Electricity has become so ingrained in everyday life that the current generation has no knowledge of life without it. The majority of power generation in the United States is the result of turbines of some form. With such widespread utilization of these complex rotating machines, any increase in efficiency translates into improvements in the current cost of energy. These improvements manifest themselves as reductions in greenhouse emissions or possible savings to the consumer. The most important temperature regarding turbine performance is the temperature of the hot gas entering the turbine, denoted turbine inlet temperature. Increasing the turbine inlet temperature allows for increases in power production as well as increases in efficiency. The challenge with increasing this temperature, currently the hottest temperature seen by the turbine, is that it currently already exceeds the melting point of the metals that the turbine is manufactured from. Active cooling of stationary and rotating components in the turbine is required. Cooling flows are taken from bleed flows from various stages of the compressor as well as flow from the combustor shell. This cooling flow is considered wasted air as far as performance is concerned and can account for as much as 20% of the mass flow in the hot gas path. Lowering the amount of air used for cooling allows for more to be used for performance gain. Various technologies exist to allow for greater turbine inlet temperatures such as various internal channel features inside of turbine blades, film holes on the surface to cool the outside of the airfoil as well as thermal barrier coatings that insulate the airfoils from the hot mainstream iv flow. The current work is a study of the potential performance impact of coupling two effusion technologies, transpiration and discrete hole film cooling. Film cooling and transpiring flows are individually validated against literature before the two technologies are coupled. The coupled geometries feature 13 film holes of 7.5mm diameter and a transpiring strip 5mm long in the streamwise direction. The first coupled geometry features the porous section upstream of the film holes and the second features it downstream. Both geometries use the same crushed aluminum porous insert of nominal porosity of 50%. Temperature sensitive paint along with an ‘adiabatic’ Rohacell surface (thermal conductivity of 0.029W/m-K) are used to measure adiabatic film cooling effectiveness using a scientific grade high resolution CCD camera. The result is local effectiveness data up to 50 film hole diameters downstream of injection location. Data is laterally averaged and compared with the baseline cases. Local effectiveness contours are used to draw conclusions regarding the interactions between transpiration and discrete hole film cooling. It is found that a linear superposition method is only valid far downstream from the injection location. Both coupled geometries perform better than transpiration or the discrete holes far downstream of the injection location. The coupled geometry featuring the transpiring section downstream of the film holes matches the transpiration effectiveness just downstream of injection and surpasses both transpiration and film cooling further downstream.

A segment of transpiring wall is installed near a row of unshaped film holes. The effects on the aerodynamic performance and cooling downstream of the row of cylindrical holes in the presence of transpiration is studied numerically. The changes in behavior of the film due to relative positioning of the injection sources and blowing ratios are predicted to understand the sensitivity of cooling and aerodynamic losses on the relative positioning of the two sources and each blowing ratio. The results indicate that a coupling of the two sources allows a more efficient use of coolant by generating a more uniform initial film resulting in improved component durability through reduction of hot- streaks. With careful optimization the discrete holes can be placed farther apart laterally operating at a lower blowing ratio with a transpiration segment making the large deficits in cooling effectiveness mid-pitch less severe, overall minimizing coolant usage. Addition of transpiration increases the aerodynamic losses associated with injection. This effect can be arguably small compared to corresponding thermal benefits seen by coupling the two. Comparisons of linear superposition predictions of the two independent sources with the corresponding coupled scenario indicate the two films positively influence one another and outperform predictions. The interaction between the two films is dependent upon the relative placement of the transpiration; all relative placements have an overall beneficial effect on the cooling seen by the protected wall. An increase in area-averaged film cooling effectiveness of 300% is seen along with only a 50% increase in loss coefficient by injecting an additional 10% coolant. In this study the downstream placement of transpiration is found to perform best of the three geometries tested while considering cooling, aerodynamic losses, local uniformity and manufacturing feasibility. With further study and optimization this technique can potentially provide more effective thermal protection at a lower cost of aerodynamic losses and spent coolant. A method of measuring the local temperature of a porous wall is also discussed. Measurements are taken with temperature sensitive paint applied in thin coats to the wall. This technique was validated on a 40PPI, 7% relative density aluminum porous coupon. Measurements of discharge coefficients as well as downstream effectiveness data are included to verify the flow through the porous wall was unaltered by applying the paint. A maximum deviation in film-cooling effectiveness of 9% between the two cases with the majority of data falling within 4% was found, very similar to the experimental uncertainty of the rig. This excellent agreement between the repeated tests showed that by applying thermal paint to a wall of such porosity does not significantly affect the flow exiting the wall and hence the measurement technique can readily be applied to transpiration cooling studies at this scale. Methods of filtering the temperature sensitive paint on the porous wall are presented.

