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La razionale gestione dell'intervento irriguo in Sardegna
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5. IL BILANCIO DI ENERGIA

In assenza di limitazioni idriche l'elemento dominante nel controllo del flusso evapotraspirativo di una coltura e' la quantita' di energia disponibile. La conoscenza del bilancio energetico sta quindi alla base della comprensione del processo evapotraspirativo. L'energia e' infatti necessaria per rompere i legami a idrogeno che tengono insieme le molecole d'acqua e permetterne, quindi, la separazione dalla fase liquida. La principale sorgente di energia e' rappresentata dalla radiazione solare. La qualita' e la quantita' dell'energia radiante che giunge sulla superficie terrestre e' modificata dai processi di assorbimento da parte dei gas dell'atmosfera (vapore acqueo, anidride carbonica, ossigeno, ecc.), dalla diffusione determinata dalle molecole e dalle particelle presenti nell'atmosfera e, quando presenti dalle nuvole. La maggior parte dell'energia radiante che raggiunge la superficie terrestre e' a onde corte, la lunghezza d'onda della radiazione e' cioe' compresa tra 300 e 3000 nm (bande del visibile e dell'infrarosso vicino). Come gia' accennato al paragrafo 4.2.1, una parte della radiazione a onde corte e' riflessa dalle superfici su cui incide. La frazione percentuale di energia riflessa (albedo, α) dipende sia da fattori ambientali variabili nel tempo (ad esempio l'altezza del sole sull'orizzonte) sia dalle caratteristiche della superficie raggiunta dai raggi solari. Nel caso delle coperture vegetali la vegetazione alta riflette solitamente una frazione di radiazione inferiore rispetto a quella bassa. La radiazione netta a onde corte (Rns) e' la frazione di energia radiante a onde corte disponibile alla superficie al netto delle perdite dovute alla riflessione.

equazione 5.1   (5.1)

Nell'equazione 5.1, oltre ai termini gia' noti, compare la radiazione solare globale, Rg.
Una quota significativa degli scambi di energia tra la superficie terrestre e l'atmosfera avvengono nella regione dello spettro elettromagnetico definita a onde lunghe, vale a dire nell'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 3 e 100 mm.
Sia la superficie terrestre sia l'atmosfera emettono uno spettro di radiazione elettromagnetico dipendente dalla loro temperatura. Poiche' la superficie terrestre e' mediamente più calda dell'atmosfera, il bilancio di energia a onde lunghe si risolve in una perdita netta di energia sotto forma di radiazione termica.
La radiazione netta a onde lunghe (Rnl) e' il risultato di questo scambio di energia fra la vegetazione e il suolo da un lato e l'atmosfera e le nuvole dall'altro.

equazione 5.2   (5.2)

I termini indicano rispettivamente la densita' di flusso radiativo a onde lunghe che giunge sulla superficie terrestre e quella che viene emessa dalla superficie terrestre verso l'atmosfera.
Con il termine radiazione netta, Rn, si intende indicare il risultato complessivo del bilancio radiativo di una superficie, considerando cioe' sia la componente a onde corte sia quella a onde lunghe.

equazione 5.3   (5.3)

vale a dire

equazione 5.4   (5.4)

Rn e' la quantita' netta di energia ricevuta dalla superficie, disponibile per tutti i processi fisici e biologici, e rappresenta l'elemento fondamentale del bilancio di energia. I fattori che determinano differenze nel bilancio radiativo delle colture rispetto a quello di altre superfici sono l'albedo α (e quindi la quantita' di energia a onde corte riflessa) e la quantita' di energia onde lunghe emessa , che dipende dalla temperatura della superficie. A parita' delle altre condizioni, quanto maggiori sono l'albedo e la temperatura delle superfici vegetali tanto minore sara' Rn.

