5_DELMONTE_CLIMA SUPERFICI VEGETATE

CLIMA DELLE SUPERFICI VEGETATE
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È necessario considerare VOLUMI
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BILANCIO ENERGETICO DEL
SISTEMA SUOLOVEGETAZIONE-ATMOSFERA:
Q* = QH + QE + ∆QS + ∆Qp
∆QS : Stock “fisico”di calore nel
sistema. Risulta dall’assorbimento
e dal rilascio di calore da parte
dell’aria, del suolo e dalla
biomassa.
∆Qp : stock biochimico di calore
dovuto alla fotosintesi. Dipende dal
tasso di assimilazione della CO2
da parte delle comunità vegetali.
FE R A
S
O
M
AT
VE
SU
OL
O
GE
TA
ZIO
N
E
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Al bilancio energetico scritto come:
Q* = QH + QE + ∆QS + ∆Qp
Potrebbe essere necessario aggiungere
il termine ∆QA dovuto ai guadagni e alle
perdite di energia dovute al trasporto
orizzontale di calore (latente e sensibile)
il bilancio idrico invece può essere:
p = E + ∆r + ∆S
∆S : stock netto di acqua nel suolo e nell’aria,
incluso lo stock da parte delle piante (interna e
esterna).
∆r : ruscellamento superficiale
p = precipitazione
E = evaporazione
Il termine ∆A può essere introdotto per gli scambi orizzontali (netti) di umidità
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Nota:
I bilanci energetici e idrici che
andiamo a considerare si riferiscono
alla superficie ABCD nel disegno,
ovvero alla superficie superiore del
volume considerato. Si includono i
termini di avvezione e di stock
trasformando i loro valori in flussi per
unità di area.
Questo approccio quindi NON
considera gli scambi che avvengono
all’INTERNO DEL VOLUME stesso!!
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La crescita vegetale è legata ai processi
fotosintetici e di respirazione, quindi è legata
all’energia solare (visibile) e alla CO2.
Fotosintesi (P):
CO2 + H2O + en.solare → CH2O + O2
(CH2O : carboidrati)
Respirazione (R):
CH2O + O2 → CO2 + H2O + energia (combustione)
combustione)
La crescita della pianta è data dal “tasso netto di fotosintesi”
fotosintesi” ovvero:
ovvero:
∆P = P - R
(CO2 per unità di area per unità di tempo)
kg m-2 s-1
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Il tasso con cui il calore è stoccato dalla fotosintesi (netta) diventa quindi:
∆Qp = φ ∆P
dove φ=calore di assimilazione del carbonio, circa ~ 1.15 x 107 J kg-1
o circa 3.2 W m-2 per g m-2 h-1 di CO2 assimilata
Di giorno
∆P è positivo (fotosintesi > respirazione), e le superfici vegetali agiscono come dissipatori (sink)
di CO2
I valori di ∆P dipendono dalle varie specie vegetali, ma in genere sono inclusi nell’intervallo tra 2
e 5 g m-2 h-1, e i valori di ∆Qp sono tipicamente tra 6 e 16 W m-2
Di notte
∆P è negativo (fotosintesi < respirazione), e le superfici vegetali agiscono come sorgenti di CO2
I valori di ∆P sono circa 1 g m-2 h-1, e i valori massimi potenziali notturni di ∆Qp sono
tipicamente -3 W m-2
I valori di Qp sono quindi molto piccoli, tali da potere essere trascurati nei bilanci energetici
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Il passaggio di CO2 tra l’atmosfera e l’interno della pianta avviene attraverso gli stomi.
L’attività stomatica permette la cattura e l’espulsione di CO2 e al tempo stesso gli scambi di umidità
(traspirazione).
La traspirazione è il principale mezzo di dissipazione di energia sulle foglie sottoforma di calore
latente.
A seconda delle specie vegetali gli stomi sono lunghi 10-30 µm e larghi 10
µm quando completamente aperti. Se ne contano da 50 a 500 per mm2 di
superficie. Il grado di apertura diurna degli stomi dipende dall’intensità
luminosa, dalla T ambiente e dalla concentrazione di CO2.
Quindi in sintesi l’attività stomatica offre gradi diversi di
“resistenza” agli scambi di anidride carbonica e vapor acqueo
tra la pianta e l’atmosfera, e fa si che la pianta diventi agente
attivo nella determinazione del proprio microclima locale.
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“STRUTTURA” DELLA VEGETAZIONE
La struttura dell’apparato fogliare e della pianta è molto importante; infatti le foglie sono il sito di
molti scambi e quindi è importante considerare la variazione verticale della loro densità.
L’architettura della pianta è in grado di influenzare scambi di calore e di massa.
Per “CANOPY” si intende la diversa strutturazione degli strati fogliari in una comunità vegetale.
