5 agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita
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Agrometeorologia: Grandezze, Strumenti e Attivita’
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49
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Gianbattista Toller
Thursday, September 2, 2010
Gianbattista Toller
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Obbiettivi:
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• Descrivere le misure rilevanti per caratterizzare gli eventi
idrometeorologici
• Descrivere sommariamente gli strumenti di misura ed
elencare i principi del loro funzionamento
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
1. Temperatura
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
1. Temperatura
2. Umidità
3
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
3
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
3
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
5. Vento
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
5. Vento
6. Pressione
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
5. Vento
6. Pressione
7. Bagnatura
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico
1. Temperatura
2. Umidità
3. Precipitazione
4. Radiazione
5. Vento
6. Pressione
7. Bagnatura
8. Evapo-traspirazione
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Energia e Temperatura• Un corpo possiede energia quando o si trova già in
movimento (e. cinetica) o, pur essendo in quiete, può (e. potenziale) con mezzi adeguati mettere in moto sé stesso o un altro corpo.
• Nei gas la temperatura è legata alla velocità media delle particelle (atomi o molecole).
• Nei cristalli la temperatura è correlata all’energia cinetica delle vibrazioni dei suoi atomi intorno alla posizione media.
• In base ai principi della termodinamica dell’equilibrio, due corpi a temperatura diversa, posti a contatto, assumono la stessa temperatura
• Il Termometro è lo strumento che misura la temperatura.
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Principali scale di misura della temperatura
• Relative
– celsius [°C] 0°C=punto triplo di H2O; 100°C ebollizione di H2O a 1013mB
– fahrenheit [°F] 0°F=temp.miscela ghiaccio+NH3Cl; 97°F=temp.media corpo umano
– t[°C]=5*(t[°F]-32)/9
• Assolute
– kelvin [K] T[K]=273.16+t[°C
– rankine [R] T[R]=459.67+t[°F]
– Nel Sistema Internazionale (SI) la temperatura si misura in °C e K
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare la temperatura
• Dilatazione
• Conducibilità elettrica
• Effetto Seebeck
• Emissione di onde elettromagnetiche
• Piroelettricità (variazioni di temperatura polarizzano
elettricamente certi cristalli)
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Dilatazione
• Dilatazione: Il volume dei corpi varia (in genere
aumenta, l’acqua fa eccezzione intorno ai zero
centigradi) in funzione della temperatura
• Termometro a gas (PV=nRT)
• Termometro a liquido (Hg, alcol)
• Termometro a coppia bimetallica
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Termoigrografo
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Conducibilità elettrica
• Conducibilità elettrica: la temperatura influisce sul moto delle cariche elettriche.
• Nei metalli (Pt, Fe, Cu) la conducibilità cala al crescere della temperatura:
• termometro a filo di platino (Pt100, Pt1000)
• Nei semiconduttori (Ge, Si) la conducibilità di regola cresce al crescere della temperatura:
• termometro a diodo, transistor, termistori (negative temperature coefficient) NTC
• NOTA il termistor (positive temperature coefficient) PTC si comporta come i metalli 9
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Pt100 temperatura superficiale
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Effetto Seebeck
• Effetto Seebeck: (dal fisico tedesco Johann Thomas S.
1770-1831) se le giunzioni tra i conduttori di natura
diversa in un circuito si trovano a temperature
differenti, si verifica un passaggio di corrente elettrica.
• Termometro a termocoppia
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Effetto Seebeck
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Emissione di onde elettromagnetiche
• Legge di Stefan-Boltzmann: l’energia irradiata da un corpo cresce con la quarta potenza della temperatura assoluta e dalla sua emissività relativa
• Per il corpo nero: W [Wm-2]=σT4; σ=5.67032E-8 [Wm2K4] = costante di Stefan-Boltzmann; T[K]
• Legge di Wien: la frequenza in corrispondenza della quale l’intensità dell’irraggiamento è massima cresce al crescere della temperatura assoluta
• T*λmax=2.898E-3 [mK]; T[K]; λ[m]
• λ[m] * ν[s-1] = c [m s-1]; velocità della luce (nel vuoto = 300 000 km/s)
•Strumenti: bolometro, termocamera 13
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Termocamera
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Umidità
• Indica la quantità di acqua contenuta in un corpo
• In agro-meteorologia interessa in particolare l’umidità di
• Aria
• Suolo
• Parti di una pianta
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Miscele e Fasi
• Miscela: insieme di due o più sostanze che, pur intimamente mescolate tra loro, conservano le loro proprietà chimiche inalterate.
