Agrometeorologia agraria

Agrometeorologia

Introduzione alla agrometeorologia

Unità di misura, applicazioni nell’ambito agrometeorologico del problema della misura e degli errori. Lo studio di un fenomeno parte dalla sua osservazione, vengono effettuate delle ipotesi su quali sono le grandezze coinvolte e su quali relazioni le legano. Una volta formulata l’ipotesi vengono fatte delle misure mirate alla sua verifica. Se questa risulta non vera sarà necessario fare nuove ipotesi e/o nuove misure.

Le osservazioni possono essere:

• Qualitative (piove/non piove)
• Quantitative (piove x mm, con intensità Y mm/h)

L’osservazione di un fenomeno fisico prevede 2 passaggi:

• Indicare i procedimenti per effettuare la misura
• Assegnare ad essa una unità di misura (campione)

Il campione deve essere: pratico, utile, universalmente riconosciuto. Le grandezze fisiche vengono suddivise in:

• Fondamentali, solo per queste si stabiliscono i relativi campioni, esse sono elencate nel SI
  • Lunghezza (metro m)
  • Tempo (secondi s)
  • Massa (kilogrammo kg)
  • Temperatura (Kelvin K)
  • Intensità di corrente (Ampere A)
  • Intensità luminosa (candela cd)
  • Quantità di sostanza (mole mol)
• Derivate da quelle fondamentali

Grandezze dell’agrometeorologia

Grandezze d’interesse agrometeorologico e climatico

Temperatura dell’aria

Descrive lo stato termico dell’atmosfera. È una misura dell’energia interna delle singole molecole che la compongono (il calore è la misura dell’energia totale, di tutte le molecole di un corpo).

Unità di misura - °C K = °C + 273,15. La temperatura dell’aria nel giorno ha un andamento asimmetrico, poiché il tasso di dispersione del calore nel pomeriggio è inferiore al tasso di apporto energetico per l’insolazione.

Umidità dell’aria

È definita come il rapporto della densità del vapore contenuto nel miscuglio (per esempio quello di vapore acqueo nell'aria umida), essa comprende: pressione di vapore, umidità assoluta e relativa.

Pressione di vapore esprime la parte di pressione atmosferica dovuta alla presenza di molecole di vapore acqueo. La misura è in Pascal (Pa). Esiste una quantità massima di molecole di vapore acqueo che possono essere contenute nell’unità di volume di aria, si parla di pressione di vapore saturo, questa è funzione non lineare della temperatura.

Umidità assoluta è una misura della densità di vapore acqueo, come numero di grammi di vapore acqueo contenuti in un metro cubo di aria. La misura è g/m³. A parità di grammi di acqua questa quantità varia all’espandersi/contrarsi del volume d’aria. Per questo si preferisce l’umidità relativa.

Umidità relativa - è la misura della quantità di vapore contenuta nell’aria rispetto alla quantità contenuta alla saturazione per la temperatura attuale. La misura è in %.

Punto di rugiada - la temperatura alla quale si verifica la saturazione di quantità di vapore nell’aria. Tutto ciò è un indice dell’abbondanza di vapore acqueo: quando è alto c’è abbondanza di vapore nell’atmosfera. Inoltre, se è vicino alla temperatura dell’aria saremo vicini alla saturazione, viceversa se è molto inferiore l’aria sarà “secca”.

Misurazione del punto di rugiada: Mettere l’acqua nella lattina, aggiungere lentamente ghiaccio per abbassare la temperatura dell’acqua e della parete della lattina. Mescolare col termometro, per essere sicuri che l’acqua abbia tutta la stessa temperatura. Quando si ha condensazione abbiamo raggiunto il Dew Point.

Precipitazioni

Crescita di gocce o cristalli in nube e caduta per gravità, quindi la caduta di acqua meteorica sotto diverse forme: pioggia, neve, grandine, nebbia… L’apporto idrico viene misurato in mm. 1 mm = 1 L/m²

Tipi di precipitazione

• Pioggia (sottile, massiva, ghiacciata)
  • Prendiamo in considerazione della pioggia la quantità, intensità, estensione, durata, piovosità totale (mese, anno, stagione), frequenza o numero di giorni di pioggia, tempo di ricorrenza.
• Neve (“asciutta”, bagnata)
• Grandine
• Fenomeni elettrici (temporali)