La struttura della canopy varia a seconda del tipo di vegetazione :
se abbiamo a che fare con foreste tropicali la struttura è multistratificata, nel caso di un campo di mais,
girasoli e patate la densità fogliare è concentrata alla sommità, quindi parliamo di un unico strato.
Strato unico
multistrato
Data la complessità delle varie canopy, ci si limiterà a considerare 2 casi:
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Vegetazione orientata verticalmente (sezione “piante” e “coltivazioni”)
-Vegetazione stratificata orizzontalmente (sezione “foresta”)
Stratificata orizzontalmente
Stratificata verticalmente
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L’altezza della “superficie attiva” rispetto agli scambi con l’atmosfera di pende da fattori che sono
specie-specifici, ma generalmente questa coincide con la parte sommitale della canopy. In realtà la
posizione esatta dipende da quali scambi andiamo a considerare, poiché i livelli ai quali avvengono i
massimi scambi di CO2, calore, vapore acqueo, momento, non sempre coincidono.
Si considera comunque che molto probabilmente questi avvengono nella parte sommitale della
canopy. Quindi la superficie attiva è “elevata”.
la velocità del vento misurata ad una serie di livelli sopra
l’altezza h della vegetazione tende a diminuire sino a 0 ad un
livello compreso tra h (altezza massima della vegetazione) e d.
Proprio tra h e d si ha la massima resistenza esercitata dalla
vegetazione. Il valore di d è generalmente 2/3 di h, ma in realtà
esso dipende dalla velocità del vento e dal tipo di vegetazione,
poiché la maggior parte delle vegetazioni sono flessibili e
tendono ad assumere forme più aerodinamiche a velocità
elevate del vento.
L’equazione logaritmica di velocità del vento quindi diventa:
u(z) = (u*/k) ln (z-d)/z0
Velocità del vento
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Il sistema vegetale è composto da molte superfici attive rappresentate da una miriade di foglie,
analizziamo le caratteristiche di una foglia tipica.
FOGLIE
(1) BILANCIO RADIATIVO
Le foglie mostrano una dipendenza dalle lunghezze d’onda λ, e inoltre esse non sono opache
alla radiazione incidente ad onda corta. Quindi la trasmissività non è zero.
ψλ + αλ +ζλ=1
ψλ + αλ +ζλ=1
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Il ruolo relativo di questi tre fattori dipende dalle proprietà della pianta, e in particolare dai suoi
pigmenti fotosintetici (clorofille e carotenoidi).
Nell’intervallo del blu (400-510 nm circa) e del rosso (610-700 nm) i pigmenti fotosintetici sono
buoni assorbitori. L’intervallo tra 400 e 700 nm è l’intervallo della radiazione efficace dal punto di
vista della fotosintesi (photosynthetically active radiation PAR).
Nell’intervallo tra 500 e circa 550 nm esiste un piccolo picco di riflessione, e dato che la
regione spettrale è quella del verde, ne risulta che questo è il colore tipico della vegetazione
percepito dall’occhio umano.
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visibile
A circa 700 nm l’assorbimento decresce bruscamente per poi gradualmente ri-aumentare fino a
2.5 µm, oltre le quali l’assorbimento è quasi totale. Quindi per quanto riguarda le radiazioni ad
onda lunga, possiamo affermare che le foglie assorbono tutta la radiazione solare senza
trasmettere.
L’agente primario di assorbimento a queste λ è l’acqua contenuta nella pianta.
Le foglie sono quindi emettitori quasi perfetti di onde lunghe
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Ci sono alcune eccezioni a questo
“pattern” di ripartizione tra ψ, α e ζ in
funzione di λ.
Ad esempio, alcune piante dei climi
desertici hanno foglie molto spesse, tali da
ridurre o eliminare ψ. Evitano il
surriscaldamento massimizzando α.
Anche gli aghi delle conifere hanno ψ molto bassa.
Il loro aiuto da potenziali surriscaldamenti deriva
però dalla loro geometria. Infatti il rapporto
superficie/volume è molto alto, e questo permette di
dissipare il calore verso l’ambiente esterno, ma al
tempo stesso le rende dei poveri “magazzini” di
energia termica.
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FLUSSI COINVOLTI NEL BILANCIO
RADIATIVO DI UNA FOGLIA
Caratteristiche:
- Entrambi i lati della foglia sono coinvolti.
- La radiazione ad onda corta è in parte
trasmessa
quindi
Q*leaf = [(Kin(top)+Kin(bottom)) (1-ψ- α)] + [(Lin(top)-Lout(top))+(Lin(bottom)-Lout(bottom))]
Q*leaf = (K*(top)+ K*(bottom) + L*(top)+ L*(bottom))=K*leaf + L*leaf
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BILANCIO ENERGETICO
DI UNA FOGLIA
come per il bilancio radiativo, anche nel bilancio energetico si considerano entrambi i lati della foglia e i
flussi in entrata e in uscita.
