Clima modificato intenzionalmente

Climi intenzionalmente
modificati
 Controllo
della superficie
 Protezione dal gelo
 Rimozione della nebbia
 Effetto barriera
 Climi delle serre
 Climi interni
1. Controllo della superficie
A). Controllo dell’Albedo (1)
L’Albedo ( α ) viene definita come la frazione di radiazione
solare diretta e diffusa che viene riflessa verso lo spazio
dal terreno e dagli oggetti circostanti: α = K↑/K↓
A seconda della radiazione emessa dal Sole, K↓, l’Albedo
regola l’assorbimento della superficie delle onde corte:
K*= K↓-K ↑ = K↓ (1- α).
E’ un’ importante proprietà della superficie perché
determina la rapidità con cui la superficie si riscalda
quando è esposta ad un’insolazione, e regola le
caratteristiche delle proprietà correlate al suo effetto (
es: umidità del suolo e dell’aria, evaporazione..)
Controllo dell’Albedo (2)



A destra sono riportati i valori di
Albedo caratteristici per
differenti tipi di superficie
terrestre, per radiazioni solari ad
onda corta.
Una superficie con elevata
Albedo riflette molta o quasi
tutta la radiazione solare che
così si riscalda lentamente
L’Albedo è un parametro
alterabile modificando la
copertura superficiale dei suoli.
Controllo dell’Albedo (3)
MJ m-2 day -1
Israele:
1.
Suolo base
2.
Suolo
ricoperto di
ossido di
magnesio



Innalzando α, si duplica la riflessione ad onde corte (K↑ =
16.3) e si dimezza K* ( 10.9 )
Si diminuisce la perdita di L* dalla superficie + fredda e la
radiazione netta di tutte le onde (Q*) è stata ridotta da 6.2 a
1.1 MJ /m2 dì
La disponibilità ridotta di energia + una T< , hanno ridotto
l’evapotraspirazione QE di circa il 20 %
Controllo dell’Albedo (3)
MJ m-2 day -1


Il calore sensibile QH dell’atm agisce da sorgente calda
verso il suolo più freddo.
QG, il flusso di calore nel suolo, su base giornaliera era
uguale ma in periodi più brevi lo sbiancamento aveva
prodotto una red marcata
Controllo dell’Albedo (5)
Giorno:
Appezzamento nero:
T: + 6 °C
Umidità in 3 sett :- 50 %
Appezzamento bianco:
T: - 8 °C
Umidità in 3 sett.: + 50 %
(conseguenze su ETP)
Notte:
Non c’è una differenza
netta anche se
l’appezzamento bianco
rimane più freddo
Ontario: profondità 10mm
1.
2.
3.
Annerimento con carbone nero
Terreno di controllo
Sbiancamento con polvere di talco
Controllo dell’Albedo (6)
APPLICAZIONI
Abbassamento di α: alterazione dell’ assorbività
delle superfici ghiacciate e innevate che, in
questo stato, hanno un’ α elevata e riflettono la
maggior parte di K↓.
Usi agricoli nei campi
Bacini di captazione
Rotte delle navi in acque fredde
B). Controllo della geometria (1)

Nei luoghi al di fuori delle latitudini intratropicali, le superfici orizzontali non ricevono mai
la radiazione diretta (S) perpendicolarmente e
quindi non ricevono mai la massima intensità di
radiazione.
 Manipolando le geometrie delle superfici riceventi
si cerca di trarre massimo vantaggio dalle
radiazioni ad onde corte, valutando la direzione
dell’ angolo d’incidenza.
Controllo della geometria (2)


In agricoltura si costruiscono DOSSI e SOLCHI, in
modo che le pareti inclinate, se illuminate, sono in grado
di ricevere S come se il Sole fosse allo zenit o vicino (θ è
minore).
In questo caso l’orientamento è importante:
N-S: entrambe le facce sono illuminate nel
corso della giornata
E-W: emisfero nord – favorita la parte sud
del pendio
Controllo della geometria (3)

Questo tipo di geometria fa da trappola sia per S che per
L↑ :
S rimane intrappolata perché dopo una
riflessione iniziale da una faccia, la radiazione riflessa
(diffusa) può incontrare un’altra superficie prima di uscire.
Aumenta così la possibilità di assorbimento e
diminuisce l’Albedo r/o ad un suolo piatto
Controllo della geometria (4)
L’emissione di
L↑ nel solco è relat.
limitato poiché è ridotto
lo sky view factor (SVF:
parametro che indica la
frazione di cielo visibile da un punto sulla superficie).
Nel solco lo SVF <1 a causa delle pareti circostanti,
molta energia è stoccata nel solco di giorno e irradiata
durante la notte.
Controllo della geometria (5)
RISULTATO:

Intrappolando S per giorni si riesce ad
incrementare al massimo la temperatura del
suolo;
 Intrappolando le onde lunghe L↑ si tende a
ridurre il raffreddamento della superficie
Controllo della geometria (6)
APPLICAZIONI

Principalmente in agricoltura: il maneggiamento del
terreno, con la costruzione di dossi e di solchi, viene
applicato per massimizzare o minimizzare la
penetrazione della luce e l’intrappolamento della
radiazione ad onde corte/lunghe.
Questi metodi richiedono uno studio per un
opportuno orientamento rispetto alla posizione del
Sole.
C). Controllo del mulching (1)

