Den evapotranspiration ( ET ) er den mængde vand, der overføres til atmosfæren ved fordampning på jordoverfladen og på niveau med aflytning af nedbør , og planten transpiration . Det er defineret af overførslerne til atmosfæren af vand fra jorden, vand opfanget af baldakinen og vandområder . Transpiration er defineret af overførsler af vand til planten og tab af vanddamp på niveauet af bladets stomata .
Begrebet evapotranspiration og dets foranstaltninger dukkede op i 1950'erne ; det er vigtigt for at forklare og kvantificere vandoverførsler i økosystemer , til beregning af vandbehovet i skove, landbrugsafgrøder og mere generelt til forvaltning af vand i naturlige eller semi-naturlige vegeterede områder eller til at estimere vigtigheden af bymæssige varmebobler eller konsekvenser af en ændring i vegetation af et miljø.
Fordampning af vand er den gradvise overgang fra flydende tilstand til gasform . Dette fænomen er derfor en progressiv fordampning . Når der er et frit volumen over en væske, er en brøkdel af molekylerne, der udgør væsken, i gasform. Ved ligevægt definerer mængden af stof i gasform det mættede damptryk, der afhænger af temperaturen . Når dampens partialtryk i gassen er lavere end det mættede damptryk, og sidstnævnte er lavere end det samlede omgivende tryk, går en del af molekylerne fra den flydende fase til gasfasen: dette er fordampningen, som kræver tilførsel af den tilsvarende latente varme, som afkøler væsken.
Den aflytning af nedbør af vegetation refererer til den proces, hvorved meteorit farvande er fanget og opbevares af blade og grene, hvilket aldrig nå overfladen af jorden. Aflytning begrænser genopladningen af jordens vandressource, vandet, der opfanges af bladene, fordampes direkte.
Svært at vurdere, det varierer enormt i rummet, hovedsageligt alt efter plantearter og vejrforhold. Meget mange, de vigtigste faktorer, der styrer vegetationens kapacitet til at opfange og opbevare vand, vedrører løvet (form, størrelse, ruhed, turgiditet, orientering, henfald, alder, tæthed, bladarealindeks osv.).
For skovdækning varierer aflytningshastigheden generelt fra 15 til 35% for løvfældende træer og fra 25 til 50% for nåletræer (generelt højere sats, hvilket forklares med deres stedsegrønne løv, der fanger efterårs-vinter nedbør.). Denne hastighed er mindre kvantificeret for arter i det urteagtige lag . Deres lavere samlede bladareal forklarer lavere satser end skovdækning : Fougère-Aigle opfanger 12% af de indfaldende regn, græsdækket 4 til 5%.
I planter er transpiration den kontinuerlige proces forårsaget af fordampning af vand fra bladene og den tilsvarende optagelse fra rødderne i jorden . Sværing er den vigtigste motor i cirkulationen af saft og forekommer hovedsageligt i stomata . Reguleringen af deres åbning påvirker derfor direkte svedens intensitet.
Transpirations rolle i planter er mangfoldig: det er motoren til cirkulation af rå saft i xylemet , det fremmer til en vis grad afkøling af planter og det tillader overførsel af mineralsalte til de steder, hvor planten har behov, hovedsageligt i bladene, der er sæde for fotosyntese .
Den samlede mængde vand, der frigives til atmosfæren ved transpirering af planter, er enorm (mere end den årlige strøm af Amazonas i Brasilien kun for Amazonas . Som en illustration kan et stort egetræ fordampe 1.000 liter vand om dagen ( et ton), men i gennemsnit fordamper en birk pr. solskinsdag dagligt 75 liter vand, en bøg 100 liter, et lindetræ 200 liter. En hektar bøg afviser ca. 250 mm vand. vand i vækstsæsonen og en hektar tropisk regnskov fordamper meget mere (1.530 mm på nogle undersøgelser i Guyana). Dette forklarer den rolle, som store planteformationer, især skove, spiller på vandets cyklus , på det regionale og globale klima og deres handling som naturlig klimaanlæg.
