Agrometeorologia e modelli matematici

Dipartimento di scienze delle produzioni agrarie e alimentari

Università degli studi di Catania

Corso di laurea magistrale in scienze e tecnologie agrarie

Agrometeorologia e modelli matematici
Anno accademico 2012/2013
Michele Bracciaventi
Filippo Marassà

Indice

• Agrometeorologia
• Agrometeorologia nell'azienda agraria
• I principali parametri di interesse agronomico
  • Temperatura
  • Temperatura del suolo
  • Precipitazioni
  • Radiazione solare
  • Evapotraspirazione
  • Umidità relativa
  • Bagnatura fogliare
  • Il vento
• Servizi agrometeorologici
  • SIAS
  • AGROSERVIZI
• Modelli agrometeorologici
  • CROPSIST
  • AQUACROP

Agrometeorologia

L’agrometeorologia è una disciplina applicata nata nel XX secolo, essa è l'applicazione delle conoscenze meteorologiche in agricoltura, tenuto conto dei rapporti tra atmosfera, suolo e vegetazione. Essa è la scienza che studia le relazioni tra l’ecosistema agricolo-forestale ed i fattori meteorologici e idrologici. Sono note le interazioni del clima con gli organismi viventi (piante, patogeni e insetti), in tale chiave l'agrometeorologia fornisce utili indicazioni per la migliore gestione delle attività agricole, zootecniche e forestali. Da qui l’importanza di monitorare ed indagare costantemente sulle regole che influenzano le relazioni tra il mondo biologico (organismi viventi) e quello fisico-climatico.

Secondo l'Associazione Italiana di AgroMeteorologia per agrometeorologia si intende "la scienza che studia le interazioni dei fattori meteorologici ed idrologici con l'ecosistema agricolo-forestale e con l'agricoltura intesa nel suo senso più ampio".

Tra i fini della materia ricordiamo:

• Analisi della destinazione e della pianificazione degli interventi di una data zona;
• Scelta varietale e programmazione delle operazioni colturali;
• Studi fisiologici e fenologici delle colture;
• Miglioramenti produttivi mitiganti gli effetti negativi climatici;
• Riduzione dei rischi legati a fenomeni meteorologici o ad attacchi parassitari ad essi annessi.

La riuscita della produzione agricola dipende dalle capacità gestionali dell'imprenditore solo per aziende nella stessa zona e con terreni simili, in caso contrario il terreno ed i fenomeni meteorologici producono le variazioni riscontrate tra campi diversi ed in varie annate. I settori di influenza dell'agrometeorologia sulla gestione aziendale riguardano:

• La scelta produttiva globale e dei diversi appezzamenti;
• La valutazione del rischio climatico;
• La difesa da rischi fitopatologici e climatici (gelate, grandinate etc.);
• Le previsioni di eventuali ristagni o carenze idriche e relativi interventi;
• La scelta della modalità, epoca e tempo di esecuzione delle pratiche colturali.

Per quanto riguarda la difesa da rischi fitopatologici, l'agrometeorologia consente l'utilizzo di "modelli previsionali" studiati per stimare la pericolosità di alcune malattie fungine e di insetti dannosi alle colture. Questi permettono l'applicazione di una lotta mirata che ha come obiettivo l'ottenimento di produzioni con minori residui di agrofarmaci ("lotta integrata" e "lotta biologica"). Alla base dell'agrometeorologia c'è una semplice constatazione: buona parte dell'attività agricola è soggetta alle condizioni atmosferiche: la crescita e lo sviluppo delle piante dipendono dalla presenza di luce solare, acqua e condizioni termiche adeguate. Solo dallo studio delle interazioni tra condizioni climatiche e colture può quindi scaturire un progresso delle produzioni nel rispetto dei vincoli naturali.

I fattori di interesse dell'agrometeorologo sono quindi: l'atmosfera, almeno nella porzione (troposfera) che ospita i fenomeni meteorologici, il suolo, almeno fino alla profondità dove si trovano falde che riforniscono le radici di acqua per capillarità, e naturalmente le colture stesse, intese sia dal punto di vista strettamente vegetale che come strumenti di produzione governati da agricoltori.