Mulching è una pratica che consiste nel ricoprire
una superficie di suolo con uno strato protettivo di
materiale che si comporti da barriera calda e umida.
 L’obiettivo è quello di conservare l’umidità
riducendo l’evaporazione (E), ma può anche essere
usato per aumentare il riscaldamento del suolo o
per prevenire un raffreddamento eccessivo.
Controllo del mulching (2)

Il tradizionale mulch consiste in una copertura
ben aerata e quindi poco conduttiva. Ciò può
essere ottenuto attraverso:
Una lavorazione della terra per far penetrare
più aria
Materiali isolanti:
-fieno
-paglia
-trucioli
-ghiaia
-strati di foglie
-muschio
-segatura
Controllo del mulching (3)

I mulch più usati recentemente sono:
-schiuma
-pellicole di plastica ( traslucide, opache
colorate)
-carta
-lamine di alluminio
L’uso è limitato
alle piante, studi hanno dimostrato una
diminuzione di insetti, come afidi e dei virus
portati da insetti.
Controllo del mulching (4)..giorno
Watt m-2
Connecticut
Terreno di sabbia fine: di Q*: 57% perso per QH 13%perso per QG
30% perso per QE
Conducibilità termica: bassa (QG basso)
Temperatura superficiale del suolo: 38 °C
Plastica nera: Albedo: minore
T sup del mulch: 50°C
T sulla sup del suolo: 40°C (aria isola : non c’è
riscaldamento sotto-mulch)
Controllo del mulching (5)..giorno
Plastica nera : QE = 0 non c’è dissipazione perché la plastica isola
l’acqua
QH : l’unico canale di perdita di calore che avviene
verso l’alto (QH sorgente di calore verso l’atm)
SOMMARIO: T suolo poco > rispetto alla temperatura del suolo nudo
(soprattutto di notte perché non avviene la perdita di L↑)
Umidità: viene conservata
Controllo del mulching (6)..giorno
Carta : Q*< di tutte le altre superfici a causa di α più alta
QG
dimezzato
QE
ridotto (e la perdita d’acqua ridotta)
T superficiale: minore di 6 °C
T sup del mulch: simile alla T del controllo perché
il calore non viene condotto sotto
Controllo del mulching (7)..giorno
Fieno: Bassa conducibilità termica: α fieno= α controllo
QG è il più debole dei 4 terreni
non c’è flusso di
calore (x cond. bassa)
QE è elevato
c’è una perdita di calore verso
l’aria ( diverso dagli altri )
T superficiale del sulo: la più bassa
T del mulch: simile alla T della plastica nera (x cond.bassa)
Controllo del mulching (8)..notte
La notte non ci sono grandi differenze tra i diversi tipi di
suoli
I top dei mulches erano più freddi rispetto
al suolo nudo
La superficie dei suoli invece era più calda
rispetto al suolo nudo
Svantaggio: Per le piante che si trovano
sopra al mulch si crea un clima estremo: più caldo di
giorno e più freddo di notte
Controllo del mulching (9)
Applicazioni
1) In Estate: conservare l’umidità del suolo
2) In Inverno: conservare il calore nel suolo e
impedire la penetrazione del ghiaccio nel
sottosuolo
Es.: nell’Ontario del Sud studi
sulle profondità della linea di gelo.
Controllo del mulching (10)
Applicazione: autunno
Rimozione: primavera
Tipi di suolo:
- Suolo di controllo
- Copertura di paglia (0,1-0,15m)
si riduce del 40%
la penetrazione del gelo (clima più stabile)
Se in primavera il mulch non viene rimosso il
trattamento diviene negativo perché non permette
l’entrata delle onde calde
Controllo del mulching (11)
Tipi di suolo:
- Suolo di controllo
- Suolo senza copertura nevosa (con rimozione di circa 70
mm di neve)
la linea di gelo penetra il 20% più in
basso (in media 80 mm più giù)
Controllo del mulching (12)
Altre applicazioni
3) Utilizzo nelle risaie (dove la temperatura calda è
importante) e per le riserve d’acqua. Per fare ciò si usano
mulches composti da pellicole superficiali applicate con
spray.
Per suoli umidi ed acque aperte si usa uno strato
monomolecolare impermeabile all’acqua che non permette
l’evaporazione.
Se lo strato è uniforme il calore sensibile permette di
riscaldare il suolo e l’acqua
Problema: se i venti sono > 2 m/sec il film si
rompe
Controllo del mulching (13)
Altre applicazioni
4) Diminuisce la perdita per traspirazione dalle piante:
il mulch viene applicato sotto le foglie per chiudere gli
stomi
operazione complessa.
5) Protegge il suolo dall’erosione
6) Previene la crescita delle erbe infestanti e l’attacco degli
animali
7) Mantiene la frutta, i vegetali e i fiori puliti
8) Riduce l’impatto delle piogge forti
D).Controllo dell’umidità (1)


L’umidità del suolo influenza la temperatura: i suoli umidi
si riscaldano e si raffreddano più lentamente
rispettivamente di giorno e di notte confronto a quelli
asciutti.
L’irrigazione e l’allagamento possono essere usate per
esaltare le speciali proprietà termiche dell’acqua, in modo
particolare il suo calore specifico ( >> di ogni altro
materiale costituente le terre emerse: 1.0 cal g-1 °C –1 ) e il
calore latente.
L’irrigazione è usata per rifornire la riserva di
umidità del suolo come aiuto alle piante.
Inoltre può anche essere usato per creare un clima del
suolo più stabile
Controllo dell’umidità (2)