• Fase: in chimica, parte omogenea di un sistema che
risulta delimitata da una superficie di separazione
fisicamente definita.
• Esempi:
• Miscela monofasica: aria secca (e filtrata).
• Miscela polifasica: nuvole, terreno
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• Gas: un insieme di atomi e molecole in un particolare
stato di aggregazione che consente loro muoversi
liberamente e di allontanarsi senza limiti.
• Temperatura critica: temperatura sopra la quale un gas
non può essere liquefatto per compressione.
• Vapore: gas sotto la temperatura critica.
• Vapore saturo: vapore in equilibrio con la fase
condensata (solida e/o liquida)
Gas Vapore Saturazione
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Umidità dell’aria
• U.assoluta [kgm-3] = quantità di acqua contenuta in un
metro cubo d’aria libera
• U.relativa [%] = UR = rapporto tra acqua contenuta in 1m3 di
aria libera e quella che conterrebbe 1m3 di aria alla
pressione di vapor acqueo in equilibrio (cioè la alla
pressione di “saturazione”) alla stessa temperatura
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare l’umidità dell’aria
• Dilatazione
• Adsorbimento (solidi), assorbimento (liquidi) con variazione di:
• Peso
• Conducibilità elettrica
• Costante dielettrica
• Assorbimento di onde elettromagnetiche
• Emissione di onde elettromagnetiche
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Dilatazione
• Dilatazione: Il volume di alcuni tessuti animali varia (in
genere aumenta) in funzione dell’umidità relativa
• Igrometro a capelli
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Igrometro a capello
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Adsorbimento con variazionedi costante dielettrica
• Adsorbimento: il numero di molecole d’acqua adsorbite da una laminetta di un adatto polimero cresce in funzione dell’umidità relativa
• Posta tra due contatti d’oro (armature), la lamina forma un condensatore elettrico
• In forza della sua alta costante dielettrica relativa (80), l’acqua adsorbita influenza sensibilmente capacità del condensatore
– Igrometro elettronico
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Sensori capacitivi
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Lo psicrometro di Regnault
• È costituito da due termometri identici e vicini
• Un termometro è usato normalmente (bulbo asciutto; ta)
• Il bulbo dell’altro termometro è avvolto in una calzetta
bagnata di acqua distillata (bulbo bagnato; tb) e lambito da un
flusso d’aria con velocità di 3÷8 m/s
• Con UR=100%, ta=tb; tb cala in funzione dell’UR
• La formula di Regnault, permette di risalire a UR
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Psicrometro di Asmann
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Umidità del terreno
• Uu w/w [kg/kg] = peso su peso; kg di acqua in un kg di
terreno umido
• Us w/w [kg/kg] = peso su peso; kg di acqua in un kg di
terreno secco
• Uv v/v [m3/m3] = volume su volume; m3 di acqua in un m3 di
terreno tal quale; è il modo più utile per l’irrigazione; si
esprime spesso in [mm/m] o [L/m3]
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare l’umidità del terreno
• Peso
• Tensione interfacciale
• Conducibilità elettrica
• Conducibilità termica
• Costante dielettrica
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Peso • Peso: si pesa la quantità di acqua contenuta in un certo
volume di terreno
– Metodo gravimetrico: Si toglie il peso secco (24 ore in
stufa a 105°C) di un campione di terreno dal peso fresco
(è un metodo distruttivo).
– Lisimetro a pesata: una pianta in vaso viene pesata
periodicamente; si valutano variazioni, non valori
assoluti
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Tensione interfacciale
• Tensione interfacciale: l’acqua (o più esattamente la
so luz ione c i rco lante ) è t ra t tenuta ne l terreno
principalmente per capillarità
– tensiometro: un contenitore con acqua disaerata è
messo a contatto con il terreno per mezzo di un setto
ceramico poroso. L’acqua esce attraverso il setto
creando nel contenitore una depressione misurabile con
un vacuometro. Il flusso di ferma quando tensione
interna ed esterna si equivalgono.
