Un nuovo sistema di irrigazioneI grandi dischi verdi, visibili sorvolando gli Stati Uniti, sono migliaiadi campi irrigati con un sistema nel quale l'acqua, estratta da un pozzocentrale, viene distribuita da una macchina rotante di nuova concezione

di William E. Splinter

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li astronauti dello Skylab, in orbitaintorno alla Terra a una quota dicirca 430 chilometri, orientavano

il veicolo spaziale per stabilire un rileva-mento su uno dei loro principali punti diriferimento: un gruppo di parecchie cen-tinaia di macchie verdi circolari del dia-metro di 800 metri, disposte ordinata-mente sulla superficie terrestre. Quelloche vedevano era una fitta concentrazio-ne di campi circolari nel Nebraska cen-tro-settentrionale, una caratteristica delterreno facilmente identificabile dallospazio. I passeggeri degli aviogetti di li-nea notano con sempre maggiore fre-quenza lo stesso spettacolo in molte altrezone continentali degli Stati Uniti fra lequali il Colorado orientale, il Minnesotacentrale, il territorio vicino a Panhandlenel Texas, le regioni nordoccidentali ver-so il Pacifico e la Florida settentrionale.La proliferazione dei circoli verdi si puòvedere attualmente anche nel centro delSahara. Quello a cui si assiste è forsel'innovazione meccanica più significativanell'agricoltura dopo la sostituzione de-gli animali da tiro con il trattore.

Questi campi verdi circolari, che il piùdelle volte si trovano in regioni aride osemiaride, sono ora adacquati dalla pri-ma riuscita macchina da irrigazione. In-ventata da Frank Zybach di Columbusnel Nebraska, all'incirca 25 anni fa, con-sta sostanzialmente di una serie di spruz-zatori d'acqua del tipo a pressione mon-tati su un tubo da sei pollici, supportatoda una fila di sette o più torri mobili.L'acqua pompata nel tubo proviene dauna sorgente al centro del campo mentrele torri servono a spostare il tubo intor-no al perno centrale. La velocità di avan-zamento delle torri e del tubo è regolatadalla velocità della torre estrema; un di-spositivo di allineamento rileva qualsiasiritardo e sposta ogni torre in modo cherisulti allineata con quella adiacente. Unavanzamento della torre estrema avviauna reazione a catena di spostamenti checomincia dalla penultima torre dall'ester-no e progredisce verso il centro del circo-lo. Zyback sviluppò la sua macchina

mentre faceva l'agricoltore nel Coloradovicino alla città di Strasburg a est diDenver. Il sistema venne messo a puntodopo molti tentativi e adattamenti e nel1952 Zyback ottenne un brevetto statu-nitense.

Il primo sistema commerciale di irri-gazione a perno centrale introdotto unanno dopo era basato su un dispositivomeccanico chiamato «barra troiana», insostanza un arpionismo di avanzamentoche agiva sulle ruote delle torri trasci-nandole in un moto intermittente. Il mec-canismo era azionato tramite un collega-mento con un cilindro e un pistone mos-so dalla pressione dell'acqua presentenella linea di alimentazione; l'acqua ve-niva prelevata dalla conduttura di addu-zione per fornire l'energia necessaria allospostamento delle torri. Molte unità oggisul mercato funzionano ancora con que-sto sistema.

Sono state anche sperimentate nume-rose varianti del progetto originario. Unsistema, montato su slitte anziché su ruo-te, è fatto avanzare da un piede mobileazionato da cavi disposti lungo la circon-ferenza del sistema e collegati con uncilindro idraulico. Comunque la maggiorparte dei sistemi è montata su grandiruote in acciaio o in gomma e ha le torriazionate da singoli motori elettrici o i-draulici. Molti tipi sono reversibili cosic-ché l'agricoltore può fare indietreggiarel'impianto per estrarne le ruote da buchedi fango o per riposizionarle quando ènecessario. Il tubo di distribuzione è ingenere sostenuto a circa 2,5 metri dalsuolo. Gli spruzzatori sono distanziati inmodo tale che l'acqua venga irrorata inquantità crescente con l'aumentare delladistanza dal centro. Siccome la maggiorequantità d'acqua deve essere erogata allacirconferenza del circolo, le perdite do-vute all'attrito idraulico e alla distanzavia via crescente lungo il tubo rendono laprogettazione del sistema di irrigazione aperno centrale un interessante cimentotecnico, la cui soluzione è di molto faci-litata se si ricorre all'impiego di un ela-boratore elettronico.

Quale effetto ha avuto questo nuovosistema di irrigazione sull'agricoltura?In primo luogo il sistema a perno cen-trale consente all'agricoltore di irrigareautomaticamente grandi estensioni diterreno. Il sistema una volta regolatoper un determinato impiego, avanza con-tinuamente distribuendo l'acqua senzabisogno di ulteriore sorveglianza, salvocontrolli e riparazioni occasionali.

In passato, l'irrigazione era sinonimodi intenso lavoro umano. Fin dai tempipreistorici gli uomini hanno dovuto de-viare i corsi d'acqua per adacquare i rac-colti. Tali opere richiedevano la costru-zione di dighe, canali e fossi laterali.Perfino nei tempi attuali l'irrigazioneconvenzionale richiede quantità enormidi tempo e di energia. Dopo l'installazio-ne del sistema di irrigazione, l'agricolto-re doveva affrontare il continuo e pesan-te lavoro di incanalare l'acqua per i cam-pi, spalare i solchi aperti, chiudere quelliche non avevano più bisogno d'acqua ecurare continuamente la manutenzionedel sistema contro l'erosione e i dannicausati dai roditori.