Q*leaf = (QH(top)+ QH (bottom) )+ (QE (top)+ QE (bottom))= QH (leaf) + QE (leaf)
Si noti l’assenza dei valori di QS e QP . Questi valori vengono trascurati poiché per una singola
foglia risultano essere quantitativamente insignificanti. Il calore acquisito dalle foglie nell’intervallo
delle lunghezze d’onda corte è dissipato dalla radiazione a onde lunghe attraverso la perdita
di calore sensibile e latente.
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BILANCIO ENERGETICO
DI UNA FOGLIA
Q*leaf = (QH(top)+ QH (bottom) )+ (QE (top)+ QE (bottom))= QH (leaf) + QE (leaf)
Il calore latente è perso grazie all’evapotraspirazione dell’acqua sulla parte esterna della foglia
(che intercetta pioggia ed umidità) oppure attraverso la traspirazione dell’acqua regolata dagli
stomi.
Il trasferimento di calore sensibile, invece, avviene tra superficie della foglia e l’aria circostante.
QH = Ca ( To – Ta ) / rb
To è la temperatura della superficie della foglia
Ta è la temperatura dell’ambiente circostante
Ca la capacità di calore dell’ aria
rb rappresenta la resistenza diffusiva di un substrato laminare aderente alla foglia. Il suo valore
aumenta con l’ aumentare delle dimensioni della foglia.
Quindi le foglie piccole, in condizioni ventilate o instabili hanno una resistenza bassa in quanto il
substrato laminare è sottile e poco isolante. Le foglie grandi al contrario, in condizioni di calma di
vento hanno resistenza molto alta.
Se consideriamo:
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Q*leaf = QH (leaf) + QE (leaf)
E sostituiamo al calore sensibile la sua formula:
QH = Ca ( To – Ta ) / rb
Si ottiene una stima della temperatura della foglia:
T0 = Ta + (rb/Ca) (Q*leaf – QE(leaf))
Da questa si nota che:
1) La T della foglia dipende dalla T atmosferica
2) La T della foglia è legata all’evaporazione
3) Se Q*>QE come accade di giorno, allora la T della foglia è maggiore della T atmosferica.
4) Di notte la T della foglia è generalmente minore di T atmosferica.
5) Se il fattore di resistenza rb è piccolo, allora la T della foglia è molto vicina alla T
atmosferica.
6) Se il fattore di resistenza è elevato invece gli effetti termici di Q*leaf e QE diventano
importanti nella generazione di differenze termiche tra l’atmosfera e la foglia.
TRASFERIMENTO DI VAPORE ACQUEO
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Il trasferimento di vapore acqueo tra la foglia e l’ambiente circostante può essere espresso dalla formula:
E = ( ρ*v (T0) - ρ va)/rb
Densità di vapore a saturazione alla
superficie della foglia alla temperatura T0
La dipendenza di E da rb mostra che gli scambi idrici sono favoriti per le foglie piccole (basso rb).
La temperatura delle foglie piccole è strettamente legata alla temperatura dell’aria, quindi possiamo
sostituire il termine ρ*v(T0) con ρ*va.
Questa approssimazione, che non introduce grandi errori, porta al ricalcolo approssimato di E :
E ≅ vdda / rb
TRASFERIMENTO DI VAPORE ACQUEO
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Se consideriamo anche la resistività degli stomi, l’equazione diventa:
E = ( ρ*v (T0) - ρ va)/ (rb+rst)
E analogamente, per foglie piccole con basso rb, si può approssimare:
E ≅ vdda / rst
TRASFERIMENTO DI CO2
il flusso di CO2 coinvolge processi biochimici complessi. Si può tuttavia esprimere, in analogia con il
flusso di vapor acqueo, come:
FC = (ρca - ρci)/(rb + rst)
Resistenza totale
Concentrazione CO2
atmosferica
385.57 ppm nel 2008!
Concentrazione CO2 all’interno della foglia (≅0)
FOGLIA: MICROCLIMA
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Consideriamo l’esempio di una foglia di fagiolo in condizioni di vento debole ma turbolento
I valori riportati in figura mostrano la T (°C) in eccesso sulla
foglia rispetto all’aria circostante. Nel punto più caldo
raggiunge circa 8°C di eccesso rispetto all’ambiente.
Notare il regime di distribuzione della T in eccesso, che
aumenta passando dalla zona più esposta al vento a quella
sottovento. Questo perché lo strato laminare adiacente la
superficie della foglia si forma più facilmente nella zona
sottovento.
