The Eddy Covariance

Introduction The Eddy Covariance method ใช้สำหรับ การตรวจวัด ก๊าซต่างๆรวมถึง Flux ของความร้อน, นํ้า และอื่นๆ เหนือพื้นที่ที่สนใจ วิธีนี้ถูกใช้อย่างกว้างขวางทางอุตุนิยมวิทยาในระดับ micro มากว่า 30 ปี แต่ในปัจจุบัน ด้วยเครื่องมือที่พัฒนาไปไกลและวิธีการที่ดีขึ้น วิธี Eddy Covariance จึงถูกนำไปใช้ในด้าน วิทยาศาสตร์, อุตสาหกรรม รวมไปถึงด้านสิ่งแวดล้อมด้วย Overview of Eddy Covariance Principle Flux คือ อะไร Flux จะอธิบายถึงปริมาณของสิ่งที่สนใจซึ่งเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่หนึ่งๆต่อหน่วยเวลา ตัวอย่างเช่น ถ้ามีนก 100 ตัวบินผ่านหน้าต่างขนาด 1x1 เมตรภายในเวลา 1 นาที flux ของนกจะเท่ากับ นก 100 ตัวต่อตารางเมตรต่อนาที (100 ตัว m-2 min-1) หรือถ้าหน้าต่างมีขนาด 10x10 เมตร flux ของนกจะเท่ากับ นก 1 ตัวต่อตารางเมตรต่อนาที (เพราะ นก 100 ตัว/100 ตร.ม. = 1) Flux จะขึ้นอยู่กับ 1) จำนวนของสิ่งที่สนใจซึ่งผ่านพื้นที่ 2) ขนาดของพื้นที่ และ 3) เวลาที่สิ่งที่สนใจเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ ในทางวิทยาศาสตร์ นิยามของ Flux คือ ปริมาณสิ่งที่สนใจ ซึ่งผ่านพื้นผิวปิดต่อหน่วยเวลา ถ้าปริมาณ Flux สุทธิ ถูกนำออกจากพื้นผิว พื้นผิวนี้อาจถูกเรียกว่า แหล่งกำเนิด (source) ตัวอย่างเช่น พื้นผิวของทะเลสาบเป็นแหล่งกำเนิดของนํ้าที่ถูกปล่อยสู่บรรยากาศในกระบวนการการระเหย และในทางตรงข้ามพื้นผิวอาจถูกเรียกว่า อ่าง (sink) ตัวอย่างเช่น พุ่มเรือนยอดของต้นไม้ จะเป็น sink ของ CO2 ในช่วงเวลากลางวัน เพราะใบไม้จะดูด CO2 จากบรรยากาศในกระบวนการสังเคราะห์แสง การไหลของอากาศในระบบนิเวศน์ การไหลของอากาศอาจถูกจินตนาการว่าเป็นการไหลในแนวระนาบของการหมุนแบบ eddy จำนวนมาก ซึ่งแต่ละ eddy จะมีองค์ประกอบแบบ 3 มิติ ซึ่งรวมการเคลื่อนที่ของอากาศในแนวตั้งอยู่ด้วย อาจดูเหมือนว่าจะเป็นลักษณะการไหลที่วุ่นวาย แต่องประกอบเหล่านี้สามารถตรวจวัดได้ง่ายจากหอคอยตรวจวัด ในบรรยากาศจะประกอบด้วย eddy จำนวนมาก ถ้าเราดูเข้าไปใกล้ๆในแต่ละ eddy ที่จุดๆเดียวบนหอคอยตรวจวัดจะพบว่า ในช่วงเวลาที่ 1 eddy หมายเลข 1 เคลื่อนที่ด้วยกระแสอากาศหมายเลข 1 ในทิศทางลงด้วยความเร็วที่ 1 ในช่วงเวลาที่ 2 ที่จุดเดียวกัน eddy หมายเลข 2 เคลื่อนที่ด้วยกระแสอากาศหมายเลข 2 ในทิศทางขึ้นด้วยความเร็วที่ 2 ในแต่ละกระแสอากาศจะมีลักษณะเฉพาะของมันเอง เช่น ความเข้มข้นของก๊าซต่างๆ, อุณหภูมิ, ความชื้น ฯลฯ ถ้าเราสามารถตรวจวัดลักษณะเฉพาะเหล่านี้ และความเร็วของกระแสอากาศในแนวตั้ง