L’aggiunta di acqua alla maggior parte dei suoli riesce
incrementare la diffusività termica (ks).
Ciò favorisce la diffusione del calore nel suolo e
compensa gli estremi sia del riscaldamento giornaliero che
del raffreddamento notturno.
La maggiore disponibilità di acqua fa aumentare
l’evaporazione, e l’associato calore latente
provvede ad aumentare il fresco durante le ore
giornaliere.
Il completo allagamento delle colture è un metodo
praticato per stabilire un clima molto conservativo
2. Controllo del gelo (1)
La brina e il gelo si formano quando la temperatura
superficiale scende al di sotto del punto di
congelamento (0°C).
Le gelate più pericolose per la frutticoltura sono
quelle della primavera inoltrata o a inizio novembre
Per le piante delicate questa condizione termica può
essere letale.
I principi per la protezione dal gelo si basano sul
bilancio di energia notturno
L’obiettivo è quello di mantenere la
temperatura dello strato aria- suolo- pianta sotto
questa temperatura critica
Controllo del gelo (2)
Due sono le principali cause di raffreddamento:
 GELATA PER IRRAGGIAMENTO: Raffreddamento
notturno della radiazione con cieli limpidi e venti leggeri
in situ ( dato che dipende da proprietà e processi
locali è più facile da controllare)
 GELATA PER AVVEZIONE: Introduzione avvettiva di
masse d’aria più fredde da forti venti.
Vigneti colpiti dal gelo
Controllo del gelo (3)
La protezione dal gelo può essere raggiunta in tre modi:
1.
Ritardando la perdita di energia dalla superficie
2.
Ridistribuendo l’energia presente nel sistema
3.
Attraverso mezzi artificiali per aggiungere nuove fonti
di energia
Inoltre, prima di questi punti, si può considerare qual’è il
rischio di gelo al momento della selezione del sito
Evitare i siti dove l’aria fredda può stagnare
- le depressioni: bacini, valli..
- in presenza di sbarramenti dei
flussi: mura, siepi, grandi
costruzioni…
Controllo del gelo (4)


Per avere informazioni sulle possibili gelate con 1, 2 giorni
d’anticipo ci sono i Centri Servizi Agrometeorologici che
si occupano di agrometeorologia; durante i periodi a
rischio emettono delle previsioni specifiche per le gelate
che vengono poi diffuse tramite i canali di informazione
Le previsioni vengono fatte con modelli di simulazione.
Predicted and
observed
temperature (oC)
traces for December
21-25, 1990
A) Controllo della radiazione (1)


Il raffreddamento notturno è causato dalla perdita
netta di radiazione L* dalla superficie.
Q*notte= L↓- L ↑ = L*
Nelle notti serene non ci sono schermi per le
trasmissione di L↑
raffreddamento rapido
della superficie
l’aria a contatto del
terreno si raffredda anch’essa
T < p.to
congelamento
gelo.
Soluzione: Schermo radiativo sopra alla
superficie
Controllo della radiazione (2)


La barriera assorbe la maggior parte di L↑ e ne
irradia una parte verso la superficie L↓
METODI:
Nuvole artificiali formate da veli di nebbia
(tramite vaporizzazioni) : < inquinamento.
Fumi : es dalla combustione dei copertoni
delle macchine
B) Controllo del calore del suolo (1)
Primo approccio: Applicare il mulch alla superficie in modo
che sia questo a raffreddarsi.
Il calore che si muove attraverso il suolo è intrappolato dal
pacciame e trattenuto vicino alla superficie del suolo.
Applicazione: la sera delle notti a rischio (max
immagazzinamento giornaliero)
Secondo approccio: Incrementare la conducibilità termica
degli strati superiori di suolo in modo da max la trasmissione di
calore del suolo verso l’alto
Aumentando l’umidità tramite l’irrigazione
Lavorando il terreno per escludere l’aria del
suolo (utile in autunno)
Allagando il campo (ambiente termicamente
più stabile)
( c ) Controllo del calore latente (1)



Le piante al di sotto di una temperatura di 0 °C rimangono
danneggiate
in un range di T intorno al p.to di
congelamento le piante non subiscono danni irreversibili
Il metodo consiste nell’irrigazione antibrina: uno strato
sottile d’acqua viene spruzzato sulle coltivazioni; quando
l’acqua ghiaccia, viene liberato calore latente Lf che
ritarda il raffreddamento.
La continua vaporizzazione e il successivo congelamento
dell’acqua permette una
liberazione di energia
all’amb (80 cal/g
d’acqua) che rallenta o
impedisce l’ulteriore
diminuzione di T.
Controllo del calore latente (2)
Per gelate molto intense:
Irrigazione soprachioma: irrigazione appena la T=0°C
continuare
finchè T > 0 °C ( impianto a goccia)
Es: intensità di irrigazione di 1-1.5 mm/ora
produce un riscaldamento di 4.5 °C
Per gelate meno intense ( nostra pianura):
Irrigazione sottochioma: incremento termico più limitato
impianto a microjet con nebulizzazione
non eccessiva
Controllo del calore latente (3)

