5 agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

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Agrometeorologia: Grandezze, Strumenti e Attivita’ Jackson Pollok, Free Form, 1949, Moma Gianbattista Toller Thursday, September 2, 2010

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Agrometeorologia: Grandezze, Strumenti e Attivita’

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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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Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico

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Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico

1. Temperatura

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Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico

1. Temperatura

2. Umidità

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Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico

1. Temperatura

2. Umidità

3. Precipitazione

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Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico

1. Temperatura

2. Umidità

3. Precipitazione

4. Radiazione

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Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico

1. Temperatura

2. Umidità

3. Precipitazione

4. Radiazione

5. Vento

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Principali grandezze meteorologiche di interesse idrologico

1. Temperatura

2. Umidità

3. Precipitazione

4. Radiazione

5. Vento

6. Pressione

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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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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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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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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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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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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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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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Dilatazione

• Dilatazione: Il volume di alcuni tessuti animali varia (in

genere aumenta) in funzione dell’umidità relativa

• Igrometro a capelli

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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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Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare l’umidità del terreno

• Peso

• Tensione interfacciale

• Conducibilità elettrica

• Conducibilità termica

• Costante dielettrica

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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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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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Conducibilità termica

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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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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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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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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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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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Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare la radiazione

• Dilatazione

• Effetto Seebeck

• Effetto fotovoltaico

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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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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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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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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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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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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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Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Anemometro sonico

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Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Pressione Atmosferica

• Rappresenta il peso della “colonna” di atmosfera

sovrastante un punto dato

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Thursday, September 2, 2010

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Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Alcuni fenomeni fisici sfruttati per misurare la pressione

• Equilibrio idrostatico

• Elasticità

• Effetto piezoelettrico

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Gianbattista Toller

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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Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Barometro a mercurio

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Gianbattista Toller

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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Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Barometro aneroide

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Gianbattista Toller

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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Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Sensori piezoelettrici

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Gianbattista Toller

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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Gianbattista Toller

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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Gianbattista Toller

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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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

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Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Bagnatura fogliare

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Gianbattista Toller

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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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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Page 79: 5   agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

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Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

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Page 81: 5   agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

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

Page 82: 5   agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

Daniele Cat Berro

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Misura della neveAsta

nivometrica

Pluviometro

manuale

Thursday, September 2, 2010

Page 83: 5   agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

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

Page 84: 5   agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

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

Page 85: 5   agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

Daniele Cat Berro

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Misura della neve

Nivometro a ultrasuoni

Thursday, September 2, 2010

Page 86: 5   agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

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

Page 87: 5   agrometeorologia grandezze-strumenti_attivita

Gianbattista Toller

Idro-Agro-meteorologia: grandezze, strumenti e attività

Grazie per l’attenzione!

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