Post on 15-Feb-2019
Bilancio Energetico
Donatella SpanoDESA – UNISSspano@uniss.it
Definizione delle dimensioni del "problema"
Numeri - Spazio - Tempo
Interazioni fra
un singolo organismo e l'ambiente gruppi di individui e l'ambiente intero ecosistema e l'ambiente
La scala spaziale
microscala mesoscala scala regionale continentale globale
La scala temporale
Secondi, minuti, ore, giorni, mesi, anni
Microscala, mesoscala, sinottica
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)
ENERGIA
Flusso di energia
F = 1J·s-1 = 1W
Densità di flussoD = 1J·s-1 m-2 = 1W·m-2
200 m
D = 800 W m-2
500 m
F = 800 W m-2 · 100000 m2 = 80 MJ s-1
0.05 m
D = 800 W m-2
1.60 m
F = 800 W m-2 · 0.08 m-2 = 64 W
ENERGIA
Abilità o capacità di svolgere un lavoro
Energia potenziale (Ep=m·g·h)
Energia cinetica (Ec=0.5·m·V2)
Energia chimica (calore latente, fotosintesi, metabolismo)
CONCETTO GENERALE
quantità = input - output + accumulo
Massa, energia e quantità di moto
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
EQUAZIONE DEL BILANCIO ENERGETICO
Rn = H + λE + G + M
Direzione del flusso e segno stabiliti per convenzione
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
BILANCIO ENERGETICO
MLEHGRn +++=
+
-
-+
+
--+
+ -
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
BILANCIO ENERGETICO
-200
-100
0
100
200
300
400
500
0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00 0.00Tempo
Den
sità
di F
luss
o (W
m-2
)
Rn HG LE
M?
Rapporto di Bowen (β)
LEH
=β
( )LELEHRn β+=+= 1
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 .
Tempo Rn(Wm-2)
H(Wm-2)
G(Wm-2)
λE(Wm-2)
3:00 -100 -50
6:00 -50 -10
9:00 100 80
12:00 400 90
15:00 450 50
18:00 200 -50
21:00 -10 -20
24:00 -50 -20
TempoRn
(Wm-2)H
(Wm-2)G
(Wm-2)λE
(Wm-2)β
3:00 -100 -50 -10 -40 1.256:00 -50 -10 -5 -35 0.289:00 100 80 10 10 8.00
12:00 400 90 40 270 0.33
15:00 450 50 45 355 0.14
18:00 200 -50 20 230 -0.22
21:00 -10 -20 -1 11 -1.81
24:00 -50 -20 -5 -25 0.8
Bilancio Energetico
-200
-100
0
100
200
300
400
500
300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400Tempo (h)
Den
sità
di f
luss
o d'
ener
gia
(W m
-2) Rn
HGlE
BILANCIO ENERGETICO
Superficie
Volume
Rn H LE
G S ≈ 0
Rn = LE + H + G + S + M
Short wave Long wave(T, e)
(To, eo)
HLE
Radiation / Energy Balance
Radiation / Energy BalanceShort wave Long wave
(T, e)
(To, eo)
H LE
With Stomatal Closure
ΣRn = ΣLE + ΣH + ΣG + S + Misc
Solid Volume Energy Balance
Rn H LE
G RnHLE
RnHLE
Rn H LE
GG
G S
Solid Volume Energy BalanceRni - Rno = LE + H + G + (F2 - F1) + S + M
F1 F2
LE HRni
G
S
Rno
Rn + ∆A =G+H+LE+∆V+ ∆P
HRn LE
G
∆ V∆ P
∆ A
bassaatmosfera
vegetazione
suolo
Rn = RADIAZIONE NETTAH = FLUSSO DI CALORE
SENSIBILE
LE = FLUSSO DI CALORE LATENTE
G = FLUSSO DI CALORENEL SUOLO∆ V, ∆ P e ∆ A = ACCUMULO ENERGIA
VEGETAZIONE, FOTOSINTESI E AVVEZIONE
HRn LE
G
∆ V∆ P
∆ A
bassaatmosfera
vegetazione
suolo
Rn = RADIAZIONE NETTAH = FLUSSO DI CALORE
SENSIBILE
LE = FLUSSO DI CALORE LATENTE
G = FLUSSO DI CALORENEL SUOLO∆ V, ∆ P e ∆ A = ACCUMULO ENERGIA
VEGETAZIONE, FOTOSINTESI E AVVEZIONE
HRn LE
G
∆ V∆ P
∆ A
bassaatmosfera
vegetazione
suolo
Rn = RADIAZIONE NETTAH = FLUSSO DI CALORE
SENSIBILE
LE = FLUSSO DI CALORE LATENTE
G = FLUSSO DI CALORENEL SUOLO∆ V, ∆ P e ∆ A = ACCUMULO ENERGIA
VEGETAZIONE, FOTOSINTESI E AVVEZIONE
HRn LE
G
∆ V∆ P
∆ A
bassaatmosfera
vegetazione
suolo
Rn = RADIAZIONE NETTAH = FLUSSO DI CALORE
SENSIBILE
LE = FLUSSO DI CALORE LATENTE
G = FLUSSO DI CALORENEL SUOLO∆ V, ∆ P e ∆ A = ACCUMULO ENERGIA
VEGETAZIONE, FOTOSINTESI E AVVEZIONE
I termini del bilancio assumono diversa importanza in relazione alle caratteristiche delle superfici
Dalle superfici semplici a quelle complesse
BILANCIO ENERGETICODESERTO
β = 8 -10
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Tempo