Lo sviluppo dei tubi a sifone, neglianni quaranta, ridusse una parte del la-voro di spalatura, ma la loro installazio-ne restava sempre un lavoro assai fatico-so. Più recentemente lo sviluppo del tu-bo «a valvole» (che è un tubo con nume-rose bocche di efflusso regolabili dispo-ste a intervalli) ha ulteriormente ridottoil lavoro richiesto per distribuire l'acquaai solchi, ma i grossi tubi dovevano an-cora essere rimossi e le singole valvoleregolate a ogni irrigazione.

La fotografia aerea nella pagina a fronte mo-stra un sistema di irrigazione a perno centralenel Colorado nordorientale, fotografato dauna quota di 300 metri circa. I circoli concen-trici sono prodotti dalle ruote delle torri mo-bili che spostano il tubo acracquatore intornoal perno centrale. La piccola costruzione inbasso a sinistra è la stazione di pompaggio.La coltura è mais. Questo campo è nelle vi-cinanze di quello ripreso a una quota più ele-vata e riprodotto nella copertina della rivista.

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La rapida proliferazione dei sistemi di irrigazione a perno centrale installati nel Nebraska negliultimi anni, riportata nel grafico, viene rilevata dall'autore e dai suoi colleghi dell'Universitàdel Nebraska con un dispositivo che esplora elettronicamente le immagini riprese dai satelliti.

La tecnologia dell'irrigazione a piog-gia si è sviluppata soprattutto a partiredalla seconda guerra mondiale con lacomparsa degli spruzzatori rotanti e ladisponibilità di tubi di alluminio relati-vamente economici. Nei primi sistemi,gli spezzoni di tubo in alluminio eranocollegati fra loro e gli spruzzatori veni-vano tenuti al di sopra delle colture daun supporto; l'acqua era fornita a unapressione compresa fra 2,8 e 5,6 chilo-grammi per centimetro quadrato. Effet-tuata l'irrigazione di una zona, l'interosistema veniva smontato e trasportato amano nella zona successiva dove era ri-montato.

Si raggiungeva un certo risparmio dilavoro montando il tubo su ruote digrande A i .. nietr rs che ogni P o 24 en-e, ve-nivano spostate attraverso il campo.L'acqua era fornita da un distributoreprincipale e il tubo doveva essere disinse-rito e reinserito a ogni spostamento. Loscarso gioco del tubo limitava l'impiegodi questi dispositivi a «rullo sussidiario»all'alfalfa e ad altre colture basse. Ven-nero poi sviluppati accoppiamenti piùrobusti per i sistemi standard di tubo dairrigazione, consentendo il trascinamen-to con trattore di tubazioni fino a 400metri di lunghezza. Questo sistema chia-mato «slittamento a rimorchio» (skid--tow) riduceva il lavoro, ma lasciava in-soluti alcuni problemi relativi allo spo-stamento della tubazione attraverso uncampo di mais o di sorgo.

Ora è tutto automatico. Il sistema aperno centrale è progettato in modo chel'agricoltore può erogare piccole quanti-tà d'acqua a intervalli di pochi giorni. Iltempo minimo occorrente a un sistema aperno centrale per effettuare un giro in-tero è di circa 12 ore. L'agricoltore puòdistribuire una quantità maggiore o mi-nore di acqua facendo avanzare la torreesterna a una velocità più o meno eleva-ta. La maggior parte dei regimi per isistemi di irrigazione a perno centralerichiede un giro ogni tre o quattro giornicon l'irrorazione in un giro di circa 25millimetri di acqua.

La maggioranza dei sistemi è progetta-ta in modo da potere essere adattataall'unità convenzionale di terreno agrico-lo degli Stati Uniti denominata quartersection pari a 160 acri ossia 65 ettari. Lafigura circolare non copre gli angoli delcampo cosicché vengono irrigati solo 54dei 65 ettari (una disposizione serrata deicircoli in gruppi esagonali aumenta natu-ralmente il rapporto fra il terreno irriga-to e quello non irrigato). Il terreno negliangoli è generalmente utilizzato per pa-scolo, case coloniche, depositi di mais,alberi e colture adatte a terreni aridi.Sono state progettate unità di maggioridimensioni in grado di irrigare 90 ettari,mentre ne sono state installate alcune ca-

paci di coprire 215 ettari. Queste unitàpiù grandi, costituite da 800 metri di tu-bo da otto pollici, si spostano su 20 torrie adacquano un campo circolare del dia-metro di 1600 metri. Un fabbricante hasviluppato una torre esterna speciale in-cernierata che segue elettronicamente unfilo interrato e si sposta in modo da irro-rare gli angoli lasciati asciutti dal dispo-sitivo rotante.