Agrometeorologia nell'azienda agraria

Nell’azienda agraria l’agrometeorologia è utile anzitutto per le decisioni tattiche e cioè quelle del “giorno per giorno” e che sono basate sulla conoscenza del tempo recente, attuale e previsto. In proposito si possono citare come esempi la scelta del momento e delle modalità di realizzazione dei lavori di preparazione del letto di semina (arature, erpicature, rullature, ecc.) delle lavorazioni nel corso del ciclo colturale (sarchiature, rincalzature, ecc.), degli interventi di difesa da avversità biotiche (insetti, patogeni fungini, acari, malerbe, ecc.) e abiotiche (siccit&a grave;, gelo, ecc.), delle concimazioni, dell’irrigazione e della raccolta.

L’agroclimatologia è utile per le decisioni strategiche e per le scelte di lungo periodo, come ad esempio:

• La scelta di specie e varietà di colture pluriennali ed annuali
• La scelta del sistema di allevamento
• La scelta delle sistemazioni idraulico – agrarie
• La scelta dei sistemi di gestione dell’acqua irrigua e del sistema di irrigazione aziendale
• La scelta del parco macchine aziendale
• La scelta dei sistemi di protezione da avversità abiotiche (siccità, vento, gelo, grandine, ...).

L’agrometeorologia concorre inoltre allo studio delle fasi di sviluppo delle colture (fasi fenologiche), il cui ritmo è fortemente dipendente da alcuni parametri climatici.

I principali parametri di interesse agronomico

• Temperatura (°C)
• Pioggia (mm)
• Radiazione solare (W/m²)
• Evaporazione (mm)
• Umidità relativa atmosferica (%)
• Bagnatura fogliare (minuti/ore)
• Velocità del vento (m/s)
• Temperatura terreno (°C)

Temperatura

La temperatura è la proprietà fisica intensiva, definibile per mezzo di una grandezza fisica, che indica lo stato termico di un sistema. La temperatura determina il verso del flusso di calore che si instaura fra due sistemi che interagiscono. Essa è la proprietà fisica che regola il trasferimento di energia termica da un sistema a un altro.

Quando due sistemi si trovano in equilibrio termico e non avviene nessun trasferimento di energia, si dice che sono alla stessa temperatura. Quando esiste una differenza di temperatura, il calore tenderà a muoversi dal sistema che viene detto a temperatura più alta verso il sistema che diremo a temperatura più bassa, fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. La temperatura non è una misura della quantità di energia termica o calore di un sistema, ma è a essa correlata.

Su scala microscopica, nei casi più semplici, questo calore corrisponde al movimento casuale degli atomi e delle molecole del sistema. Quindi un incremento di temperatura corrisponde a un incremento del movimento degli atomi del sistema. Per questo, la temperatura viene anche definita come lo stato di agitazione molecolare del sistema.

Sono stati sviluppati molti metodi per la misurazione della temperatura. La maggior parte di questi si basano sulla misurazione di una delle proprietà fisiche di un dato materiale, che varia in funzione del variare della temperatura. Uno degli strumenti di misura più comunemente utilizzati per la misurazione della temperatura è il termometro a liquido. Esso consiste di un tubicino capillare di vetro riempito con mercurio o altro liquido. L'incremento di temperatura fa espandere il liquido e la temperatura può essere determinata misurando il volume del fluido all'equilibrio. Questi termometri possono essere calibrati, in modo che sia possibile leggere le temperature su una scala graduata. Esistono anche altre tipologie di termometri per la misura della temperatura, come ad esempio i termometri a gas che utilizzano come grandezza termometrica la pressione a volume costante di una massa gassosa, termometri elettrici a resistenza che misurano la resistenza elettrica di un conduttore che di solito cresce all’aumentare della temperatura, termometri a termocoppia, termometri bimetallici ecc.

Nell'ambito della meteorologia e in alcune discipline affini alla medicina viene definita la cosiddetta temperatura percepita, ossia la sensazione di "caldo" o di "freddo" che viene avvertita; essa è dovuta non solo alla temperatura effettiva, ma anche ad altre condizioni ambientali. Per esempio l'umidità dell'aria può aumentare la sensazione di caldo, mentre il vento può aumentare la sensazione di freddo. In meteorologia la temperatura è la grandezza che misura lo stato termico dell’atmosfera.