Transpiratorisk kald er en af motorerne til cirkulationen af den rå saft (der er også det radikulære skub ). Under fotosyntese åbner stomataen sig for at lade CO 2 komme ind . Opløsningen af bladene bringes derefter i kontakt med udeluften. Forskellen mellem det atmosfæriske vandpotentiale og bladernes inducerer vandets udgang (til stede i bladene) til atmosfæren. Det relative tryk i xylem falder og bliver lavere end atmosfærisk tryk. Xylem er derefter under spænding, hvilket tillader stigning af den rå saft.
Mange fysiske, biologiske og meteorologiske faktorer påvirker fordampning, herunder:
Evapotranspiration repræsenterer kun en lille del af den globale vandcyklus (dette fordampede vand repræsenterer 0,04% af vandet i hydrosfæren ), men det er dette, der sikrer overførsel af vand fra jorden og fra vegetation til atmosfæren. Hvis atmosfæren er et lille vandreservoir sammenlignet med havene, giver dets store mobilitet og dens permanente udveksling med oceaniske og jordbaserede reservoirer det en grundlæggende rolle i vandcyklussen.
Fordampning finder hovedsageligt sted over oceaner (85%), hvor energi fra solstråling omdanner flydende vand til damp. Havet fordamper mere vand end det modtager i form af nedbør. Dette underskud på ca. 10% findes på kontinenterne i form af et overskud af nedbør sammenlignet med fordampning. Transpiration er langt den største strøm af vand fra den terrestriske biosfære (64%, dvs. 80 til 90% af den jordbaserede fordampning) før afbrydelse af nedbør (27%), fordampning fra jord (6%) og fordampning fra åbne vandoverflader ( 3% hovedsageligt fra oceaner, have, floder og søer), disse gennemsnitlige data varierer afhængigt af klimaet.
I et flertal af bassinerne er vandtab ved fordampningstransaktion den vigtigste del af vandbalancen. I kontinentale områder ville mere end 60% af nedbøren således blive spredt ved fordampning.
Potentiel og faktisk fordampningstranspiration varierer betydeligt mellem økosystemer og undertiden alt efter årstider, inklusive i
Alle planter har brug for vand. Nogle fordamper meget, andre lidt. I biologisk teknik udnyttes denne ejendom til at dræne vådt og sumpet land ved at plante popler eller pil i tempererede klimaer. Nogle semi-vandplanter, kaldet palustrin eller hydrofytter , fordamper meget i løbet af deres vækstperiode. Andre akkumulerer vand i deres væv, evapotranspiration kan derefter delvist forskydes i tid; Disse er for eksempel tørvemos af moser .
I tropiske klimaer bruger vi planter, der fordamper lidt, og som danner en hvælving med deres grene (palmer) for at være i stand til at dyrke planter ved deres fod, som ville vise sig mere, hvis de var i fuld sol, appelsintræer, citrontræer, grøntsager., duftende planter. På denne måde oprettes et mikroklima, der er gunstigt for dyrkede planter, kunstigt under palmerne .
Som med måling af nedbør (regn, sne osv.) Er måleenheden for evapotranspiration millimeter vanddybde. 1 mm svarer til 1 liter vand pr. Kvadratmeter eller 10 kubikmeter pr. Hektar . For at give en størrelsesorden kan evapotranspiration nå 4 til 6 mm / dag midt om sommeren i den europæiske tempererede zone og 6 til 8 mm / dag i Middelhavsområdet.
Flere yderligere koncepter er blevet tilføjet for at forfine estimaterne af fordampning. Disse begreber har variable definitioner ifølge forfatterne.
Begrebet " potentiel evapotranspiration " (ET p ) er almindeligt imod "reel evapotranspiration" (ET eller ET r , engelsk: faktisk evapotranspiration ET a ).
Faktisk evapotranspiration henviser til den nøjagtige mængde vand, der fordampes af faktisk vegetationsdækning. Det er data, der er umulige at måle på skalaen af et plot eller en region.