Alla fine degli anni sessanta venivanoinstallati nel Colorado orientale sistemidi spruzzatori completamente automatici

con adacquatore sotterraneo e paratieprogrammate azionate elettricamente.Tali sistemi benché versatili sono limita-ti a colture di alto valore a causa dell'e-levato costo di installazione. Ricerche re-centi hanno portato allo sviluppo di val-vole che rendono possibile l'automazio-ne dell'irrigazione superficiale con tubi avalvola. Si tratta di un sistema che ri-chiederà meno energia dei sistemi aspruzzatore e se ne sta avviando un certosviluppo commerciale. Comunque il si-stema a perno centrale è di gran lunga ilmetodo predominante nella coltivazionedi campi con irrigazione automatica oggidisponibile.

La capacità dei sistemi a perno centrale di distribuire l'acqua con frequenza

e in piccole quantità ha messo in luce un

Nella pagina a fronte è riportata una fotografia in falsi colori ripresa dagli astronauti delloSkylab sul Nebraska centrale da una quota di circa 430 chilometri in cui si vede un folto gruppodi sistemi di irrigazione a perno centrale. La maggior parte dei campi circolari che appare nellafotografia è coltivata a mais. Questa regione semiarida, che si trova fra i fiumi Niobrara edElkhorn vicino a O'Neil, era prima usata per pascolo e colture a scarso margine economico.

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La macchina originale a perno centrale, inventata da Frank Zy bachcirca 25 anni fa, introdusse due innovazioni essenziali che hannoportato al riuscito sviluppo di un sistema di irrigazione completamen-te automatico. Nello schema di Zybach il tubo che fornisce l'acquaagli spruzzatori convenzionali è supportato da una serie di torri aforma di A. Il sistema è fatto avanzare per mezzo di acqua prelevatadalla linea di alimentazione (si veda l'illustrazione in basso). La se-

conda innovazione era lo sviluppo di un dispositivo meccanico permantenere l'allineamento del sistema con l'individuazione di qualsiasideviazione del tubo in corrispondenza di una torre intermedia e perfare avanzare la torre interna successiva. Quando la torre che è collo-cata più all'esterno procede lungo la traiettoria circolare, ognuna delletorri interne si muove a intermittenza in conseguenza della deviazionedel tubo determinata dal movimento della torre esterna adiacente a essa.

Il primo piano di una delle torri mobili della macchina originale aperno centrale mostra le parti del sistema. L'acqua in pressione, prele-vata dalla linea di alimentazione, aziona un pistone che fa avanzare la

torre mediante un meccanismo detto «barra troiana» che agiscesui risalti di entrambe le ruote di supporto. La velocità di avanzamen-to è regolata dalla portata dell'acqua nel pistone della torre estrema.

altro aspetto di questa nuova tecnologia.Molte zone agricole hanno una scarsaproduttività perché i terreni sono di tes-situra grossolana o sabbiosi. Simili terre-ni trattengono poca acqua; meno di 25millimetri in 30 centimetri di profonditàrispetto ai 50 millimetri o più per lastessa profondità trattenuti da terreni atessitura fine o marnosi. Come risultato iterreni grossolani o sabbiosi hanno lacaratteristica di essere secchi e general-mente possono servire solo come pascoloo al più per coltivazioni a scarso margineeconomico.

Un'erogazione d'acqua frequente e inpiccola quantità da parte di un sistemaspruzzatore a perno centrale porta ilgrado di umidità nella zona delle radici aun livello tale da consentire su questiterreni coltivazioni di tipo intensivo. Instudi di ricerca a North Piatte nel Nebra-ska, i miei colleghi dei dipartimenti diingegneria agricola, agronomia e scienzadegli animali dell'Università del Nebra-ska, hanno trovato che il terreno da pa-scolo irrigato con il sistema a perno cen-trale produce fra 800 e 1000 chilogrammidi carne viva per ettaro e per anno conerbe tipiche di stagioni fresche. Sono ci-fre paragonabili alla produttività norma-le di 30 chilogrammi annui per ettaro deipascoli aperti sulle colline sabbiose delNebraska.

Gli agricoltori e i ricercatori hannonotato che l'applicazione del sistema diirrigazione a perno centrale su tali terre-ni sabbiosi consente la produzione dimais, sorgo, barbabietole da zucchero,frumento, patate e altre colture con unaproduttività analoga a quella dei terrenilimosi o argillosi. Nel Nebraska la piantaagraria principalmente coltivata con que-sto tipo di irrigazione è il mais.

I terreni a tessitura grossolana o sab-biosi hanno non solo una scarsa capacitàdi trattenere l'umidità, ma anche un in-sufficiente potere assorbente nei confron-ti delle sostanze nutritive del suolo. Ilterzo aspetto innovatore del sistema aperno centrale è che i fertilizzanti posso-no essere immessi nella linea di alimenta-zione dell'acqua regolandone la quantitàin proporzione alla necessità della colti-vazione. I nostri studi hanno dimostratoche i fertilizzanti applicati a terreni sab-biosi filtrano facilmente attraverso il ter-reno e passano oltre la zona delle radici.I fertilizzanti, una volta al di sotto dellazona delle radici, vengono trasportatidall'acqua nella falda acquifera sotto-stante. L'applicazione dei fertilizzanti li-mitatamente alla quantità utilizzata dallacoltura riduce in misura sostanziale ilrischio di contaminare le acque del sot-tosuolo con nitrati e altre sostanze nutri-tive fluide. Ovviamente una simile solu-zione consente all'agricoltore di distribui-re soltanto le quantità di fertilizzanti ne-cessarie alla coltivazione con un conse-guente risparmio di considerevoli cifrenei costi di produzione.