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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第23945号 / 農博第2494号 / 新制||農||1090(附属図書館) / 学位論文||R4||N5380(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科森林科学専攻 / (主査)教授 北島 薫, 准教授 岡田 直紀, 教授 小杉 緑子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

The cuticle, a complex lipidic layer synthesized by epidermal cells, covers and protects primary organs of all land plants. Its main function is to avoid plant desiccation by limiting non-stomatal water loss. The cuticular properties vary widely among plant species. So far, most of the cuticle-related studies have focused on a limited number of species, and studies addressing phylogenetically related plant species are rare. Moreover, comparative studies among organs from the same plant species are still scarce. Thus, this study focus on organ-specificities of the cuticle within and between plant species of the Solanaceae family. Twenty-seven plant species of ten genera, including cultivated and non- cultivated species, were investigated to identify potential cuticular similarities. Structural, chemical and functional traits of fully expanded leaves, inflated fruiting calyces, and ripe fruits were analyzed. The surface morphology was investigated by scanning electron microscopy. Leaves were mainly amphistomatic and covered by an epicuticular wax film. The diversity and distribution of trichomes varied among species. Only the leaves of S. grandiflora were glabrous. Plant species of the Leptostemonum subgenus had numerous prickles and non-glandular stellate trichomes. Fruits were stomata-free, except for S. muricatum, and a wax film covered their surface. Last, lenticel- like structures and remaining scars of broken trichomes were found on the surface of some Solanum fruits. Cuticular water permeability was used as indicators of the cuticular transpiration barrier efficiency. The water permeability differed among plant species, organs and fruit types with values ranging up to one hundred-fold. The minimum leaf conductance ranged from 0.35 × 10-5 m s-1 in S. grandiflora to 31.54 × 10-5 m s-1 in S. muricatum. Cuticular permeability of fruits ranged from 0.64 × 10-5 m s-1 in S. dulcamara (fleshy berry) to 34.98 × 10-5 m s-1 in N. tabacum (capsule). Generally, the cuticular water loss of dry fruits was about to 5-fold higher than that of fleshy fruits. Interestingly, comparisons between cultivated and non-cultivated species showed that wild species have the most efficient cuticular transpiration barrier in leaves and fruits. The average permeability of leaves and fruits of wild plant species was up to three-fold lower in comparison to the cultivated ones. Moreover, ripe fruits of P. ixocarpa and P. peruviana showed two-times lower cuticular transpiration when enclosed by the inflated fruiting calyx. The cuticular chemical composition was examined using gas chromatography. Very-long-chain aliphatic compounds primarily composed the cuticular waxes, being mostly dominated by n- alkanes (up to 80% of the total wax load). Primary alkanols, alkanoic acids, alkyl esters and branched iso- and anteiso-alkanes were also frequently found. Although in minor amounts, sterols, pentacyclic triterpenoids, phenylmethyl esters, coumaric acid esters, and tocopherols were identified in the cuticular waxes. Cuticular wax coverages highly varied in solanaceous (62- fold variation). The cuticular wax load of fruits ranged from 0.55 μg cm−2 (Nicandra