Questa differente distribuzione di temperatura controlla una serie di processi fisici e biologici
Quando il ∆T con l’aria circostante supera determinati valori, esiste una sorta di
autoregolazione da parte della pianta, in quanto esiste il rischio di disidratazione. In genere, le
foglie presentano una vasta gamma di meccanismi atti a reagire agli stress climatici e ad
ottimizzare l’utilizzo delle risorse disponibili.
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Negli ambienti aridi e caldi le strategie di adattamento delle piante possono essere
molteplici.
Generalmente il fattore rb è basso in modo da mantenere una temperatura vicina a
quella ambientale.
La cuticola delle foglie è generalmente molto spessa, atta cioè a trattenere l’acqua
più facilmente.
L’attività e la densità stomatica sono ridotte al minimo, e l’albedo delle foglie
generalmente è alta.
Tutte queste strategie possono ridurre il tasso di fotosintesi, e quindi di produzione
di sostanza organica, ma ogni vegetale generalmente ricerca un equilibrio
ambientale tra la crescita e la sopravvivenza.
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Negli ambienti freddi invece gli adattamenti principali consistono nel massimizzare l’assorbimento
radiativo minimizzando l’albedo, e nella formazione di colonie aderenti al suolo, in modo da
minimizzare la velocità del vento ed eliminare le perdite di calore per turbolenza.
La prossimità al suolo garantisce un clima di tipo pseudo-conservativo
PIANTAGIONI E COLTIVAZIONI
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1)
2)
3)
4)
Bilancio di massa (acqua e CO2)
Bilancio radiativo
Bilancio energetico
Clima
BILANCIO IDRICO
Nell’esempio qui sotto si considera un volume,
senza andare a vedere che cosa avviene
all’interno del volume stesso
Scambi INTERNI al sistema
BILANCIO IDRICO
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Nella figura si cerca di schematizzare la
distribuzione verticale di acqua tra il suolo,
le piante e l’atmosfera.
Consideriamo gli scambi orizzontali trascurabili.
L’input primario di acqua deriva dalle
precipitazioni (pioggia, neve, nebbia,
rugiada, gelo) e dall’acqua che arriva dal
basso.
L’acqua viene (1) intercettata dalle foglie
oppure (2) arriva a terra.
L’acqua intercettata (1) forma una sorta
di piccolo “stock” idrico, che viene
ulteriormente alimentato dall’impatto delle
goccioline di nebbia, dai processi di
condensazione, e dall’acqua espulsa dalla
pianta.
L’efficienza dell’intercettazione dell’acqua
è massima quando la canopy è ancora
secca, mentre diminuisce man mano che
questa si umidifica.
L’acqua che arriva a terra (2) si può infiltrare oppure può rimanere in superficie formando anche lì un piccolo stock
idrico. L’acqua che si infiltra può poi eventualmente risalire per capillarità all’interno della pianta.
BILANCIO IDRICO
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Le perdite di acqua sono principalmente
legate:
1) al drenaggio profondo nella falda
acquifera.
2) all’evapotraspirazione in atmosfera.
L’evapotraspirazione è sostenuta
dall’input di acqua che deriva dal terreno,
dall’umidità del suolo, e dallo stock idrico
del suolo e delle piante.
Il tasso con cui l’acqua fluisce nel
sistema dipende dalla differente
tensione di vapore tra l’aria e la foglia, e
dalla differenza di potenziale tra le foglie
e il suolo, che a sua volta dipende da
una serie di resistenze tra suolo, pianta
e aria.
La conducibilità di un suolo nei confronti
dell’acqua è l’inverso della resistenza
del suolo stesso all’estrazione di acqua
dal suo interno.
BILANCIO di CO2
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Lo scambio di CO2 con l’ambiente circostante
avviene al top del volume.
Le variazioni diurne di Fc durante la stagione
vegetativa sono mostrate in figura.
Di giorno il flusso di CO2 è positivo, ovvero
dall’atmosfera verso la vegetazione
(fotosintesi). La CO2 viene fornita sia
dall’atmosfera che dal suolo.
Di notte il flusso è diretto in direzione opposta,
ovvero dalla vegetazione verso l’atmosfera.
Questo flusso rappresenta la respirazione (R)
della vegetazione stessa.
Nella prima parte della stagione vegetativa, da Maggio a Luglio, la magnitudine di Fc aumenta con lo
sviluppo vegetazionale, e l’area delle foglie aumenta. Nella seconda parte della stagione vegetativa invece
lo stress idrico fa si che Fc diminuisca considerevolmente.
In inverno gli scambi di CO2 sono molto ridotti a causa della ridotta attività biologica e biosintetica.
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Nelle giornate estive il tasso di assimilazione della
CO2 è alto, tale da consentire il raggiungimento dei
livelli invernali nelle ore diurne.
Le notti estive invece registrano alti tenori di CO2.