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Tensiometro
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Conducibilità elettrica
• Conducibilità elettrica : la variabile quantità di acqua
presente in un mezzo poroso immerso nel terreno, fa
variare la conducibilità elettrica
– Blocchetti di boyoucous: due elettrodi sono immersi
in un blocchetto di gesso poroso
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Conducibilità elettrica
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Conducibilità termica
• Conducibilità termica : la variabile quantità di acqua
presente nel terreno, fa variare la sua diffusività termica
– sensori basati su diffusività: sono dotati di una
resistenza elettrica per il riscaldamento e di un
termometro
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Conducibilità termica
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Costante dielettrica
• Costante dielettrica: la variabile quantità di acqua
(cost.diel.=80) presente nel terreno (cost.diel.=3÷4), fa
variare sensibilmente la sua costante dielettrica totale
– Capacità elettrica: un condensatore elettrico usa quale
dielettrico il terreno
– velocità di propagazione: la velocità di un’onda
elettromagnetica cala al crescere della costante dielettrica
del mezzo in cui si propaga (TDR,TDT)
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Costante dielettrica
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Precipitazione
• Indica l’acqua che abbandona l’atmosfera e si deposita al
suolo
• Fase liquida
– pioggia
– rugiada
• Fase solida
– neve
– grandine
– brina
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare le precipitazioni
• Peso & Volume
• Assorbimento di onde elettromagnetiche
• Riflessione di onde elettromagnetiche
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Peso & Volume• Peso: La precipitazione viene raccolta in un recipiente e
pesata
– Pluviometro a bascula
– Pluviometro a pesata
• Volume: La precipitazione viene raccolta in un
recipiente graduato
– Pluviometro a secchio
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Pluviometro
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Assorbimento di onde elettromagnetiche
• Assorbimento di onde elettromagnetiche : Il passaggio di
ogni goccia, fiocco o chicco interrompe un fascio di luce.
• Il numero e la durata delle interruzioni permettono di stabilire
tipo e dimensioni di ogni oggetto conteggiato
– disdrometro
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Riflessione di onde elettromagnetiche
• Riflessione di onde elettromagnetiche : un fascio di
onde elettromagnetiche di opportuna lunghezza d’onda
viene proiettato verso la zona soggetta a precipitazione.
• L’intensità delle onde riflesse permette di stimare tipo ed
intensità della precipitazione
– Radar meteorologico
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Radiazione
• Indica l’energia che viene scambiata sotto forma di onde
elettromagnetiche
• Radiazione globale [Wm-2]: flusso di potenza
elettromagnetica in arrivo su una superficie piana
• Radiazione netta [Wm-2]: (Radiazione in arrivo – Radiazione
emessa) da una superficie piana
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare la radiazione
• Dilatazione
• Effetto Seebeck
• Effetto fotovoltaico
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Dilatazione
• Dilatazione: Il volume dei corpi varia (in genere aumenta) in
funzione della temperatura
– Piroeliometro: termometro a coppia bimetallica annerito,
protetto da cupola di vetro.
– Attinometro: termometro a mercurio con bulbo annerito
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Effetto Seebeck
• Effetto Seebeck: se le giunzioni tra i conduttori di natura
diversa in un circuito si trovano a temperature differenti,
si verifica un passaggio di corrente elettrica.
– Radiometro a termocoppia: termocoppie in serie con
giunto caldo in contatto con una superficie annerita
protetta da cupola di vetro
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Piranometro a termopila
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Effetto fotovoltaico
• Effe t to vo l ta ico : un d iodo a g iunz ione PN
opportunamente costruito, fornisce una corrente
elettrica direttamente proporzionale all’intensità della
radiazione assorbita
– Radiometro a diodo (in genere al Silicio)
– Telecamera nel visibile
– termocamera
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Vento• Indica il movimento dell’aria
• Il vento è una grandezza vettoriale formata da:
– Intensità [m/s] [km/h] [nodi]
– Direzione [gradi sessagesimali]
• NB: del vento di indica la direzione di PROVENIENZA
• Per usi agrometeo correnti non si rileva la componente
verticale del vento
• Vengono usate di solito coordinate polari orarie con N=0° e
S=180°
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare il vento
• Pressione differenziale
• Pressione d’arresto (tubo di Pitot)
• Effetto venturi (anemometri a elica)
• Velocità di propagazione del suono
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Pressione differenziale
• Pressione differenziale: la pressione esercitata in modo
differente sui lati di un oggetto, tende a farlo ruotare
– Anemoscopio: una banderuola libera di ruotare su un asse
verticale si dispone in modo che le forze sulle due facce
siano in equilibrio
– Anemometro a coppe: tre coppe semisferiche sono ai
vertici di un triangolo equilatero con asse di rotazione
normale al centro. Spinta del vento massima sulla
concavità, minima sulla convessità. La velocità di rotazione
è proporzionale a quella del vento
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Velocità e direzione vento
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Velocità di propagazione del suono
• Velocità di propagazione del suono: un emettitore di
ultrasuoni è posto ad una certa distanza da un captatore.
