Lo studio della struttura della turbolenza sopra e all'interno di coperture vegetali è un problema di particolare interesse, oggetto di molti studi nel corso degli ultimi anni. La generazione della turbolenza in una copertura vegetale è un processo complesso che presenta caratteristiche differenti non solo rispetto ai processi su terreno piatto e uniforme ma anche rispetto al boundary layer ben al di sopra della canopy. Si stima che l'effetto della presenza della canopy possa essere sentito dal terreno fino a 2-3 volte la sua altezza, tale strato è noto come roughness sublayer. Oltre alle tipiche sorgenti di turbolenza, come shear del vento e buoyancy, ogni elemento della canopy rappresenta una sorgente di turbolenza a causa della sua interazione con il flusso; questo porta alla generazione di uno shear layer separato e di wakes. La turbolenza generata da wakes ha scale confrontabili con le dimensioni degli elementi della canopy, come foglie, rami, tronchi. Come conseguenza, la turbolenza è caratterizzata da una molteplicità di scale e da vari meccanismi di produzione, e pertanto, i flussi turbolenti all'interno e sopra una canopy vegetale esibiscono un'alta variabilità nello spazio e nel tempo che rende particolarmente difficile la loro parametrizzazione. Per molto tempo lo studio dei flussi turbolenti entro e sopra una copertura vegetale è stato basato sulla relazione flusso-gradiente. Questa teoria ha contribuito a comprendere i profili di velocità del vento medio entro e sopra la canopy. I risultati ottenuti non sempre si accordano con le osservazioni sperimentali: si possono infatti verificare flussi contro gradiente che ne rendono inadeguato l'uso. Vari tentativi sono stati fatti per modificare questa teoria, ricorrendo a tecniche di chiusura di ordine più alto o a modelli Lagrangiani, ma purtroppo nessuna di esse ha dato ancora risultati pienamente soddisfacenti. Studi sperimentali su vari tipi di canopies sia naturali che artificiali hanno evidenziato che le strutture coerenti intermittenti sono un'importante caratteristica della turbolenza in canopy; queste strutture coerenti sono caratterizzate da scale di lunghezza dell'ordine dell'altezza della canopy e svolgono un ruolo dominante nel trasferimento, tra la vegetazione e l'atmosfera, di momento, calore, vapore acqueo, CO2. Le strutture coerenti si manifestano come allontanamenti intermittenti dalla media e di larga ampiezza nelle serie temporali di variabili turbolente. La loro presenza, che è stata osservata su numerosi tipi di canopies, rivela l'esistenza di cicli ejection-sweep. Un altro parametro che influenza gli studi della turbolenza in canopy è la stabilità statica. Si nota, infatti, che non sempre ci sono le stesse condizioni di stabilità dentro e fuori la canopy, soprattutto nel caso di foreste alte. Durante il giorno le condizioni sono fortemente stabili nella canopy più bassa e instabili nella parte superiore della canopy, in quanto il riscaldamento solare è concentrato nella zona della corona. Nel corso della notte, invece, la situazione risulta invertita con condizioni instabili nell'interno della canopy e stabili nella parte superiore. In realtà, è stato mostrato che, durante il giorno non si hanno particolari conseguenze dovute al contrasto di stabilità; il flusso all'interno della canopy è governato principalmente dalle caratteristiche del flusso sopra la canopy con una forte intrusione di aria più fredda dalla canopy superiore all'interno. Questa intrusione è dovuta al passaggio di strutture coerenti, responsabili, quindi, dell'accoppiamento dei flussi d'aria all'interno e sopra la canopy. Di notte, la situazione è diversa in quanto le condizioni di stabilità nella canopy superiore sopprimono i moti e il trasporto verticale, provocando la scomparsa delle strutture coerenti e determinando così un disaccoppiamento tra i due flussi d'aria. Le osservazioni effettuate su numerosi tipi di canopies hanno fornito una visione 'universale' della turbolenza in canopy, rendendo abbastanza chiaro l'effetto di queste strutture turbolente su processi di trasferimento di momento e scalari. Ancora, però, non sono stati compresi la natura , la geometria e la dinamica di queste strutture. Solo attraverso una adeguata analisi di questi moti coerenti si riuscirà a capire il loro ruolo sui processi di trasporto turbolento. Il problema è riuscire a isolare questi moti dalla turbolenza di fondo. Si è ancora alla ricerca di tecniche adatte ad una migliore comprensione e descrizione della struttura della turbolenza in canopy. Una delle tecniche che può essere utilizzata con successo è l'analisi spettrale. Questa tecnica, esaminando il ruolo dei contributi di varia frequenza alle serie temporali, conferma l'importante contributo di moti a larga scala al trasferimento di energia e di massa. Inoltre, conferma la presenza degli elementi secondari della canopy come fattori di produzione di energia turbolenta. Per quel che riguarda l'individuazione delle strutture coerenti risulta particolarmente utile l'analisi wavelet. Grazie alla sue proprietà di localizzazione nello spazio e in frequenza, risulta particolarmente adatta, in questo ambito, in combinazione con la tecnica di analisi in quadranti, per valutare il peso relativo di ejections e sweeps forzate dalla turbolenza nonché il contributo dei moti coerenti al flusso di momento e di calore.