เราจะทราบถึง Flux ของก๊าซต่างๆ, อุณหภูมิ และความชื้นในแนวตั้งทั้งทิศทางขึ้นและลง ตัวอย่างเช่น ถ้าในช่วงเวลาหนึ่งเราทราบว่ามี CO2 จำนวน 3 โมเลกุลเคลื่อนที่ขึ้น และในเวลาต่อมามี CO2 เพียง 2 โมเลกุลเท่านั้นที่เคลื่อนที่ลง ปริมาณ Flux สุทธิบนเวลานี้ คือ CO2 จำนวน 1โมเลกุลในทิศทางขึ้น หลักการทั่วไปของการตรวจวัด Eddy Covariance คือ ความแปรปรวนร่วมระหว่างความเข้มข้นของสิ่งที่เราสนใจกับความเร็วของลมในแนวตั้งภายในแต่ละ eddy

ตรวจวัด Flux ได้อย่างไร หลักการทั่วไปของการตรวจวัด Flux คือ เพื่อตรวจวัดว่ามีจำนวนโมเลกุลเท่าไรซึ่งเคลื่อนที่ขึ้นและลงภายในช่วงเวลาหนึ่งและมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไร สาระสำคัญของวิธีการคือ Flux ในแนวตั้ง จะเป็นตัวแทนของความแปรปรวนร่วมระหว่างการตรวจวัดความเร็วลมในแนวตั้ง(ทั้งขึ้นและลง)กับความเข้มข้นของสิ่งที่เราสนใจ ดังนั้นในการตรวจวัดต้องใช้เครื่องมือที่ซับซ้อน เนื่องจากความผันผวนของสิ่งที่เราสนใจนั้นเกิดขึ้นเร็วมาก และมีการเปลี่ยนแปลงในปริมาณที่น้อยมากทั้งความเข้มข้น ความหนาแน่น หรืออุณหภูมิ จึงจำเป็นต้องตรวจวัดในลักษณะที่รวดเร็วและมีความแม่นยำสูงมากๆ สรุปภาพรวมของ Eddy Covariance Eddy Covariance เป็นเทคนิคในการตรวจวัดด้านอุตุนิยมในระดับ micro เพื่อตรวจวัดความแปรปรวนของ Flux ในแนวตั้งที่ชั้นบรรยากาศ และเป็นวิธีทางตรงที่ใกล้เคียงที่สุด ใกล้เคียงทางทฤษฎี และมีความยืดหยุ่นในการนำไปใช้ มันถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในด้านอุตุนิยมในระดับ micro เพื่อการตรวจวัด H2O, CO2, ความร้อน และถูกเริ่มใช้เพื่อตรวจวัด CH4, O3, NO3, VOC และก๊าซต่างๆ วิธีการ Eddy Covariance ต้องใช้สมมุติฐานและการปรับแก้จำนวนมาก มันจึงต้องการความระมัดระวังในการออกแบบ กระบวนการทำงาน ซึ่งต้องพอเหมาะพอดีกับวัตถุประสงค์ในการใช้งานตามสถานที่เฉพาะเจาะจง ซึ่ง Eddy Covariance ยังคงถูกพัฒนาบน concept และระดับของเครื่องมืออย่างต่อเนื่อง และถูกนำไปใช้ในงานด้านสิ่งแวดล้อมมากขึ้น Eddy Covariance มีศักยภาพในการใช้งานในด้านอื่นๆนอกเหนือจากด้านอุตุนิยม เช่น การติดตามตรวจวัดด้านอุตสาหกรรม, การปลดปล่อยและรวบรวมคาร์บอน, การจัดการด้านสิ่งแวดล้อม และการตรวจวัด emission rate เมื่อมีการแลกเปลี่ยนพลังงาน, นํ้า หรือก๊าซต่างๆ เพื่อหาสมดุลของสิ่งที่สนใจ เครือข่ายใหญ่ของการตรวจวัด Flux มีข้อมูลจากหอคอยตรวจวัดเป็นร้อยๆพื้นที่จากพื้นที่ธรรมชาติที่หลากหลาย ข้อมูลจากการตรวจวัดเป็นข้อมูลอันลํ้าค่าทางวิทยาศาสตร์