Ciclo idrologico. Ciclo idrologico in foresta

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1 Ciclo idrologico Il motore che alimenta il ciclo idrologico è la radiazione solare L energia radiante è in grado di far passare l'acqua dallo stato solido allo stato liquido e dallo stato liquido a quello di vapore Il rilascio di umidità nell'atmosfera avviene sia mediante processi fisici come l evaporazione dalla superficie dei corpi d acqua, dalla superficie terrestre e dalla copertura vegetale bagnata, sia come processo ecofisiologico legato alla traspirazione In questo ciclo l acqua e le foreste sono due risorse naturali legate fra loro in modo inestricabile. Lo studio di questo legame è compito dell idrologia forestale 1 Ciclo idrologico in foresta L acqua restituita all atmosfera sotto forma di vapore risale per convezione, si espande e si raffredda condensando in goccioline a causa della bassa temperatura (punto di rugiada). Per gravità ritorna sulla superficie terrestre sotto forma di precipitazioni liquide e solide Equazione del bilancio di massa dei flussi di acqua nella foresta P = precipitazioni (unico termine positivo) I = intercettazione delle chiome R = scorrimento superficiale SW = flusso dell acqua nel suolo D = drenaggio negli strati profondi del suolo ET = evapotraspirazione reale della foresta DS = variazione totale di immagazzinamento di acqua del sistema (chiome, accumuli di neve, suolo, etc.) 2 1

2 Ciclo idrologico: dimensione delle riserve nei diversi compartimenti, flussi e tempi medi di residenza Precipitazione = + Precipitazione - 3 Dei km 3, circa 80% per traspirazione il resto per evaporazione terrestre Evaporazione Ciclo idrologico: le precipitazioni Convettive: si verificano a basse e medie latitudini, in questo ultimo caso durante i giorni più caldi dell anno. A causa del forte riscaldamento della superficie terrestre gli strati di aria calda e umida prossimi al suolo risalgono per convezione. Con l aumentare della quota subiscono un processo di espansione e raffreddamento per riduzione della pressione atmosferica e formano le nubi. Le precipitazioni cui danno origine sono sempre locali, di breve durata e di elevata intensità Orografiche: aria calda e umida spinta dai venti risale pendici montane a causa di movimenti generali di massa. Gradienti di temperatura e di pressione favoriscono espansione e raffreddamento (gradiente adiabatico) con effetto stau (dal tedesco stasi/ristagno). In questo caso il versante esposto al vento riceve maggiori precipitazioni del versante sotto vento dove l aria, che ha perso gran parte della sua umidità, si riscalda per compressione adiabatica (effetto fhön, favonio) Cicloniche: in aree di bassa pressione convergenza di venti che costringono masse di aria umida a risalire verso l alto con piogge prolungate e intense 4 2

3 Influenza dell orografia sul gradiente termico e sulle precipitazioni 5 Ciclo idrologico: le condensazioni nebbia: raffreddamento strati inferiori dell atmosfera. Casi: 1) massa d aria umida e calda risale una pendice e si espande e si raffredda; 2) perdita rapida di calore dal suolo per irraggiamento in condizioni di calma rugiada: condensazione del vapore d acqua sul suolo o sulle piante la cui superficie è fredda. Avviene nelle notti serene quando i corpi si raffreddano per irraggiamento e quando l aria è molto umida brina: condensazione a temperatura inferiore a 0 C galaverna: nebbie a temperature inferiori a 0 C che formano strati di ghiaccio su superfici congelate. I manicotti di ghiaccio possono formarsi anche nel corso di precipitazioni (gelicidio) 6 3

