Agrometeorologia ed ecologia agraria

Agrometeorologia ed ecologia agraria

Prof. F. Ventura

Ecosistema: qualsiasi unità di spazio all’interno del quale ci sono componenti fisiche e chimiche che interagiscono tra di loro. Atmosfera, idrosfera, litosfera e biosfera collegate tra loro.

Unità di misura

• Lunghezza: Metro (m)
• Tempo: Secondi (s)
• Massa: Kilogrammo (kg)
• Temperatura: Kelvin (K)
• Intensità di corrente elettrica: Ampere (A)
• Intensità luminosa: Candela (cd)
• Quantità di sostanza: Mole (mol)

Temperatura dell'aria

Descrive lo stato termico dell’atmosfera (quantità di energia contenuta dalle molecole che la compongono e come si muovono queste) unità di misura °C. Essa varia da un massimo ad un minimo, l’escursione termica dipende dall’energia che arriva dal Sole; quindi, ha andamento asimmetrico dato che cresce più velocemente di come decresce. Può essere espressa dalla legge dei gas perfetti o con l’equazione di Stefan-Boltzmann.

Umidità dell'aria

È una misura della quantità di vapore acqueo nell’unità di volume d’aria e dipende dalla temperatura dell’aria.

Pressione di vapore (Pa)

Esprime la porzione della pressione atmosferica totale, dovuta alla presenza di molecole di vapore acqueo nell’unità di volume di aria. Esiste una quantità massima di molecole di vapore acqueo che possono essere contenute, corrispondente al valore di pressione di vapore saturo (funzione non lineare della temperatura).

Umidità assoluta (g/m³)

È una misura della densità di vapore acqueo, come numero di grammi di vapore acqueo contenuti in un metro cubo d’aria. All’aumentare della temperatura varia anche il volume dell’aria oltre alla quantità di acqua, quindi troppe incognite.

Umidità relativa

(al massimo possibile) % della quantità di vapore acqueo che si ha, rispetto alla saturazione e dipende dalla temperatura. Es. 50% di quella massima possibile in base a quella temperatura.

Punto di rugiada

Temperatura alla quale si avrà saturazione in quelle condizioni (la quantità di acqua è sempre la stessa, ma cambiando la temperatura il volume occupato). Quando è alto c’è abbondanza di vapore nell’atmosfera. Se è vicino alla temperatura dell’aria saremo prossimi alla saturazione, e viceversa se è molto inferiore l’aria sarà secca (la temperatura di rugiada al tramonto, è simile alla temperatura minima che si avrà la notte).

Precipitazioni (mm=l/m²)

Descrive l’altezza di acqua caduta sotto forma di pioggia, neve, grandine, nebbia… Le nuvole si formano in seguito a condensazione di vapore d’acqua; sono acqua o ghiaccio e non vapore acqueo.

Pioggia utile

Porzione della pioggia totale che può essere utilizzata dalla pianta. Quando piove parte dell’acqua che arriva alla pianta: viene persa per ruscellamento, viene trattenuta dalle foglie o percola al di sotto della rizosfera. Se un terreno è secco, l’acqua non riesce a penetrare bene, quindi non fa parte di quella utile.

Radiazione solare (W/m²)

Energia che arriva dal Sole, utilizzata per fotosintesi ed evapotraspirazione. Per l’agrometeorologia la banda più importante è PAR (radiazione fotosinteticamente attiva, va dai 400 ai 700nm e corrisponde alla frazione del visibile).

Evaporazione (mm/giorno, mese, anno)

Quantità di acqua evapotraspirata per unità di tempo e superficie, unità di misura simile a quella della pioggia.

Vento

(intensità (m/s; km/h)) (direzione gradi da Nord): influenza l’evapotraspirazione, trasporta massa ed energia. Viene considerata principalmente la componente orizzontale del moto, ma essendo vettoriale, compie anche moti verticali.

• N-tramontana
• NE-grecale/bora
• E-levante
• SE-scirocco
• S-mezzogiorno/austro
• SO-libeccio
• O-ponente
• NO-maestrale

Effetti del vento

Il vento rimuove il calore dal nostro corpo, così il bilancio energetico è sempre attivo e continuiamo a cedere calore. Allo stesso modo, il caldo e umidità relativa alta, mantengono il bilancio idrico sempre attivo.

Livello di falda

Profondità alla quale si trova l’acqua libera, nel terreno.