Quindi è nella stagione vegetativa che si hanno le
più elevate concentrazioni medie diurne (sulle 24h)
CO2, e questo origina il tipico andamento del ciclo
annuale di CO2 riportato nella figura in basso.
BILANCIO RADIATIVO
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All’interno di una canopy come una coltivazione agricola ad esempio, è difficile definire un
bilancio radiativo perché all’interno della canopy stessa sussiste una serie di assorbimenti,
riflessioni, trasmissioni ed emissioni radiative che rendono il sistema complesso.
La penetrazione delle onde corte all’interno di una canopy
come un campo coltivato è riportata in figura (a)
L’estinzione della radiazione solare segue
la legge di Beer
K↓(z) = K↓ (0) exp(-aAl(z))
K↓(0) radiazione incidente ad onda corta
sulla coltivazione
a denota un coefficiente associato alla
estinzione della radiazione da parte delle
foglie
A1(z) è l’area fogliare cumulativa dal top
della canopy fino al livello z.
N.B.: questa estinzione di radiazione
ad onde corte è anche selettiva in
certe lunghezze d’onda, dal momento
che
le
foglie
assorbono
preferenzialmente onde nel visibile.
BILANCIO RADIATIVO
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L’albedo della canopy è diverso da quello delle singole foglie, perché quando si considera
l’architettura vegetale nel suo insieme, l’assetto delle piante e gli angoli di incidenza della radiazione
solare variano.
Quindi, se l’α di molte foglie si aggira intorno a un valore di 0.30, l’albedo di una canopy
coltivata e di altre comunità vegetali è notevomente inferiore.
È stata osservata una relazione tra l’altezza della
vegetazione e l’albedo. Se la canopy ha altezza
inferiore a 1 metro l’albedo varia tra valori di 0.18
e di 0.25.
Questa relazione è valida nel caso di piantagioni
verdi e con copertura vegetale superficiale totale
(non valida quindi qualora ci fossero zone di
suolo esposto non coperto) e relativamente alle
condizioni a metà giornata.
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Abbiamo già visto infatti che esiste una relazione tra l’α e l’altezza del sole all’orizzonte.
Angoli più bassi (alba e tramonto)
corrispondono a valori di α più elevati.
Tuttavia, dal momento che l’albedo
maggiore si ha nei momenti in cui l’input
energetico è minore, l’effetto di questa
variabilità diurna dell’albedo non influenza
significativamente il bilancio radiativo totale.
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Il bilancio radiativo ad onde lunghe L* di una
vegetazione è quasi sempre negativo.
La perdita netta però diminuisce andando dal top della
canopy verso il suolo, e questo a causa della riduzione
del fattore Ψsky (sky view factor).
Ψsky si riduce dal top della canopy - dove idealmente si
ha apertura totale verso il cielo soprastante - verso la
base della vegetazione, dove la visibilità del cielo è
parzialmente oscurata da altri “oggetti” come le foglie
sovrastanti.
Lo stesso concetto di Ψsky si può applicare ad altri
ambienti; giustifica ad esempio la riduzione del
raffreddamento radiativo notturno nei canyon urbani o in
altri ambienti ove la visione del cielo sia “ostruita”
almeno in parte.
L’andamento di Q* è molto simile a
K↓. Di giorno è positivo su tutto lo
spessore della canopy, in particolare
in prossimità della sommità, dove
l’assorbimento è massimo. Q*
diventa invece negativo nelle ore
serali e di notte, e la perdita
radiativa è concentrata al top della
canopy.
BILANCIO ENERGETICO
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La figura riporta un esempio tratto da un esperimento fatto su un
campo d’orzo in Inghilterra nel mese di Luglio 1963. l’albedo della
canopy era 0.24 (assorbimento di circa ¾ della K incidente).
Il valore di L* è sempre negativo ma il suo valore assoluto non è
molto elevato. Q* è in fase con radiazione solare entrante durante
il giorno, e pari alla perdita radiativa ad onda lunga la notte.
L’evaporazione è il principale mezzo per dissipare calore.
Con un QE così elevato poco calore resta a disposizione per
aumentare la T della canopy sottoforma di calore sensibile QH.
Nella fig 4.15(c ) si osserva l’andamento durante la giornata della
resistività della canopy.
La resistività è bassa alle prime ore del mattino poiché la canopy
è ricoperta da rugiada. Si mantiene costante durante la giornata
poiché gli stomi sono aperti.
In serata invece subisce un forte aumento dovuto ad un
decremento di luce o ad un possibile stress d’acqua, i quali
contribuiscono a chiudere gli stomi.
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Sempre mantenendo l’esempio di un campo d’orzo, la
figura mostra i profili di velocità del vento, temperatura,
tensione di vapore e CO2 in una giornata (la stessa
della figura precedente).
