Foefje om oppervlaktetemperatuur bodem duinpannen te meten

Foto boven: De meetopstelling in duinpan Wimmenum - Pieter Bliek

De vrieskoujagers Pieter Bliek en Karel Holvoet hopen binnenkort volop aan de slag te kunnen met het bepalen van de energiebalans in de duinpannen, om het nachtelijk temperatuurverloop te kunnen berekenen.

Hiervoor moeten ze meerdere meteorologische gegevens verzamelen, waaronder de oppervlaktetemperatuur van de bodem. Het meten daarvan blijkt nog niet zo eenvoudig. Maar daar hebben de vrieskoujagers een vernuftig foefje op gevonden.

De meetopstelling in duinpan Wimmenum - Pieter Bliek

De benodigde installatie is erg duur

Om de energiebalans en hiermee het nachtelijk temperatuurverloop in duinpannen te kunnen berekenen en voorspellen, heeft het vrieskouduo eigenlijk een zogeheten Eddy-Covariance meetopstelling nodig. Dat is een mast waaraan allerlei geavanceerde en uiterst gevoelige meetapparatuur zit bevestigd. De kosten van een simpele installatie bedragen al snel enkele tienduizenden euro’s. ‘Dat is veel te prijzig en bovendien weegt al die apparatuur ook nog eens tientallen kilo’s. Zie dat maar eens de duinpannen in te slepen’, zegt Pieter.

Advertentie

De onderzoekers hebben in de afgelopen jaren echter wel heel wat meetapparatuur gesponsord gekregen. Denk aan een netto-radiometer voor het meten van de hoeveelheid inkomende en uitgaande kort- en langgolvige straling, een ultrasoon windmeter voor het uiterst nauwkeurig meten van de windverstoringen in de duinpannen, een datalogger met sensoren om de warmtestroom in de bodem te meten en digitale temperatuur- en vochtmeters, etc. Pieter: ‘Op deze manier zijn we toch in staat om heel wat meteorologische parameters te verzamelen en zo, in combinatie met de geomorfologische eigenschappen (landschappelijke vormen) van de duinpannen, de energiebalans te kunnen berekenen.’

De dataloggertjes waarop de diverse metingen uit te lezen zijn - Pieter Bliek

Meten van de bodemtemperatuur een grote uitdaging

Cruciaal voor het berekenen van de energiebalans zijn ook parameters zoals de vochtbalans en de oppervlaktetemperatuur van de bodem. De vochtbalans wordt gemeten met een zogeheten lysimeter. Dit instrument meet hoeveel water er in de bodem infiltreert en hoeveel er via verdamping weer verdwijnt. Een wetenschapper bouwt momenteel aan een microlysimeter voor het onderzoek in de duinpannen.

Het meten van de bodemtemperatuur bleek een andere uitdaging. Want de temperatuur die gemeten moet worden, is exact die van de overgang van de bodem naar de lucht onder in de duinpan. ‘Zie dat maar eens voor elkaar te krijgen’, zegt Pieter.

Naar analogie van het meten van wegdektemperaturen

Eerst dachten de vrieskoujagers aan een warmtebeeldcamera op een statief dat om de 5 minuten een infraroodbeeld van een stukje duinpan maakt. Pieter: ‘Maar dergelijke camera’s zijn behoorlijk prijzig en moeten ook nog eens zelfstandig foto’s kunnen maken.’ Het meten van oppervlakten is een vak apart. Er bestaan speciale platte sensoren voor contactmetingen met oppervlakten. ‘Maar ook daar hangt een prijskaartje aan’, weet Pieter.

Advertentie

Bij het meten van de wegdektemperatuur wordt van sensoren in het wegdek gebruikgemaakt. De sensor zit dan net in het asfalt, vlak onder het oppervlak. Ligt deze erop, dan meet hij eigenlijk de luchttemperatuur. Dat zou ook het geval zijn als de vrieskoujagers de sensor van een extern dataloggertje op de grond van een duinpan zouden leggen.

Sensor horizontaal op de grond, met 1 millimeter zand erover

Hierop kwam Pieter met het idee om de sensor horizontaal en plat op de grond te drukken en er een millimeter zand overheen te leggen. ‘Dan wordt niet de luchttemperatuur gemeten, maar de temperatuur precies aan het oppervlak.’ Om de sensor op zijn plaats te houden, is deze met twee spijkertjes in de bodem vastgeprikt.