physalodes) to 33.99 μg cm−2 (S. pennellii), whereas the wax amount of leaves varied from 0.90 μg cm−2 (N. physalodes) to 28.42 μg cm−2 (S. burchellii). Finally, the wax load of inflated fruiting calyces ranged from 0.56 μg cm−2 in P. peruviana to 2.00 μg cm−2 in N. physalodes. For the first time, a comparative study on the efficiency of the cuticular transpiration barrier in different plant organs of closely related plant species was conducted. Altogether, the cuticular chemical variability found in solanaceous species highlight species-, and organ-specific wax biosynthesis. These chemical variabilities might relate to the waterproofing properties of the plant cuticle, thereby influencing leaf and fruit performances. Additionally, the high cuticular water permeabilities of cultivated plant species suggest a potential existence of a trade-off between fruit organoleptic properties and the efficiency of the cuticular transpiration barrier. Last, the high cuticular water loss of the solanaceous dry fruits might be a physiological adaptation favouring seed dispersion. / Die Kutikula, eine von Epidermiszellen gebildete, komplexe Lipidschicht, bedeckt und schützt die primären Organe niederer und höherer Landpflanzen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Austrocknung der Pflanzen zu vermeiden, indem der nicht-stomatäre Wasserverlust an die Atmosphäre begrenzt wird. Ihre Eigenschaften können je nach Pflanzenart stark variieren, dennoch wurden kutikuläre Charakteristika unter phylogenetisch nah verwandten Pflanzenarten bisher wenig diskutiert. Die meisten Studien im Zusammenhang mit der Kutikula fokussierten sich auf eine begrenzte Anzahl von Pflanzenarten. Vergleichsstudien zwischen Organen derselben Pflanzenart sind kaum vorhanden. Die vorliegende Studie konzentriert sich daher auf die Kutikula von Pflanzenarten aus der Familie der Solanaceae und deren Organe. Die kutikulären Eigenschaften von 27 Pflanzenarten aus zehn verschiedenen Pflanzengattungen wurden untersucht, einschließlich Wild- und Kulturarten. Strukturelle, chemische und funktionelle Merkmale wurden für vollständig entwickelte Blätter, vergrößerte Blütenkelche und reife Früchte vergleichend analysiert. Die Oberflächenmorphologie wurde mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Strukturell wiesen die meisten Blätter eine amphistomatische Oberfläche auf, die mit einem epikutikulären Wachsfilm bedeckt war, wobei einfache Trichome und Trichome mit Drüsen eine artspezifische Verteilung und Vielfalt aufzeigten. Bei den meisten Blättern der Untergattung Leptostemonum wurden Stacheln und zahlreiche sternenförmige Trichome beobachtet. Allein Solandra grandiflora hatte eine Blattoberfläche ohne Trichome. Früchte zeichneten sich hauptsächlich durch einen epikutikulären Wachsfilm aus, der ihre Oberfläche bedeckte. Als einzige Pflanzenart besaß Solanum muricatum auf der Fruchtoberfläche Stomata, dennoch wurden Lentizellen und Fragmente von Trichomen auf der Fruchtoberfläche von Solanum tuberosum, Solanum quitoense und Solanum lycopersicum gefunden. Für die Effizienzbestimmung der kutikulären Transpirationsbarriere von Oberflächen mit und ohne Stomata wurden die minimale Wasserleitfähigkeit unter Bedingungen des maximalen Stomaschlusses beziehungsweise die kutikuläre Wasserpermeabilität untersucht. Dieses ergab ein art-, organ- und fruchttypspezifisches Muster. Die Werte variierten zwischen den Pflanzenarten bis zu hundertfach und lagen zwischen 10-6 m s-1 und 10-4 m s-1. Im