Per ciascun parametro, si può notare che il profilo
verticale al di sopra del campo corrisponde a quello di
superfici semplici non-vegetate, come se la superficie
attiva fosse localizzata alla sommità della canopy
stessa.
PROFILO DEL VENTO
Per quanto riguarda il profilo del vento, si può vedere
(fig.a) che il profilo al di sopra della canopy è logaritmico
(come per le superfici semplici non vegetate). Nelle ore
centrali della giornata (quando la velocità è massima)
analogamente si presume che il trasferimento di quantità
di moto dall’atmosfera vs il basso sia più elevato.
All’interno della canopy si raggiunge un minimo di
velocità laddove la densità fogliare è massima, che non
coincide col livello del suolo. A livello dei gambi delle
piante è tipica una zona di velocità del vento leggermente
più elevate rispetto a questo minimo, e infine si ha un
ulteriore decremento di velocità al suolo.
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Se ricordiamo l’equazione logaritmica di
velocità del vento:
u(z) = (u*/k) ln (z-d)/z0
Appare evidente che una
descrizione accurata del
profilo del vento sopra una
superficie vegetata dipende
dai parametri z0 e d.
Entrambi
dipendono
dall’altezza della vegetazione
e dalla velocità stessa del
vento, quindi è difficile
definire dei precisi valori per
questi parametri.
PROFILO DI TEMPERATURA DELL’ARIA
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Appena al di sotto del top della canopy troviamo la zona
dove avvengono le maggiori variazioni termiche diurne.
Si noti che il regime termico al suolo è molto simile al
caso di superfici semplici non-vegetate, e che il profilo
termico al di sopra della canopy non varia molto
(raffreddamento evaporativo).
In periodi di calma di vento e cielo sereno il
raffreddamento della canopy induce formazione di
rugiada, e il profilo del vapor aqueo assume questa forma
(01-02h). La rugiada fornisce una fonte importante di
acqua e al mattino questo processo evaporativo ritarda il
riscaldamento della canopy.
Nelle ore centrali della giornata invece il gradiente di vapor
acqueo è molto pronunciato, in quanto sia il suolo sia la
canopy sono fonti di umidità.
Per la CO2, sia il suolo che la canopy sono sorgenti
durante la notte. La concentrazione quindi decresce con
l’altezza dal suolo all’atmosfera. Di giorno il suolo continua
a rilasciare CO2 (attività batterica, decadimento di
sostanza organica) mentre la canopy assorbe CO2, quindi
si crea un profilo come quello in figura (11-12)
FORESTE e FRUTTETI
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Caratteristiche:
1) presentano un’architettura ben definita, una canopy densa, e dei fusti privi di foglie
2) Date le loro dimensioni, lo stock di massa e calore non è trascurabile su periodi lunghi.
3) La struttura della canopy generalmente massimizza la cattura della radiazione solare
1)
2)
3)
4)
Bilancio di massa (acqua e CO2)
Bilancio radiativo
Bilancio energetico
Clima
BILANCIO IDRICO
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È essenzialmente molto simile a quello delle coltivazioni e piantagioni, tranne che nell’ammontare di acqua
trattenuta e stoccata, che per una foresta decidua è generalmente pari al 10-25% delle precipitazioni totali annue,
mentre per le conifere può arrivare al 15-40%.
In
generale
comunque
l’efficienza
nell’intercettare le precipitazioni è massima nelle
prime fasi della precipitazione.
Dipende quindi dalla quantità cumulativa di
pioggia e dalle specie arboree considerate.
L’intercettazione dell’acqua è importante nel
bilancio idrico di una foresta, poiché permette di
“corto-circuitare” l’acqua nel sistema.
Il ciclo della CO2 è simile a quello di altri sistemi vegetati.
Fc aumenta con K↓ e diminuisce se lo stress idrico è importante, ovvero se la pianta è in condizioni di forte
sofferenza idrica gli stomi possono chiudersi.
Inverso è Fc di notte, allorché il suolo, i tronchi e le foglie emettono CO2.
BILANCIO RADIATIVO
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Idealmente possiamo immaginare una foresta come un sistema a due strati: uno strato di canopy
sollevato rispetto al suolo, uno strato costituito dai fusti delle piante (meno importante dal punto di
vista del bilancio radiativo) e da uno strato inferiore che è il suolo.
CANOPY
FUSTI
SUOLO
BILANCIO RADIATIVO – onde corte
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La radiazione K↓ [1] è in parte riflessa [5] in parte assorbita dalla canopy o trasmessa al suolo [2]
In genere [2] è meno del 20% di [1] e nel caso di una foresta densa può anche ridursi al 5% circa.
K↓
K↓
1
5
CANOPY
FUSTI
2
SUOLO
La canopy attenua la radiazione ad onda corta che raggiunge il suolo, in accordo con la Legge di Beer.
