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Soil-Atmosphere Coupling: Looking from within the Soil towards the Surface

Schenk, Gabriele Ulrike

German Title: Kopplung zwischen Boden und Atmosphäre: Ein Blick von innerhalb des Bodens an die Oberfläche

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Abstract

The soil-atmosphere interaction is a key control of the thermal and hydraulic regime of both compartments. The goal of this work was to analyze the potential of temperature profile measurements to extract details of the coupling processes, since they are influenced by the heat transfer itself and by an energy sink due to the evaporation of water. The surface is studied from two sides, the atmosphere and the soil. The former is accessible through remote sensing. The latter is difficult to observe, however. Hence, a method is developed to reconstruct the surface temperature from soil temperature profiles. Conduction is the dominant heat transport process in soils. Therefore, reconstructing the surface temperature means back-projecting a diffusion process which is a well-known, but ill-posed problem. It is solved through a weighted linear regression in Fourier space and its applicability is demonstrated for heat conduction and evaporation experiments in the laboratory. Deviations between data and model hint at further processes which are subsequently identified. Combining the measured and reconstructed temperatures with soil water content measurements allows the quantification of all surface energy components for the laboratory experiments. At the field scale, the temperature projection reveals a boundary layer between soil and atmosphere with distinct thermal properties. This results in an apparent decoupling of temperatures looking from above and from below the surface which highlights the challenge of quantifying the thermal dynamics of soils solely from remote sensing observations.

Translation of abstract (German)

Austauschprozesse an der Bodenoberfläche beeinflussen das thermische und hydraulische Regime im Boden und der bodennahen Atmosphäre entscheidend. Ziel dieser Arbeit ist es das Potential von Temperaturprofilmessungen zur Charakterisierung dieser Prozesse zu untersuchen, da sie direkt durch den Wärmetransport und den Energieentzug durch die Verdunstung von Wasser beeinflusst sind. Die Bodenoberfläche wird dafür von beiden Seiten betrachtet, aus der Atmosphäre und von innerhalb des Bodens. Ersteres kann mittels Fernerkundung erfolgen, letzteres ist durch Messungen aber kaum realisierbar. Daher wird hier eine Methode zur Rekonstruktion der Oberflächentemperatur aus Profilen der Bodentemperatur entwickelt. Wärmeleitung ist der dominante Transportprozess von Energie im Boden. Daher ist die Rekonstruktion gleichbedeutend mit der Rückprojektion eines Diffusionsprozesses, was ein bekannterweise mathematisch schlecht-gestelltes Problem ist. Die Lösung erfolgt mithilfe einer gewichteten linearen Regression im Fourier-Raum und ihre Anwendbarkeit wird für Wärmeleitungs- und Verdunstungsexperimente im Labor gezeigt. Abweichungen zwischen Messung und Rekonstruktion erlauben es, zusätzliche Prozesse im System zu identifizieren. Aus den gemessenen und rekonstruierten Temperaturen können darüber hinaus, in Kombination mit Wassergehaltsprofilen im Boden, die Energieflüsse an der Bodenoberfläche quantifiziert werden. Auf der Feldskala lässt sich aus der systematischen Abweichung zwischen der Projektion und den gemessenen Oberflächentemperaturen folgern, dass die Bodenoberfläche als separate Schicht mit vom Boden und der Atmosphäre verschiedenen thermischen Eigenschaften betrachtet werden muss. Dies verdeutlicht die Herausforderung, die Wärmedynamik des Bodens allein aus Beobachtungen der Fernerkundung zu quantifizieren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Date of thesis defense: 22 November 2011
Date Deposited: 15 Dec 2011 08:15
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Oberflächentemperatur, Bodentemperatur, Bodenphysik, Austausch <Meteorologie>, Bodennahe Luftschicht
Uncontrolled Keywords: Temperaturprojektion , Temperaturrekonstruktion , Boden-Atmosphäre Kopplungsoil-atmosphere coupling , soil temperature , temperature projection , temperature reconstruction , reverse heat diffusion
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