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1 Progetto cofinanziato dal programma LIFE+ L ACQUA Il ciclo dell acqua, importanza e funzioni nella pianta, nel terreno e nella biosfera; L acqua nel terreno e sue dinamiche nel sistema suolo-pianta-atmosfera; La qualità dell acqua (direttiva nitrati). Prof. Giancarlo Barbieri - Università di Napoli Federico II

2 L ACQUA Il ciclo dell acqua Importanza e funzioni -nella biosfera -nella pianta -nel terreno L acqua nel terreno - dinamiche nel sistema S-P-A La qualità dell acqua

3 PIANETA ACQUA Totale: 1.5 miliardi di km 3 97% mari e oceani 2% ghiacciai e calotte polari

4 PIANETA ACQUA (in migliaia di km 3 ) ATMOSFERA V=12.4 ==> 0.001% OCEANI V=1,370,000 ==> 97% CONTINENTI ==>1% Laghi e fiumi V=231 Acque sotterranee V=60,000 GHIACCI POLARI ==>2% Groenlandia V=2,400 Antartide V=22,000

5 Dove sarà l acqua nel 2025 Abbondante più di 1,700,000 l/anno Aree esposte a grave rischio di carenze Limitata 980,000-1,700,000 l/anno Scarsa 490, ,000 l/anno Minima meno di 490,000 l/anno pro capite

6 Quando l acqua scatena incendi crisi e conflitti negli ultimi 60 anni per l acqua India e Pakistan Indo 1958 Egitto e Sudan dighe sul Nilo Israele,Siria e Giordania Yarmouk e Giordano 1970 Brasile e Paraguay, Argentina dighe sul Paranà Iraq, Siria 1975 Angola e Sud Africa dal 1978 Egitto e Etiopia 1986 Corea del Nord e Corea del Sud 1990 Iraq, Siria e Turchia dal 1991 Stati indiani del Karnataka e Tamil Nadu 1995 Equador e Perù 1999 conflitto interno in Bangladesh Namibia, Botswana e Zambia

7 Gli stati dell acqua Vapore (umidità assoluta e relativa dell aria) Liquido (nel suolo, nelle piogge) Solido (ghiaccio, precipitazione di grandine e neve) I passaggi di stato da liquido a vapore: occorrono 600 cal/g e comporta quindi raffreddamento da solido a liquido. occorrono 80 cal/g: finché tutto il ghiaccio non è sciolto, la temperatura del solido non va oltre 0 C Libera calore solidificazione condensazione fusione evaporazione Assorbe calore ghiaccio acqua vapore

8 Il ciclo dell acqua CAMPBELL Figure The water cycle

9 L umidità dell aria L aria è una miscela di gas, con acqua allo stato di vapore Il contenuto di umidità nell aria influenza: bilancio energetico assorbimento delle sostanze nutritive e loro trasporto turgore dei tessuti riduzione del riscaldamento della parte epigea attività di crittogame

10 Lo stato igrometrico dell aria si esprime come: Umidità assoluta (g di H 2 O per m 3 di aria); ad esso corrisponde una determinata pressione di vapore; poco utile, in quanto a seconda della temperatura, la stessa quantità di H 2 O ha effetti diversi Umidità relativa (espressa in % del massimo contenuto in vapore acqueo dell aria, oltre al quale si ha condensazione). Più correlata ai fenomeni biologici Deficit di saturazione (VPD): differenza della pressione di vapore tra quella a saturazione e quella attuale (driving force per processi di evaporazione)

11 UR% VPD = vapour pressure deficit VPD = e s e air = e air x100 e s e air = e s * UR (umidità relativa) VPD = e s (e s * UR/100) e s è la pressione di vapore acqueo a saturazione e air è la pressione di vapore UR è l umidità relativa=frazione della pressione di vapor saturo in un volume di aria ad una data temperatura 17.27T e s = exp T

12 Umidità relativa 1 = Umidità relativa 2 = VPD a 40%UR kpa 40 % 80 % 1 bar = Pa 1 bar = 100 kpa 1 bar = 0.1 MPa 1 bar =1000 mbar 1000 mbar = 100 kpa 1 mbar = 0.1 kpa VPD a 80%UR kpa T es kpa VPD, T e UR 17.27T e s = exp T Andamento del VPD f(t,ur) es VPD a 40%UR kpa VPD a 80%UR kpa Temperatura C