I modsætning hertil er potentiel fordampning en værdi beregnet ved hjælp af matematiske formler. ET p er således genstand for forskellige definitioner afhængigt af forfatterne og de anvendte beregningsmetoder. Denne forestilling om potentielt vandforbrug blev introduceret af Thornthwaite i 1948 og derefter taget op af Howard Penman i sin beregningsformel (1948).
I 1956 definerede Penman (1956) ET p som: "fordampning fra en tilstrækkelig omfattende kort græsplæne, i god stand og passende forsynet med vand". Afhængig af forfatterne og metoderne er forskellige meteorologiske, fysiske eller biologiske parametre inkluderet eller ikke i definitionen af ET p : for eksempel plantearterne, konstanten af energistrømme, åbningen af stomataen , den konstante relative fugtighed .. .
Disse to begreber ET r og ET p er nyttige og nødvendige til undersøgelse vandcirkulationen balancer og især til bestemmelse af vandbehov afgrøder eller beregningen af den "oase effekt" af en zone, hvor fordampning er større. Vigtigt (som kan være en urban areal). Planter i tørre miljøer kan i høj grad reducere deres fordampning, når de mangler vand. Planter i regnfulde tropisk-ækvatoriale områder kan generelt ikke.
Reference evapotranspiration (ET o ) er et begreb, der anvendes i forskellige estimeringsmetoder. Det er en værdi for en valgt vegetation under reelle vandforhold, hvorefter man kan udlede evapotranspirationen til andet vegetationsdækning. Denne praktiske anvendelse af en referenceafgrøde er knyttet til den lave variation i potentiel evapotranspiration i henhold til de forskellige planter under de samme klimatiske forhold.
Afhængigt af klimaet og estimeringsmetoderne kan enhver planteart bruges som reference. Typisk er referenceplanterne græs ( torv ) eller dyrket lucerne ( lucerne ) med lav højde på grund af beregningsmetoder, der generelt er udviklet til landbrugsformål.
Maksimal evapotranspiration (ET m ) den maksimale værdi af evapotranspiration af en given afgrøde på et vegetativt stadium under givne klimatiske forhold taget i betragtning af ET 0 . Det er en korrektion af ET 0 i henhold til vegetationsdækningen. ET m = K c x ET 0 , hvor K c er afgrødekoefficienten. For at bestemme afgrødekoefficienten foreslår Christian de Pescara følgende metode: det er nødvendigt at føre afgrøden til ET m, som kan bestemmes ved hjælp af et apparat, der beregner ET 0 over plottet eller ved hjælp af et lysimeter . Så har vi ET r max = ET m, og vi beregner: K c = ET r max / ET 0 . Således kan vi kalibrere afgrødekoefficienterne K c .
Ud over nedbør er fordampning en vigtig parameter i bioklimatiske studier og i visse konsekvensundersøgelser.
Det er let for forskere at måle fordampningen af en plante eller en lille bevokset overflade (under anvendelse af en potometer eller en bærbar transpiration kammer for eksempel), men det bliver svært at målestok af en træ , skov , reed seng , afgrøde plaster eller geografisk region . Det ville også ideelt set være nødvendigt at tage højde for den mere eller mindre vigtige kraft til aflytning af regn og andre meteoritiske farvande (tåger, dug, sne, frost ...). Vi bruger derefter empiriske metoder eller modellering.
Der er etableret et stort antal teoretiske eller empiriske evalueringsmetoder siden midten XX th århundrede af videnskabsfolk (ofte med lokale kalibrering problemer med at foretage nogle gyldige i andre regioner). Specialister skelner ofte mellem tre forskellige tilgange:
Disse modeller skal altid bruges med forsigtighed og under hensyntagen til deres metodologiske begrænsninger, især med hensyn til skovbrug og tropisk bioklimatologi .
Globalt fjerner fordampning fra verdenshavet et stykke vand på 1.200 mm hvert år og leverer 430.000 km 3 vand til atmosfæren, mens denne proces over kontinenterne (især over søer) kun giver 75.000 km 3 .
