Abweichung zwischen Blatt- und Lufttemperatur

Es ist eine alltägliche Erfahrung, dass unter Sonneneinstrahlung die Oberflächentemperaturen von sonst ungeheizten Objekten von der aktuellen Lufttemperatur abweichen (ΔT). Vereinfacht kann dieses Phänomen auf drei Hauptkomponenten heruntergebrochen werden (für eine detailliertere Erläuterung werfen sie bitte einen Blick in unseren aktuellen Produktkatalog, Seite 14f) :
1. Unterschiedlicher Energieeintrag (spezifische Absorptionseigenschaften gegenüber elektromagnetischer Strahlung)
2. Unterschiedliche Wärmekapazität (spezifische Kapazität Wärmeenergie zu speichern)
3. Unterschiedlicher Energieaustrag (spezifische Abstrahlungseigenschaften, Konvektionsparameter, latenter Wärmefluss via Transpirationskühlung)

Relevanz und Anwendungsgebiete

Für das Wachstum grüner Pflanzen spielen Blätter, als zentrale Organe des Energiestoffwechsels (photosynthetische Umformung von Lichtenergie in chemische Energie), eine entscheidende Rolle. Um diese Funktion erfüllen zu können, müssen Blätter an exponierten Stellen des Pflanzenkörpers positioniert sein. Sie sind daher den klimatischen Bedingungen unmittelbar ausgesetzt. Tageszeitliche Temperaturschwankungen von einigen zig °C sind dabei keine Seltenheit (Abb. 1, Mitte). Von besonderer physiologischer Relevanz sind hierbei Extremwerte (Kälte-/Hitzestress), welche zum Absterben von Blattgewebe führen können. Aufgrund der extremen Folgen sind solche Temperaturgrenzwerte und deren Überschreitung aus ökologischer Perspektive als auch von Seiten der Pflanzenproduktion von größtem Interesse. Jedoch auch innerhalb der letalen Grenzen hängen sämtliche physiologische Prozesse, wie chemische Reaktionen im Allgemeinen, von der Temperatur ab (vgl. Arrhenius-Gleichung). Die Blatttemperatur fließt daher als wichtiger Parameter in eine große Anzahl pflanzenökologischer und -physiologischer Modelle ein. Mangels verfügbarer Blatttemperaturdaten bildet jedoch häufig lediglich die Lufttemperatur zusammen mit anderen Klimadaten die Basis dieser Modelle. Die Vernachlässigung von Eingangsparametern, oder die simple Verwendung von Standardwerten für die Modellierung der Blattenergiebilanz (physikalischen Eigenschaften des Blattes, Transpirationsrate, etc.) können dabei zu erheblichen Unter- oder Überschätzungen der tatsächlichen Blattemperatur (vgl. Tair und ΔT in Abb.1, Oben u Mitte) und somit zu einer großen Unsicherheit in nachgeschalteten Modellberechnungen führen.
Kenntnisse über die aktuelle Blatttemperatur, sowie die Ermittlung von letalen Temperaturgrenzwerten auf Basis der effektiven Blatttemperatur wären daher für folgende Anwendungsbereiche äußerst nützlich:

Pflanzliche Produktion

  • Risikobewertung
  • Pflanzenschutz

Ökologische Forschung

  • Artenverbreitungsmodelle,
  • Wasserhaushaltsmodelle
  • Klimamodelle (auch Mikroklimamodelle für Bestandessituationen sowie im Städtebau),
  • Modellierung der stomatären Leitfähigkeit: O3-Aufnahme, 13C und 18O Isotopen-Signale in Pflanzenbiomasse