Nuvole: formazione per condensazione di vapore d’acqua: le nuvole non sono vapore d’acqua, sono o acqua o ghiaccio. Necessitano di nuclei di condensazione (pulviscolo atmosferico o sostanze in soluzione, minore pressione di vapore saturo e ricettori dell’energia di condensazione) dimensioni delle gocce di nube: da 1 a 50 micron

Meccanismi della formazione

• Riscaldamento locale e convenzione verticale
• Ascesa forzata da scontri di masse d’aria a diverse temperature (fronti)
• Ascesa forzata da irregolarità ortografiche
• Raffreddamento locale per conduzione con il suolo freddo (nebbia)

Frequenza di pioggia – è il numero di volte che un evento si verifica in anni: es. 7 volte in 10 anni: F = 7/10 = 0,7. 4 volte in 30 anni: F = 4/30 = 0,133

Tempo di ritorno di un evento – è l’inverso della frequenza: TR = 1/F. Es. 7 volte in 10 anni: TR = 1/0,7 = 1,43. 4 volte in 30 anni: TR = 1/0,133 = 7,5

Pioggia utile – frazione della pioggia totale di un evento che può essere utilizzata dalle piante. Pioggia utile: Pioggia totale – perdite per ruscellamento – perdite per percolazione al di sotto della zona esplorata dalle radici – acqua trattenuta dalle foglie (1-5 mm).

Probabilità di pioggia: per la programmazione delle colture ed il dimensionamento di impianti irrigui è utile conoscere la probabilità di superamento di determinati valori di pioggia, in genere mensili e nei mesi più caldi, dato che la variabilità tra gli anni spesso è elevata.

Misure di neve: non è tanto semplice. Sono infatti note da tempo le numerose difficoltà di misurare in modo accurato e coerente la nevicata e il suo contenuto d'acqua.

Radiazione solare

Tutta l’energia disponibile sulla terra, ma in particolare la quantità di energia che la pianta può utilizzare (fotosintesi e evapotraspirazione: La) non solo misura della radiazione solare permette di fare stime di queste due quantità. In ambiente libero, ma anche in ambiente controllato (tipo di illuminazione) lunghezza d’onda, si misura in Watt m^-2. Si misura con i radiometri e di conseguenza di stazioni ce ne sono ben poche. In ambito chiuso la quantità di energia (e la temperatura ambientale) dipendono dal tipo di illuminazione (lunghezza d’onda).

Viene misurata in W/m². (W = N x m/s) quantità di acqua assorbita dalle radici e rilasciata in ambiente esterno, per fare essa serve energia, viene misurata in quantità di acqua evapotraspirata per unità di tempo e di superficie: mm/d (o mm/mese, mm/min, ecc).

Vento

Molecole di vapore acqueo alla foglia possono essere portate via per permettere altra traspirazione. Può trasportare altri materiali, spore, patogeni anche a grandi distanze. Del vento si parla principalmente di componente orizzontale, ma le masse d’aria subiscono anche moti verticali. (Grandezza vettoriale), si misura in intensità e direzione, ma secondo la marina può essere classificato secondo la direzione (rosa dei venti) indici bioclimatici (metti significato). Influenza l’evapotraspirazione delle colture. Trasporto di massa e di energia. Trasporta spore e patogeni anche a grandi distanze. Il vento può essere classificato per direzione (rosa dei venti) e velocità (scala di Beaufort).

Altre grandezze di interesse agrometeorologico e climatico

• Insolazione
• Radiazione netta
• PAR (Photosynthetically Active Region)
• Terreno, imparato poiché risiede l’apparato radicale delle piante di esso mi serve calcolare la temperatura del terreno, posso utilizzare una colonna meteorologica oppure posso stimarla in base al calore che vi è nell’aria. Devo conoscere soprattutto umidità del terreno (acqua nel terreno) alla quale a terreno diverso le piante si comportano in maniera diversa, per misurare l’umidità del terreno è davvero difficile
• Temperatura del terreno
• Umidità del terreno
• Livello di falda: in pianura Padana è un parametro importante perché la falda è superficiale.

Atmosfera, composizione e cenni di dinamica

L’atmosfera è il guscio gassoso intorno alla terra ed è vincolata dalla forza di gravità. Essa viene classificata a seconda delle variazioni con l’attitudine. Alcune quantità variano con continuità (formula), altre in modo discontinuo (regola). La divisione più usata è quella basata sulle variazioni di temperatura al variare dell’altezza.

