INTERAKCIJA IZMEĐU SUNČEVOG ZRAČENJA I VEGETACIJE · 2017. 12. 17. · Daljinska detekcija (Remote sensing)vegetacije Fizički principi • Fluorescencija • Termalna emisija

INTERAKCIJA IZMEĐU SUNČEVOG ZRAČENJA I VEGETACIJE

Philipp WeihsInstitut za Meteorologiju,

Univerzitet za Prirodne resurse i Životne nauke,Beč, Austrija

Novi Sad, December 21, 2017

University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, Austria

Struktura predavanja

1. Fizičke osnove1.1 Opseg talasnih dužina1.2 Energija fotona1.3 Ukupna sunčeva energija,Bilans zračenja u atmosferi

2. Fiziološki efekti zračenja na biljke1.2.1 Biološka efikasnost UV zračenja1.2.2. Fotosintetski aktivno zračenje

3. Sunčevo zračenje u zelenom delu biljke

4. Remote sensing vegetacije

Šta je sunčevo zračenje

1) Energija koju emituje sunce u obliku elektromagnetnih talasa, uključujući vidljivi, ultraljubičasti i infracrveni deo spektra.

2) Energija koju emituje sunce u obliku fluksa fotona, koji predstavlja broj fotona po jedinici površine po jedinici vremena.

Sunčevo Zračenje• Opseg kratkih talasnih dužina(0.3 ... 3.0 µm, Maximum na 0.5 µm): -Izvor zračenja je Sunce (temperatura = 6000 °K)

Može se rasčlaniti na:a) ultraljubičasti (UV) deo spektra opsega od 0.1- 0.4 µmb) vidljivi deo spektra opsega od 0.4 – 0.7 µm

• Opseg termalnih, ili dugih talasnih dužina(3.0 ... 100 µm, Maximum at 10 µm): Izvor zračenja je Zemlja (temperatura = 287 °K)

1. Uvod

ENERGIJA FOTONA

Energija jednog fotona e = h ν

ν = c/ λ

ν = učestalostc = svetlosna brzina

h = konstantaλ = talasna dužina

=> Zračenje kratkih talasnih dužina ima mnogo veću energijuultraljubičasto zračenje pokazuje veće biološke efekte


1. Fizička osnova1.1 Opseg talasnih dužina1.2 Energija fotona1.3 Ukupno sunčevo zračenje, Bilans zračenja u atmosferi

2. Fiziološki efekti zračenja na biljke1.2.1 Biološka efikasnost UV zračenja1.2.2. Fotosintetski aktivno zračenje

3. Uticaj sunčevog zračenja na zeleni deo biljke


ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA

Spektar sun čevog zra čenja (Möller, 1973)1. Uvod

Stefan-Boltzmann-ov zakon

I = ε * σ * T4

I ... Energija zračenja [W/m²]ε ... Emisiona konstanta (1 = Crno telo)σ ...Stefan-B.- konstanta = 5,6696*10-8Wm²K-4

T ...Temperatura u [K]

(Crno telo je idealizovani objekat koji apsorbuje elektromagnetno zračenjebilo kojih talasnih dužina. Ono ne reflektuje niti prenosi zračenje.)

Sunčevo zračenje

1. Uvod

Primena Stefan Boltzman-ovog zakona

Termalno IR merenje17. Jul, 2014 11:46 MET

R = RS + RD – a(RS + RD) – RE + RAKratkotalasno Dugotalasno

(Sunčevo) zračenje (termalno infracrveno) zračenje0,3 – 3 µm 3 – 50 µm

• R = Balans zračenja• RS = direktno sunčevo zračenje• RD = difuziono sunčevo zračenje• a = Albedo• RA = atmosferno zračenje• RE = emitovano zračenje od strane Zemlje

RA

RE

RS

RD a(RS+RD)

Dnevni flux zračenja

G = Globalno zračenje(kratkotalasno)R = Reflektovano kratkotalasno zračenjeQk = Ravnoteža kratkotalasnog zračenjaA = Emitovano dugotalasno zračenje sa tlaAG = Atmosferno dugotalasno zračenjeQL = Ravnoteža dugotalasnog zračenjaQ = Ravnoteža ukupnog zračenja