Abb. 1:Gegenüberstellung der Temperaturdifferenz zwischen Blattoberfläche und umgebender Luft (ΔT), Lufttemperatur (Tair) und Sonneneinstrahlung (PPFD).
Oben: Tageszeitliche Schwankungen der Temperaturdifferenz zwischen Blattoberfläche und Umgebungsluft (ΔT, gemessen mittels eines ΔLA-B Sensors) eines sonnenexponierten Blattes einer Altbuche auf der Forschungsfläche “Kranzberger Forst” der TU München.
Mitte: Tageszeitliche Schwankungen der Lufttemperatur (Tair) auf Kronenhöhe (27m Höhe)
Unten: Tageszeitliche Schwankungen der Sonneneinstrahlungsintensität, angegeben in photosynthetisch aktiver Photonenflussdichte (PPFD)
Erläuterung: Gelb hervorgehoben sind zwei Zeiträume in denen ersichtlich wird, dass weder Lufttemperatur- noch Strahlungsdaten alleine eine hinreichende Datengrundlage zur Ableitung der Blatttemperatur liefern
1. Lufttemperaturen an zwei aufeinander folgenden Tagen gleich, Blatt-zu-Luft Temperaturdifferenz unterschiedlich.
2. Lufttemperaturen an drei aufeinanderfolgenden Tagen unterschiedlich, Blatt-zu-Luft Temperaturdifferenz ähnlich.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist dabei die häufig unbekannte Blatttranspirationsrate (für eine detailliertere Erläuterung werfen sie bitte einen Blick in unseren Produktkatalog, Seite 14f).

Messprinzip der ΔLA Sensoren

Die Lufttemperatur (Tair) ist eine der zentralen klimatischen Messgrößen, bestehende Messmethoden sind verlässlich und erschwinglich. Die Verfügbarkeit von Lufttemperaturdaten ist daher flächendeckend ausgesprochen hoch. Nichtsdestotrotz kann die Lufttemperatur nicht ohne Weiteres als Ersatz für fehlende Blatttemperaturdaten eingesetzt werden (vgl. Erläuterungen oben). Kennt man jedoch die Temperaturdifferenz zwischen Blatt und umgebende Luft (ΔT Leaf-to-Air, in kurz ΔLA) ergibt sich die aktuelle Blatttemperatur (Tleaf) lediglich aus der Summe von ΔT und Tair.
Thermoelemente sind elektronische Bauteile zur präzisen Messung von Temperaturunterschieden. Die durch den Temperaturunterschied induzierte Thermospannung eines Elements ist dabei jedoch äußerst gering. Messungen kleiner Temperaturdifferenzen würden so also zu einer sehr geringen Messauflösung und einem schlechten Verhältnis zwischen Signalstärke und dem bei jeder Messung unvermeidlichen Hintergrundrauschen führen.
Um auch im Falle sehr kleiner Temperaturdifferenzen hochaufgelöste Messungen zu ermöglichen, erfassen die ΔLA Sensoren daher dass additive Thermosignal einer sehr dünnen Kette (10-fach) von Thermoelementen.

Besonderheiten

  • Das additive Signal der Thermoelementkette ist stark genug für eine direkte Aufzeichnung mit den meisten gängigen Datenloggern. Ohne Notwendigkeit einer elektronischen oder softwarebasierten Nachverstärkung des Signals wird so das beste Verhältnis zwischen Signalstärke und Hintergrundrauschen erreicht.
  • Eine hohe Anzahl von räumlich verteilten Messpunkten steht in direktem Berührungskontakt mit dem Blatt und bildet daher ein repräsentatives Temperatursignal der gesamten Blattfläche ab.
  • Obwohl ein Großteil des Blattes erfasst werden kann sind, aufgrund seines gezielt leichten Aufbaus, zusätzliche Gewichtsbelastung sowie Beschattung durch den Sensor vernachlässigbar.
  • Die vernachlässigbar geringe Wärmekapazität der dünnen Thermoelemente ermöglicht zeitlich hochaufgelöste Messungen, auch unter klimatisch instabilen Bedingungen.
  • Das direkte Messprinzip des ΔLA Sensors unterliegt nicht den Fehlerquellen wie sie beispielsweise bei optischen Messverfahren eine Rolle spielen können (z.B. blattspezifische Abstrahlungseigenschaften).

ΔLA Blatttemperatursensoren
Oben: Typ ΔLA-B an Hasel
Unten: Typ ΔLA-C an Fichte