Donatella Spano DESA UNISS Bilancio Energetico

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1 Donatella Spano DESA UNISS Bilancio Energetico

2 Definizione delle dimensioni del "problema" Numeri - Spazio - Tempo

3 Interazioni fra un singolo organismo e l'ambiente gruppi di individui e l'ambiente intero ecosistema e l'ambiente

4 La scala spaziale microscala mesoscala scala regionale continentale globale

5 La scala temporale Secondi, minuti, ore, giorni, mesi, anni Microscala, mesoscala, sinottica

6 SISTEMA INTERNAZIONALE Unità fondamentali: metro (m) secondo (s) chilogrammo (kg) gradi Kelvin (K) mole (mol) Unità derivate: Forza Newton (1N= 1kg m s -2 ) Pressione Pascal (1Pa=1N m -2 ) Energia Joule (1J=1N m)

7 ENERGIA Flusso di energia F = 1J s -1 = 1W Densità di flusso D = 1J s -1 m -2 = 1W m -2

8 D = 800 W m m 500 m F = 800 W m m 2 = 80 MJ s -1

9 D = 800 W m m 1.60 m F = 800 W m m -2 = 64 W

10 ENERGIA Abilità o capacità di svolgere un lavoro Energia potenziale (E p =m g h) Energia cinetica (E c =0.5 m V 2 ) Energia chimica (calore latente, fotosintesi, metabolismo)

11 CONCETTO GENERALE quantità = input - output + accumulo Massa, energia e quantità di moto

12 Analisi del sistema attraverso la quantificazione dei flussi di energia e di materia significa misurare Bilancio Energetico basato sul principio di conservazione dell energia l energia disponibile alla superficie viene ripartita fra i diversi processi, cioè diverse forme di energia

13 EQUAZIONE DEL BILANCIO ENERGETICO Rn = H + λe + G + M Direzione del flusso e segno stabiliti per convenzione

14 BILANCIO ENERGETICO Radiazione netta (Rn), energia disponibile alla superficie, ripartita fra Calore sensibile (H), riscaldamento o raffreddamento dell aria Calore latente (λe o LE), evaporazione dell acqua o condensazione del vapore d acqua Calore nel suolo (G), riscaldamento o raffreddamento del suolo (mezzo) Processi metabolici (M), fotosintesi e respirazione

15 BILANCIO ENERGETICO R = G + H + LE + n M + -

16 BILANCIO ENERGETICO applicato a tutte le scale singolo organismo (foglia, albero, insetto, animale, uomo) gruppi di organismi o ecosistemi semplici (coltura agraria, prato, bosco) ecosistemi complessi

17 BILANCIO ENERGETICO Rn G H LE Densità di Flusso (W m-2) M? Tempo

18 Rapporto di Bowen (β) β = H LE Rn = H + LE = ( 1+ β )LE

19 Costruire il grafico dell'andamento giornaliero dei diversi termini del bilancio energetico di una superficie di cui sono stati misurati la radiazione netta e il flusso di calore sensibile. Calcolare, quindi, il rapporto di Bowen. Spiegare qual è il significato di un rapporto di Bowen negativo, in quali condizioni diventa negativo e il significato fisico di una densità di flusso di calore latente negativa.

20 Tempo Rn H G λe (Wm -2 ) (Wm -2 ) (Wm -2 ) (Wm -2 ) 3: : : : : : : :

21 Tempo Rn (Wm -2 ) H (Wm -2 ) G (Wm -2 ) λe (Wm -2 ) β 3: : : : : : : :

22 Bilancio Energetico Densità di flusso d'energia (W m -2 ) Tempo (h) Rn H G le

23 BILANCIO ENERGETICO Superficie Volume

24 R n = LE + H + G + S + M R n H LE G S 0

25 (T, e) Radiation / Energy Balance Short wave Long wave H LE (T o, e o )

26 (T, e) Radiation / Energy Balance Short wave Long wave H LE (T o, e o ) With Stomatal Closure