In condizioni atmosferiche ottimali (cielo sereno e senza neanche una nube, mancanza di precipitazioni atmosferiche, calma di vento) si ha la massima escursione termica: si raggiunge durante il giorno la temperatura più alta per via dell'irraggiamento solare e durante la notte per la dispersione di calore: questo spiega perché, soprattutto nel tardo autunno e agli inizi della primavera, può formarsi la brina anche a temperature sopra gli 0 °C. Durante una giornata di sole il suolo è più caldo dell'atmosfera perché accumula più calore dell'atmosfera e ne restituisce di meno; di notte invece, solitamente, è il contrario. Un suolo troppo caldo in caso di sole caldissimo e di aria fredda in quota può causare la formazione di grandine favorita dal trascinamento di aria secca.

I fenomeni che causano la diminuzione della temperatura sono il temporale, il tornado, la grandine e la pioggia mista a neve. La pioggia in quanto tale può sia aumentare che diminuire la temperatura dell'atmosfera, a seconda di altre circostanze esterne.

Fattori determinanti la temperatura

• Diversa inclinazione dei raggi solari, dovuta alla latitudine, alla stagione e all’ora del giorno. Alle alte latitudini i raggi solari arrivano con maggiore inclinazione rispetto alle basse latitudini, quindi una stessa quantità di radiazione solare attraversa uno strato maggiore di atmosfera e si distribuisce su una superficie più estesa;
• Pendenza del terreno, provoca modificazioni dell’angolo di incidenza dei raggi solari;
• Diverso calore specifico delle terre e delle acque, è basso per terreni e rocce che raggiungono presto elevate temperature e presto si raffreddano soprattutto durante la notte o in inverno; è elevato per le acque che si riscaldano lentamente e altrettanto lentamente si raffreddano. L’aria di conseguenza, presenta oscillazioni di temperatura stagionali e giornaliere;
• Importanza della vegetazione, le piante assorbono calore per le loro funzioni vitali ed emettono vapore acqueo; hanno quindi sensibile influenza sulla temperatura dell’aria;
• Altitudine, la temperatura dell’aria diminuisce di 0,6 °C ogni 100 m di altezza. L’inversione termica legata all’aumento della temperatura con l’altezza è un fenomeno che avviene entro spessori limitati di aria, dovuto al rapido irraggiamento terrestre con cielo sereno e assenza di vento, nelle notti invernali, con intenso raffreddamento degli strati di aria più bassi. Questo fenomeno può verificarsi anche per l’incontro di masse di aria a temperatura diversa dove l’aria più fredda si incunea sotto quella più calda.

Distribuzione della temperatura sulla terra

La temperatura viene studiata sotto forma di media e di escursione:

• Temperatura media giornaliera, calcolo della media aritmetica fra i valori registrati nelle 24 ore (ogni 3 ore a partire dalle 24.00);
• Temperatura media mensile, si ottiene sommando le medie giornaliere e dividendo la somma per il numero dei giorni del mese in esame;
• Temperatura media annua, si ricava dalle medie mensili;
• Escursione termica giornaliera, differenza tra temperatura massima e minima registrate in un dato luogo nelle 24 ore;
• Escursione termica annua, differenza algebrica tra la temperatura media del mese più caldo e quella del mese più freddo.

La misurazione della temperatura è di fondamentale importanza nel campo della meteorologia e della climatologia. In campo meteorologico le applicazioni sono molte, la temperatura, infatti, interviene sulla crescita delle colture, nello sviluppo dei fitofagi e delle fitopatie e serve da riferimento per la programmazione delle varie lavorazioni in campo (semina, concimazione, fienagione e raccolta). Le funzioni dei vegetali (fotosintesi, germinazione, assorbimento), i processi riguardanti il loro sviluppo (fioritura, dormienza semi ecc.), le funzioni microbiche (ammonizzazione, nitrificazione ecc.), si svolgono con una intensità dipendente dalla temperatura. Così in condizioni di temperatura ottimale le funzioni vitali si svolgono con velocità massima; in presenza di temperature cardinali (massima e minima), sono quelle al di sopra e al di sotto delle quali le funzioni vitali si arrestano; temperature critiche, sono le temperature al di sopra o al di sotto delle quali si hanno danni irreparabili delle funzioni. Altri aspetti da considerare sono i binomi temperatura-fotoperiodo e temperatura-umidità, il primo influenza l’attività dei patogeni fungini e la suscettibilità delle piante ospiti, il secondo influenza le piante e gli organismi animali loro ospiti.