Den
sita
' di f
luss
o (W
m-2
)
Rn
H
Gβ = 8-10
BILANCIO ENERGETICOGHIACCIAIO
β = 8 -10
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Tempo
Den
sita
' di f
luss
o (W
m-2
)
HSRnLE
S
Rn
LE
H
Componenti del bilancioOceano, lago, risaia
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Tempo
Den
sita
' di f
luss
o (W
m-2
) HSRnLEG
Oceano Rn LE H β
Atlantico 9.4 8.2 1.0 0.12
Indiano 9.7 8.8 0.8 0.09
Pacifico 9.8 8.9 1.0 0.11
MJ m-2 day-1
λE & H
Rn
+
-
H
+
-LE
+
-
λE & H
+
-G
λE & HλE & H
Rn
+
-
H
+
-LE
+
-
λE & HλE & H
+
-G
P
Sistema dotato di controllo biologico
Resistenza al flusso di calore latente (e CO2)
SUOLO
ATMOSFERA
PIANTA
ra
rc
rr
Resistenze in serie
rc = resistenza della canopy
resistenza totalert = ra + rc (s m-1)
Complesso di resistenze in parallelo e in serie esercitate da cellule, tessuti e aria all’interno della chioma
ra = resistenza aerodinamica
Effetto complessivo della turbolenza atmosferica
Superficie ra rc rt
acqua 200 0 200
prato 70 70 140
coltura 30 40 70
foresta 5 125 130
Resistenza totale = ra + rc (s m-1)U = 3 ms-1 misurato a 2 m
RB, EB e rc misurati su una superficie coltivata a orzo (Inghilterra, 23 luglio) (Oke, 1978)
EB e vpd misurati su due foreste (Scots e Corsican pine forest, Inghilterra, e Douglas fir, BC, USA) nel mese di luglio (Oke, 1978)
BILANCIO ENERGETICO
-200
-100
0
100
200
300
400
500
0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00 0.00Tempo
Den
sità
di F
luss
o (W
m-2
)
Rn HG LE
β=<1
BILANCIO ENERGETICO
-200
-100
0
100
200
300
400
500
0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00 0.00Tempo
Den
sità
di F
luss
o (W
m-2
)
Rn G
LE H
β=>1
ESTATE - MATTINA
ESTATE – MEZZODI’
ESTATE – POMERIGGIO
Yuma (sandy soil)
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
3 15 3 15 3 15 3Pacific Standard Time
Ener
gy F
lux
Den
sity
(W m
-2)
RnLEHG
31 May 1 Jun 2 Jun
Yuma, Arizona
Rice Energy BalanceNicolaus 2000
-400
-200
0
200
400
600
800
100024
00 600
1200
1800
2400 60
0
1200
1800
2400 600
1200
1800
2400
Ener
gy F
lux
Den
sity
(W m
-2)
Rn G H LE
20 May 20 June 20 July
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
7 10 13 16 19 8 11 14 17 8 11 14 17Time
Ene
rgy
Flux
Den
sity
(W m
-2)
Rn LE H G
Sunflowers (Bari, Italy)
Citrus Energy Balance Lindsay 2001
-200
0
200
400
600
800
2400 1200 2400 1200 2400 1200 2400 1200 2400 1200 2400
Flux
Den
sity
(W m
-2)
Rn LE H G2
24-Jun20-Jun
-200
0
200
400
600
800
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00ora
Den
sità
di f
luss
o (W
m-2
)
RnHGLE+st+err
Capo Caccia, febbraio 2003
-200
0
200
400
600
800
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00ora
Den
sità
di f
luss
o (W
m-2
)
RnHGLE+st+err
Terranova, febbraio 2003
-200
0
200
400
600
800
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00ora
Den
sità
di f
luss
o (W
m-2
)
RnHGLE+st+err
Capo Caccia, maggio 2003
-200
0
200
400
600
800
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00ora
Den
sità
di f
luss
o (W
m-2
)
RnHGLE+st+err
Terranova, maggio 2003
Chiusura del bilancio di energia(Rn-G) = ( H+LE)
y = 0.84x R2 = 0.86
y = 0.99x - 22.4 R2 = 0.89
-100
-50
0
50
100
150
200
250
-100 -50 0 50 100 150 200 250
Rn - G (W m-2)
H +
LE
(W m
-2)
1998
y = 0.98xR2 = 0.92
-100
0
100
200
300
400
500
600
-100 0 100 200 300 400 500 600
Rn - G (W m-2)
H +
LE (W
m-2
)
Satiety Vineyard Sep 17-25, 19986 Heat Flux Plates
Chiusura del bilancio di energia(Rn-G) = ( H+LE)
Materiale presentato in aula
OKE T.R., 1987. Boundary Layer Climates. Routedge, second edition
AAVV, 2002. Advanced Short Corse on Biometeorology. CNR Dipartimento per le Attività Internazionali a cura di CNR-IBIMET-UNISS-DESA. Lecture 2
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.