1. Fizička osnova1.1 Opseg talasnih dužina1.2 Energija fotona1.3 Ukupna sunčeva energija,balans zračenja u atmosferi

2. Fiziološki efekti zračenja na biljke1.2.1 Biološka efikasnost sunčevog

UV zračenja1.2.2. Fotosintetski aktivni deo zračenja



ENERGIJA JEDNOG KVANTUMA

Energija jednog fotona e = h ν

ν = c/ λ

ν = učestalostc = brzina svetlosti

h = konstantaλ = talasna dužina

=> Kratkotalasno zračenje nosi više energijeUV Zračenje ima veći biološki efekat

300 320 340 360 380 40010-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

Rel

ativ

e W

irkun

g

Wellenlänge (nm)

Pflanzenschädigung

DNA

Erythem (CIE)

280 300 320 340 360 380 4000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Erythem DNA Pflanzenschädigung

norm

iert

e bi

olog

isch

wirk

sam

e B

estr

ahlu

ngss

tärk

e

Wellenlänge (nm)

Efekti UV zračenja?Efekti na čoveka

Efekti na životinje

Efekti na biljke

U UV-B delu spektra, gde je energijafotona veća, biološki efekat je veći

UV-A zračenje ima manji biološkiefekat nego UV-B

2. Ultraljubičasto zračenje

Efekti UV-B zračenja na različite fiziološke procese biljaka

Prasad et al, 2003

Prasad et al, 2003

Slika 1. Primer folijarnih simptoma (hlorotične fleke) na listovima pamuka

prouzrokovane UV zračenjem. Preuzeto iz (Prasad et al., 2004).

Slika 2. Poređenje listova (Patagonian Jaborosa magellanica Brisben) sa nezračenih

biljaka (levo) I ozračenih biljaka (desno) .

UV efekti na biljkePrasad et al, 2003

UV efekti na biljkePrasad et al, 2003

Dnevne sume izmerene UV- zračenja na Sonnblick (3106 m) i na Groß-Enzersdorf (156 m)

Faktori koji utiču na UV zračenje

- Udajenost Sunca- Oblačnost- Ozon- Mutnoća- Refleksija sa tla

UV Index Sonnblick

UV Index Groß-Enzersdorf

Simic 2015


Merenje ozona i UVzračenja na južnompolu ukazuje da promene uozonu uzrokuju disproporcionalne promene u UVzračenju.Bildquelle: http://www.epa.gov/ozone/science/ozone_uv.html.


Mesečni tok ozona i UV zra čenja u junu u opservatorijiHohenpeissenberg (Izvor: Ozonbulletin, DWD )


15. Maj 13h MEZUgao zenita = 32°Ozon = 400UV Indeks = 5Globalno kratkotalsno zračenje= 913 W/m²

UTICAJ OZONASimulacije pomoću softwera LIBRADTRAN

Wavelength [nm]

EINFLUSS DER OZONSCHICHTDICKE

3. Einfluss Eingabeparameter auf Modellgen

15. MaJ 13h MEZUgao zenita = 32°Ozon = 300UV Indeks = 7Globalno kratkotalasno zračenje = 915 W/m²

Simulacije pomoću softwera LIBRADTRAN

UTICAJ OZONA

Wavelength [nm]



15. MaJ 13h MEZUgao zenita = 32°Column ozon = 250 DUUV Indeks = 9Globalno kratkotalasno zračenje = 919 W/m²


UTICAJ OZONA

Wavelength [nm]



15. Maj 13h MEZUgao zenita = 32°Column ozon = 150 DUUV Indeks = 16Globalno kratkotalasno zračenje = 923 W/m²


UTICAJ OZONA

Wavelength [nm]


3. Einfluss Eingabeparameter auf Modellgena

15. MaJ 13h MEZUgao zenita = 32°Column ozon = 100UV Indeks = 25Globalno kratkotalasno zračenje = 925 W/m²

Simulacije pomoću softwara LIBRADTRAN

UTICAJ OZONA

Wavelength [nm]



Globalno kratkotalasno zračenje = 931 W/m²

15. Maj 13h MEZUgao zenita = 32°Column ozon = 10UV Indeks = 97


UTICAJ OZONA

Wavelength [nm]



15. MaJ 13h MEZUgao zenita = 32°Column ozon = 10UV Indeks = 97

UV index = 5 für 400 DU


UTICAJ OZONA

Wavelength [nm]




15. MaJ 13h MEZUgao zenita = 32°Column ozon = 10UV Indeks = 97

UV index = 5 for 400 DU

Realne vrednosti za Austriju250 DU UV Index = 9


UTICAJ OZONA

Wavelength [nm]

•Pozitivan trend može se delom pripisati:

* Ustanovljenom smanjenju koncentracije hlora* Maksimalnom jedanaestogodišnjem ciklusu sunčevih pega.