Insolazione

Quantità delle ore di luce.

Atmosfera

Corpo gassoso che circonda la Terra, a cui rimane vincolata grazie alla gravità, anche se i fenomeni meteorologici che ci interessano avvengono entro i primi 16km, è costituita da strati che possiamo considerare come gusci concentrici (da Terra, troposfera, stratosfera, mesosfera e termosfera) classificati in vari modi, tra cui il più diffuso è secondo temperatura: più si va in alto più fa freddo, ad un certo punto, a livello della stratosfera, c’è un’inversione e la temperatura aumenta con l’altitudine. Questo fenomeno è dovuto alla presenza molto ossigeno e soprattutto dell’ozono, che in base alla forza di gravità e al suo peso, quello strato è ottimale. La termosfera è la più calda perché è il primo strato in cui arrivano tutte le radiazioni solari prive di filtri.

L’atmosfera non presenta un confine esterno definito, possiamo considerare come limite estremo quello in cui la velocità di moto delle molecole della termosfera, supera la velocità di fuga dall’orbita terrestre. Lo strato di confine interno (ABL) è il punto di contatto tra la terra e la troposfera. Quest’ultima risente del calore che proviene dal Sole e viene incamerato dal terreno, che successivamente rilascia, scaldando l’aria. È molto variabile a seconda di cosa c’è sulla terra e va da 2m a 2km.

Verso l’alto l’aria è più rarefatta, perché l’attrazione gravitazionale è minore, così come la densità è maggiore verso il basso, anche la pressione sarà maggiore verso il basso, in quanto il peso dell’aria sarà maggiore. La pressione atmosferica è la forza peso esercitata da una colonna d’aria su una superficie. Si misura in Pa, bar (10⁵ Pa), atm (101325 Pa) o Torr (133,33 Pa). L’atmosfera standard (atm) è l’aria secca, senza umidità. Il vapore acqueo è meno pesante dell’aria secca, quindi bassa pressione = aria umida, alta pressione = aria secca.

Differenze di pressione danno origine ai venti, per ottenere un riequilibrio. La direzione del vento è influenzata dagli ostacoli e dalla rotazione terrestre. I venti verticali sono importanti perché rimescolano l’atmosfera.

A livello dell’ABL la composizione dell’atmosfera è abbastanza uniforme: azoto, ossigeno, altri gas, altre particelle in sospensione (aerosol) e in base alle zone una variabile percentuale di vapore acqueo. La ricchezza di azoto per gli umani è indifferente, ma per le piante è molto vantaggioso. All’interno del singolo anno è possibile osservare delle oscillazioni della concentrazione della CO₂ dovute alle diverse fasi vegetative delle piante.

Aerosol è un insieme di particelle di diverso tipo in sospensione nell’atmosfera, che entrano ed escono a seconda della pressione. Essi hanno effetti nocivi, sull’uomo perché venendo inalati provocano danni al sistema respiratorio. Per quanto riguarda l’ambiente, intercettano la radiazione solare diminuiscono la temperatura del suolo, aumentando quella dell’aria. Costituiscono delle nubi (cirri) diminuendo le piogge e aumentando la temperatura.

Radiazione solare (W/m²)

La principale fonte di energia della Terra, ed è responsabile dei cicli dell’acqua, della fotosintesi (impiego della radiazione per la produzione di carboidrati) e dell’evapotraspirazione (per mezzo dell’energia solare, le piante, estraggono l’acqua dal suolo e la fanno uscire dalle foglie come vapore). In generale una radiazione è l’energia emessa dalla superficie di qualsiasi corpo (in base alle sue caratteristiche) che abbia T> 0 K sotto forma di radiazione elettromagnetica; può essere emessa sia ad ampio spettro che in banda monocromatica.

Il flusso radiante (W) è la quantità di radiazione emessa, trasmessa, riflessa o ricevuta da una sorgente per unità di tempo, mentre la densità di flusso radiante (W/m²) è il flusso sull’unità di superficie. L’irradianza è l’energia (densità di flusso) che arriva su una superficie che poi verrà emessa (emittanza).

L’Einstein è l’unità di misura utilizzata per esprimere l’energia del flusso di fotoni di una banda d’interesse. Es. delle lampade per la coltivazione al chiuso, che utilizzano la banda PAR.

