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TA

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� È necessario considerare VOLUMI

� BILANCIO ENERGETICO DEL SISTEMA SUOLO-VEGETAZIONE-ATMOSFERA:

Q* = QH + QE + ∆QS + ∆Qp

� ∆QS : Stock “fisico”di calore nelsistema. Risulta dall’assorbimentoe dal rilascio di calore da parte dell’aria, del suolo e dallabiomassa.

� ∆Qp : stock biochimico di caloredovuto alla fotosintesi. Dipende daltasso di assimilazione della CO2 da parte delle comunità vegetali.

SUOLO

VEGETAZIONE

ATMOSFERA

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� Q* = QH + QE + ∆QS + ∆Qp

Al bilancio energetico scritto come:

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 superficialep = precipitazioneE = 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 processifotosintetici e di respirazione, quindi è legataall’energia solare (visibile) e alla CO2.

�� FotosintesiFotosintesi (P):(P):COCO22 + H+ H22O + O + en.solareen.solare →→ CHCH22O + OO + O22

(CH(CH22O : O : carboidraticarboidrati))

�� RespirazioneRespirazione (R):(R):CHCH22O + OO + O22 →→ COCO22 + H+ H22O + O + energiaenergia ((combustionecombustione) )

La La crescitacrescita delladella piantapianta èè data data daldal ““tassotasso nettonetto didi fotosintesifotosintesi”” ovveroovvero::

�� ∆∆P = P P = P -- RR (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 = φφφφ ∆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’intensitàluminosa, 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.

multistrato

Strato unico

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Stratificata verticalmente

Data la complessità delle varie canopy, ci si limiterà a considerare 2 casi:

Vegetazione orientata verticalmente (sezione “piante” e “coltivazioni”)

-Vegetazione stratificata orizzontalmente (sezione “foresta”)

Stratificata orizzontalmente

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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”.

Velocità del vento

la velocità del vento misurata ad una serie di livelli sopra l’altezza h della vegetazione tende a diminuire sino a 0 ad unlivello 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 realtàesso 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 velocitàelevate del vento.

L’equazione logaritmica di velocità del vento quindi diventa:

u(z) = (u*/k) ln (z-d)/z0

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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.

(1) BILANCIO RADIATIVOLe 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.

FOGLIE

ψλ + αλ +ζλ=1

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ψλ + αλ +ζλ=1

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 perditadi 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 fogliaTa è la temperatura dell’ambiente circostanteCa 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.

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Q*leaf = QH (leaf) + QE (leaf)

QH = Ca ( To – Ta ) / rb

Se consideriamo:

E sostituiamo al calore sensibile la sua formula:

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 atmosferica2) La T della foglia è legata all’evaporazione3) 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.

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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

TRASFERIMENTO DI VAPORE ACQUEO

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

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Se consideriamo anche la resistività degli stomi, l’equazione diventa:

E = ( ρ*v (T0) - ρ va)/ (rb+rst)

TRASFERIMENTO DI VAPORE ACQUEO

E analogamente, per foglie piccole con basso rb, si può approssimare:

E ≅ vdda / rst

FC = (ρca - ρci)/(rb + 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:

Concentrazione CO2 all’interno della foglia (≅0)

Concentrazione CO2atmosferica

Resistenza totale

385.57 ppm nel 2008!

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FOGLIA: MICROCLIMA

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

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PIANTAGIONI E COLTIVAZIONI

1) Bilancio di massa (acqua e CO2)2) Bilancio radiativo3) Bilancio energetico4) 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

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BILANCIO IDRICO

Nella figura si cerca di schematizzare la distribuzione verticale di acqua tra il suolo, le piante e l’atmosfera.

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.

Consideriamo gli scambi orizzontali trascurabili.

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.

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BILANCIO IDRICO

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.

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BILANCIO di CO2

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.

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BILANCIO RADIATIVO

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 canopycome 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 cortasulla coltivazione

� a denota un coefficiente associato allaestinzione della radiazione da parte dellefoglie

� A1(z) è l’area fogliare cumulativa dal top della canopy fino al livello z.

� N.B.: questa estinzione di radiazionead onde corte è anche selettiva in certe lunghezze d’onda, dal momentoche le foglie assorbonopreferenzialmente onde nel visibile.

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BILANCIO RADIATIVO

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 canopycoltivata 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 0.18e 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 èparzialmente 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.

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BILANCIO ENERGETICO

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 èmolto 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 canopyè 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 canopystessa.

PROFILO DEL VENTOPer 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 quantitàdi 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.

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PROFILO DI TEMPERATURA DELL’ARIA

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)

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FORESTE e FRUTTETI

1) Bilancio di massa (acqua e CO2)2) Bilancio radiativo3) Bilancio energetico4) Clima

Caratteristiche: 1) presentano un’architettura ben definita, una canopy densa, e dei fusti privi di foglie2) 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

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BILANCIO IDRICO

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.

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CANOPY

FUSTI

SUOLO

Idealmente possiamo immaginare una foresta come un sistema a due strati: uno strato di canopysollevato 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.

BILANCIO RADIATIVO

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BILANCIO RADIATIVO – onde corte

K↓ K↓1 5

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.

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.

CANOPY

FUSTI

SUOLO

2

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BILANCIO RADIATIVO – onde corte

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.

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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].

BILANCIO RADIATIVO – onde corte K↓↓↓↓

1 5

CANOPY

FUSTI

SUOLO

2

6

7

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 trasmessaPer 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.

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BILANCIO RADIATIVO – onde lunghe L

8

CANOPY

FUSTI

SUOLO11

14

15

13

9

1012

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.

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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.

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BILANCIO ENERGETICO

Il bilancio energetico di un sistema suolo-foresta-atmosferaForesta di pini

Foresta di abeti

Caso 1: foresta di piniStress 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.

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BILANCIO ENERGETICOForesta di pini

Foresta di abeti

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) Disponibilità di acqua ed energia2) Gradiente della tensione di vapore

all’interfaccia superficie-aria 3) Intensità dei moti turbolenti4) 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).

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Nel caso in esame la disponibilità di acqua ed energia nei due siti è simile

Anche i valori di resistenza atmosferica sono molto simili (figura in basso)

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.

Foresta di pini

Foresta di abeti

L’esempio fatto ci aiuta a capire che la resistenza della canopygioca un ruolo importante nel bilancio energetico

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FORESTE e FRUTTETI : caratteristiche climatologiche

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.

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FORESTE e FRUTTETI : caratteristiche climatologiche

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.

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FORESTE e FRUTTETI : caratteristiche climatologiche

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.

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FORESTE e FRUTTETI : caratteristiche climatologiche

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.

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SISTEMI VEGETALI (FORESTE E CAMPI COLTIVATI): PERDITA E UTILIZZO DELL’ACQUA

Condizioni secche: in condizioni secche la perdita di acqua avviene soprattutto grazie alla traspirazione (ruolo degli stomi)

Et(crop)= (ρ*v(Tc) - ρva) / (rc+raV)Et(forest)= (ρ*va - ρva) / (rc)

Densità di saturazione del vapore alla T della canopy

Densità di vapore nell’ambiente

Densità di saturazione del 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.

Resistenza aerodinamica al vapore

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.

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