13 La legge di diffusione L acqua diffonde da concentrazioni (potenziali) maggiori a concentrazioni minori Legge di diffusione di Fick Flusso = J = K(C interno - C esterno ) C interno C esterno

14 (Stomi) Perdita d acqua: diffusione J=K(C interno - C esterno ) C interno ~ e s =Pressione Vapor Saturo (100% Umidità Relativa) (aria) C esterno = e air =Pressione di Vapore Esterna VPD = e s e air J=K(C interno - C esterno ) J=K*VPD

15 Fattori che influenzano la diffusione La legge generale di diffusione J=K*VPD K = costante di proporzionalità Area della superficie evaporante (A) Natura della superficie evaporante (r) r = resistenza alla diffusione (s cm -1 ) J = AxVPD r

16 MISURA DELL'UMIDITA' Le strumentazioni disponibili per la misura dell'umidità (tabella seguente) sono classificabili in base a: 1. livello di accuratezza assoluta; 2. grado di associazione tra il loro funzionamento e le proprietà fisiche del vapor acqueo. dalla I alla IV classe si va dai metodi più accurati e con il più alto livello di associazione a quelli meno accurati e corretti.

17 MISURA DELL'UMIDITA' CLASSE I CLASSE II CLASSE III Gravimetrico Punto di rugiada Psicrometria a bulbo umido CLASSE IV Igroscopico (resistenza/ capacitanza) Generatore di vapor saturo Spettroscopia (IR o UV) Elettrolitico Piezoelettrico Meccanico (carta, capelli)

18 METODO GRAVIMETRICO rappresenta lo standard assoluto per la calibrazione degli strumenti; comporta l'assorbimento di vapor acqueo presente nell'ambiente con un disseccante (es: Mg(ClO 4 ) 2, P 2 O 5, Al 2 O 3, H 3 PO 4, CaO ecc.); sebbene non adatto per scopi operativi, consente una elevatissima accuratezza (fino a mg g -1 tra 0.2 e 30 mg g -1

19 IGROMETRI MECCANICI 1. sfruttano la variazione di lunghezza di un fascio di capelli o di una striscia di carta correlata con la quantità di vapore acqueo da essi assorbita; 2. i vantaggi sono legati principalmente al basso costo ed alla semplicità d'uso; 3. gli inconvenienti riguardano: la non linearità della relazione tra lunghezza del fascio di capelli e umidità; isteresi, mediamente pari al 3% RH; influenza della temperatura; scarsa accuratezza e riproducibilità a basse umidità; tempi lunghi di risposta (> 5 min)

20 Vengono generalmente prodotti come igrografi o termoigrografi, nei quali l'elemento sensibile è collegato con un apparato scrivente su un congegno ad orologeria.

21 Igrometro digitale con datalogger Per una gran parte delle applicazioni di uso comune in serra, l igrometro elettronico è lo strumento ideale. I dati di tipo elettronico infatti sono facilmente trattabili e registrabili, e possono essere acquisiti da microprocessori, che comandano attuatori di vario tipo (ad esempi nei condizionatori d aria, che a seconda del dato di umidità dell ambiente, modificano il proprio modo di funzionamento).

22 PSICROMETRI A BULBO ASCIUTTO E BULBO UMIDO rappresentano gli strumenti più diffusi per la misura dell'umidità dell'aria; tecnicamente sono costituiti da due termometri identici; l'elemento sensibile di uno dei due termometri è ricoperto da una garza immersa al capo opposto in un recipiente con acqua distillata (serbatoio); la determinazione della pressione di vapore avviene attraverso la risoluzione dell'equazione psicrometrica: ea = ea* (Tw) - k(ta - Tw) dove k rappresenta la costante psicrometrica (propria dello strumento), Tw è la temperatura di bulbo umido e Ta la temperatura di bulbo asciutto