Classificazione dell’atmosfera a seconda del variare delle temperature, ci sono molti punti di inversione del suo profilo.

Cosa scalda l’aria? L’aria è riscaldata sia dal sole che dalla terra, non solo cambia la temperatura dell’aria ma anche la densità, poche molecole di anidride carbonica meno calore intrappolato. La struttura dell’atmosfera viene classificata a seconda delle variazioni con l’altitudine di:

• Temperatura
• Pressione
• Densità
• Caratteristiche chimico-fisiche (composizione)

Alcune quantità variano con continuità, altre in modo discontinuo. La suddivisione in strati dell’atmosfera è basata su queste discontinuità. La divisione più usata è quella basata sulle variazioni di temperatura al variare dell’altezza.

Classificazione dell’atmosfera al variare della temperatura

Ci sono molti punti di inversione del profilo di temperatura.

Troposfera

L’aria si raffredda con l’altitudine ed è riscaldata dalla terra. La diminuzione di temperatura con l’altezza è mediamente di 6.4°C per km. Il suo spessore varia con la latitudine (8-16 km). Contiene il 75% della massa totale di gas. È una zona turbolenta di molti convettivi. La tropopausa è uno strato di temperatura costante, il suo spessore e la sua altezza varia con la latitudine.

Il profilo di temperatura con l’altitudine è il risultato di 3 diverse sorgenti di calore:

• Radiazione ad onda lunga dalla superficie terrestre
• Creazione di ozono nella stratosfera
• Ionizzazione dell’ossigeno nella termosfera

Tropopausa (strato che divide troposfera e mesosfera)

Mesosfera

Si tratta dello strato di atmosfera terrestre che si trova direttamente sopra la stratopausa e direttamente sotto la mesopausa. In essa la temperatura dell'aria diminuisce con l'aumentare dell'altezza. Il limite superiore della mesosfera è la mesopausa, etichettata come luogo più freddo a livello naturale sulla terra.

Mesopausa (strato che divide mesosfera e stratosfera)

Stratosfera

Secondo strato dell’atmosfera è costituita da una prima fascia isoterma (temperatura costante) una seconda nella quale la temperatura aumenta con l’altitudine. Diminuzione della pressione e aumento della temperatura, dovuta alla grande concentrazione di O, O₂, O₃, gas che assorbono le radiazioni UV.

Produzione di ozono stratosferico:

• O + UV -> O + O₂
• O + O₂ + M -> O₃ + M*

M è un atomo neutro o catalizzante, M* è lo stesso atomo ma ad alta energia.

L’ozono si concentra nella stratosfera perché:

• C’è bisogno della presenza contemporanea di O e O₂
• La disponibilità di O aumenta con l’altezza
• Alle grandi altitudini le collisioni tra O, O₂ e M diventano troppo rare
• Nella stratosfera si verifica il giusto equilibrio tra densità dell’aria e disponibilità di ossigeno atomico.

Stratopausa (strato che divide stratosfera e troposfera)

Termosfera (ionosfera)

Temperatura crescente fino ad altissime temperature: 100°C a 100 km, 1000°C a 300 km di altitudine, poi diminuisce di nuovo, l’aria si riscalda con l’altitudine a causa dell’assorbimento della radiazione UV da parte di O e O₂. Limite estremo dell’ATM: non definito; a circa 3 x 10⁵ km la forza di gravità uguaglia la forza centrifuga della rotazione terrestre. Possiamo definire limite estremo dell’atmosfera la zona in cui la velocità di moto delle molecole della termosfera, che ha altissima temperatura, supera la velocità di fuga dall’orbita terrestre. In questa porzione dell’atmosfera la densità è dell’ordine di 600 protoni nm^-3 e 600 neutroni per cm³. (al suolo ci sono 2,5 x 10¹⁹ molecole per cm³)

Pressione atmosferica

La pressione atmosferica è la forza esercitata da una colonna di aria sull’unità di superficie. La pressione atmosferica equivale alla pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 760 mm (a livello del mare ed in condizioni normali). Una pressione è una forza per unità di superficie. (Esperimento di Torricelli 1644. Primo barometro)

Le variazioni orizzontali della pressione danno origine ai venti. La direzione del vento non è perpendicolare alle isobare per effetto della rotazione terrestre.