Influenza però anche la proporzione di radiazione solare che arriva sottoforma di radiazione diffusa.
BILANCIO RADIATIVO – onde corte
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A livello del suolo esiste come un livello di
“background” di radiazione ad onda corta,
visibile soprattutto al mattino e alla sera, e dei
picchi durante la giornata.
Questo “background” è la radiazione diffusa D.
A livello del suolo quindi D rappresenta una
percentuale importante (circa il 45%) di K↓,
mentre alla sommità della canopy è solo il 15%
circa. Quindi la canopy aiuta a rendere la
radiazione solare “diffusa”.
Nota: la canopy agisce in maniera selettiva secondo le λ. In generale, essa contribuisce ad attenuare la radiazione
solare nella regione dello spettro elettromagnetico corrispondente al blu (400-450 nm) e ad arricchire in senso
relativo la zona spettrale del rosso e vicino I.R. (650-750 nm).
Questo fa si che la radiazione solare in prossimità del suolo non solo sia attenuata, ma sia anche meno
efficace dal punto di vista della efficienza per la fotosintesi. Questo riduce la produttività nei livelli prossimi al
suolo.
BILANCIO RADIATIVO – onde corte K↓
↓
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La radiazione ad onda corta riflessa totale [7] è la somma di quella riflessa al top della canopy [5] e quella riflessa dal
suolo [6]. Quest’ultima deriva da quella frazione di radiazione ad onda corta riflessa dal suolo [3] che non è assorbita dalla
canopy stessa prima di uscire vs. l’alto e che non subisce riflessioni multiple tra il suolo e la superficie inferiore della
canopy [4].
7
1
6
5
CANOPY
FUSTI
SUOLO
2
3
4
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L’albedo delle foreste generalmente è molto bassa,
soprattutto per le foreste di conifere (abeti)
È leggermente meno bassa per le foreste decidue,
soprattutto nella stagione vegetativa.
È interessante confrontare l’albedo di un aranceto [a] e l’albedo di una singola foglia di arancio [b].
Radiazione riflessa:
Per l’aranceto solo il 15%
Per la foglia singola il 32%
Radiazione assorbita:
Per l’aranceto il 64%
Per la foglia singola il 49%
Radiazione trasmessa
Per l’aranceto il 21%
Per la foglia singola il19%
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Negli ambienti freddi dove persiste uno strato di neve al suolo, il ruolo delle
foreste di conifere nell’assorbire la radiazione solare diventa molto
importante.
Infatti il terreno circostante è coperto da neve e ha quindi un’albedo molto
elevata. Questo contrasta con l’albedo molto bassa delle piante sempreverdi.
Il relativo riscaldamento di queste ultime le rende quindi sorgenti di radiazione
ad onda lunga che viene prontamente assorbita dalla neve circostante,
favorendo la fusione a livello locale del manto nevoso e l’esposizione alla
radiazione solare delle sottostanti superfici con albedo minore rispetto a
quella della neve.
BILANCIO RADIATIVO – onde lunghe L
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Il bilancio radiativo ad onde lunghe L è composto dall’input atmosferico [8] e dall’output totale della canopy [15],
che consiste nella somma di L↑ uscente dal suolo e che penetra la canopy [13] più la radiazione L↑ emessa dalla
canopy stessa [14].
Il suolo riceve [9] la radiazione che penetra la canopy e [10] la radiazione emessa dal basso della canopy stessa.
15
8
13 14
CANOPY
9
10
12
FUSTI
SUOLO
11
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BILANCIO RADIATIVO DI UNA
FORESTA DI CONIFERE
Molto simile a quanto gia visto per le superfici
vegetate di tipo coltivazioni.
Tuttavia in questo caso la bassa albedo fa si che
l’energia riflessa K↑ sia bassa, e che Q* sia
mediamente più elevato.
BILANCIO ENERGETICO
Foresta di pini
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Il bilancio energetico di un sistema suolo-foresta-atmosfera
Caso 1: foresta di pini
Stress idrico minore che nel caso della foresta di abeti
Misure in un sito dove la durata del giorno è leggermente
superiore rispetto alla foresta di abeti
Q* e ∆QS sono simili nei due casi in esame.
Nelle ore notturne ∆QS è dello stesso ordine di
grandezza di Q*.
Quindi ∆QS è importante a scala oraria, ma diventa
poco importante su base giornaliera, dato che i
valori positivi (diurni) e negativi (notturni) si
compensano.
Ciò che invece differenzia notevolmente i due casi in
esame è QH e QE, la loro importanza relativa e il
momento della giornata in cui questi mostrano i valori
massimi.
Foresta di abeti
BILANCIO ENERGETICO
Foresta di pini
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Nel caso della foresta di pini, QE rappresenta circa
1/3 di Q*, mentre nel caso della foresta di abeti
circa 2/3. Inoltre, in quest’ultimo caso il picco
massimo di QE è in ritardo rispetto al picco di Q* e
QH.