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24 DESCRIZIONE PSICROMETRO 2 termometri di vetro a mercurio; ventilatore. 1. Termometro "asciutto": misura la temperatura dell'aria; 2.Termometro "bagnato": misura l'abbassamento di temperatura che risulta dall'evaporazione dell'acqua di una garza bagnata ad opera dell'aria ventilata (2 m s -1 ); 3. La perdita di calore per evaporazione dell'acqua continua sino a che la tensione di vapore dell'acqua nella garza non eguaglia il vapore contenuto nell'ambiente; solo a questo punto il mercurio del termometro bagnato si stabilizza. 4. Dalla differenza di temperatura misurata da t. asciutto e quella misurata dal t. bagnato e dalla misura della temperatura del t. bagnato si risale alla umidità relativa facendo ricorso alle tabelle psicrometriche

25 La pioggia La pioggia è precipitazione dell acqua in forma liquida gocce 0,5-5 mm velocità di caduta 2-9 ms -1 condensazione di vapore acqueo per raffreddamento nubi formazione delle gocce attorno a nuclei di condensazione Tipi di piogge: Frontali: incontro di masse d aria a diversa temperatura e umidità - aree temperate e sub-tropicali nord aria fredda aria calda sud convettive: sollevamento di aria umida riscaldata dall atmosfera - raffreddamento condensazione. Tipicamente intertropicali, acquazzone pomeridiano orografiche: masse d aria umide incontrano i fianchi freddi delle montagne

26 Quantità di pioggia Media della Terra: 1000 mm anno -1 minimi 2-3 mm deserto del Cile massimo mm versante sud Himalaya In Italia: Minimi < 500 mm Tavoliere delle Puglie, Sicilia sud ovest, Ovada Massimi: Alpi Orientali mm Classificazioni climi in base alle piogge: <250 mm arido: non si può fare agricoltura senza irrigazione mm semiarido mm subumido > 750 mm umido: l irrigazione non comporta incrementi produttivi (spesso non è vero!)

27 mm/mese Piano di Sorrento Deficit Pioggia ETo mese G F M A M G L A S O N D

28 Distribuzione stagionale delle piogge: Equatore (± 6) 2 stagioni delle piogge dopo gli equinozi, brevi tra 6 e 20 : 1 stagione delle piogge tra 20 e 35 alte pressioni: piogge scarse e irregolari deserti subtropicali >35 fascia temperata piogge più regolari a Nord Frequenza Numero di giorni piovosi all anno (si considera piovoso un giorno con precipitazioni > 1 mm) piogge frequenti soprattutto nei periodi caldi sono le più favorevoli all agricoltura (Parigi 200 giorni piovosi, Marsiglia 60, Napoli )

29 Si esprime in mm h -1 Intensità della pioggia pioviggine: <0,5 mm h -1 pioggia leggera 1 mm h -1 pioggia moderata 4 mm h -1 pioggia forte 15 mm h -1 pioggia violenta 40 mm h -1 nubifragio 100 mm h -1 le più efficaci per l agricoltura sono quelle leggere e moderate, non danno luogo a ruscellamento Piogge forti, oltre al ruscellamento, hanno azione battente sul terreno con formazione di croste

30 Pioggia utile Frazione della pioggia totale di un evento che può essere utilizzata dalle piante Pioggia utile = pioggia totale - perdite per ruscellamento - perdite per percolazione al di sotto della zona esplorata dalle radici - acqua trattenuta dalle foglie (1-5 mm)

31 Pioggia utile dove la riserva utile RU del terreno al momento dell irrigazione è diversa da 75 mm, va applicato il fattore di correzione F 0 Esempio Pioggia mensile = 100 mm; ET della coltura = 150 mm; Riserva utile effettiva = 175 mm Calcolo Fattore di correzione per la Riserva utile effettiva = 1.07 Pioggia utile effettiva 1.07 x 74 = 79 mm