• Il tempo di percorrenza di un impulso sonoro è minore con
il vento a favore, maggiore con vento contrario
• La misura viene fatta su due o tre assi ortogonali
• Si misura sia Velocità che Direzione (e anche Temperatura
dell’aria)
• Anemometro sonico
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Anemometro sonico
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Pressione Atmosferica
• Rappresenta il peso della “colonna” di atmosfera
sovrastante un punto dato
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare la pressione
• Equilibrio idrostatico
• Elasticità
• Effetto piezoelettrico
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Equilibrio idrostatico
• Equilibrio idrostatico: Equilibrio idrostatico tra due
fluidi di differente densità (mercurio-aria)
– Barometro di Torricelli
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Barometro a mercurio
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Elasticità
• Elasticità: Deformazione di un contenitore elastico in
cui è stato fatto il vuoto
– Barometro aneroide
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Thursday, September 2, 2010
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Barometro aneroide
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Thursday, September 2, 2010
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Effetto piezoelettrico
• Effetto piezoelettrico: La deformazione di un cristallo
piezoelettrico induce sulle sue facce una differenza di
potenziale elettrico
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Sensori piezoelettrici
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Bagnatura
• La bagnatura delle foglie, dei fiori e dei frutti è spesso la
condizione necessaria per la diffusione di funghi e batteri
• I più importanti in Trentino:
– Peronospora (fungo-alga; vite, patata, pomodoro...)
– Ticchiolatura (fungo; melo, pero)
– Botrite (fungo; vite)
– Colpo di fuoco (batterio; melo, pero)
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Thursday, September 2, 2010
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Alcuni fenomeni fisici sfruttati per segnalare la bagnatura
• Dilatazione
• Conducibilità elettrica
NB: gli strumenti non misurano la bagnatura di una pianta,
bensì cercano di imitare il comportamento di una
pianta. Stabilire l’inizio bagnatura è facile, stabilire la
fine è difficile.
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Thursday, September 2, 2010
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Dilatazione
• Dilatazione: Il volume di alcune sostanze vegetali varia
in funzione dell’umidità relativa
– Bagnografo di Bezier con striscia di carta
– Bagnografi con filo di canapa
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Thursday, September 2, 2010
Gianbattista Toller
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Conducibilità elettrica
• Conducibilità elettrica: due strisce di metallo (elettrodi)
parallele sono fissate su un supporto isolante distanziate
di circa 1mm.
• A secco la resistenza al passaggio della corrente elettrica
è molto alta
• In presenza di acqua si ha una forte diminuzione di
resistenza.
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Thursday, September 2, 2010
Gianbattista Toller
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Bagnatura fogliare
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Thursday, September 2, 2010
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Evapo-traspirazione
• Evaporazione (E): acqua evaporata da materiali non viventi
(terreno, laghi, etc)
• Traspirazione (T): acqua evaporata da materiali viventi
(foglie, frutti, fusti)
• Evapo-traspirazione (ET): la somma di E e T
• La massima parte dell’acqua traspirata, serve a mantenere la
pianta idratata e fresca, solo una minima percentuale serve
per la fotosintesi
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Thursday, September 2, 2010
Gianbattista Toller
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Come misurare e stimare ET
• Bilancio Idrico dei suoli
• Formule: ET=f (Temp,UR,Vento, Rad)
• Conducibilità termica
• Eddy Correlation
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
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Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
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Thursday, September 2, 2010
Daniele Cat Berro
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Misura della neve
Tavoletta per la misura
giornaliera della neve
fresca
Misura dello
spessore totale
Thursday, September 2, 2010
Daniele Cat Berro
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Misura della neveAsta
nivometrica
Pluviometro
manuale
Thursday, September 2, 2010
Daniele Cat Berro
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Misura della neve
Stazioni meteorologiche per monitoraggio in tempo reale
e analisi dell’andamento climatico
Thursday, September 2, 2010
Daniele Cat Berro
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Misura della neve
Stazioni meteorologiche per monitoraggio in tempo reale
e analisi dell’andamento climatico
Thursday, September 2, 2010
Daniele Cat Berro
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Misura della neve
Nivometro a ultrasuoni
Thursday, September 2, 2010
Yves Lejeune
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Misuratore ad ultrasuoni
Lisimetro
Tavoletta Piranometro e radiometro
Sghiacciatore
Misuratore Geonor
Pluviometro
riscaldato
Anemometri
Settlementdisks
Misura della neve Col de Porte (French Alps 1340m)
Thursday, September 2, 2010
Gianbattista Toller
Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività
Grazie per l’attenzione!
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Thursday, September 2, 2010