Cerchiamo di capire queste differenze.
Abbiamo visto che il tasso di evaporazione
dipende da:
1)
2)
3)
4)
Disponibilità di acqua ed energia
Gradiente della tensione di vapore
all’interfaccia superficie-aria
Intensità dei moti turbolenti
Attività stomatica nel caso della vegetazione
Facendo una analogia elettrica, il ruolo della
turbolenza atmosferica può essere visualizzato
come una “resistenza atmosferica” (ra) e
l’attività stomatica come una “resistenza della
canopy” (rc).
Foresta di abeti
Nel caso in esame la disponibilità di acqua ed energia nei
due siti è simile
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Anche i valori di resistenza atmosferica sono molto simili
(figura in basso)
Foresta di pini
La risposta alle differenze tra i 2 casi in esame può venire
dalla diversa resistenza della canopy ai due siti (figura in
alto). La rc dipende dall’attività stomatica, e può essere
legata alle specie vegetali in esame e al sito geografico nel
quale sono collocate.
La foresta di pini in particolare possiede una rc molto alta
soprattutto nelle ore pomeridiane/serali.
Questa resistenza dell’attività stomatica nei confronti
dell’evapotraspirazione
tardo-pomeridiana
giustifica
l’andamento di QE nel sito della foresta di pini, e
parallelamente il picco “ritardato” di QE nella foresta di
abeti.
L’esempio fatto ci aiuta a capire che la resistenza della canopy
gioca un ruolo importante nel bilancio energetico
Foresta di abeti
FORESTE e FRUTTETI : caratteristiche climatologiche
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Ci si può accorgere facilmente di come il clima all’interno di una foresta, anche in piena estate, sia
umido, fresco e quasi privo di vento.
Le caratteristiche climatiche tipiche di una foresta sono riportate nella figura qui sotto, e come si può
notare sono molto simili a quelle delle coltivazioni, che abbiamo gia visto.
FORESTE e FRUTTETI : caratteristiche climatologiche
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Il profilo del vento al di sopra della foresta segue la legge logaritmica già nota, fermo restando il
valore di “d”. Dalla sommità della canopy al livello di massima densità fogliare vi è una sostanziale
riduzione della velocità del vento, e al di sotto di questo minimo i venti rimangono molto deboli.
L’unica eccezione è il piccolo incremento di velocià in corrispondenza del livello dei fusti, come nel
caso delle coltivazioni.
FORESTE e FRUTTETI : caratteristiche climatologiche
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Il profilo di Temperatura e di umidità mostrano massimi a livello della massima densità fogliare,
laddove la massima area (cumulativa) delle foglie permette il massimo assorbimento radiativo e
fornisce il maggior calore e vapore acqueo. L’inversione al di sotto di questi due massimi di
temperatura ed umidità è dovuta al fatto che la canopy è più calda e umida del suolo.
L’inversione è meno marcata per il vapor acqueo dal momento che può esserci un rilascio di vapor
acqueo da parte del suolo, delle piante basse o comunque nei livelli inferiori della foresta.
FORESTE e FRUTTETI : caratteristiche climatologiche
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Infine, il profilo diurno della CO2 mostra che di giorno la canopy immagazzina anidride carbonica
per fotosintesi, mentre il suolo è una fonte di CO2 (attività batterica, decomposizione della
sostanza organica). Ne deriva un gradiente molto marcato a causa dello scarso rimescolamento atto
a diffondere la CO2 prodotta dal suolo su uno spessore maggiore.
Il profilo notturno è diverso perché ovviamente anche la canopy respira.
SISTEMI VEGETALI (FORESTE E CAMPI COLTIVATI): PERDITA E UTILIZZO DELL’ACQUA
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Condizioni secche: in condizioni secche la perdita di acqua avviene soprattutto grazie alla
traspirazione (ruolo degli stomi)
Densità di saturazione del vapore alla T della canopy
Densità di vapore nell’ambiente
Et(crop)= (ρ*v(Tc) - ρva) / (rc+raV)
Et(forest)= (ρ*va - ρva) / (rc)
Densità di saturazione del vapore
Resistenza
aerodinamica al
vapore
Poiché Tc è di gran lunga maggiore di Ta il numeratore di E crop è maggiore del numeratore di
E forest e quindi la traspirazione dei raccolti è maggiore della traspirazione delle foreste.
Condizioni umide: in condizioni umide la perdita di acqua avviene soprattutto per evaporazione
Ei (crop or forest) = (ρ*v(Tc) - ρva) / rav
Poiché rav per la foresta è minore rispetto ai campi coltivati, la perdita di acqua per
evaporazione è maggiore nelle foreste rispetto ai campi coltivati.