Evapotranspiration kan omtrent tilnærmes ved målinger foretaget med en fordampningskande fyldt med vand (kaldet panfordampning af engelsktalende). I mangel af regn antages variationen i vandniveauet i tanken at være proportional med fordampningstranspiration, fordi vandet i tanken er underlagt de samme klimatiske forhold som planterne og jorden: (sol) stråling , vind, temperatur og fugtighed.
Denne enkle relation er formuleret af:
Imidlertid adskiller mange faktorer tankens fordampningsforhold og fordampning af jord og planter (tankens kapacitet til at lagre varme, luftturbulens osv.). Disse divergerende aspekter tages i betragtning ved opsætning af beholderne (størrelse og form på beholderen, valg af farve og materialer osv.) Og ved mere komplekse korrektionskoefficienter (defineret af klimatiske og geografiske faktorer). Ifølge FAO vil fordampningsmetoden give "acceptable" skøn med en relevant placering af skraldespandene og for skøn over perioder, der er længere end 10 dage. Ifølge ASCE-undersøgelser er bin-metoden generelt fundet at være "uregelmæssig og inkonsekvent" sammenlignet med andre beregningsmetoder.
Modellering af Penman og MonteithPenman-Monteith-modellering bruges i vid udstrækning og betragtes som FAO's "bedste resultater og mindste fejl" -model med "nøjagtige og konsistente" resultater for tempererede, fugtige og tørre klimaer. Med denne model betragtes plantedækslet som en homogen helhed, og evapotranspirationen betragtes som "lodret" som en række modstandsregler og reguleringer, der forhindrer vand i at fordampe: jordens modstand, rødder, bladstomat, baldakin osv.
Den komplekse formel Penman-Monteith (1965) indeholder mange parametre, som enten kan måles eller beregnes ud fra meteorologiske og agronomiske data . De anvendte meteorologiske data inkluderer for eksempel variationer i temperatur, fugtighed og atmosfærisk tryk, breddegrad, højde, solskinsvarighed og vindstyrken. De agronomiske parametre inkluderer albedo og plantens stomatale ledningsevne, plantens højde, jordtype osv.
Med for parametre:
OG p : Potentiel fordampning (tilgængelighed af vand i jord og planter) Δ: Variation af fugtighedsmætning efter lufttemperatur. (Pa⋅K −1 ) R n : net irradians (W⋅m -2 ) af strømmen af eksterne energikilder c p : Luftens termiske kapacitet (J⋅kg −1 ⋅K −1 ) ρ a : Tørhed af tør luft (kg⋅m −3 ) δ e : damptrykunderskud eller specifik luftfugtighed (Pa) g a : Hydraulisk ledningsevne for luft (m⋅s −1 ) g s : Konduktivitet af stomata (m⋅s −1 ) γ : psykrometrisk konstant ( γ ≈ 66 Pa⋅K -1 ) Modellering af vandtilgængelighedDen faktiske evapotranspiration (ET) beregnes derefter ud fra måling af tilgængeligheden af vand i jorden og rødderne. Denne tilgængelighed måles på baggrund af jordfugtighed og jordens og røddernes fysiske egenskaber - ellers beregnet ud fra en model af vandreserver (beregning af infiltration, afstrømning og perkolering i henhold til nedbør).
Sammenlignet med beregningen af energibalancer (se næste afsnit) gør denne beregningsmetode det muligt at specificere fordampningstranspiration over korte perioder (varighed mindre end 1 time); men modellering pålægger komplekse og dyre målinger for at bestemme de fysiske parametre. Ligeledes indebærer små fejl i vurderingen af vandtilgængelighed i jorden store fejl i estimatet af den faktiske fordampning.
Baseline og afgrøde evapotranspiration beregningFordampningstranspirationen af et specifikt vegetationsdække kan således beregnes direkte ud fra formler, der kombinerer Penman-Monteith-modellen og tilgængeligheden af vand. I praksis beregnes det generelt som en funktion af en referencekultur (ET o ).