32 MISURA DELLA PIOGGIA Piogge misurate in mm di altezza d acqua su superficie piana, senza evaporazione Gli strumenti di misura delle precipitazioni sono basati sull intercettazione della pioggia da parte di un imbuto di superficie nota (gen 1/10 di m 2 ) e riportando tale quantità ad 1 m 2 secondo l equivalenza: 1 L m -2 (=1 kg m 2 ) = 1 mm (altezza di pioggia) = 10 m 3 ha -1 L acqua intercettata dall imbuto: 1. può essere misurata manualmente (es. cilindri graduati) e sono detti PLUVIOMETRI, oppure 2. può essere pesata da una bascula, gen. tarata sul peso di 0.2 mm di pioggia, che trasmette lo scatto ad un pennino (PLUVIOGRAFO MECCANICO) o ad un trasduttore che lo trasforma in impulso elettrico che viene registrato da un data-logger (PLUVIOGRAFO ELETTRONICO). (1 mm = 1 L m -2 = 1 kg m mm = 200 ml = 200 g; se l imbuto è 1/10 m 2 allora la bascula è tarata per 20 ml = 20 g)

33 L accuratezza della misura è funzione di: - larghezza dell imbuto (meglio quelli di 1/10 di m 2 ) - messa a livello dell imbuto (ogni scostamento dal piano orizzontale aumenta o diminuisce la quantità dell acqua intercettata anche in funzione dell inclinazione della pioggia) - assenza di ostacoli - assenza di corpi estranei nel sistema (imbuto, filtri, tubi, bascula) Raggiunto il peso di 20 g un piatto della bascula scende, lo scatto viene inviato al sistema di misura, l acqua si scarica e inizia a riempirsi l altro piatto

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39 Probabilità di pioggia per la programmazione delle colture e il dimensionamento di impianti irrigui è utile conoscere la probabilità di superamento di determinati valori di pioggia, dato che la variabilità tra gli anni è elevata.

40 Frequenza (F) del verificarsi di un fenomeno (es. evento piovoso > 100 mm) Numero di volte che un evento si verifica in n anni Es. 1: 5 volte in 30 anni F= 5/30 = 0.17 Es. 2: 60 volte in 30 anni F= 60/30 = 2 Tempo di ritorno (1/F) Es. 1: 5 volte in 30 anni TR= 1/0.17 = 6 Es. 2: 60 volte in 30 anni TR= 1/2 = 0.50

41 Tempo di ritorno delle piogge giornaliere (intervallo in anni con cui le sohlie sono superate Thresholds (mm per day) >40 >60 >80 >100 REGI LAGNI PALMA CAMPANIA S.F.CANCELLO (hills) AVELLA ACERRA TRENTOLA-DUCENTA VILLA LITERNO CAMPI FLEGREI NA-Camaldoli POZZUOLI FUSARO LICOLA NAPOLI (Urban area) NA-Capodimonte (Osserv.) NA-Capodimonte (Serbatoio) NA-Ist. di Fisica NA-Servizio Idrografico NA-S. Rocco Thresholds (mm per day) >40 >60 >80 >100 VESUVIAN AREA ERCOLANO (Vesuvio) PORTICI TORRE DEL GRECO SARNO VALLEY SCAFATI SARNO SORRENTO PENINSULA CASTELLAMARE GRAGNANO Piano di Sorrento (Ist.Naut.) Piano di Sorrento (D'Ardia) Piano di Sorrento (S. Pietro) AGEROLA MASSALUBRENSE (Turro) MASSALUBRENSE (Nerano) ISLES ISCHIA - PORTO ISCHIA - FORIO ISCHIA - CASAMICCIOLA CAPRI (Aeron. Militare) ANACAPRI

42 Probabilità che un determinato valore (es. piogge mensili, piogge annuali, ) ) venga superato n 0.5 P = N dove: n = numero d ordine d per valori decrescenti (o crescenti) N = numero totale degli anni

43 Anni mm n P Cumulative Normal Probability Cumulative Normal Probability Chart TOTALE ANNO mm

44 0.99 Cumulative Normal Probability Chart 0.99 Cumulative Normal Probability Marzo Cumulative Normal Probability Agosto Cumulative Normal Probability Chart mm m 0.99 Cumulative Normal Probability Chart 0.99 Cumulative Normal Probability Chart Cumulative Normal Probability Settembre Cumulative Normal Probability Novembre mm mm

45 Quanto pioveva? Quanto piove? Differenza % mm % Piemonte Liguria Lombardia Trentino Veneto Friuli Emilia Romagna Toscana Umbria Marche Lazio Abruzzo Molise CAMPANIA Basilicata Puglia Calabria Sicilia Sardegna