•Koncentracija pojedinih hemikalija, kao što je brom, koje uništavaju ozon, je u porastu.

Godišnji prosek izmerenih ozonskih kolona u Arosa iSonnblick (Simic, 2015)

Ustanovljen je oporavak ozonskog omotača između 60° S i 60° N geografske širine

Ozonska rupa i dalje postoji na južnom polu

Oporavak ozona će duže trajati na južnom polu.

20 Jahre Messungen der Ozonschichtdicke und der UV-Strahlung auf dem Hohen

Sonnblick


Sonnblick


Sonnblick


Sonnblick


1. Fizička osnova1.1 Opseg talasnih dužina1.2 Energija fotona1.3 Ukupna sunčeva energija, Balans zračenja u atmosferi

2. Fiziološki efektiradijacijena biljke1.2.1 Biološka efikasnostUV zračenja1.2.2. Fotosintetski aktivno zračenje



Fotosinteza: Proces u kom biljke i neki drugi organizmi koriste sunčevu svetlost kako bi sintetisali nutrijente iz ugljen dioksida i vode. Fotosinteza kod biljaka uključuje učešće zelenog pigmenta hlorofila i tokom nje dolazi do stvaranja kiseonika kao sporednog produkta.

6CO2 + 6H2O ------> C6H12O6 + 6O2. Sunčeva energija. Gde je: CO2 = ugljen dioksid, H2O = voda,Neophodna je svetlosna energija, C6H12O6 = glukoza, O2 = kiseonik.


1. Fizička osnova1.1 Opseg talasnih dužina1.2 Energija fotona1.3 Ukupna sunčeva energija, Balans zračenja u atmosferi

2. Fiziološki efekti radijacije na biljke1.2.1 Biološka efikasnostUV zračenja1.2.2. Fotosintetski aktivno zračenje



Pojedinačna biljka obuhvaćena radijacijom

Refleksija

Apsorpcija

Transmisija

Direktno sunčevo zračenje: Senčenje, transmisija kroz lišće i apsorpcija na listovima.

Difuzno zračenje: Refleksija na lišću i granama, rasejanje u vazduhu, npr. na kapljicama vode.

Transfer zra čenja kroz krošnju

RasejanjeFotoni menjaju pravac. Ne postoji transformacija energije

Refleksija (Albedo):Reflektovano zračenje

Apsorpcija:Energija zračenja transformisana u toplotnu, ili hemijsku energiju

Transmisija :Deo sunčevog zračenja koje se probija

Raspodela zra čenja u biljnom sklopu

Nach Larcher, 2001

Ripley and Redmann (1976)

Srednji prosečni vertikalni profil

zračenja u krošnji

Srednja prosečna vertikalna

raspodela neto zračenja u

krošnji

Vierling and Wessman, 2000

PPFD = Gustina fotosintetičkog fluksa fotona

Sunčevo zračenje u tropskoj šumi na različitim

visinama

U stvarnosti preraspodela sunčevog zračenja na tlu i unutar krošnji nije

homogena: postoje sunčeve pege

Metoda za analizu nehomogenosti u polju zračenja u krošnji uz pomoć kamere „riblje oko“

Upotrebom softwera kao što je Hemiviewmoguće je odrediti, udeo vidljivog dela neba, prodore direktnih zraka globalno i difuziono zračenje na tlu.

400 500 600 700 nm

Apsorpcija

Transfer zra čenja u krošnji

Usvajanje zra čenja u listu pomo ću hlorofila a i b

a

b

Verändert nach RICHTER 1982

Spectral reflectance and transmittance for a standa rd leaf (Ceccato et al., 2001)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

400 550 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900 2050 2200 2350 2500

wavelength (nm)

refle

ctan

ce

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

tran

smitt

ance

reflectance transmittance

Ca+b = 33.0 µg/cm²

N = 1.5

Cw = 0.02 cm

Cm = 0.015 g/cm²

Spektar reflektivnosti i transmitanse na standardnom listu.


1. Fizička osnova1.1 Opseg talasnih dužina1.2 Energija fotona1.3 Ukupno sunčevo zračenje, Balans zračenja u atmosferi

2. Uticaj sunčevog zračenja na biljke1.2.1 Biološka efikasnostUV zračenja1.2.2. Fotosintetski aktivno zračenje



Daljinska detekcija (Remote sensing) vegetacije

Fizički principi

• Fluorescencija

• Termalna emisija

• Refleksija

Postoji kompeticija između

• Fotohemijskih procesa,

• Nefotohemijskih procesa i

• fluorescencije.