La nostra ricerca ha ampliato questapossibilità estendendola all'applicazionedi diserbanti. Un sistema a perno centra-le azionato ad alta velocità di avanza-

mento, che eroghi circa 10 millimetrid'acqua, può distribuire opportuni erbi-cidi per controllare le erbe infestanti afoglie larghe. In pratica il sistema fun-ziona con successo come un gigantescoirroratore.

I primi sistemi di irrigazione a pernocentrale erano progettati in modo da a-dattarsi alle pendenze consentendo allatubazione di flettersi fra le torri di sup-porto. Lo sviluppo di giunti di accoppia-mento flessibili in corrispondenza di ognitorre rende ora possibile al sistema aperno centrale di adattarsi a terreni an-che sensibilmente ondulati. Ciò riducemoltissimo il costo di preparazione delsuolo, poiché, nel caso dell'installazionedi un sistema di irrigazione superficiale,il solo costo di livellamento può ugua-gliare quello di tutte le altre voci. Letorri possono adattarsi a pendenze finoal 30 per cento sebbene sia raccomanda-bile che queste non eccedano il 10 percento a causa dell'erosione superficiale edelle alterazioni introdotte dalle gole discolo.

Grazie a queste caratteristiche - fun-zionamento automatico, controllo dellaquantità e della frequenza di adacqua-mento, adattabilità a terreni ondulati e asuoli a tessitura grossolana o sabbiosa el'applicazione esatta di fertilizzanti ederbicidi - i sistemi a perno centrale sistanno ora rapidamente diffondendo intutti gli Stati Uniti e nel mondo. Un'im-portante industria si è ampliata per sod-disfare la domanda sempre crescente diquesti impianti. Dalle osservazioni deisatelliti abbiamo potuto stabilire che nelsolo Nebraska sono in funzione più di9000 sistemi a perno centrale, mentre unnumero molto maggiore è installato nelresto degli Stati Uniti. Molte unità sonoinstallate anche in Libia, Australia, Un-gheria, Francia e Medio Oriente.

Come quasi tutte le altre nuove tecno-•--' logie, l'irrigazione a perno centraleha i suoi problemi. In primo luogo deveessere disponibile una sorgente d'acquadi qualità adatta alla pianta da coltivare.In molte delle principali zone sabbiose,sotto la superficie si è accumulata acquanel corso di migliaia di anni. Per esem-pio le zone dunose del Nebraska dispon-gono, a poca profondità, di un immensoserbatoio d'acqua. Sono acque che nonpotevano essere impiegate per l'irrigazio-ne con i sistemi convenzionali a causadella loro rapida infiltrazione nel terrenoe della scarsa capacità del suolo di tratte-nerla. Il lento adacquamento automaticodel sistema a perno centrale si adattaperfettamente allo sviluppo agricolo diqueste zone.

In diverse località l'acqua può esserepompata dai fiumi. Alcune grandi instal-lazioni negli stati dell'Oregon e di Wa-shington pompano l'acqua dal fiume Co-lumbia a scopo irriguo con sistemi aperno centrale. Comunque la grandissi-ma maggioranza degli impianti d'irriga-zione a perno centrale è alimentata daprofondi pozzi che raggiungono le faldeacquifere sotterranee.

In molte zone, per esempio a Panhan-dle nel Texas, esiste il pericolo che lefalde acquifere siano sfruttate fino all'e-saurimento; quindi alcuni stati, fra cui ilColorado, hanno rigorosamente limitatola perforazione di nuovi pozzi. Nel Texase nel Nebraska si compiono ricerche alfine di sviluppare una tecnologia per ri-caricare le falde acquifere con le ecce-denze di acque superficiali, disponibili aintervalli a seguito delle precipitazioniatmosferiche e dello scioglimento dellenevi. Nel Nebraska si stanno valutandole portate non stagionali dei corsi d'ac-qua per valutare il loro potenziale diriapprovvigionamento. Se si fosse in gra-do di sviluppare una tecnologia econo-mica per il rifornimento delle falde ac-quifere con acqua di qualità accettabile,il rischio di esaurimento delle riserve po-trebbe essere grandemente ridotto.

I sistemi a perno centrale, oltre al pro-blema dell'esaurimento delle falde d'ac-qua sotterranee, presentano anche quellodi richiedere una grande quantità di e-nergia. Nei nostri studi abbiamo riscon-trato che nel Nebraska il 43 per centodell'energia impiegata a scopi agricoliserve a pompare acqua per l'irrigazione;un tipico sistema a perno centrale consu-ma in un anno circa 465 litri di carbu-rante per diesel a ettaro per distribuire560 millimetri di acqua, cioè 10 volte ilcombustibile necessario per dissodare ilterreno, piantare, coltivare e mietere unapianta agraria, per esempio il mais.

