2.2. Avar-talaj ciklus

A legegyszerűbb geokémiai ciklusok csak néhány tárolót tartalmaznak. Az alábbi példában az egyszerűség és a könnyebb megértés kedvéért csak két tárolókamrát – hulladék (avar) és talaj – veszünk figyelembe (2.3. ábra).

2.3. ábra - Rövid periódusú szénciklus, hulladék(avar)-talaj részrendszer

Rövid periódusú szénciklus, hulladék(avar)-talaj részrendszer

Jelölések: 1 : avar tároló; 2 : talaj tároló; x1 : széntartalom 1-ben; x2 : széntartalom 2-ben; t : idő; Δt : időlépcső; x1(t) : széntartalom 1-ben t időpontban; F12 : anyagáramlás adott idő alatt (= Fluxus) – két tároló között; 0 : környezet; F10 : anyagáramlás adott idő alatt az avar (1) tárolóból a környezetbe (0); F02 : anyagáramlás adott idő alatt a környezetből (0) a talaj (2) tárolóba

2.2.1. Tároló egyenletek

A tárolók széntaralmának változását a bejövő és a kimenő szénmennyiségek összege határozza meg. Δt idő alatt x1 és x2 tárolókban a széntartalom-változást felírhatjuk:

Másrészt igaz, hogy:

A jobb oldalakat egyenlővé téve és átrendezve kapjuk:

Ezek az egyenletek fejezik ki a kalibrálatlan modell alapállapotát.

2.2.2. Transzport törvények

A levelek, ágak és a gyökerek pusztulásából származó F01 és F02 szén inputokat tekinthetjük állandó értéknek. Az F10, F20 és F12 értékeket a modell kalibrálásával kapjuk meg.

Az outputokat lineáris transzport összefüggés adja meg, mely szerint a tárolók közötti anyagáramlás a „donor” kamrákban tárolt széntartalom valamely függvénye, általánosan

ahol kij a transzport rátája (üteme). További elnevezései: transzfer együttható, ráta állandó, körforgási ráta.

Példa: dinamikus egyensúlyban tárolt mennyiség 1000 kg/ha, output: 10 kg/ha/év, akkor k10 = 10/1000 = 0,01 = 1% .

A kij transzport ráta reciproka a körforgási idő, vagy a geológiában tartózkodási idő.

A modellre alkalmazva a lineáris transzporttörvényt:

2.2.3. A modell kalibrációja és megoldása

A modell egyenletrendszerének megoldásával két kérdésre kaphatunk választ:

a.) hány év alatt, és

b.) milyen szinten áll be az egyensúlyi állapot az egyes tározókban?

Alkalmazzuk először a megoldás mátrixos módszerét. Behelyettesítve a transzport-egyenletekbe kapjuk:

Ezzel megkaptuk a modell alapját képező szimultán differencia-egyenlet rendszert. A modell kalibrációja jelenti, tehát az F01, F02 inputok és a k10 , k20, k12 körforgási ráták meghatározását a rendszer outputjából.

A rendszer egyensúlyi állapotba kerül, ha a tárolók széntartalma t idő eltelte után tovább már nem változik:

Azaz:

Átrendezve és mátrixokkal kifejezve, ahol a mátrixokat rendre jelöljük F, k, X, ekkor:

left [ binom{F_{01}}{F_{02}} right ]=left [ matrix{k_{10}+k_{12} # 0 ## -k_{12} # k_{20}} right ] left [ binom{x_{1}}{x_{2}} right ]

Kiszámítva k-1 inverz mátrixot és elvégezve a mátrixszorzást megkapjuk a b.) kérdésre a választ: egyensúlyi állapotban az állapotváltozók x1és x2 értékét. Ez a megoldás nem ad választ az a.) kérdésre!