Il sistema richiede un controllo accurato:
– Poca acqua: evaporizzazione/sublimazione nell’aria
circostante
– Troppa acqua: Lf liberata potrebbe non essere
abbastanza da compensare il raffreddamento convettivo
e radiativo della parte esterna.
– vaporizzazione terminata prematuramente: il calore
viene estratto dalle piante che vengono danneggiate.
L’irrigazione a pioggia nei vigneti
di Tumbarumba riuscirono a far
sopravvivere la coltivazione
durante una gelata che raggiunse i
– 4.2°C
( d ) Controllo del calore sensibile (1)


Le notti di brina sono caratterizzate da un’inversione
termica (la T dell’aria non diminuisce con l’altezza ma
aumenta). A quote > c’è una riserva di aria + calda. La
base dell’inversione è il terreno.
Un rimescolamento verticale da origine ad un’immissione
di calore sensibile ( QH ) dall’alto verso la superficie.
L’inversione termica notturna è
tanto maggiore quanto più l’aria è
limpida e tersa, non vi sono
nuvole e foschie, l’umidità
dell’aria è bassa e non vi è vento.
Controllo del calore sensibile (2)


Il totale dell’aumento della
temperatura verso il basso
dipende dalla profondità e
dall’intensità dell’inversione.
Un mescolamento opportuno
può essere prodotto con grossi
ventilatori, fissati a una
montatura girevole in cima a
torri, o attraverso un lavaggio
con un getto d’acqua da un
elicottero sospeso.
( e ) Riscaldamento diretto (1)


L’ultimo approccio è quello di supplementare il
naturale bilancio energetico attraverso il calore
liberato dalla combustione. Ciò può essere fatto sul
suolo installando dei cavi elettrici di riscaldamento.
Una procedura simile è utilizzata sulle strade e sulle
piste degli aeroporti
Il calore può essere fornito allo strato tra aria e
vegetazione attraverso un apparecchio di
riscaldamento che brucia il carburante
Riscaldamento diretto (2)


Il riscaldatore compensa il raffreddamento delle piante
sia per riscaldamento radiativo ( T > sia per il
riscaldatore stesso che per i gas uscenti) sia per
movimenti convettivi ( dei gas uscenti).
L’esempio dimostra che i riscaldatori in un frutteto di
agrumi sono in grado di scaldare la temperatura
dell’aria di 4-6 gradi in più di un frutteto vicino, non
riscaldato.
Riscaldamento diretto (3)
Inoltre i riscaldatori promuovono il mescolamento dell’aria
tra gli strati più bassi sopra il frutteto.
 Questo rimescolamento provoca una ridistribuzione
positiva di calore, infatti viene coinvolto uno strato che
parte dal basso e arriva fino a 15 m.
 Sia i processi radiativi che quelli di riscaldamento
convettivo sono ottenuti in questo caso dall’utilizzo di più
piccoli riscaldatori invece che di uno grande.

3). Rimozione della nebbia (1)
La nebbia, per morfologia, è uno strato nuvoloso
molto vicino alla superficie terrestre che limita la
visibilità orizzontale a meno di 1 Km
Tipi di nebbia:
 Nebbia per irraggiamento: di notte, T aria al livello del
suolo < p.to di rugiada (inversione termica)
 Nebbia per avvezione: uno strato d’aria freddo e
umido si muove sopra una sup fredda perdendo calore
 Nebbia di risalita:formata quando una massa d’aria
umida viene raffreddata adiabaticamente sotto il suo
punto di rugiada a causa di una risalita forzata sopra
una collina
Rimozione della nebbia (2)

la nebbia di pioggia calda che si forma quando la
pioggia cade passando attraverso uno strato più freddo
vicino alla superficie
Per analizzare i metodi per eliminare la nebbia la si
classifica a seconda della temperatura:
Nebbia calda: > 0 °C
Nebbia super-fredda : da 0 a –30 °C
Nebbia ghiacciata : < -30 °C
a) Controllo delle nebbie calde (1)


Mescolamento meccanico: l’aria, calda e secca al di sopra
della nebbia viene forzatamente fatta scendere.
elicottero
Semina di particelle igroscopiche: viene svuotato lo strato
di nebbia dal contenuto di acqua. Le particelle
igroscopiche (cloruro di sodio, l’urea: forte affinità con
l’acqua) vengono sparse sopra l’area. Le particelle
assorbono l’acqua per condensazione, crescono in volume,
e precipitano in 5 minuti.Rimane aria secca: gocce
rimanenti evaporano.
macchina seminatrice
Taglia particelle: Troppo piccole: sospensione
Troppo grandi: caduta veloce con poca
o nulla condensazione
Controllo delle nebbie calde (2)

Riscaldamento diretto – viene aggiunto del calore
allo strato di nebbia in modo da innalzare la sua
temperatura, la capacità di trattenere vapore viene così
incrementata
Motori a getto (lungo i lati delle piste di
un aeroporto: costose)
b) Controllo della nebbia superfredda (1)



Principio: pressione di vapore su una superficie gelata
< pressione di vapore su una superficie d’acqua: 20 Pa
Se in una nuvola ci sono sia cristalli di ghiaccio che
goccioline d’acqua
gradiente di pressione di
vapore dalla goccia verso il ghiaccio
Risultato le gocce si restringono per evaporazione e i
cristalli crescono per la deposizione del vapore
Controllo della nebbia super-fredda
(2)