figura 5Nella figura 5 e' schematizzato il bilancio radiativo della superficie terrestre. Il contenuto di energia dell'aria è rappresentato dal calore sensibile e dal calore latente. Il calore sensibile e' l'energia che puo' essere rilevata misurando la temperatura dell'aria con un termometro, mentre il calore latente e' l'energia che tiene unite le molecole d'acqua allo stato liquido e che deve essere quindi fornita affinche' le molecole d'acqua abbandonino lo stato liquido e passino nell'atmosfera allo stato di vapore. L'aggettivo latente sta a indicare che l'energia fornita durante il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore non si manifesta attraverso un aumento di temperatura ma rappresenta l'energia potenziale interna delle molecole di vapore acqueo.
Il processo di scambio di calore sensibile che avviene fra una superficie vegetale e l'atmosfera e' determinato in genere dai movimenti verticali dell'aria (convezione naturale o forzata), anche se, in alcune situazioni, assumono un peso rilevante i movimenti orizzontali dell'aria (advezione).
Lo scambio di calore determinato dai movimenti verticali dell'aria e' chiamato densita' di flusso di calore sensibile (H). H e' un termine rilevante del bilancio di energia delle colture in quanto il processo di scambio introduce o rimuove calore dalla superficie vegetale e influenza la quantita' di energia disponibile per il processo di vaporizzazione dell'acqua. H e' considerato convenzionalmente positivo quando il calore e' rimosso dalla superficie e quindi il flusso e' rivolto verso l'atmosfera, negativo nel caso contrario (il calore fluisce verso la superficie).
Un'altra forma di energia da considerare nel bilancio energetico e' quella contenuta nei legami chimici che tengono insieme le molecole di acqua allo stato liquido e che deve essere fornita affinche' l'acqua passi dallo stato liquido a quello di vapore. La quantita' di energia necessaria per far evaporare o condensare un grammo o un kilogrammo di acqua e' chiamata calore latente di vaporizzazione (l) e varia con la temperatura.

equazione 5.5   (5.5)

In questa equazione (Harrison, 1963) T e' la temperatura in °C mentre λ e' espresso in MJKg-1

Calore latente di vaporizzazione
per diverse temperature
Temperatura [°C] λ [MJKg-1]
102.477
152.465
202.454
252.442
302.430
352.418
402.406
Volendo conoscere la quantita' di energia utilizzata per far evaporare una certa quantita' di acqua e' sufficiente moltiplicare quest'ultima quantita' per λ.
La densita' di flusso di calore latente (λET) e' la quantita' di energia per unita' di tempo e unita' di superficie scambiata da una coltura con l'atmosfera. Tale quantita' si considera positiva quando il flusso e' in direzione dell'atmosfera (evaporazione o evapotraspirazione), negativa quando il flusso e' in direzione della superficie (condensazione).
Anche nel caso del suolo si deve considerare il calore sensibile. Il trasporto lungo la verticale di questo calore e' definito densita' di flusso di calore nel suolo (G). Quando la superficie del suolo e' piu' calda degli strati piu' interni l'energia passa dalla superficie verso l'interno e il flusso e' considerato positivo. Il flusso sara' invece negativo e avra' invece opposta direzione quando la superficie del suolo e' piu' fredda. Il calore proveniente dal suolo puo' contribuire a

  • fornire energia per l'evaporazione dell'acqua che si trova negli strati piu' superficiali del suolo,
  • scaldare la vegetazione attraverso gli scambi radiativi a onde lunghe, o
  • scaldare l'aria e le piante attraverso il flusso di calore sensibile.

figura 6In definitiva il bilancio di energia di una coltura (figura 6) puo' essere espresso attraverso la seguente equazione:

equazione 5.6   (5.6)

L'equazione (5.6), indica che l'energia disponibile alla superficie viene in parte trasferita all'atmosfera sotto forma di calore o di vapore acqueo, mentre in parte viene trasferita in profondita' nel terreno. In effetti Rn viene utilizzata anche per altri processi essenziali (ad esempio la fotosintesi) il cui consumo energetico e' pero' di entita' talmente piccola da poter essere trascurato.
Il bilancio energetico dice, in sostanza, quanto dell'energia disponibile e' utilizzata per l'evaporazione o la condensazione e quanto per il riscaldamento o il raffredamento dell'aria e del suolo. Cio' significa che se un terreno e' secco, l'energia disponibile sara' completamente spesa nel riscaldamento dell'aria e del terreno. Viceversa, se un appezzamento viene irrigato, parte dell'energia viene spesa in evapotraspirazione e le temperature dell'aria e del terreno risultano inferiori a quelle del caso precedente.
L'equazione (5.6) puo' essere utilizzata per determinare il bilancio energetico di tutte le superfici siano esse la singola foglia, una pianta, un appezzamento di terreno o un territorio. Alla scala della coltura agraria, il bilancio di energia costituisce un metodo per la determinazione del flusso evapotraspirativo.
Infatti la (5.6) puo' essere risolta per ciascuno dei suoi termini.