Fluorescencija hlorofila

Signal suncem-indukovane fluorescencije je preslab da bi se uočio pomoću dnevnih satelitskih senzora zbog S/N-problema.

Termalna radijacija: Temperatura lista

Neto zračenje, Rn

Promena u temp. lista, P

Metabolička toplota, M

Osetna toplota, HS

Latentna toplota, HL

Ravnoteža Rn + HS + HL + M + P = 0

Razlika u temperature između vazduha I lista

TranspiracijaTemperatura lista

Chieri Kubota

Remote sensing vegetacije:

Emitovanje toplote

Suša vodi zatvaranju stoma

Zatvaranje stoma vodi

smanjenju transpiracije lista

Smanjena transpiracija lista

vodi višoj temperaturi lista

Remote sensing vegetacije:

Emitovanje toplote

Voda isparava sa površine

lista i kroz stome

Voda prolazi kroz biljku

Biljka vodu apsorbuje korenovim sistemom.

Detekcija stresa izazvanog sušom kod biljaka merenjem temperature lista

Biljka izložena suši

Zalivana biljka

Remote sensing vegetacije: Emitovanje toplote

Temperatura parking mestaAlte Donau, Beč

Površinska temperatura

Stara zgrada sa krovom prekrivenim biljkama

(0C)

Termalna fotografija

Schlesinger Platz

10.6.2008, 1300 MEZ

Temperatura na lokacijama označenim plavim krstićima : Max: 50,12°C (Beton, potpuno osvetljeno

P02: 30,07°C (Krošnja drveta),

P03: 28,58°C (Trava, senka)

P04: 31,49°C (Trava, potpuno osvetljeno),

P05: 39,03°C (Betonski zid, potpuno osvetljeno)

P06: 45,52°C (Beton, potpuno osvetljeno)

INDEX VODNOG STRESA BILJKE(CWSI)

CWSI = (dT - dTl) / (dTu - dTl) (2)

Gde je,

dT je mera razlike između temperature nadzemnog dela biljke i vazduha,dTu gornja granica nadzemnog dela biljke minus temperatura vazduha (ne-transpirišuća

biljka), idTl je donja granica nadzemnog dela biljke minus temperatura vazduha (obilno-zalivana

biljka).

CWSI vrednost 0 ukazuje da ne postoji vodni deficit, a vrednost 1 predstavlja maksimalni vodni stres. Vodni stres biljke koji ukazuje na potrebu za navodnjavanjem je karakterističan za vrstu i obuhvata činioce kao što su uticaj vodnog stresa na prinos, cenu date vrste i takođe vode. Reginato i Howe (1985) su pokazali da prinos pamuka pokazuje prve znake opadanja kada je prosečan CWSI tokom sezone veći od 0.2.

Detekcija VODNOG STRESA

Remote sensing vegetacije: Emitovanje toplote

Remote sensing vegetacije: Spektralna refleksija


Spektralna refleksija vegetacije

pigmenti Ćelijska struktura Sadržaj vode

Talasna dužina[µm]


prososa/ beznavodnjavanja


prososa/ beznavodnjavanja


Normalizovani diferencni vegetacioni indeks – NDVI

Dao je mogućnost procene primarne produkcije biomase različitih biljnih vrsta,

monitoring fenologije i odredjivanje dužine vegetacije i sušnih peroioda.

Jensen (2007)

Jensen (2007)


Jensen, 2007

Infracrveni indeks II koji uključuje infracrveni deo spektra osetljiv je na promene

Biomase i vodni stres.

Svaki piksel poseduje

kontinualni spektar koji

može

Biti korišćen za detekciju

materijala na tlu.

Slike se prave simultano

u do 200 spektralnih

linija.

Central waveband Spectral bandwidth Spatial resolution Purpose

443490560

Spektralna analiza Sentinel-2 senzora

SIMULACIJE MONITORINGA OBLAKA POMOĆU KAMERE „RIBLJE OKO“

HVALA NA PAŽNJI!!

Documents

INTERAKCIJA IZMEĐU SUNČEVOG ZRAČENJA I VEGETACIJE · 2017. 12. 17. · Daljinska detekcija (Remote sensing)vegetacije Fizički principi • Fluorescencija • Termalna emisija