Gegensatz zu den Ergebnissen früherer Studien zeigte der Vergleich der Wasserpermeabilität von verschiedenen Organen derselben Pflanzenarten, dass eine höhere Wasserpermeabilität für Blätter oder für Früchte gefunden werden kann oder dass sie für beide Organe nahezu gleich sein kann. Die minimale Wasserleitfähigkeit der Blätter lag im Bereich von 0.35 × 10–5 m s–1 für S. grandiflora bis 31.54 × 10–5 m s–1 für S. muricatum. Die kutikuläre Wasserpermeabilität lag im Bereich von 0.64 × 10–5 m s –1 für fleischige Früchte von Solanum dulcamara bis 34.98 × 10–5 m s–1 für Kapselfrüchte von Nicotiana tabacum. Allgemein zeigte sich, dass trockene Früchte eine etwa fünffach höhere kutikuläre Wasserpermeabilität als fleischige Früchte besaßen. Interessanterweise zeigten Vergleiche zwischen Wild- und Kulturarten, dass Wildarten eine wirksamere kutikuläre Transpirationsbarriere der Blätter und Früchte aufwiesen, da ihre Wasserpermeabilität etwa zwei- bis dreifach niedriger war als die der kultivierten Pflanzenarten. Des Weiteren zeigten Physalis ixocarpa und Physalis peruviana, deren Früchte von einem vergrößerten Blütenkelch umschlossen waren, einen schützenden Einfluss dieses Blütenkelches auf die reife Frucht. Eine Reduktion der kutikulären Wasserpermeabilität um den Faktor zwei wurde nachgewiesen. Die chemische Zusammensetzung der kutikulären Transpirationsbarriere wurde mit Hilfe der Gaschromatographie detektiert. Die Analysen ergaben art- und organspezifische Mengen und Zusammensetzungen der kutikulären Wachse, die vor allem aus sehr langkettigen aliphatischen Verbindungen bestanden. Bis zu 80% der kutikulären Wachszusammensetzung bildete die Stoffklasse der n-Alkane. Andere häufig identifizierte Stoffklassen waren primäre Alkanole, Alkansäuren, Alkylester sowie iso- und anteiso-Alkane. Obwohl in geringen Mengen, wurden in den meisten kutikulären Wachsen auch alicyclische und aromatische Stoffklassen gefunden. Hauptsächlich handelte es sich um Phytosterole, pentacyclische Triterpenoide, Phenylmethylester, Cumarsäureester, Tocopherole und Flavonoide. Die kutikuläre Wachsschicht variierte zwischen den Pflanzenarten bis zu 62-fach und betrug zwischen 0.55 μg cm-2 für Nicandra physalodes und 33.99 μg cm-2 für Solanum pennellii, wobei sowohl niedrigste als auch höchste kutikuläre Wachsmenge für Früchte gefunden wurde. Die kutikulären Wachse der Blätter reichten von 0.90 μg cm-2 für N. physalodes bis 28.42 μg cm-2 für Solanum burchellii. Die kutikuläre Wachsmenge der vergrößerten Blütenkelche lag zwischen 0.56 μg cm-2 für P. peruviana und 2.00 μg cm-2 für N. physalodes. Zum ersten Mal wurde eine umfangreiche Studie zur Effizienz der kutikulären Transpirationsbarriere verschiedener Pflanzenorgane von phylogenetisch nah verwandten Pflanzenarten durchgeführt. Insgesamt zeigt die vergleichende Untersuchung innerhalb der Familie der Solanaceae die funktionelle und chemische Variabilität der kutikulären Wasserpermeabilität und der kutikulären Wachsbiosynthese. Die art- und organspezifische Divergenz kann dabei einen Einfluss auf die hydrophoben Eigenschaften der Kutikula haben und wichtige Konsequenzen für die Blatt- und Fruchtleistung mit sich führen. Darüber hinaus deuten diese Ergebnisse auf einen Kompromiss zwischen Fruchteigenschaften und Oberflächenschutz bei den Kulturarten hin. Es wird auch vermutet, dass die verringerte kutikuläre Barriereleistung der trockenen Früchte eine physiologische Anpassung an die Samenausbreitung dieser Pflanzenarten ist.