Leggi della radiazione

• Legge di Stefan-Boltzmann: La quantità di energia emessa da un corpo è proporzionale alla sua temperatura (con il termometro del covid misura la radiazione emessa dal nostro corpo che è legata alla nostra temperatura). Vale per un emettitore perfetto (corpo nero), la cosa più vicina ad esso è il Sole, in quanto emette il massimo possibile. La presenza di ε serve a quantificare l’emittanza dei corpi non neri. R = εσT⁴ R: energia emessa per unità di tempo e superficie del corpo W/m² ε: emissività della superficie, 0 ≤ ε ≤ 1 σ: 5,7 x 10^-8 W/m²K⁴ T: temperatura assoluta del corpo
• Legge di Planck: L’energia emessa da una radiazione è funzione della lunghezza d’onda. E = hc/λ E: energia emessa J h: costante di Plank 6,62 x 10^-34 J/s c: velocità della luce nel vuoto 3 x 10⁸ m/s λ: lunghezza d’onda m
• Legge di Wine: La lunghezza d’onda del picco di energia emessa è funzione della temperatura del corpo. Conoscendo la temperatura di un corpo posso calcolare la lunghezza d’onda per cui è massima la radiazione. Corpi con temperature diverse emetteranno degli spettri con picchi di emissioni che hanno bande diverse, gli oggetti più caldi emettono gran parte della loro radiazione a lunghezze d’onda minori, mentre quelli più freddi sono meno energetici quindi hanno lunghezze d’onda maggiori, ma la temperatura dipende comunque dal tipo di materiale. λ_MAX = 2895 x10^-6 /T λ_MAX : lunghezza d’onda massima m T: temperatura del corpo K
• Legge di Kirchhoff: Se un corpo è un buon emettitore sarà anche un buon assorbitore (è un modo per esprimere la conservazione dell’energia). Oltre ad essere assorbita, la radiazione può essere riflessa e trasmessa dal corpo, ciò dipende dal tipo di materiale, dall’inclinazione... Ognuna di queste possibilità è espressa da un coefficiente che va da 0 a 1 e la somma deve essere 1, cioè l’energia incidente, per questo esprime la conservazione di energia. ε=α ε: efficienza di emissione dei corpi α: efficienza di assorbimento dei corpi

La radiazione emessa dal Sole è sempre costante, ma quella che è disponibile per le piante cambia, in quanto l’energia emessa si distribuirà attorno alla Terra in funzione dalla distanza. La radiazione che arriva alla superficie esterna dell’atmosfera (anche se non è ben definita) prende il nome di costante solare (1360 W/m²). Quella che arriva alla superficie terrestre; invece, oltre che dalla distanza, dipende anche dall’inclinazione con cui arriva e dalla trasparenza dell’atmosfera, quest’ultima espressa dal coefficiente di estinzione (k); quindi, dall’effetto filtro che fa dato che le diverse componenti dell’atmosfera, hanno diverse absortività. In ogni caso la quantità d’energia che raggiunge la Terra, varia con la latitudine, con la stagione e con le condizioni meteorologiche.

Albedo di una superficie è il rapporto tra la radiazione viene riflessa da una superficie e quella globale su di essa incidente e anche questa va da 0 a 1. È una delle qualità che permette di riconoscere la superficie, in quanto varia in funzione di essa, a parità di superficie varia in funzione di lunghezza d’onda ed inclinazione della radiazione.

Quando una certa quantità di radiazione entra nell’atmosfera, prende diverse strade:

• 25% arriva a terra;
• 25% radiazione diffusa che interagisce con le componenti dell’atmosfera senza cedere energia, non variando la lunghezza d’onda.
• Per quanto riguarda il restante 50% che non arriva sulla superficie terrestre: una piccola parte viene riflessa dall’esterno dell’atmosfera, una parte riflessa dalle nuvole e un’altra parte viene assorbita dalle nuvole e dall’atmosfera dando a quest’ultima energia, che negli ultimi anni è aumentata in quanto ci sono più molecole che la assorbono, aumentando la loro temperatura, di conseguenza anche dell’atmosfera.