46 Variabilità annuale dei deflussi Serie storica dei deflussi alle sezioni del Medio Flumendosa (Flumineddu + Flumendosa a N.ghe Arrubiu + Mulargia - Alto Flumendosa) Primavera 2007: allarme siccità / Anni idrologici Deflusso annuo Media mobile ordine 4 Media mobile ordine 7 Media generale Media sino al 1975 Media dal 1975 Media dal 1986 Deflusso in Mm 3

47 Andamento delle precipitazioni annue in Puglia dal 1961 al mm R 2 = anni

48 Piove di più? Piove di meno? Piove peggio? Precipitazioni mensili Puglia Totale mm Totale mm 80 mm gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic Tmax Tmim Tmax Tmin C gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic

49 Andamento delle precipitazioni annue in Piana del Sele (SA) dal 1955 al mm R 2 =

50 Dal 2000 piove di più? Piove di meno? Piana del Sele (SA) vs Cumulative Normal Probability Chart 0.90 TO TALE ANNO pe riodo TO TALE ANNO pe riodo mm

51 Piove di più? Piove di meno? Piove peggio? Precipitazioni mensili Piana del Sele (SA)

52 Piove di più? Piove di meno? Piove peggio? Precipitazioni mensili Fondi Media lungo periodo Totale 1213 mm 2008 Totale 1192 mm mm gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic Media lungo periodo da Mennella Il Clima d Italia

53 CONTINENTE AGRICOLTURA Consumi di acqua L oro blu del 2000 Prelievi Consumi Reflui Prelievi Consumi Reflui Prelievi Consumi Reflui Evaporazione

54 CONTINENTE AGRICOLTURA Consumi di acqua in Italia 50 miliardi di m 3 usi civili 14% usi agricoli 61% usi industriali 25%

55 Disponibilità di acqua per l'irrigazione m 3 x Potenziale 123 Centro 7% Sud 17% Reale 24% Usi Industriali 16% Usi Domestici Nord 76% 0 60% Agricoltura

56 TEMPO DI RINNOVO DELL ACQUA L acqua contenuta in fiumi piante aria corpo umano laghi oceani ghiacci polari viene rinnovata in pochi giorni 1 settimana 2 settimane 1 mese anni 3600 anni anni

57 Da meno del 10% (240 milioni di ettari irrigati) della superficie coltivata mondiale si ottiene il 35-40% degli alimenti M IL IO N I D I E T T A R I ANNI

58 Quanta acqua occorre per produrre?

59 FABBISOGNO IDRICO COLTURE Litri per m 2 Litri per pianta Girasole Pomodoro Peperone Agrumi Rosa

60 Litri di acqua per produrre 1 kilogrammo 1960= 840 litri per kg di prodotto fresco 1980= 560 litri per kg di prodotto fresco 2000= 200 litri per kg di prodotto fresco (Ricerca) Banana 499 Mela Limone Arancio Cipolla Pomodoro Riso 1408 Grano

61 Litri di acqua per produrre 1 kilogrammo Pollame 4100 Carne suina 4600 Carne bovina Uova 2700 Burro Latte

62 Acqua virtuale che consumiamo mangiando Tipo di dieta Dieta 0 (occidentale) 5400 Dieta 1 (riduzione del 25% dei prodotti 4600 animali) Dieta 2 (sostituzione carne bovina con 4800 carne di pollo) Dieta 3 (sostituzione del 50% di carni 4400 rosse con prodotti vegetali) Dieta 4 (riduzione del 50% dei prodotti 3400 animali) Dieta 5 (vegetariana con eliminazione 2600 della carne) Dieta 6 (sopravvivenza) 1000 Litri/giorni pro capite Si può risparmiare acqua anche a tavola cambiando le abitudini alimentari! Con la dieta mediterranea dei nostri nonni + prodotti vegetali - prodotti animali

63 Litri di acqua per produrre 1 kilogrammo pelli e cuoio 443 tessile-tintoria 333 carta 205 zucchero 200 surgelati 162 gomma 148 acciaio

64 Consumi domestici (litri al giorno per persona) Attività Consumo Servizi igienici 95 Bagni e docce 76 Lavatrici e lavastoviglie 49 Consumo diretto e per cucina 15 Altro 11 Totale 246

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