Physical Description of Transport Processes Inside an Open Top Chamber in Relation to Field Conditions

Abstract

The impact of ozone, nitrogen oxides and other air pollutants on plants in natural vegetations cannot be described by simple exposure-yield response relationships. Outdoor experiments in which plants are exposed to ambient air pollutant levels yield conflicting results from year to year because the interacting environmental effects are complex and not constant. The best way to study the effects of air pollutants on plants is still one of the issues scientists are dealing with.

The experimental design plays an important role in extrapolating the experimental results to real field conditions. To determine the impact of air pollutants on a crop requires growing conditions which are as natural as possible and the simultaneous control of ambient pollutant levels.

The Open Top Chamber is one of the experimental set-ups to study the effect of air pollutants on plants. The original objective of the OTC design was to create an environment closely resembling field conditions while, at the same time, allowing control of air quality. The U.S. NCLAN programme was the first to use OTC's on a large scale. Nowadays the use of OTC's shifts from air pollutant exposure experiments to carbon dioxide fumigation experiments. OTC's have been used by KEMA to study the effects of air pollution on natural vegetation, in particular on the biomass production of agricultural crops in The Netherlands. The chamber consists of a cylindrical construction (diameter: 3 m; height: 3 m) with an open top through which filtered or non-filtered air is blown by a fan. Gaseous air pollutants can be added simultaneously to the incoming air.

Experimental results have shown differences in plant growth and development between non-filtered OTC's and ambient plots. It is obvious that the use of OTC's introduces a degree of artificiality which makes it impossible to duplicate field conditions exactly.

The major aims of the present study are:

- to give a physical description of the transport processes (mass, momentum and energy) inside a KEMA-type OTC in relation to field conditions,

- to determine the influence of the ventilation rate and the atmospheric boundary layer on the turbulent transport processes inside an OTC.

The study is composed of a theoretical as well as an experimental part. An OTC identical to the KEMA-type OTC was situated at the weather station of the Agricultural University's Meterological Department. Broad beans were grown in the chamber. Wind velocity, temperature, humidity, radiation and concentrations of gaseous air pollutants were continuously measured at various positions inside and outside the OTC. Turbulence parameters were measured occasionally (wind velocity, temperature fluctuations).

The experimental results have been used to derive the prior conditions needed for the two models used and served as a tool to verify the simulation results. The first model simulates the turbulent exchange processes inside and outside the OTC. The model has been used to determine the influence of the OTC environment, ventilation rate and plants on mean air flow and turbulence inside the chamber. The second model is a resistance model which has been developed primarily to calculate the mass and energy fluxes to or from various parts of the OTC system. The model yields information about the temperature, humidity and ozone concentration inside the chamber in relation to field conditions. A special module calculates the bulk exchange processes between soil-vegetation and atmosphere inside as well as outside an OTC.

We conclude that typical OTC effects on the chamber microclimate such as

- filter effects,

- a 10-20% reduction of global and PAR radiation load,

- an increase of long-wave radiation intensity

- a mean temperature increase of the order of 1 K,

- a mean vapour pressure deficit increase of the order of 1 mbar, cannot be prevented without creating a kind of laboratory chamber. Furthermore,the typical non-natural flow pattern cannot be changed without removing the whole OTC-configuration. The exposure-response curves derived under OTC conditions cannot be used directly to estimate a quantitative effect under field conditions. An extrapolation of the exposure-response curves derived under OTC conditions to field conditions taking into account the differences in microclimate between OTC and field conditions can improve the quality of the experimental results.

Alternate abstract:

De effecten van ozon, stikstofoxiden en andere luchtverontreinigende stoffen op planten in natuurlijke vegetaties kunnen niet volledig worden beschreven door middel van eenvoudige blootstellings-effect relaties. Veldexperimenten waarbij planten worden blootgesteld aan wisselende concentraties luchtverontreinigende stoffen laten, van jaar tot jaar, sterk wisselende resultaten zien, daar de planten complexe interacties met allerlei omgevingsfactoren vertonen. Op welke wijze men het best de effecten van luchtverontreinigende stoffen op planten kan bepalen is nog steeds een punt van discussie.

De experimentele opzet speelt een belangrijke rol bij de extrapolatie van wetenschappelijke experimenten naar echte veldomstandigheden. Wil men zo betrouwbaar mogelijke resultaten verkrijgen dan dient men de groeiomstandigheden zo natuurlijk mogelijk te houden terwijl men tegelijkertijd concentraties van luchtverontreinigende stoffen kan controleren.