Il sistema medio a perno centrale delNebraska attinge l'acqua da una profon-dità di 55 metri con una portata di 3400litri all'ora. La pressione necessaria perpompare l'acqua lungo il tubo e alimen-tare la serie di boccagli varia da 3,5 a 6,3chilogrammi per centimetro quadrato.Un simile impianto in esercizio continua-tivo consuma una quantità d'acqua suf-ficiente a una città di 10 000 abitanti.Tuttavia alle latitudini medie, la maggiorparte dei sistemi è in funzione solo perun periodo di due mesi l'anno e il loroprelievo complessivo annuo dalla faldaacquifera sarebbe sufficiente a rifornireuna città di soli 1000 abitanti. Si trattacomunque di grandi quantità di acqua edi energia.

Attualmente nel Nebraska i sistemi aperno centrale sono azionati in maggiorparte da motori diesel, alcuni da motoria gas naturale e i rimanenti da motorielettrici. Il passaggio dal combustibileper diesel o dal gas naturale a energiaelettrica non è per il momento fattibileperché i sistemi a perno centrale rappre-sentano un forte carico sulla rete elettri-ca di distribuzione per un periodo abba-stanza breve in estate, carico non com-pensato da altri consumi durante il restodell'anno. La potenza generata, la capa-cità delle linee di trasmissione, il costodelle sottostazioni limitano così lo svi-luppo di impianti di pompaggio azionatielettricamente.

Nel Nebraska si è cercato di diminuireil carico elettrico di picco, program-

mando l'esercizio dei sistemi a perno

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La veduta aerea obliqua di un campo circolare di mais di unaquarter-section (l'unità convenzionale di terreno agricolo negli StatiUniti pari a 160 acri ossia 65 ettari) mostra il modo in cui, nelloschema di irrigazione a perno centrale, l'acqua viene applicata auto-

maticamente per mezzo di una serie di spruzzatori del tipo a pressionemontati su un tubo radiale supportato a sua volta da una fila di torriche avanzano lentamente. La fotografia è stata concessa dalla RainBird Sprinkler Manufacturing Corporation di Glendora in California.

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Questa vista a livello dimostra la capacità di un sistema a perno cen-trale di adattarsi comodamente anche ai terreni ondulati. Le torri, for-

nite di ruote, sono in questo caso azionate elettricamente. La fotografiaè stata concessa dalla Valmont Industries, Inc. di Valley nel Nebraska.

centrale azionati elettricamente in modoche non operino durante i periodi dimaggior consumo da parte degli altriutenti. Il consumo per impieghi non irri-gui è particolarmente elevato a metà delpomeriggio quando sono in funzione icondizionatori d'aria e nelle prime oreserali quando le donne di casa incomin-ciano a preparare la cena. Controllandoattentamente l'umidità del terreno di unazona si possono informare i coltivatorisul momento opportuno e sulla quantitàdi acqua da erogare. In un'area di 800ettari nel Nebraska centrale la scelta de-gli orari di funzionamento dei sistemi aperno centrale azionati elettricamente, alfine di evitare i periodi di carico di pun-ta, ha ridotto il picco di consumo di 667chilowatt.

La trasformazione dei sistemi a carbu-rante per diesel o a gas naturale in siste-mi a energia elettrica pone altri proble-mi. Negli Stati Uniti lo sfruttamento deicorsi d'acqua per la produzione di ener-gia idroelettrica è stato spinto al massi-mo possibile. Poiché i rifornimenti dipetrolio scarseggiano, il carbone e i com-bustibili nucleari dovranno supplire allaconseguente carenza di energia almenofino alla fine del secolo, per quanto l'au-mento degli impianti alimentati a carbo-ne e a combustibile nucleare vada incon-tro sia a obiezioni di tipo sociale sia aproblemi tecnici.

Vi sono alcune probabilità di poterazionare i sistemi a perno centrale conuna parte del prodotto agricolo o me-diante combustione diretta o tramite con-versione in metano. Un campo medio dimais produce 8,5 tonnellate di foraggio(steli, foglie e pannocchie) per ettaro.Due o tre tonnellate dovrebbero esserelasciate sul campo per proteggere il ter-reno dall'erosione del vento e dell'acquasecondo il tipo e la pendenza del suolo.La parte rimanente potrebbe essere usatacome combustibile tenendo conto che ilforaggio ha un potere calorifico di circa3300 grandi calorie per chilogrammo. U-na tonnellata di foraggio possiede in teo-ria energia sufficiente per azionare unimpianto di pompaggio a perno centrale,purché si riesca a sviluppare nel contem-po un metodo economico per la conver-sione dell'energia.

Chiunque abbia vissuto nelle pianureoccidentali degli Stati Uniti o le abbiaattraversate, sa quanto esse siano battutedal vento. L'energia del vento è statasfruttata per secoli per il pompaggio del-l'acqua in Europa e nel Medio Oriente,come pure nelle pianure occidentali dalXIX secolo per abbeverare il bestiame.Verso il 1900 nel Nebraska sono statisviluppati e sperimentati numerosi pro-getti di motori eolici. L'introduzione ne-gli anni trenta della dinamo a vento por-ta nelle fattorie e nelle tenute sperduteenergia elettrica in quantità sufficienteper alimentare i ricevitori radio, alcunelampadine e utenze minori. Quindi è sta-ta spesso posta la domanda se fosse pos-sibile azionare i sistemi di irrigazionesfruttando l'energia del vento.