La tecnologia per disperdere questa nebbia comporta
la semina di materiali che si comportano nella stessa
maniera dei cristalli di ghiaccio (economico)
ghiaccio secco :liberato da un aircraft sopra la
nebbia
propano liquido :iniettato a livello del terreno
evapora, si espande e quindi si raffredda, e forma dei
nuclei di congelamento.
In entrambi i casi i nuclei crescono a spese delle
goccioline d’acqua della nebbia e precipitano al suolo
come fiocchi di neve.
c). Controllo della nebbia ghiacciata

La nebbia ghiacciata è quasi
totalmente attribuibile alle
attività umane ma, al
momento, non si conoscono
mezzi economici sviluppati
per la sua rimozione.
Climi Intenzionalmente
Modificati
• Barriere
• Serre
• Climi interni
Effetto Barriera
Scopi:
• Protezione dal vento di animali o
colture
• Conservazione del calore del terreno
• Conservazione del manto nevoso
• Conservazione dell’umidità del terreno
• Conservazione degli strati superiori del
terreno
Effetto Barriera
Principi di funzionamento:
• Deviazione meccanica del vento con
alterazione dei suoi flussi
• Alterazione dei bilanci di massa ed
energia, con influenza su QH, QE e QG
Effetto Barriera
Deviazione meccanica del vento
Effetto Barriera
• Prima della barriera l’aria incontra un ostacolo ed
inizia a comprimersi
• Il flusso d’aria incontra quindi una resistenza
maggiore e tende a sollevarsi, accelerando e
formando una zona al disopra della barriera in cui
la velocità del vento è notevolmente superiore
• Subito dopo la barriera il flusso ha la possibilità di
espandersi, ma la reazione della massa d’aria non
può avvenire immediatamente
Effetto Barriera
Ne consegue che il flusso si separa:
• Una parte prosegue la sua espansione muovendosi
più o meno linearmente oltre la barriera
• Una parte viene “risucchiata” dalla zona a bassa
pressione immediatamente oltre la barriera,
generando una zona turbolenta, caratterizzata da
un vortice relativamente stabile (“eddy”)
Effetto Barriera
La scomposizione del flusso e la sua
accelerazione sopra la barriera portano ad
un abbassamento della sua velocità a livello
della superficie, che è l’effetto ricercato
L’intensità e la disposizione spaziale di tale
effetto dipendono da due fattori:
• Le dimensioni e la collocazione spaziale
della barriera
• La densità della barriera stessa
Effetto Barriera
• Mediamente, si considera che l’effetto barriera
influenzi verticalmente uno strato d’aria pari a circa
3 volte l’altezza della barriera, e che ad una
distanza simile abbia inizio prima della barriera la
zona di compressione
• L’effetto di protezione della barriera stessa è invece
avvertibile a distanze ben superiori a 10 volte
l’altezza della barriera stessa
Effetto Barriera
Più precisamente, intensità e distanza dell’effetto
sono correlate alla densità della barriera
(percentuale dei vuoti sulla superficie totale)
Una barriera più densa tenderà a creare una
maggiore depressione oltre se stessa, dando
origine ad una cella turbolenta, e il ritorno ad una
pressione simile alla precedente avverrà ad una
distanza non elevata dalla barriera, perché l’aria
che l’ha oltrepassata (accelerando in quota) ha la
possibilità di espandersi abbastanza presto
Effetto Barriera
Per contro, una barriera meno densa creerà una
minore depressione, fornendo così una minore
protezione (perché minore sarà l’abbassamento
della velocità del vento), ma sarà minore la
tendenza alla formazione di un vortice, il che
permetterà a parte dell’aria di transitare, rallentata,
attraverso la barriera, formando un “cuscino” che si
muove linearmente e fornisce un supporto all’aria
superiore in espansione: quest’ultima recupererà la
sua velocità originaria più lentamente, e quindi a
maggior distanza dalla barriera stessa
Effetto Barriera
• L’effettiva protezione fornita da una
barriera può quindi essere espressa
nei termini di un compromesso tra
rallentamento della velocità del vento
e protrarsi nello spazio di tale effetto
• Si considera che l’effetto di una
barriera non sia più significativo
quando la riduzione della velocità del
vento è inferiore al 10%
Effetto Barriera
Si è osservato che la
miglior resa in
termini di tale
compromesso viene
raggiunta con
barriere di densità
media, che possono
fornire protezione
fino a distanze pari
a oltre 30 volte la
loro altezza
Effetto Barriera
Da una visione della
barriera in pianta si
nota come ai bordi
della stessa si formano
due celle di turbolenza
in cui l’aria subisce
accelerazione: qui la
forza del vento è
addirittura superiore al
normale, e di questo
bisogna tener conto
nella dislocazione degli
oggetti o delle attività
che si intende
proteggere
Effetto Barriera
• Ne consegue che una barriera, per essere efficace,
non potrà essere troppo corta: si stima che la resa
sia efficiente con larghezze superiori a 12 volte
l’altezza
• Anche la disposizione rispetto alla direzione del
vento è fondamentale: i risultati migliori si
otterranno con barriere quanto più possibile
perpendicolari alla direzione prevalente di