Direct transpiration rates and plant uptake of naphthalene by a hybrid poplar phytoremediation system located in Oneida, Tennessee were determined using hydrologic and groundwater concentration data. Water table recession analysis techniques were employed to determine direct transpiration rates from the saturated zone of the shallow, unconfined aquifer underlying the site. Direct transpiration rates varied over the growing season (late March to mid-October), with a maximum and mean daily direct transpiration of 0.0100 and 0.0048 feet/day, respectively. During 2004, the maximum direct transpiration rate was observed in May, and rates declined starting in June due to an associated decline in the water table. A technique was developed to estimate the volumetric transpiration rate of each tree based on the breast-height diameters and seasonally variable direct transpiration rates. During peak transpiration, the larger trees at the study site were estimated to directly transpire 4 to 13 gallons per day per tree. Plant uptake rates of naphthalene were estimated by superimposing spatial data (volumetric transpiration rates and naphthalene concentration in groundwater). The mass loss rate of naphthalene from the aquifer as a result of plant uptake during July 2004 was 335 mg/day which only represents 0.117% of the aqueous mass plume. Monthly groundwater profiles showed a decrease of the saturated thickness beneath the system of hybrid poplars between the dormant and active season. This study suggests direct transpiration rates and plant uptake of naphthalene are dependent on variables including climatic parameters, magnitude of the saturated thickness, and the concentration of naphthalene in groundwater. / Master of Science

There are many methods for cleaning up contaminated soil and groundwater. Phytoremediation is an engineered method that utilizes plants and trees to remove or immobilize inorganic and organic contaminants. The plants and trees can contain contaminant plumes, uptake the contaminants, or aid in the degradation of the contaminants through several poorly understood mechanisms. Hybrid poplar trees were planted to contain a creosote contaminant plume at the study-site in Oneida, Tennessee. This research looks at how the trees will affect groundwater flow in the site. This is accomplished with the groundwater modeling program MODFLOW. The trees are simulated using the Evapotranspiration Package within MODFLOW, within the GMS modeling platform, to produce a two-dimensional unconfined aquifer viewpoint groundwater model. Site characterization, setup, and rationale are provided. The modeling methodology including calibration, sensitivity analysis, non-unique solution check, and verification are also provided. The modeling methodology included steady-state model calibration at the study-site to match observed field data; precursory steady-state and subsequent practice transient calibrations at the site; and incorporation of the simulation of evapotranspiration in the final transient model calibrations at the site. The results show that a phytoremediation system consisting of densely-planted hybrid poplar trees can indeed impact groundwater flow, although not to the extent that clearly would contain a creosote contaminant plume. Various input parameters including specific yield, transient recharge, starting heads, evapotranspiration rates, and evapotranspiration extinction depths impacted MODFLOW model sensitivity in transient calibrations. Varying the time steps in post-precipitation stress periods did not significantly impact the model output. The interception trench conductance played a minimal role in the calibration, but trench groundwater collection data was lacking, and the trench was frequently in need of maintenance. Further suggested data requirements include more frequently collected rainfall and piezometer data, as well as the installation of more piezometers outside the model domain contained in this study. Using the Evapotranspiration Package in MODFLOW provided more realistic and authentic results than using the Well Package (used in a previous study of the site by Panhorst in 2000) to simulate evapotranspiration. The Evapotranspiration Package in MODFLOW incorporates transpiration extinction depths that prevent transpiration when the water table drops below a certain depth. Further suggested program development includes incorporating an asymptotic function for transpiration rates and allowing the Evapotranspiration Package to import evapotranspiration rates, extinction depths, and elevations. It may be deduced from this impact of flow that the tree system will aid in containment of a contaminant plume, but at the trees current growth stage, and with the coal layer present at the site, the containment is limited. / Master of Science