Il profilo di temperatura con l’altitudine è il risultato di 3 diverse sorgenti di calore:

• Radiazione ad onda lunga dalla superficie terrestre
• Creazione di ozono nella stratosfera
• Ionizzazione dell’ossigeno nella termosfera

Lo strato che interessa a noi è lo strato di confine, che va da qualche metro nelle notti stabili, fino a due chilometri in condizioni fortemente convettive. È molto turbolento e sensibile a variazioni climatiche. La diminuzione di pressione segue andamento esponenziale, ed è dovuta alla minore densità e alla minore altezza della colonna d’aria sovrastante.

La pressione è importante perché è essa a determinare i moti dei venti, da zone dove la pressione è più alta a zone dove è più bassa. L’azione di temperatura e pressione provoca moti verticali che favoriscono il rimescolarsi dello strato di confine, con effetti su ET e inquinamento. Il processo con cui si forma l’instabilità è: Per l’aria secca:

1. La parcella d’aria salendo ha le P e T dell’aria circostante
2. Salendo si raffredda meno dell’aria circostante => meno densa => viene spinta verso l’alto => instabilità
3. Salendo si raffredda più dell’aria circostante => più densa => tende a tornare in basso => stabilità

L’atmosfera (azoto 78%, ossigeno 21%, argon 1%, e CO₂ 0,036%). I gas serra, ossia quelli responsabili dell’aumento di energia solare trattenuta che porta all’aumento della temperatura sono: CO₂, CH₄, NO₂, CFC (clorofluorocarburi), O₃ troposferico, H₂O; questi possono poi causare altri danni come danneggiamento dell’ozono. L’ozono presente a livello delle foglie è molto dannoso, perché è affine alla rubisco, e provoca danni da respirazione del carbonio.

Aerosol: particelle solide o liquide in sospensione in un gas, di dimensioni 1 nm-100 μm, ed essi hanno effetti nocivi sull’uomo, ma sono dannosi anche per l’ambiente in quanto: intercettano la luce solare, diminuendo quella che arriva sulla terra, e fungono da nuclei di condensazione per il vapore acqueo, formando molte più gocce piccole, che non piovono e restano sotto forma di nubi; queste sono molto riflettenti e bloccano la radiazione solare. Gli aerosol contribuiscono anche alla formazione dei cirri.

Radiazione solare

La radiazione solare è fonte del 99.9% dell’energia disponibile sulla terra, ed è responsabile del ciclo dell’acqua, quindi anche di precipitazioni ed ET; inoltre le principali fonti energetiche controllate dall'uomo sono state generate grazie alla solare:

• Carbone e petrolio
• Energia idroelettrica ed eolica

Trasformazione della radiazione (Tramite fotosintesi) CO₂ + H₂O + energia solare -> CH₂O + O₂. Dai componenti dell’atmosfera tramite l’energia solare vengono prodotti carboidrati. Questa energia viene “recuperata” dai carboidrati tramite la respirazione: CH₂O + O₂ -> CO₂ + H₂O + energia chimica.

Radiazione: l'energia emessa dalla superficie di qualsiasi corpo a temperatura maggiore di 0 K sotto forma di radiazione elettromagnetica. La quantità di radiazione emessa per unità di tempo è detta flusso radiante (W), e la densità di flusso radiante è il flusso per unità di area (W/m²). PAR, Photosynthetically Active Region, 400 - 700 nm.

Lo spettro elettromagnetico: è l'insieme di tutte le possibili frequenze della radiazione elettromagnetica. L'intero spettro è convenzionalmente suddiviso nella parte di spettro visibile, che ne occupa la sezione centrale e costituisce la luce, e in quelle a frequenza minore e maggiore (rispettivamente a lunghezza d'onda maggiore e minore) dello spettro visibile. Le onde di lunghezza maggiore, dall'infrarosso alle onde radio, hanno bassa intensità e minore energia risultando scarsamente dannose per gli organismi viventi, mentre le radiazioni a lunghezza d'onda inferiore, dall'ultravioletto ai raggi gamma, hanno elevata energia ed effetto ionizzante, producendo danni biologici.

1 Joule = 1 N m = lavoro fatto o energia spesa da una forza di un Newton per compiere uno spostamento di 1 metro nella direzione della forza. 1 Watt = lavoro fatto nell'unità di tempo 1 Watt = 1 Joule s^-1 = 1 N m s^-1 - Flusso radiante (W). Quantità di radiazione emessa per unità di tempo - La densità di flusso radiante è il flusso per unità di area (W/m^-2).

Definiamo irradianza la densità di flusso radiante incidente.