equazione 5.7   (5.7)

La somma algebrica di Rn, H e G equivale alla densita' di flusso convertita in calore latente (λET) durante il processo evapotraspirativo. I termini sulla destra dell'equazione possono essere determinati attraverso la misura o la stima di alcuni parametri meteorologici e della vegetazione. Per quanto riguarda i primi si tratta di determinare

  • l'entita' dei flussi radiativi a cui si e' accennato in precedenza (Rn),
  • gli effetti del vento e della temperatura dell'aria e della superficie su H e
  • l'entità del flusso di calore nel suolo (G).

Nel loro insieme questi termini rappresentano le modalita' con cui l'ambiente controlla il flusso evapotraspirativo.
Per quanto invece riguarda la vegetazione un ruolo essenziale e' svolto dall'insieme dei processi che controllano la diffusione del vapore acqueo nell'atmosfera.
Tale controllo, i cui meccanismi sono piuttosto complessi, e' in genere semplificato assumendo che nel passaggio dalle cavita' stomatiche alla superficie fogliare e poi da questa all'atmosfera, il vapore acqueo incontra due resistenze, la resistenza del manto vegetale, rc, e la resistenza aerodinamica, ra, che operano in serie e misurano la maggiore o minore facilita' con cui il vapore acqueo diffonde nell'atmosfera (maggiore e' la resistenza incontrata dal vapore acqueo minore sara' l'entità del flusso).

figura 7In figura 7 viene rappresentato tale modello, noto in letteratura come il modello big leaf (Monteith, 1965; 1985). A partire dall'equazione del bilancio di energia di una coltura, prendendo spunto dalla famosa equazione di Penman (1948) per la stima di λET, e schematizzando il controllo del flusso evapotraspirativo da parte dell'ambiente e della vegetazione attraverso il modello big leaf, Monteith propose un'equazione per la stima di λET, ormai nota come equazione di Penman-Monteith. Nel 1990, in occasione dell'incontro tenutosi a Roma, il gruppo di esperti riuniti dalla FAO, in collaborazione con l'ICID, indico' l'equazione di Penman-Monteith come la metodologia piu' appropriata per la determinazione dell'evapotraspirazione di riferimento (ETo).
Infatti, tale equazione considera tutti i parametri che controllano gli scambi di energia e il corrispondente flusso di calore latente di una coltura.
Come vedremo piu' avanti la maggior parte dei parametri dell'equazione di Penman-Monteith sono misurabili o possono essere facilmente calcolati a partire dai dati meteorologici piu' comunemente rilevati. In sostanza l'equazione di Penman-Monteith e' in grado di simulare la risposta delle colture agrarie alle variazioni dei fattori meteorologici e climatici e come tale e' la piu' adatta a rappresentare l'ETo. Infine, l'analisi comparata di diverse metodologie di misura dell'ETo effettuata per diverse localita' nel mondo ha permesso di concludere che il metodo di Penman-Monteith e' quello che approssima con maggiore precisione l'entita' di ETo.
Nel capitolo 7 si fara' una rassegna dei principali metodi di stima dell'evapotraspirazione di riferimento. Si partira' dall'equazione di Penman-Monteith per arrivare ai metodi empirici basati sulla semplice correlazione fra il flusso evapotraspirativo e uno o due parametri meteorologici. In ogni caso ci preme sottolineare come, pur nella consapevolezza della maggiore congruita' e consistenza del metodo di Penman-Monteith, nessuno dei metodi analizzati puo' essere considerato, da un punto di vista operativo, migliore di un altro aprioristicamente.
Ciascun metodo si basa su determinate assunzioni o su certe condizioni in cui le misure devono essere effettuate: la precisione della stima dipendera' in larga parte anche dalla possibilita' (non sempre immediata) di rispettare tali assunzioni o condizioni. La scelta di un metodo piuttosto di un altro si deve quindi basare sull'attenta valutazione dei benefici e dei costi che l'adozione di un certo metodo comporta.
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