Die wesentlichen Einflussgrößen auf den Wasserverbrauch von Pflanzen sind klimatischer Art, die Pflanze selbst und der Wasserhaushalt des Bodens. Als wichtige klimatische Einflussgrößen sind das Sättigungsdefizit der Luft bzw. die Dampfdruckdifferenz zwischen Blatt und Luft und die Einstrahlung zu nennen. Die Einstrahlung beeinflusst das Gewächshausklima und hat eine direkte Wirkung auf die Öffnungs- und Schließbewegung der Stomata. Die Bodenfeuchte ist sowohl im Hinblick auf die Wasseraufnahme der Pflanzen als auch bei einem Anbau im gewachsenem Boden auf eine mögliche Sickerwasserbildung und damit eine Nährstoffauswaschung von Bedeutung. Die im Gewächshausanbau eingesetzten Prozessleitsysteme berücksichtigen die Wechselwirkungen der Einflussfaktoren auf den Wasserumsatz eines Pflanzenbestandes nur bedingt. Einzelne Parameter wie z.B. die Einstrahlungssumme oder das Matrixpotential des Bodens werden zwar zur Steuerung der Bewässerung verwendet, eine Kombination der Einflussfaktoren wie z.B. die Anpassung der Einstrahlungssumme an das Pflanzenwachstum muss bisher vom Anwender vorgenommen werden. Zur Darstellung der Zusammenhänge des Wasserumsatzes eines Pflanzenbestandes im Gewächshausanbau wurde in den experimentellen Untersuchungen der Wasserumsatz in Abhängigkeit der Bodenfeuchte (Matrixpotential), der klimatischen Größen (Einstrahlungssumme, Sättigungsdefizitsumme und Dampfdruckdifferenzsumme) an Lactuca sativa, Brassica oleracea var. gongylodes und Cucumis sativus untersucht. Aufgrund des hohen Bestimmtheitsmaß und niedrigen Variationskoeffizienten sowie der Übertragbarkeit auf verschiedene Bodenarten und Kulturen ist die Matrixpotentialmessung als Führungsgröße für die Bewässerungssteuerung zu verwenden. Da die häufig eingesetzten Tensiometer bzw. Tensioschalter, bauartbedingt Schwächen aufweisen sind diese Sensoren durch übergeordnete Modellrechnungen zu kontrollieren. Dazu ist die Einstrahlungssumme, Sättigungsdefizitsumme und der Gießabstand zu verwenden. Die klimatischen Parameter müssen über entsprechende Modellrechnungen und der Analyse bereits ausgeführter Gießtakte dem Pflanzenwachstum angepasst werden. Nachdem bereits einige Prozessleitsysteme die für die Bewässerung- und Klimasteuerung notwendigen Hardwarekomponenten in ein System integriert haben, muss die Verknüpfung auf Softwareebene realisiert werden. Hierzu müssen die Kontrollstrategien d.h. die Softwareroutinen entsprechend schnell angepasst werden können. Aufgrund der in den letzten Jahren gesteigerten Leistungsfähigkeit bieten sich hierzu Prozessleitsysteme auf PC-Basis an. / The fundamental parameters determining the water consumption of plants are the climate, the plant itself and the soil water supply. The important climatic parameters are the water saturation deficit of the air or more correctly the water vapour pressure difference between leave surface and air, and the solar irradiation. The solar irradiation influences the greenhouse climate and has therefore an immediate effect on the opening and closing of the stomata. The soil humidity is important for both the water absorbtion of a plant and - when cultivating in soil - the possible losses of water and nitrogen into deeper soil layers causing environmental pollution of the ground water. The computer systems used for controlling the irrigation in greenhouses do not take the interactions of the influence coefficients on the water exchange of plants sufficiently into account. Single parameters like the irradiaton sum or the water tension are used for controlling irriagaton, but the combination of different influence factors like the adaption of the irradiation sum to the plant growth must be done by the user so far. Several scientific trials were carried out to describe the water consumption of plants in greenhouses. The water consumption is defined by the water tension of the soil, the irradtiotion sum, the water vapour pressure deficit sum and water vapour pressure difference sum. For the trials the plants Lactuca sativa, Brassica oleracea var. gongylodes and Cucumis sativus were used. The soil water tension measured by tensiometers proved to be the best parameter for controlling irrigation because of the highest stability index and the lowest variation coefficient as well as the transferability of this parameter to different soil types and plants. Because the construction of tensiometers and tensioswitches can cause problems, a superordinated model calculation has to control the sensors. This calculation is based on the parameters irradiation sum, water pressure deficit sum and irrigation intervals. The climatical control parameters must be adapted to the plant growth by using adequate model calculations and the analysis of previous irrigation events After a lot of computer systems for greenhouse process controlling integrated the hardware components necessary for irrigation and climatic control, this has to happen with the software basis as well. A quick update of the Software must be possible. Personal computers can be used because of the improved capacity.