spostamento delle masse d’aria
• Non va trascurato nemmeno lo spessore della
barriera: spessori significativi rispetto all’altezza
approssimano la barriera ad una situazione di
massima densità, riducendo quindi la profondità
orizzontale della sua protezione
Effetto Barriera
Alterazione dei bilanci di massa ed energia:
• Nelle immediate vicinanze della barriera, la
stessa ha un effetto diretto sulla radiazione:
a seconda del suo orientamento può
diminuire K (per ombreggiatura) o
aumentarla (per riflessione), e in funzione
della sua altezza può ridurre la quota di
cielo visibile (sky view factor), diminuendo
così l’energia persa per raffreddamento del
suolo (se L diminuisce, anche il bilancio L*
sarà meno negativo)
Effetto Barriera
L’effetto più incisivo si ha però oltre le
immediate vicinanze della barriera, dove il
bilancio energetico viene alterato
maggiormente a causa della protezione che
la barriera conferisce nei confronti dei moti
convettivi dello SLP: la riduzione della
velocità del vento e della turbolenza
diminuisce di conseguenza il
rimescolamento delle masse d’aria, e con
esso gli scambi energetici associati
Effetto Barriera
QH e QE tendono ad essere ridotti e, poiché Q*
non varia significativamente, il risultato sarà
un aumento di QG, ossia un maggior
riscaldamento del suolo
Effetto Barriera
• Parallelamente alla riduzione di QE si ha anche un
aumento delle precipitazioni, la cui deposizione è
inversamente proporzionale alla velocità del vento
• Anche la condensazione notturna è favorita: a
causa della minor turbolenza, l’umidità tende a
distribuirsi meno omogeneamente e questo
permette la formazione di gradienti superiori a
quelli rinvenuti in territorio “aperto”: aumentando
l’umidità al suolo, la rugiada si deposita prima ed
evapora più tardi
• Questo porta il bilancio idrico ad un aumento dello
stoccaggio, dato da
ΔS = p – E (trascurando il run-off)
Effetto Barriera
• La diminuzione degli scambi tra l’aria al suolo e lo
strato superiore porta, oltre al riscaldamento del
suolo e all’aumento dell’umidità, anche alla
riduzione degli scambi gassosi, ed in particolare a
quelli di CO2: un’area vegetata protetta da una
barriera avrà dunque deficit nella concentrazione di
CO2 diurna e surplus in quella notturna
• Anche il raffreddamento notturno dello strato d’aria
soprastante il suolo (dovuto al valore negativo di
L*, che di notte, mancando K, porta ad un bilancio
negativo di Q*) sarà accentuato dalla diminuzione
degli scambi convettivi dovuta alla barriera
Effetto Barriera
Effetto della barriera sui vari parametri
Effetto Barriera
• Il posizionamento di una barriera va quindi
attentamente studiato: la riduzione della
velocità del vento infatti può portare anche
maggiori rischi di congelamento invernale
del suolo e l’aumento di umidità espone al
proliferare di funghi ed insetti
• La presenza di una barriera vegetale
(tipicamente un filare di alberi) può portare
poi, in prossimità della barriera stessa, alla
competizione con le colture per luce,
umidità e nutrienti
Effetto Barriera
• Oltre che per controllare temperatura ed
umidità del suolo, le barriere possono
essere efficacemente utilizzate come
metodo di controllo della deposizione di
materiali trasportati dal vento, come ad
esempio la neve o la sabbia
• Vengono in questo caso sfruttate le leggi di
deposizione, che correlano la capacità di
trasporto di un mezzo con la sua velocità
Effetto Barriera
• Dove la velocità del
vento è minore si ha
deposizione
• Maggiore è lo spessore
della barriera, maggiori
sono i fenomeni di
erosione per turbolenza
• L’effetto combinato di
due barriere ai lati di
una strada causa un
aumento di deposizione
sulla strada stessa
Serre
• Un esempio particolare di barriera
sono le serre: in questo caso si
sommano gli effetti di influenza
radiativa fornita dalla copertura in
vetro e di protezione dalle turbolenze
delle masse d’aria esterne fornita dalla
struttura stessa
Serre
Per quanto riguarda il bilancio radiativo, il
vetro presenta:
• Alta trasmissività per K (intorno all’87%)
• Alta assorbività per L
Questo significa che in una serra ideale K è
quasi invariato, mentre L* è decisamente
meno negativo, in quanto L è sì fortemente
ridotto, ma L è in buona parte trattenuto
all’interno della serra: quest’aumento di Q*
(riscaldamento) è detto appunto “effetto
serra”
Serre
Nella realtà, svariati fattori rendono quest’effetto sul
bilancio radiativo decisamente inferiore a quanto in
teoria previsto:
• Il vetro non ha una trasmissività costante per K,
ma il suo albedo e la sua assorbività crescono con
l’angolo di incidenza dei raggi solari rispetto alla
verticale, fino a dare valori di assorbività del 35%
per angoli intorno a 80°
• Le superfici vetrate tendono a coprirsi di polveri
(tipicamente suolo o smog) che riducono
ulteriormente la trasmissività, e di conseguenza K
Serre
• In condizioni non rare, la diminuzione delle perdite
dovute a L* non sarebbe sufficiente a compensare
la riduzione di K, portando così a un bilancio Q*