Overvej en reference evapotranspiration (ET o ), for eksempel for et tilstrækkeligt hydreret plot af 12 cm højt græs beregnet med Pennman-Monteith formlen. Fra denne ETo beregnes derefter evapotranspirationen for en bestemt afgrøde (ET c ), for eksempel et hvedemark.
Med en forenklet formel afhænger ET c af en afgrødefaktor (K c ), der er knyttet til planter (plantearter, roddybde, væksttilstand osv.) Og af en stressfaktor (K s ), der er knyttet til landets specificiteter ( jordens sammensætning). jord, vandspænding, beskyttelse mod vind og fordampning, afstand til planter, hyppighed af vanding osv.). Denne beregning af AND c præsenteres ofte under den forenklede ligning:
Andre ligningerEvapotranspiration kan estimeres ud fra ligevandsvandligningen i et dræningsbassin (S):
Med:
Fordampning kan derfor beregnes ud fra den afledte formel:
Denne type modellering synes upræcis over en kort periode, men temmelig pålidelig over en lang periode, så længe nedbørsmålingerne er præcise.
Baseline målingerDen historiske måling er baseret på den lysimetriske metode. I praksis måles vandvariationerne på et lille referenceplot arrangeret i form af et bassin med et lysimeter . Denne måleenhed gør det muligt at måle (ved at veje) variationen af vand (ΔS) i bassinet (vand indeholdt i jorden og planterne). Lysimeteret gør det også muligt at samle og måle det drænede vand (D) mod kælderen. Afstrømningsvandet (Q) opsamles (f.eks. Med kanaler installeret ved kanten af bassinet), der skal måles. Nedbør (P) måles med en regnmåler .
Disse målinger gør det således muligt at bestemme fordampningstranspirationen af det afgrænsede bassin. Denne reference evapotranspiration (ET o ) gør det derefter muligt at estimere eller beregne fordampningen af et hvilket som helst plantedække, i større udstrækning eller af en anden plante art.
En anden metode anvendes, vandbalancen ved variationer i fugtighed i jorden.
Modellering af regn og strøm Atmosfærisk balanceDenne metode består i at tage et stykke atmosfærisk luft som reference over et plantedæksel. Evapotranspiration udledes ved at måle og sammenligne vandet indeholdt i denne referencezone.
Måling af turbulenskovarians er en almindelig metode til estimering med brug af forskellige måleinstrumenter: anemometer soniske tre retninger, hygrometer til krypton åbent felt ...
Andre balancerAndre metoder anvendes: energibalancen, sap flow-metoden, satellitdata.
I en fysisk tilgang betragtes omdannelse af vand til damp i henhold til dets energiske aspekter. Ved denne tilgang svarer evapotranspiration (ET) til strømmen af latent varme (LE) i følgende energibalansligning:
Med
Ved at forsømme ΔCO 2 (2-3% af energien) og ΔM kan formlen forenkles, og evapotranspiration estimeres derfor ud fra de målte og beregnede data for nettostråling og andre varmestrømme. I denne form kaldes denne tilgang også "Bowens forhold" (en metode, der er mindre pålidelig, da miljøet er tørt).
MarkmålingerPå skalaen af et lille vegetationsdække kan energiudvekslingen måles i marken med forskellige enheder: nettostrålingen måles med et pyrradiometer . Varmestrømmen i jorden måles med en fluxmåler . De fornuftige og latente varmestrømme beregnes ud fra forskellige målinger af omgivende og fugtig temperatur af placerede psykrometre .
SatellitmålingerPå regional skala kan energiudveksling måles af nogle satellitter til fjernmåling ; deres radiometre måler spektrale luminanser øverst i atmosfæren for forskellige bølgelængder (synlige, infrarøde, termiske infrarøde osv.), albedoer og overfladetemperaturer og vegetationsindekser. Disse data analyseres derefter ved forskellige metoder, såsom SEBAL (en) eller S-SEBI algoritmer.