The exact quantification of site water budget is a necessary precondition for successful and sustainable management of forests, agriculture and water resources. In this study the water balance was investigated at the spatial scale of canopies and at different temporal scales with focus on the monthly time scale. The estimation of the individual water balance components was primarily based on micrometeorological measurement methods. Evapotranspiration was assessed by the eddy-covariance (EC) method, while sap flow measurements were used to estimate transpiration. Interception was assessed by a combination of canopy drip, stem flow and precipitation (gross rainfall) measurements and soil moisture measurements were used to estimate the soil water storage. The combination of different measurement methods and the derivation of water balance components that are not directly measurable e.g. seepage and soil evaporation is a very complex task due to different scales of measurement, measurement uncertainties and the superposition of these effects. The quantification of uncertainties is a core point of the present study. The uncertainties were quantified for water balance component as well as for meteorological variables (e.g. wind speed, temperature, global radiation, net radiation and precipitation) that served as input data in water balance models. Furthermore, the influences of uncertainties were investigated in relation to numerical water balance simulations. Here, both the effects of uncertainties in input data and in reference data were analysed and evaluated. The study addresses three main topics. The first topic was the providing of reference data of evapotranspiration by EC measurements. Here, the processing of EC raw-data was of main concern with focus on the correction of the spectral attenuation. Four different methods of spectral correction were tested and compared. The estimated correction coefficients were significantly different between all methods. However, the effects were small to absolute values on half-hourly time scale. In contrast to half-hour data sets, the method had significant influence to estimated monthly totals of evapotranspiration. The second main topic dealt with the comparison of water balances between a spruce (Picea abies) and a beech (Fagus sylvatica) site. Both sites are located in the Tharandter Wald (Germany). Abiotic conditions are very similar at both sites. Thus, the comparison of both sites offered the opportunity to reveal differences in the water balance due to different dominant tree species. The aim was to estimate and to compare all individual components of the water balance by a combination of the above mentioned measurement methods. A major challenge was to overcome problems due different scales of measurements. Significant differences of the water balances between both sites occurred under untypical weather conditions. However, under typical condition the sites showed a similar behaviour. Here, the importance of involved uncertainties deserved special attention. Results showed that differences in the water balance between sites were blurred by uncertainties. The third main topic dealt with the effects of uncertainties on simulations of water balances with numerical models. These analyses were based on data of three sites (Spruce, Grass and Agricultural site). A kind of Monte-Carlo-Simulation (uncertainty model) was used to simulate effects of measurement uncertainties. Furthermore, the effects of model complexity and the effect of uncertainties in reference data on the evaluation of simulation results were investigated. Results showed that complex water balance models like BROOK90 have the ability to describe the general behaviour and tendencies of a water balance. However, satisfying quantitative results were only reached under typical weather conditions. Under untypical weather e.g. droughts or extreme precipitation, the results significantly differed from actual (measured) values. In contrast to complex models, it was demonstrated that simple Black Box Models (e.g. HPTFs) are not suited for water balance simulations for the three sites tested here. / Die genaue Quantifizierung des Standortswasserhaushalts ist eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche und nachhaltige Bewirtschaftung von Wäldern, Äckern und Wasserressourcen. In dieser Studie wurde auf der Raumskala des Bestandes und auf verschieden Zeitskalen, jedoch vorrangig auf Monatsebene, die Wasserbilanz untersucht. Die Bestimmung der einzelnen Wasserbilanzkomponenten erfolgte hauptsächlich mit mikrometeorologischen Messmethoden. Die Eddy- Kovarianz- Methode (EC- Methode) wurde benutzt zur Messung der Evapotranspiration, während Xylem- Flussmessungen angewendet wurden, um die Transpiration zu bestimmen. Die Interzeption