Nel 1947 alcuni membri del nostro

dipartimento installarono una dinamo avento con carica a batteria azionata dauna ruota a quattro pale del diametro di3,65 metri montata su una torre alta 30metri allo scopo di determinare su unlungo periodo quanta potenza si puòottenere dal vento. Il controllo della mac-china si protrasse per 27 mesi, durante iquali la potenza media erogata fu pari acirca quattro chilowattora al giorno. L'e-nergia elettrica ottenuta, nell'ipotesi chesia possibile immagazzinarla in modo e-conomico, potrebbe azionare un motoreelettrico della potenza di un cavallo va-pore (CV) per circa quattro ore al giornoa pieno carico.

Se si volesse azionare un motore elet-trico da 40 CV per scopi irrigui (realiz-zando un impianto di pompaggio abba-stanza piccolo) si potrebbe prendere lemosse dall'esperimento prima descritto:sarebbero necessari circa 240 motori avento del tipo da noi studiato o un'unitàcon una ruota a pale di 55 metri di dia-metro. Negli anni quaranta il livello tec-nologico degli impianti elettrici a ventopermetteva lo sfruttamento dell'energiaeolica con un rendimento complessivodel 42 per cento. Il rendimento massimoteorico di tali impianti è del 59 per cen-to. Esiste quindi qualche possibilità dimiglioramento, una delle quali, un pro-getto di pale perfezionate, è ora in esamepresso l'Oklahoma State University. Tut-tavia al momento attuale le dimensioniche deve avere qualsiasi dispositivo chesia in grado di sfruttare l'energia delvento per l'azionamento di sistemi diirrigazione sono così grandi da rappre-sentare una grave difficoltà e da rendereproblematici ulteriori sviluppi.

nual è il potenziale economico dei si-stemi di irrigazione a perno centra-

le? Gli odierni costi di preparazione sonodi circa 870 dollari l'ettaro per il pozzo,la pompa e le apparecchiature mobili. Ingenere tali impianti sono stati installatisu terreni poveri non valorizzati cosicchégli investimenti relativi al terreno sonostati relativamente bassi. I costi di pro-duzione dovrebbero essere uguali a quellidegli altri sistemi di irrigazione più ilcosto dell'energia necessaria al pompag-gio dell'acqua che può essere compresofra 25 e 50 dollari annui l'ettaro. Si puòragionevolmente prevedere una produ-zione di 2500 litri di mais per ettaro, cheai prezzi attuali, consentirebbero di rea-lizzare un ricavo lordo di 1140 dollari.Gli studi di economisti indicano per ogniettaro posto sotto irrigazione una renditalorda annua di 1250 dollari per lo statodel Nebraska, tenendo conto delle attivi-tà di tutti i settori economici. La rapidaproliferazione dei sistemi a perno centra-le mostra chiaramente il loro successofinanziario.

L'accettazione commerciale di questanuova tecnologia per l'irrigazione ha giàdeterminato tentativi di ulteriore perfe-zionamento. L'agricoltore, in mancanzadi mezzi per controllare l'umidità delsuolo e per prevedere l'esigenza del suoraccolto, è costretto con una decisione di

tipo imprenditoriale a sovrairrigare, poi-ché le conseguenze economiche dell'in-sufficiente umidità superano di gran lun-ga il costo dell'adacquamento supple-mentare. Sotto la spinta della minacciadi scarsità di acqua e di energia, si stan-no compiendo ora numerosi studi sullosviluppo di strategie più efficienti alloscopo di economizzare l'acqua nelle col-tivazioni agricole.

I nostri studi hanno stabilito che, ope-rando in modo da sfruttare l'acqua ac-cumulatasi nel terreno durante l'autun-no, l'inverno e l'inizio della primavera eastenendosi dall'irrigazione in caso dipiogge occasionali durante la stagionedella crescita, è possibile risparmiare o-vunque da un terzo a metà dell'acquanecessaria per le barbabietole da zucche-ro e il mais. I tecnici dell'AgricolturalResearch Service del Department of A-griculture dell'Idaho e del US Bureau ofReclamation dell'Agricultural ResearchService del Colorado hanno messo apunto programmi al calcolatore che va-lutano con continuità la quantità d'ac-qua che viene perduta da un campo pereffetto dell'evaporazione del suolo e del-la traspirazione attraverso le foglie dellecolture. La quantità d'acqua perduta perogni coltura specifica, per esempio l'al-falfa o il mais, viene corretta con uncoefficiente stabilito sperimentalmentedurante la crescita. Tali programmi ren-dono possibile stabilire con maggior pre-cisione i tempi di irrigazione e la quanti-tà d'acqua necessaria per irrorare la zo-na delle radici. Abbiamo applicato que-sto sistema di programmazione nella sta-zione sperimentale posta nelle vicinanzedi Scottsbluff nel Nebraska, allo scopodi prevedere il periodo più convenientedell'adacquamento successivo e per de-terminare un ordine di precedenza nel-l'irrigazione delle varie colture.