meno favorevole che in ambienti esterni
• Questo significa che l’effetto serra, effettivamente
riscontrato, dipende solo in parte dall’influenza del
vetro sul bilancio radiativo, ed è dovuto in misura
non minore alla protezione dalle turbolenze
esterne, che permette la formazione di gradienti di
temperatura e umidità tra suolo e aria soprastante,
in quanto gli scambi, in assenza di vento che “forzi”
la circolazione, sono dovuti solo a convezione libera
Serre
La riduzione di QH e
QE e l’aumento di
QG possono portare
ad un bilancio Q*
quasi positivo anche
di notte
Serre
Come già visto per le superfici protette dall’effetto
barriera, anche le serre possono essere soggette ai
problemi legati alla diminuzione dei movimenti delle
masse d’aria e alla formazione di gradienti, in
particolare gassosi:
• Eccessivo riscaldamento estivo
• Eccessiva umidità (impossibilità di raffreddamento
per irrigazione)
• Eccessivo calo delle temperature d’inverno
• Deficit diurno di CO2
• Deficit di luce
Clima degli Ambienti Interni
• Gli edifici sono costruzioni realizzate con lo
scopo di rendere il meno dispendioso
possibile (in termini di energia) il
mantenimento dell’equilibrio termico del
corpo umano
• Per verificare come all’interno di un edificio
vengono distribuiti i flussi di calore è
necessario prendere in considerazione
un’equazione di bilancio energetico che
tenga conto anche dello stoccaggio da parte
della costruzione e dell’immissione (o della
sottrazione) di calore da parte dell’uomo
Clima degli Ambienti Interni
• Quest’equazione è:
Q* + QF = QH + QE + QG + ΔQS
• ΔQS = Calore stoccato nell’edificio
• QF = Calore fornito (o sottratto)
artificialmente; è la somma del calore
fornito intenzionalmente (riscaldamento,
condizionamento d’aria, camino) o
involontariamente (elettrodomestici,
fornelli, luci, metabolismo)
Clima degli Ambienti Interni
Le voci di bilancio
vanno valutate:
• sull’intero edificio
• sul singolo vano
• sulla persona e sui
suoi scambi con
l’ambiente
circostante
Clima degli Ambienti Interni
Valutare il bilancio complessivo di un edificio
non è semplice, perché molti sono i fattori
in gioco ed ognuna delle superfici della
costruzione è:
• diversamente esposta nello spazio e nel
tempo rispetto alla radiazione solare K
• a contatto con mezzi differenti (aria, suolo)
e con differenti angoli (tetto, pareti), per cui
L* è diverso per ogni superficie
Clima degli Ambienti Interni
• K può variare
notevolmente (in
mancanza di nubi) in
funzione della
latitudine,
dell’esposizione della
parete e del suo albedo
• È presente una
radiazione “di fondo”
dovuta alla
componente diffusa di
K
Clima degli Ambienti Interni
• Per quanto riguarda L*, il bilancio è
generalmente sempre negativo (il flusso di
calore è diretto all’esterno), in quanto sia di
giorno che di notte la temperatura media di
un edificio (compresa l’aria al suo interno)
risulta sempre superiore rispetto a quella
dell’aria che lo circonda
• Possono fare eccezione tetti ben isolati per il
loro elevato sky view factor, che di notte
può portarli a ricevere un L superiore
all’emissione L, ma sono casi particolari
Clima degli Ambienti Interni
QS è uno dei modi in cui un edificio può scambiare
calore con l’ambiente circostante:
• in condizioni di scarsità di vento lo strato limite
superficiale a contatto di una parete può arrivare
ad uno spessore di 10 mm: poiché in questo strato
gli scambi di calore avvengono essenzialmente per
conduzione, si realizza un efficace isolamento che
riduce la perdita di calore da parte dell’edificio
• venti forti invece aumentano la turbolenza,
riducendo lo strato conduttivo a meno di 0.5 mm, e
favorendo così la dissipazione di calore per
convezione (il ricambio d’aria in prossimità della
parete è maggiore)
Clima degli Ambienti Interni
• QE è abitualmente molto minore di QS, in quanto è
estremamente ridotto il contenuto in acqua delle
superfici di un edificio
• Tuttavia, in climi particolarmente caldi e secchi,
umidificare le pareti (per esempio con una grata
ricoperta da rampicanti ed irrigata) può essere un
metodo efficace per il raffreddamento di un edificio
• In climi umidi invece questa soluzione si rivela
inefficace per la ridotta evaporazione causata
dall’elevata umidità relativa
• In climi freddi la presenza di acqua nelle pareti può
essere addirittura controproducente, perché va ad
aumentare le perdite di calore
Clima degli Ambienti Interni
• La perdita di calore QG dalla base dell’edificio verso
il suolo è funzione dei materiali coinvolti e del
grado di contatto (o isolamento) tra l’edificio e il
suolo stesso
• Si può trattare di un fenomeno più o meno
desiderato, a seconda della necessità di trattenere
o eliminare calore
• Un caso particolare è quello degli edifici costruiti sul
permafrost, in cui la priorità è non dissipare calore
non tanto per la perdita di energia, quanto perché
lo scongelamento del terreno porterebbe ad una
perdita di stabilità delle fondamenta
Clima degli Ambienti Interni
