

El flujo de dióxido de carbono en kg m-2 s-1 se calcula en base a:

 (E1)

Para vapor de agua (ρx = ρv) el flujo es:

 (E2)

.

El flujo de vapor de agua Fv es la evapotranspiración E del cultivo ó del área sobre la cual las mediciones son llevadas a cabo. Este flujo es proporcional al calor latente. El factor de proporcionalidad es el calor latente de vaporización λ, así que el calor latente es:

 (E3)

.

El calor latente de vaporización para agua λ es (con T la temperatura del aire en Kelvin):

 (E4)

.

La tasa de la evapotranspiración es frecuentemente expresada en milímetros por día. Para calcular esta tasa hay que multiplicar el flujo de vapor de agua con un factor que toma en cuenta el número de los segundos de los intervalos de medición y la densidad de agua, que es 1025 kg m-3:

 (E5)

.

donde F(i)v es el flujo de vapor de agua en el intervalo de medición (i) del día considerado, asumiendo que un intervalo de medición abarca 30 minutos.



El flujo del calor sensible

El calor sensible H es calculado con:

 (F1)

.

La densidad del aire es ρ = ρd + ρv, que es la suma de la densidad del aire seco y del vapor de agua. El calor específico del aire depende ligeramente de la humedad:

cp = cp (aire seco) × (1 + 0.84 ρv /( ρd + ρv ) ).

cp (aire seco) = Calor específico del aire seco = 1004.67 J kg-1 K-1

Si la presión del aire es conocida, la densidad del aire seco se puede calcular con

 (F2)

.

Si la temperatura del aire no es conocida hay que calcular esta temperatura en base de la temperatura sónica Tsonic. Para esto es necesario el conocimiento de la humedad específica q. Se dispone de tres ecuaciones con la temperatura del aire T, la densidad del aire seco ρp y la humedad específica q como los tres variables desconocidos:

 (F3a, F3b, F3c)

.

Con estas tres ecuaciones se pueden determinar los tres variables desconocidos.

Si la presión del aire no es conocida, hay que recurrir a una estimación de esta usando la fórmula barométrica:

 (F4)

.


Símbolos:


FCO2 : Flujo de dióxido de carbono en kg m-2 s-1
Fv : Flujo de vapor de agua en kg m-2 s-1
λ : Calor latente de vaporización para agua en J kg-1
λE : Flujo del calor latente en W m-2
x, y, z : Ejes de un sistema cartesiano
T : Temperatura del aire en K
Tsonic : Temperatura sónica en K
ρd = Densidad del aire seco en kg m-3
p0 = Presión estándar al nivel del mar = 101325 Pa
g = Aceleración gravitacional = 9.81 m s-2
h. = Altura sobre el nivel del mar en m
u, v : Velocidades de los dos componentes del viento horizontal en m s-1
w : Velocidad del viento vertical en m s-1
ρd = Densidad del aire seco en kg m-3
ρv = Densidad del vapor de agua en kg m-3
p = Presión del aire en Pa
Rd = Constante de gas para aire seco = 287.05 J kg-1 K-1
Rv = Constante de gas para vapor de agua = 461.525 J kg-1 K-1