L'equipaggiamento tipo di una stazione per la misura della temperatura dell'aria consiste in due termometri a massima e a minima, oppure utilizza solo un termometro automatico registratore, chiamato termografo.

Temperatura del suolo

La temperatura di un terreno è un elemento di grossa importanza per la sua genesi e per la vita di tutti gli organismi che compongono la pedofauna. Temperature al di sotto del punto di congelamento inibiscono pressoché ogni forma di attività biologica, oltre a cristallizzare la soluzione circolante e impedire quindi ogni tipo di traslocazione di elementi all'interno del profilo. Temperature positive ma comunque basse, sotto i 5 °C, permettono il movimento di acqua, ma rappresentano di fatto un ostacolo alla vita nel terreno: la germinazione di quasi tutti i semi è resa impossibile, così come lo sviluppo delle radici; uno strato con temperatura minore di 5 °C costituisce un vero e proprio impedimento fisico all'accrescimento vegetale, tanto quanto potrebbe esserlo uno strato indurito o uno strato con elevate concentrazioni saline. La temperatura del suolo influenza anche l’assorbimento di alcuni macroelementi.

La temperatura di un suolo è legata alla temperatura della massa d'aria soprastante; possono tuttavia influire altri fattori, come ad esempio:

• L'eventuale copertura nevosa, dato che la neve è un discreto isolante termico; in caso di presenza di spessi strati di neve si possono avere temperature positive anche in caso di forti gelate esterne;
• Quantità e distribuzione delle piogge e contenuto in acqua: ad esempio, piogge estive frequenti impediscono, oltre al disseccamento, forti riscaldamenti del terreno; l’acqua ha capacità termica diversa dagli altri componenti del terreno, si scalda e si raffredda lentamente;
• La tipologia di copertura vegetale, che può provocare o meno ombreggiamento della superficie del terreno limitando l'esposizione ai raggi solari diretti;
• Il colore, dato che terreni scuri assorbono più calore di quelli chiari;
• Le lavorazioni agrarie;
• La presenza di sostanza organica.

La misura della temperatura del terreno viene effettuata inserendo il sensore direttamente all’interno del terreno.

Precipitazioni

In meteorologia con il termine precipitazioni si intendono tutti i fenomeni di trasferimento di acqua allo stato liquido o solido dall'atmosfera al suolo ovvero pioggia, neve, grandine, rugiada, brina ecc., rappresentando una fase del ciclo idrologico. Quando l'aria calda è umida riscaldata dalla radiazione solare sale verso l’alto, essa si raffredda fino a condensarsi e formare una nube, costituita da microscopiche goccioline d'acqua. Queste gocce, unendosi, diventano più grosse e pesanti, cadono a terra sotto forma di pioggia, neve, grandine.

Per avere le precipitazioni occorre una massa d’aria ricca di vapore acqueo. Perché si formino pioggia e neve occorre tuttavia qualcosa che agglomeri le molecole d’acqua ovvero i cosiddetti nuclei di condensazione, sostanze fortemente igroscopiche che favoriscono la condensazione, come ad esempio minuscoli granelli di sabbia, polvere e i sali (cloruri) sospesi nell’aria. Le molecole iniziano ad aderire al granello e la goccia aumenta di dimensioni finché non diventa troppo pesante per rimanere sospesa in aria dalla spinta di galleggiamento precipitando così al suolo.

Quando la condensazione di queste molecole d’acqua avviene ad una temperatura superiore agli 0° e il diametro della goccia supera gli 0,3 mm si ha la pioggia. Se la temperatura della nube rimane al disotto degli 0 °C le molecole cristallizzano attorno ai germi di cristallizzazione diventando cristalli di ghiaccio e formando così la neve; i fiocchi di neve si formano perché i cristalli di ghiaccio, attraversando strati d’aria a temperature superiori agli 0 °C fondono e si riaggregano raggiungendo anche notevoli dimensioni. Se durante il percorso verso il suolo il fiocco o cristallo incontra una temperatura superiore agli 0 °C questo fonde e giunge al suolo sotto forma di pioggia. Un altro tipo di precipitazione è la grandine.