4 Ciclo idrologico Precipitazione in parte intercettata dalle chiome degli alberi, in parte raggiunge il suolo direttamente (non intercettata) per la discontinuità della copertura delle chiome. Ad alte quote precipitazioni nevose e condensazione di nebbia su foglie, rami e fusti (precipitazioni occulte che sono difficili da quantificare) Le precipitazioni occulte sono una fonte supplementare di acqua molto importante per alcune formazioni forestali come ad es. le faggete e le pinete di pino loricato che vegetano ad alta quota nelle montagne del Mediterraneo. In alcuni periodi dell anno sono immerse nelle nuvole basse (soprattutto in primavera e in estate) L elevata statura di Sequoia gigantea è stata interpretata come adattamento ad intercettare le nebbie oceaniche (la loro composizione isotopica è differente dall acqua di precipitazione) L acqua intercettata dalle chiome forma pellicole sulle superfici delle lamine fogliari, rami di vario ordine etc., fino a scorrere lungo i rami, il fusto (stem flow) o sgocciolare direttamente sotto la chioma (throughfall) Una parte dell acqua intercettata dalle chiome ritorna direttamente in atmosfera sotto forma di vapore immediatamente dopo un evento piovoso Nel caso di precipitazioni nevose una parte della neve presente sulle chiome sublima e una parte evapora, mentre un altra porzione viene trattenuta o scaricata sul pavimento della foresta 7 Pino loricato Serra di Crispo 1900 m s.l.m. nebbia estiva (agosto) da advezione e deposizione su aghi e rametti Sgocciolamento da rametti e aghi 8 4

5 Stem flow e throughfall: i percorsi con cui l acqua raggiunge il suolo sono funzione dell architettura della chioma e della densità del bosco L angolo di inserzione dei rami sul fusto (e la rugosità del ritidoma) determinano un diverso andamento dello stem flow (S, scorrimento lungo il fusto) e del throughfall (C, sgocciolamento sotto chioma) Angolo piatto: modello abete con rami pendenti > sgocciolamento sul bordo della chioma Angolo acuto: modello ontano con rami ascendenti > scorrimento lungo il fusto abete pino ontano La densità della piantagione influenza l angolo di inserzione dei rami (a parità di età). A densità maggiore (1m x 1m) aumenta la proporzione di rami inseriti con angoli acuti e diviene maggiore l incidenza di acqua che raggiunge il suolo mediante scorrimento lungo Scorrimento aumenta Sgocciolamento preponderante il fusto (46%) 9 Precipitazioni, intercettazione, sgocciolamento e scorrimento lungo il fusto in una foresta decidua con e senza foglie scorrimento lungo il fusto 10 5

6 Bilancio idrico in una foresta decidua mista di querce: il ruolo dell intercettazione, dello sgocciolamento sotto chioma e dello scorrimento lungo il fusto precipitazione intercettazione Traspirazione + Evaporazione suolo scorrimento lungo il fusto sgocciolamento infiltrazione In inverno: si dimezza intercettazione ET circa ¼ di estiva scorrimento+sgocciolamento=+10% ricarica idrica del suolo per infiltrazione percolazione 11 Il modello di infiltrazione cilindrica (CI) dello scorrimento lungo il fusto nella ricarica idrica totale del suolo Scorrimento lungo il fusto contribuisce per il 9-23% al tasso di ricarica totale (TRR) di acqua nel suolo in pineta di Pinus densiflora mediante infiltrazione cilindrica 12 6

7 03/11/2015 Precipitazioni solide: interazione neve e alberi La neve si origina quando il vapore acqueo condensa lentamente per sublimazione A differenza delle piogge, la quantità di neve intercettata dalle chiome è superiore ed è temporaneamente stoccata sul suolo La neve modifica il bilancio radiativo degli alberi e quindi il clima del bosco nel periodo invernale e inizio primavera per il suo elevato albedo e per l energia immagazzinata. Infatti per passare allo stato liquido è richiesta molta energia che dilaziona nel tempo il passaggio di fase Albedo: frazione di radiazione solare incidente su una superficie riflessa in tutte le direzioni. Neve (corpo chiaro) elevato albedo. Carbone (corpo scuro) basso albedo 13 Precipitazioni solide: interazione manto nevoso e bosco Lo spessore del manto nevoso, e quindi la quantità equivalente di acqua, è molto variabile spazialmente: lo spessore massimo si registra nelle aree aperte (A), mentre dal limite del bosco (edge of crown) alla base dei fusti (B) degli alberi interni al bosco lo spessore decresce progressivamente 14 7

8 03/11/2015 polloni di faggio giovane pino loricato La neve alla base dei fusti si scioglie prima che nelle aree circostanti. Durante il giorno i fusti si riscaldano perché ricevono radiazione solare diretta e radiazione riflessa dalla neve. La radiazione termica riemessa dai fusti accelera lo scioglimento della neve con formazione di un imbuto o cratere 15 Ciclo idrologico: potere regimante copertura forestale 16 8