Het gebruik van OTC's is een van de mogelijkheden om de effecten van luchtverontreinigende stoffen op planten te bestuderen. Het oorspronkelijke doel van het gebruik van OTC's was een omgeving te creeren waarin planten zoveel mogelijk onder veldomstandigheden opgroeien terwijl men tegelijkertijd de luchtkwaliteit kan regelen. OTC's werden voor het eerst op grate schaal ingezet in het amerikaanse NCLAN (National Crop Loss Assessment Network) programma. Tegenwoordig worden OTC's meer en meer toegepast in C02-begassingsexperimenten met als doel de effecten van toenemende C02 concentraties op de groei en ontwikkeling van planten te bepalen. OTC's zijn door de KEMA gebruikt om de effecten van luchtverontreinigende stoffen op de natuurlijke vegetatie in het algemeen en de biomassa produktie van Nederlandse land- en tuinbouwgewassen in het bijzonder te bestuderen. De OTC bestaat uit een cylindrische constructie (3 m diameter, 3 m hoog) met een open dak. Een ventilator blaast al dan niet gefilterde lucht, waaraan eventueel luchtverontreinigende componenten kunnen worden toegevoegd, door deze constructie.

Tijdens experimenten uitgevoerd met OTC's zijn er echter verschillen waargenomen in de groei en ontwikkeling van planten in een OTC voorzien van niet gefilterde lucht en de groei en ontwikkeling van planten onder veldomstandigheden. Het gebruik van OTC's blijkt bepaalde beperkingen te introduceren waardoor het onmogelijk is veldomstandigheden ideaal na te bootsen.

De belangrijkste doelstellingen van de hier beschreven studie zijn:

- Het geven van een fysische beschrijving van transportprocessen (impuls, energie en massa) binnen een OTC in vergelijking met veldomstandigheden.

- Het bepalen van de invloed van het ventilatievoud en de atmosferische grenslaag op de turbulente uitwisselingsprocessen in een OTC.

De studie bestaat voor een gedeelte uit experimenteel en voor een gedeelte uit theoretisch werk. Er is een uitgebreide meetcampagne aan een KEMA-type OTC geplaatst op het meteo-waamemingsveld van de vakgroep meteorologie van de Landbouwuniversiteit uitgevoerd. Tijdens deze meetcampagne zijn continu luchtbeweging, temperatuur, vocht, inkomende en uitgaande langgolvige en kortgolvige straling en concentraties van luchtverontreinigende stoffen op diverse posities binnen en buiten een OTC gemeten. Bovendien zijn incidentele metingen van windsnelheid- en temperatuurfluctuaties uitgevoerd.

De meetresultaten zijn vergeleken met uitgevoerde computerberekeningen op basis van twee modellen, te weten een model dat het stromingsveld in en om een OTC beschrijft en een integraal-model dat de bulk-uitwisselingsprocessen in een OTC beschrijft in de vorm van over vlakken gei'ntegreerde fluxen. De meetresultaten leverden de startcondities en randvoorwaarden voor de berekeningen.

Het eerst genoemde model is gebruikt om de invloed van het stromingsveld buiten de OTC, het ventilatievoud en de aanwezige beplanting op het microklimaat in een OTC te bepalen. Met behulp van het integraalmodel kan een schatting gemaakt worden van de gemiddelde temperatuur, vochtigheid en ozonconcentraties binnen een OTC. Een speciale module berekent de bulk-uitwisselings processen tussen bodem-gewas en omgeving zowel onder OTC als onder veldomstandigheden.

We komen tot de conclusie dat typische OTC effecten op net microklimaat zoals:

- filter effecten,

- een toename van de langgolvige stralingsintensiteit,

- een 10-20% reductie van inkomende globale en fotosynthetisch actieve straling,

- een gemiddelde temperatuurtoename in de orde van grootte van 1 K,

- een gemiddelde toename van het dampdrukdeficiet in de orde van grootte van 1 mbar, niet kunnen worden voorkomen zonder een of andere vorm van klimaatkas te creeren. Bovendien kan het onnatuurlijke stromingspatroon binnen een OTC niet worden veranderd zonder daarmee de gehele OTC-constructie te herzien. De blootstellings-effect relaties welke onder OTC omstandigheden zijn afgeleid, kunnen niet rechtstreeks in een kwantitatief effect onder veldomstandigheden worden vertaald. Echter, een extrapolatie van de blootstellings-effect relaties gevonden onder OTC omstandigheden naar veld-omstandigheden, waarbij de invloed van het microklimaat in de OTC op de uitwisselingsprocessen wordt meegenomen, kan de kwaliteit van deze extrapolatie verbeteren.