wurde aus Messungen des Bestandesniederschlags, des Stammablaufs und des Freilandniederschlags abgeleitet. Messungen der Bodenfeuchte dienten zur Abschätzung des Bodenwasservorrats. Die Kombination verschiedener Messmethoden und die Ableitung von nicht direkt messbaren Wasserhaushaltkomponenten (z.B. Versickerung und Bodenverdunstung) ist eine äußerst komplexe Aufgabe durch verschiedenen Messskalen, Messfehler und die Überlagerung dieser Effekte. Die Quantifizierung von Unsicherheiten ist ein Kernpunkt in dieser Studie. Dabei werden sowohl Unsicherheiten in Wasserhaushaltskomponenten als auch in meteorologischen Größen, welche als Eingangsdaten in Wasserbilanzmodellen dienen (z.B. Windgeschwindigkeit, Temperatur, Globalstrahlung, Nettostrahlung und Niederschlag) quantifiziert. Weiterführend wird der Einfluss von Unsicherheiten im Zusammenhang mit numerischen Wasserbilanzsimulationen untersucht. Dabei wird sowohl die Wirkung von Unsicherheiten in Eingangsdaten als auch in Referenzdaten analysiert und bewertet. Die Studie beinhaltet drei Hauptthemen. Das erste Thema widmet sich der Bereitstellung von Referenzdaten der Evapotranspiration mittels EC- Messungen. Dabei waren die Aufbereitung von EC- Rohdaten und insbesondere die Dämpfungskorrektur (Spektralkorrektur) der Schwerpunkt. Vier verschiedene Methoden zur Dämpfungskorrektur wurden getestet und verglichen. Die bestimmten Korrekturkoeffizienten unterschieden sich deutlich zwischen den einzelnen Methoden. Jedoch war der Einfluss auf die Absolutwerte halbstündlicher Datensätze gering. Im Gegensatz dazu hatte die Methode deutlichen Einfluss auf die ermittelten Monatssummen der Evapotranspiration. Das zweite Hauptthema beinhaltet einen Vergleich der Wasserbilanz eines Fichten- (Picea abies) mit der eines Buchenbestands (Fagus sylvatica). Beide Bestände befinden sich im Tharandter Wald (Deutschland). Die abiotischen Faktoren sind an beiden Standorten sehr ähnlich. Somit bietet der Vergleich die Möglichkeit Unterschiede in der Wasserbilanz, die durch unterschiedliche Hauptbaumarten verursacht wurden, zu analysieren. Das Ziel was es, die einzelnen Wasserbilanzkomponenten durch eine Kombination der eingangs genanten Messmethoden zu bestimmen und zu vergleichen. Ein Hauptproblem dabei war die Umgehung der unterschiedlichen Messskalen. Deutliche Unterschiede zwischen den beiden Standorten traten nur unter untypischen Wetterbedingungen auf. Unter typischen Bedingungen zeigten die Bestände jedoch ein ähnliches Verhalten. An dieser Stelle erlangten Messunsicherheiten besondere Bedeutung. So demonstrierten die Ergebnisse, dass Unterschiede in der Wasserbilanz beider Standorte durch Messunsicherheiten verwischt wurden. Das dritte Hauptthema behandelt die Wirkung von Unsicherheiten auf Wasserbilanzsimulationen mittels numerischer Modelle. Die Analysen basierten auf Daten von drei Messstationen (Fichten-, Grasland- und Agrarstandort). Es wurde eine Art Monte-Carlo-Simulation eingesetzt, um die Wirkung von Messunsicherheiten zu simulieren. Ferner wurden auch der Einfluss der Modellkomplexität und die Effekte von Unsicherheiten in Referenzdaten auf die Bewertung von Modellergebnissen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass komplexe Wasserhaushaltsmodelle wie BROOK90 in der Lage sind, das Verhalten und Tendenzen der Wasserbilanz abzubilden. Jedoch wurden zufriedenstellende quantitative Ergebnisse nur unter üblichen Wetterbedingungen erzielt. Unter untypischen Wetterbedingungen (Dürreperioden, Extremniederschläge) wichen die Ergebnisse deutlich vom tatsächlichen (gemessenen) Wert ab. Im Gegensatz zu komplexen Modellen zeigte sich, dass Black Box Modelle (HPTFs) nicht für Wasserhaushaltssimulation an den drei genannten Messstandorten geeignet sind.

Capacitance manometer with sensors maintained at temperatures above the temperature of the vacuum vessel may read a higher gas pressure than the true value. This arises due to a transport process of molecules induced by molecule-surface collisions called thermal transpiration effect. Thermal transpiration effect depends on the pressure, the temperature gradient, gas, geometry and surface properties of the interconnecting pipe between the capacitance manometer and the vacuum vessel. To determine the height of the thermal transpiration effect for the biomolecular gas tetrahydrofuran, an experimental setup has been built. Its suitability to measure the thermal transpiration effect has been tested. Measurements of thermal transpiration effects for nitrogen and tetrahydrofuran have been analyzed with the semi-empirical Takaishi-Sensui equation. The coefficients of the Takaishi-Sensui equation can be used to determine the magnitude of the thermal transpiration effect for different temperature gradients, diameters of the interconnecting pipe and pressures.