Om dit te testen heeft Pieter eerder deze week een paar dataloggertjes, die met externe sensoren aan een kabeltje waren vastgemaakt, getest in de duinpan van Wimmenum, nabij Egmond aan Zee. Pieter legt uit: ‘Ik heb een sensor op 2 centimeter diepte horizontaal in de grond gestoken, en 2 sensoren aan de oppervlakte gelegd, met een millimeter zand erover. Verder heb ik een sensor op 1 millimeter hoogte boven de grond aan spijkertjes bevestigd. Zo kan ik de verschillen in temperatuur bepalen.’

Zeven metingen, om de vijf minuten

De vrieskoujager heeft om de 5 minuten in totaal 7 metingen verricht. De waardes noteerde hij in een schema. De bodemtemperatuur op 2 centimeter diepte bedroeg na temperatuurcorrectie telkens 8,5 graden en liep aan het einde van de meetserie op naar 8,6 graden. De 2 sensoren op de bodem maten waardes van tussen 10,5 en 10,8 graden. Het verschil met de temperatuur op 2 centimeter diepte en het oppervlak bedroeg 2,0 tot 2,3 graden.

De sensor op 1 millimeter boven de grond gaf na temperatuurcorrecties waardes aan van tussen de 11,1 en 11, 5 graden. De temperatuurverschillen tussen de sensoren op 1 millimeter diepte en 1 millimeter boven de grond, dus een hoogteverschil van 2 millimeter, bedroegen maximaal 0,7 graden. Met een punt infrarood thermometer is ook de oppervlaktetemperatuur van de duinpan op hetzelfde moment gemeten. Deze gaf over de meetreeks waardes van tussen 11,9 en 13,0 graden aan. Pieter: ‘Het meten van de oppervlaktetemperatuur met een infrarood thermometer is heel nauwkeurig en geeft exact de temperatuur van het oppervlak weer. Het verschil kan achteraf met de metingen op 1 millimeter diepte worden gecorrigeerd.’

De echte metingen gebeuren straks in de nacht

Het verschil met de testmetingen die overdag plaatsvonden, is dat de daadwerkelijke metingen in de nachtelijke uren gaan plaatsvinden. Pieter: ‘De energiebalans overdag is totaal anders en eigenlijk omgekeerd aan die gedurende de nacht. Dat heeft te maken met het feit dat de inkomende kort- en langgolvige straling overdag hoger zijn dan de uitgaande netto straling. Hierdoor warmt de duinpan op.’

‘In de nacht is het omgekeerde het geval. De stralingsbalans is dan negatief, met als gevolg dat de duinpan afkoelt’, verklaart Pieter. Een mooi voorbeeld daarvan zijn de luchttemperaturen. Deze worden in de duinpannen worden op 10 centimeter en op anderhalve meter gemeten.

Overdag wint inkomende, in de nacht de uitgaande straling

Overdag zijn de temperaturen op 10 centimeter als gevolg van de terugkaatsing van de straling aan de grond tot soms meer dan 5 graden hoger dan op anderhalve meter. ‘Na zonsondergang zijn de temperaturen aan de grond daarentegen enkele graden lager, omdat de uitstraling van de bodem groter is dan de inkomende straling’, vertelt Pieter. ‘Er moeten eerst nog na zonsondergang testen worden gedaan om te kijken wat dan de temperatuurverschillen in de bodem en vlak onder en vlak boven de oppervlakte zullen zijn.’

Dat de stralingsbalans op het temperatuurverloop van invloed is, lieten de testmetingen van eerder deze week meteen al duidelijk zien. Het was dinsdagochtend bewolkt en in de duinpan van Wimmenum was het op dat moment windstil. De metingen op 2 centimeter diepte en een millimeter onder het oppervlak waren nagenoeg stabiel. Maar de metingen op 1 millimeter boven de bodem en de metingen, gedaan met de punt infraroodthermometer daalden duidelijk.

Veranderingen in straling hebben meteen invloed op de temperatuur.

‘Halverwege de meetsessie werd de bewolking een kwartietje dikker en begon het licht te miezeren. Dat had meteen zichtbaar invloed op de temperatuur aan het oppervlak. Daar daalde de temperatuur op 1 millimeter boven de grond met 0,4 graden. De infraroodthermometer registreerde op dat moment zelfs een daling van 1,1 graad. Toen het kort daarop weer lichter werd, stegen de temperaturen meteen weer. Een bewijs dat een verandering in de inkomende straling door een dikker wolkendek direct van invloed is op de temperatuur’, aldus Pieter.

Wat het effect van overtrekkende bewolking tijdens de nachtelijke uren is, zullen nadere tests moeten uitwijzen.

Voor informatie over het gebruik van dataloggertjes zie Elitech Europe