27 Solid Volume Energy Balance ΣR n = ΣLE + ΣH + ΣG + S + Misc R n H LE R n H LE G G S G G R n H LE R n H LE

28 Solid Volume Energy Balance R ni - R no = LE + H + G + (F 2 - F 1 ) + S + M LE R ni H F 1 S F 2 G R no

29 R n + A =G+H+LE+ V+ P Rn = RADIAZIONE NETTA H = FLUSSO DI CALORE SENSIBILE Rn H LE LE = FLUSSO DI CALORE LATENTE bassa atmosfera V P vegetazione suolo A G V, P e A = ACCUMULO ENERGIA VEGETAZIONE, FOTOSINTESI E AVVEZIONE G = FLUSSO DI CALORE NEL SUOLO

30 I termini del bilancio assumono diversa importanza in relazione alle caratteristiche delle superfici Dalle superfici semplici a quelle complesse

31 BILANCIO ENERGETICO DESERTO Densita' di flusso (W m -2 ) β = 8-10 β = 8-10 Rn H G Tempo

32 BILANCIO ENERGETICO GHIACCIAIO Densita' di flusso (W m -2 ) β = 8-10 H LE Rn S H S Rn LE Tempo

33 Componenti del bilancio Oceano, lago, risaia Densita' di flusso (W m -2 ) Tempo H S Rn LE G

34 MJ m -2 day -1 Oceano Rn LE H β Atlantico Indiano Pacifico

35 - R n + + H - P + LE - λe & H λe & H - G +

36 Sistema dotato di controllo biologico Resistenza al flusso di calore latente (e CO 2 ) ATMOSFERA r a PIANTA r c Resistenze in serie SUOLO r r

37 r c = resistenza della canopy Complesso di resistenze in parallelo e in serie esercitate da cellule, tessuti e aria all interno della chioma r a = resistenza aerodinamica Effetto complessivo della turbolenza atmosferica resistenza totale r t = r a + r c (s m -1 )

38 Resistenza totale = r a + r c (s m -1 ) U = 3 ms -1 misurato a 2 m Superficie r a r c r t acqua prato coltura foresta

39 RB, EB e r c misurati su una superficie coltivata a orzo (Inghilterra, 23 luglio) (Oke, 1978)

40 EB e vpd misurati su due foreste (Scots e Corsican pine forest, Inghilterra, e Douglas fir, BC, USA) nel mese di luglio (Oke, 1978)

41 BILANCIO ENERGETICO β=<1 Rn G H LE Densità di Flusso (W m-2) Tempo

42 BILANCIO ENERGETICO β=>1 Rn G Densità di Flusso (W m-2) LE H Tempo

43 ESTATE - MATTINA

44 ESTATE MEZZODI

45 ESTATE POMERIGGIO

46 Yuma, Arizona 700 Yuma (sandy soil) Rn LE H G Energy Flux Density (W m -2 ) May 1 Jun 2 Jun Pacific Standard Time

47 Rice Energy Balance Nicolaus Rn G H LE 800 Energy Flux Density (W m -2 ) May 20 June 20 July

48 Sunflowers (Bari, Italy) Rn LE H G Energy Flux Density (W m -2 ) Time

49 Citrus Energy Balance Lindsay Rn LE H G2 600 Flux Density (W m -2 ) Jun 24-Jun

50 800 Capo Caccia, febbraio Terranova, febbraio 2003 Densità di flusso (W m -2 ) Rn H G LE+st+err Densità di flusso (W m -2 ) Rn H G LE+st+err ora ora 800 Capo Caccia, maggio Terranova, maggio 2003 Densità di flusso (W m -2 ) Rn H G LE+st+err Densità di flusso (W m -2 ) Rn H G LE+st+err ora ora

51 Chiusura del bilancio di energia (Rn-G) = ( H+LE) H + LE (W m -2 ) y = 0.99x R 2 = 0.89 y = 0.84x R 2 = Rn - G (W m -2 )

52 Chiusura del bilancio di energia (Rn-G) = ( H+LE) Satiety Vineyard Sep 17-25, Heat Flux Plates 400 H + LE (W m -2 ) y = 0.98x R 2 = R n - G (W m -2 )

53 Introduzione: la scala spaziale e la scala temporale, le forme di energia, le unità di misura. Il bilancio energetico: concetto, significato fisico ed ecofiologico dei termini dell equazione del bilancio energetico, rappresentazione grafica, calcolo del bilancio d energia. Materiale presentato in aula OKE T.R., Boundary Layer Climates. Routedge, second edition AAVV, Advanced Short Corse on Biometeorology. CNR Dipartimento per le Attività Internazionali a cura di CNR-IBIMET- UNISS-DESA. Lecture 2