Studio della struttura della turbolenza all'interno di una canopy vegetale
Cava D;
2000
Abstract
Lo studio della struttura della turbolenza sopra e all'interno di coperture vegetali è un problema di particolare interesse, oggetto di molti studi nel corso degli ultimi anni. La generazione della turbolenza in una copertura vegetale è un processo complesso che presenta caratteristiche differenti non solo rispetto ai processi su terreno piatto e uniforme ma anche rispetto al boundary layer ben al di sopra della canopy. Si stima che l'effetto della presenza della canopy possa essere sentito dal terreno fino a 2-3 volte la sua altezza, tale strato è noto come roughness sublayer. Oltre alle tipiche sorgenti di turbolenza, come shear del vento e buoyancy, ogni elemento della canopy rappresenta una sorgente di turbolenza a causa della sua interazione con il flusso; questo porta alla generazione di uno shear layer separato e di wakes. La turbolenza generata da wakes ha scale confrontabili con le dimensioni degli elementi della canopy, come foglie, rami, tronchi. Come conseguenza, la turbolenza è caratterizzata da una molteplicità di scale e da vari meccanismi di produzione, e pertanto, i flussi turbolenti all'interno e sopra una canopy vegetale esibiscono un'alta variabilità nello spazio e nel tempo che rende particolarmente difficile la loro parametrizzazione. Per molto tempo lo studio dei flussi turbolenti entro e sopra una copertura vegetale è stato basato sulla relazione flusso-gradiente. Questa teoria ha contribuito a comprendere i profili di velocità del vento medio entro e sopra la canopy. I risultati ottenuti non sempre si accordano con le osservazioni sperimentali: si possono infatti verificare flussi contro gradiente che ne rendono inadeguato l'uso. Vari tentativi sono stati fatti per modificare questa teoria, ricorrendo a tecniche di chiusura di ordine più alto o a modelli Lagrangiani, ma purtroppo nessuna di esse ha dato ancora risultati pienamente soddisfacenti. Studi sperimentali su vari tipi di canopies sia naturali che artificiali hanno evidenziato che le strutture coerenti intermittenti sono un'importante caratteristica della turbolenza in canopy; queste strutture coerenti sono caratterizzate da scale di lunghezza dell'ordine dell'altezza della canopy e svolgono un ruolo dominante nel trasferimento, tra la vegetazione e l'atmosfera, di momento, calore, vapore acqueo, CO2. Le strutture coerenti si manifestano come allontanamenti intermittenti dalla media e di larga ampiezza nelle serie temporali di variabili turbolente. La loro presenza, che è stata osservata su numerosi tipi di canopies, rivela l'esistenza di cicli ejection-sweep. Un altro parametro che influenza gli studi della turbolenza in canopy è la stabilità statica. Si nota, infatti, che non sempre ci sono le stesse condizioni di stabilità dentro e fuori la canopy, soprattutto nel caso di foreste alte. Durante il giorno le condizioni sono fortemente stabili nella canopy più bassa e instabili nella parte superiore della canopy, in quanto il riscaldamento solare è concentrato nella zona della corona. Nel corso della notte, invece, la situazione risulta invertita con condizioni instabili nell'interno della canopy e stabili nella parte superiore. In realtà, è stato mostrato che, durante il giorno non si hanno particolari conseguenze dovute al contrasto di stabilità; il flusso all'interno della canopy è governato principalmente dalle caratteristiche del flusso sopra la canopy con una forte intrusione di aria più fredda dalla canopy superiore all'interno. Questa intrusione è dovuta al passaggio di strutture coerenti, responsabili, quindi, dell'accoppiamento dei flussi d'aria all'interno e sopra la canopy. Di notte, la situazione è diversa in quanto le condizioni di stabilità nella canopy superiore sopprimono i moti e il trasporto verticale, provocando la scomparsa delle strutture coerenti e determinando così un disaccoppiamento tra i due flussi d'aria. Le osservazioni effettuate su numerosi tipi di canopies hanno fornito una visione 'universale' della turbolenza in canopy, rendendo abbastanza chiaro l'effetto di queste strutture turbolente su processi di trasferimento di momento e scalari. Ancora, però, non sono stati compresi la natura , la geometria e la dinamica di queste strutture. Solo attraverso una adeguata analisi di questi moti coerenti si riuscirà a capire il loro ruolo sui processi di trasporto turbolento. Il problema è riuscire a isolare questi moti dalla turbolenza di fondo. Si è ancora alla ricerca di tecniche adatte ad una migliore comprensione e descrizione della struttura della turbolenza in canopy. Una delle tecniche che può essere utilizzata con successo è l'analisi spettrale. Questa tecnica, esaminando il ruolo dei contributi di varia frequenza alle serie temporali, conferma l'importante contributo di moti a larga scala al trasferimento di energia e di massa. Inoltre, conferma la presenza degli elementi secondari della canopy come fattori di produzione di energia turbolenta. Per quel che riguarda l'individuazione delle strutture coerenti risulta particolarmente utile l'analisi wavelet. Grazie alla sue proprietà di localizzazione nello spazio e in frequenza, risulta particolarmente adatta, in questo ambito, in combinazione con la tecnica di analisi in quadranti, per valutare il peso relativo di ejections e sweeps forzate dalla turbolenza nonché il contributo dei moti coerenti al flusso di momento e di calore.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