A causa della varietà di composizionedei terreni e delle precipitazioni atmosfe-riche occorre controllare l'umidità delsuolo in ogni singolo campo. Ciò non èfacile, ma quest'anno il Bureau of Re-clamation ha in progetto di programma-re l'irrigazione di circa 75 000 ettari me-diante il controllo dell'umidità del suoloe di informare gli agricoltori dei relativifabbisogni d'acqua. La programmazioneè già disponibile per gli agricoltori delNebraska e dell'Arizona attraverso unservizio commerciale (non statale). L'e-state scorsa vennero programmati in que-sto modo oltre 25 000 ettari. Ricercatoridel Texas hanno sviluppato un metodocosiddetto del «giorno critico» (stress daymethod) per prevedere le necessità di ir-rigazione. Studi effettuati in California enel Texas indicano che un'insufficienteirrigazione influenza il prodotto finale diun raccolto in modo più sensibile duran-te alcune fasi della crescita che durantealtre. Per esempio, il raccolto del maisviene maggiormente influenzato da adac-quamento insufficiente nella fase dell'im-pollinazione che nelle altre fasi. D'altraparte sembra che sotto questo aspetto ilsorgo non sia tanto sensibile quanto ilmais. Sulla base di queste informazioni è

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In questa immagine composita a falsi colori realizzata con il sistema ascansione multispettrale del satellite per la rilevazione delle risorseterrestri LANDSAT si vede la tipica disposizione esagonale compatta

dei campi irrigati con il sistema a perno centrale. Il luogo è vicino al-l'oasi di Kufra nel deserto libico, 880 chilometri a sud-est di Benga-si. La fotografia è stata ripresa da una quota di circa 960 chilometri.

Questa fotografia aerea obliqua fornisce un'altra vista del complessodei sistemi di irrigazione a perno centrale di Kufra. Questi campi,

irrigati con l'acqua di un vasto bacino idrico sotterraneo, sono legger-mente più grandi del normale avendo un diametro di quasi 1600 metri.

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stata sviluppata nel Texas una strategiaassistita dal calcolatore allo scopo di de-terminare la programmazione ottimaledella distribuzione idrica in funzione del-le fasi di crescita, della quantità d'acquadisponibile, del tasso di evaporazione edi traspirazione e delle previsioni meteo-rologiche. Una simile strategia di irriga-zione potrebbe rivestire una grande im-portanza economica per gli agricoltori,che, seguendola e conoscendo la propriadisponibilità d'acqua, potrebbero con-servare una parte della loro riserva idricaper usufruirne durante il periodo ottima-le di irrigazione.

Allo scopo di prevedere con miglioreI I precisione la reazione del mais e dialtre colture alle sollecitazioni ambienta-li, si stanno sviluppando in varie univer-sità metodi facenti uso di modelli mate-matici. Dai dati sull'intensità della luce,la temperatura dell'aria, la lunghezza delgiorno e l'umidità del suolo è possibilevalutare mediante la simulazione al cal-colatore la superficie delle foglie, la pro-duzione di carboidrati, il peso delle so-stanze secche e la resa in granelli delmais. Abbiamo per esempio scoperto cheil mais cresce in ragione circa del 20 percento al giorno nel periodo iniziale dellosviluppo, ma che questa velocità di ac-crescimento può essere ridotta a zero sesi verifica una moderata deficienza diumidità nel terreno. Tuttavia le piantenon raggiungono l'appassimento perma-nente finché l'umidità del suolo nonscende a un livello molto inferiore. Alpunto di appassimento permanente siproduce un danno irreversibile nei tessutidelle piante.

Sotto sollecitazioni ambientali mode-rate gli storni o pori delle foglie si serra-no bloccando qualsiasi ulteriore perditad'acqua, ma anche la diffusione neglistorni dell'anidride carbonica ovviamen-te essenziale per la fotosintesi. Con l'aiu-to di auxanometri a contatto (dispositiviche controllano automaticamente il dia-metro di uno stelo) si può rilevare unavariazione nella velocità di crescita nelgiro di tre o cinque minuti. Le piantepossono essere coltivate in condizioniperfettamente controllate negli armadiet-ti di crescita, dove gli effetti che sonoprodotti dai vari cambiamenti ambientali(per esempio l'intensità della luce o latemperatura) sono perfettamente deter-minabili. Questa informazione viene poiutilizzata come base su cui costruire imodelli matematici.

Le piante possiedono orologi biologiciche attivano reazioni specifiche. Questiorologi funzionano sulla base dei gradi--giorni, cioè dell'effetto cumulativo dideterminate temperature moltiplicato peril tempo passato a queste temperature.Le misurazioni eseguite indicano che unapianta di mais impiega circa 1000 gradi--giorni per procedere dalla germinazionealla formazione di una barba. Utilizzan-do tali informazioni i programmi del cal-colatore sono ora in grado di prevederecon una certa precisione la data in cuiincomincerà la fioritura e, siccome que-

sto è il momento più vulnerabile per ilmais, permettono all'agricoltore di co-noscere con anticipo sufficiente il perio-do di massima criticità per l'irrigazione.

I lisimetri consentono misurazioni e-satte della quantità d'acqua evaporatadal terreno o traspirata attraverso le fo-glie delle piante. Questi dispositivi sonocostituiti da dei recipienti contenenti unmetro cubo di terreno collocati in uncampo aperto. Il recipiente è dispostosopra una bilancia dotata di un dispositi-vo elettrico di controllo che è capace dimisurare una variazione di 10 grammi suun peso lordo del recipiente stesso di5000 chilogrammi.