• Il bilancio Q* di un singolo
vano è funzione del bilancio
dell’intero edificio, del calore
antropogenico (fornito o
sottratto) e di quanto la
struttura dell’edificio
permette gli scambi tra
l’esterno e l’interno
• Questi possono avvenire per
conduzione attraverso le
pareti e il pavimento, per
ventilazione attraverso le
aperture e per penetrazione
della radiazione solare
sempre attraverso le
aperture
Clima degli Ambienti Interni
I diversi materiali disponibili per la costruzione di
edifici, compresa l’aria interna alle pareti, hanno
diversa risposta nei confronti dei flussi di calore, in
funzione delle loro diverse caratteristiche (capacità
di calore, conduttività, diffusività, admittanza)
Clima degli Ambienti Interni
In climi freddi, lo scopo sarà quello di
minimizzare le perdite di calore verso
l’esterno; questo potrà essere raggiunto:
• Minimizzando la ventilazione (scambi d’aria
portano fuoriuscita di QS)
• Massimizzando l’isolamento delle pareti (per
ridurre QS) e del pavimento (per ridurre QG)
• Minimizzando l’umidità delle pareti (per
ridurre QE)
• Sfruttando opportunamente, ove possibile,
l’irraggiamento solare K
Clima degli Ambienti Interni
Per fare un esempio il
polistirene, usato come
isolante nelle pareti, ha la
caratteristica di
imprigionare l’aria (che ha
una scarsa conduttività
termica) impedendo la
formazione di moti
convettivi e mantenendo un
ambiente conduttivo:
questo favorisce la
formazione di elevati
gradienti termici tra l’interno
e l’esterno dell’edificio e
riduce la dissipazione di QS
Clima degli Ambienti Interni
In climi caldi e secchi, lo scopo è mantenere fresco l’interno degli
edifici, impedendo al calore esterno di penetrare:
• L’irraggiamento e la ventilazione potranno essere controllati
attraverso l’aumento dell’albedo (superfici chiare), la riduzione
delle aperture (finestre piccole, persiane) e la loro
ombreggiatura (tendaggi, proiezione dell’ombra sul palazzo
vicino)
• La conduzione potrà essere ritardata attraverso la costruzione
di pareti spesse con materiali ad alta capacità termica: in
questo modo l’onda di calore procederà più lentamente e
arriverà all’interno quando l’irraggiamento sarà ormai
diminuito (sfruttamento di ΔQS)
• QG potrà essere massimizzato ottimizzando il contatto
dell’edificio con il suolo sottostante, che non venendo
irraggiato si mantiene più fresco
• A sera dovrà comunque essere garantita un’adeguata
ventilazione per dissipare il calore fluito verso l’interno per il
rilascio da parte delle pareti (ΔQS)
Clima degli Ambienti Interni
Clima degli Ambienti Interni
In climi caldi e umidi la priorità è invece quella di dissipare
l’umidità all’interno degli ambienti per favorire la perdita di
calore metabolico per evaporazione (QE):
• in condizioni di elevata saturazione, questo richiede elevate
velocità delle masse d’aria in spostamento, e le aperture non
potranno più quindi essere limitate, ma dovranno essere
ampie ed orientate in modo da sfruttare le direzioni prevalenti
del vento
• La protezione dall’irraggiamento (ombreggiatura) dovrà
essere fornita anche per le pareti non direttamente esposte,
in quanto la frequente nuvolosità aumenta la percentuale di
radiazione diffusa
• La vegetazione intorno agli edifici dovrà
essere ridotta al minimo, per ridurre il
rischio di stagnazione dell’aria
• Gli edifici tenderanno ad essere rialzati
rispetto al terreno per sfruttare le
maggiori velocità del vento presenti al
disopra del suolo
Clima degli Ambienti Interni
In generale, qualunque sia la condizione
climatica (e quindi lo scopo che si intende
raggiungere), è fondamentale la
disposizione dei palazzi, delle loro aperture
e dei muri interni rispetto alla direzione
prevalente del vento, sia perché determina
lo spessore dello strato limite superficiale,
sia perché influenza la velocità degli
spostamenti d’aria nei vani dell’edificio
(ventilazione)
Clima degli Ambienti Interni
Clima degli Ambienti Interni
Clima degli Ambienti Interni
Clima degli Ambienti Interni
Clima degli Ambienti Interni
Clima degli Ambienti Interni
• In conclusione, è possibile osservare come in tempi
recenti l’architettura in diversi contesti climatici
abbia assunto caratteri comuni, abbandonando non
raramente i canoni costruttivi tradizionali
• Una pianificazione edilizia che tenga conto dei
fattori che influenzano il bilancio termico degli
edifici può invece portare all’ottimizzazione degli
scambi di calore tra interno ed esterno, che si
traduce in un risparmio energetico per il
mantenimento delle condizioni desiderate,
attraverso la riduzione degli interventi di
riscaldamento o condizionamento d’aria
Bibliografia
• T.R. Oke – Boundary Layer Climates –
Routledge Editions
• Enrico Golfieri, Giampaolo Silvestri Progetto di residenze con l'utilizzo di
sistemi solari passivi e di
raffrescamento naturale ad Alfonsine
(RA) - UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI
FERRARA - Facoltà di Architettura
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