Bilancio radiativo

Bilancio della radiazione in ingresso. Rn = (Qs + q) (1-a) + Ld + Lu Rn: radiazione netta (disponibile alla fotosintesi e all’evapotraspirazione che è solo una piccola parte di tutta quella che arriva) Qs: radiazione diretta (onde corte) q: radiazione diffusa (onde corte) a: albedo (1-a): significa che rimane nel bilancio tutta quella che non viene riflessa Ld: radiazione dell’atmosfera e dal cielo (onde lunghe verso il basso) Lu: radiazione dalla superficie (onde lunghe verso l’alto) si calcola con la legge di Boltzmann

Normalmente Il radiometro non dà mai un valore di R<0, mentre quello netto, la notte, può dare un valore di Rn<0 perché il flusso energetico esce dalla Terra e si raffredda. Rn>0 significa che c’è un flusso energetico entra e riscalda la Terra, all’equilibrio Rn=0.

Bilancio energetico

Bilancio della superficie che la riceve. Si misura per capire in che modo, la radiazione che arriva su una superficie, viene ripartita nei diversi processi di scambio, così da avere informazioni sul funzionamento degli ecosistemi. Rn = H + λE + G + M Rn: radiazione netta H: flusso di calore sensibile, scambio di calore tra la superficie illuminata e cosa c’è sopra (atmosfera), di solito con le foglie non succede perché mediante l’evapotraspirazione sono più fresche dell’atmosfera.

λE: calore latente di evaporazione, calore utilizzato per il passaggio di stato dell’acqua, es. quello utilizzato dentro la pianta per l’evaporazione. È definito latente perché l’energia fornita, viene usata dalla superficie per l’evaporazione e viene restituita mediante condensazione; quindi, c’è solo uno spostamento di massa. λ: dipende dalla temperatura e serve a convertire l’unità di misura da W/m², a mm. energia necessaria per far evaporare ogni kg d’acqua E: energia usata per l’evaporazione, quanta acqua evapora per unità di tempo e superficie.

G: flusso di calore nel terreno, il Sole scalda la superficie ed il calore entra nel terreno, dipende dal tipo di terreno e sarà molto basso se c’è un campo coltivato, in quanto trattiene molta radiazione (nella germinazione è molto importante).

M: energia legata ai processi metabolici, es. fotosintesi

Convenzionalmente la radiazione che entra nella superficie è positiva, quella che esce negativa, mentre per le altre forme di energia (H, λE, G) al contrario.

L’energia si muove per:

• Irraggiamento: trasferimento di energia per mezzo di onde elettromagnetiche, usato dall’energia del Sole nel vuoto.
• Conduzione: energia che si trasmette da un corpo più caldo ad un corpo più freddo con cui è a contatto.
• Convezione: movimento di massa (nella pentola l’acqua calda sale sopra quelle fredda).

Il bilanciamento energetico superficiale, viene utilizzato per organismi sottili, mentre per quelli più spessi è meglio usare quello volumetrico.

Equazione di Penman Monteith

Serve a calcolare l’evapotraspirazione a partire dai termini dal bilancio energetico. È composta da 3 parti:

• Energetica: energia che arriva (altrimenti no evaporazione)
• Deficit evaporativo: differenza della pressione di vapore alla saturazione e pressione attuale (In alcuni casi si tiene conto del vento)
• Resistiva: denominatore.

Caratteristiche degli strumenti di misura

Lo strumento serve a rendere oggettiva l’osservazione, presentano delle caratteristiche generali:

• Linearità: ad una certa variazione della grandezza misurata, la variazione nella rilevazione della misura è uguale.
• Sensibilità: coefficiente angolare della curva di linearità (a grandi variazioni della grandezza, corrispondono grandi differenze del valore in uscita).
• Range: intervallo in cui si può acquisire un valore utile, della grandezza.
• Risoluzione: capacità di distinguere due valori molto vicini della grandezza.
• Accuratezza: approssimazione del valore misurato a quello reale.
• Precisione: capacità di avere poca variazione del valore più probabile (quello dell’accuratezza).
• Prontezza: quanto tempo ci vuole a giungere all’equilibrio, quindi a fornire il risultato.
• Ripetibilità: capacità di ottenere sempre lo stesso risultato.
• Errore: differenza tra valore misurato e valore vero, espresso in %.

Stazione meteorologica e agrometeorologica

La differenza tra una stazione meteorologica e agrometeorologica riguarda il tipo di dati rilevati, in quanto gli interessi sono diversi. In ogni caso devono rispettare determinate regole, in modo da rendere più oggettiva possibile la misura. Gli strumenti sono posizionati a notevoli distanze tra loro, per evitare influenze, deve essere presente un recinto di dimensioni specifiche, con l’obiettivo di prevenire eventuali danni da parte di animali o altro, deve presentare una superficie seminata a prato, che può...