Altri strumenti misurano con continui-tà la velocità del vento, l'intensità dellaradiazione solare, l'umidità relativa e latemperatura. I dati vengono elaboratidal calcolatore permettendo di sviluppa-re modelli forniti di una più accurata ca-pacità di previsione. Gli studi eseguiti nelNebraska mostrano che nella regionenormalmente secca delle Great Plaines ilmicroclima di un campo irrigato con unsistema a perno centrale è del tutto ana-logo a quello di un'oasi in un deserto.Aria secca e caldissima viene trasportataverso il campo dai venti determinandoun'evaporazione e una traspirazionemaggiori di quelle provocate dalla solaradiazione solare. In queste condizioniun campo può perdere fino a 12,5 milli-metri d'acqua in 24 ore.

Sono ora in corso di studio modellipiù completi del sistema accoppiati con imodelli di crescita, comprendenti il suo-lo, la pianta e l'atmosfera. Questi mo-delli consentiranno di determinare il fab-bisogno d'acqua durante i successivi sta-di di crescita della pianta stessa. Pro-grammando sequenze alternative o pre-viste di condizioni atmosferiche si do-vrebbe essere in grado di valutare gli ef-fetti delle varie strategie di gestione del-l'irrigazione e di scegliere la migliore te-nendo conto del costo dell'energia, delladisponibilità di acqua e della produzionedel raccolto.

Cè stato già accennato i sistemi di

k-A irrigazione sono visibili dai veicolispaziali in orbita intorno alla Terra. Lostudio delle riprese fotografiche, eseguitedurante i voli con equipaggio umanodelle missioni Skylab nel 1973 e 1974,mostrano che i sistemi a perno centralepossono essere chiaramente identificati eche è possibile controllare dallo spazio losviluppo del raccolto. Il satellite senzaequipaggio LANDSAT ha dimostrato diessere anche più prezioso, perché la suacopertura si estende su un considerevoleperiodo di tempo.

Le capsule Skylab disponevano di pa-recchi sistemi sensori, fra i quali macchi-ne fotografiche convenzionali in gradodi eseguire fotografie in diverse zone del-lo spettro, una macchina fotografica spe-ciale per la ripresa del suolo terrestre eun dispositivo di scansione multispettra-le. I satelliti LANDSAT usano esclusiva-mente il dispositivo di scansione multi-spettrale; tali satelliti, poiché compiono

una rivoluzione orbitale in direzionenord-sud ogni 103 minuti, sono in gradodi osservare qualsiasi località sulla su-perficie terrestre una volta ogni 18 giorni.

L'informazione dal LANDSAT vienetrasmessa alle stazioni di inseguimento eregistrata su nastro magnetico. Le im-magini sono ottenute con lo stesso pro-cesso con il quale si ricavano i fotogram-mi televisivi dalle registrazioni su nastro.Il LANDSAT trasmette le informazionisu quattro bande spettrali ciascuna im-piegata per uno scopo particolare: la ban-da 4 (una lunghezza d'onda nel verde vi-sibile) principalmente per la valutazionedelle condizioni atmosferiche; la banda 5(una lunghezza d'onda più lunga semprenel verde visibile) per la crescita dei ve-getali; la banda 6 (nell'infrarosso vicino)sia per l'acqua sia per la vegetazione e labanda 7 (una lunghezza d'onda più lun-ga nell'infrarosso vicino) solo per l'ac-qua. Lo Skylab era in grado di esplorareun totale di 13 bande.

In ogni banda le immagini sono inbianco e nero, ma immagini composte infalsi colori sono più utili per interpretarei risultati. Con questo tipo di immagini ilnostro gruppo di studiosi è stato in gra-do di identificare i sistemi di irrigazionea perno centrale e anche quelli di irriga-zione superficiale in tutto il Nebraska.L'estate scorsa i primi coprivano una su-perficie di circa 320 000 ettari. È chiaroche esiste ora una tecnologia che permet-te di eseguire velocemente l'inventario diestese zone allo scopo di determinare lelinee di sviluppo dei sistemi di irrigazio-ne. Tali inventari saranno di fondamen-tale importanza per le autorità governa-tive al fine di accertare l'utilizzazionedelle risorse idriche e di progettare laloro futura amministrazione. Gli inven-tari sono stati ulteriormente completaticon rilievi aerei eseguiti mediante aereiconvenzionali e aerei RB-57 da alta quo-ta. Le foglie delle piante non sufficiente-mente umidificate presentano una tem-peratura più elevata di quelle che dispon-gono di acqua in abbondanza. Precisicontrolli di temperatura sulle colture ren-deranno possibile l'individuazione dellezone non sufficientemente adacquateconsentendo di fare previsioni più esattesui raccolti, una necessità di importanzacrescente per i programmatori.

i prevede che entro 35 anni la popola-zione del mondo sarà raddoppiata;

di conseguenza sarà necessario aumenta-re la produzione agricola per soddisfarele accresciute necessità alimentari. Sicco-me le principali zone agricole sono per lamaggior parte già sfruttate, gli studi tec-nologici volti ad accrescere la produzio-ne dei cibi dovranno fare assegnamentosu una utilizzazione più intensiva e piùefficiente delle risorse attuali. Il sistemadi irrigazione a perno centrale è in gradodi offrire un livello di controllo che nonè raggiungibile dalla maggior parte deglialtri sistemi e per questa ragione dimo-strerà di essere uno strumento tecnologi-co di grande interesse in questo impor-tantissimo sforzo.

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