14a - Evapotraspirazione

L’evapotraspirazione - I

P. S

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, Tre

e, 1

95

8 -

Tat

e M

od

ern

Riccardo Rigon

Monday, May 21, 12

L’Evapotraspirazione

Riccardo Rigon

Come infatti la pioggia e la neve scendono dal cielo e non vi ritornano* senza avere irrigato la terra, senza averla fecondata e fatta germogliare, ... , così ...

Isaia, 55, 3

*Mi è sempre parso logico che l’acqua “venisse giù”. Sorprendente che tornasse indietro. Ric

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evaporazione

Processi nei quali l’acqua cambia di fase, da liquido a vapore nel caso di

superfici d’acqua e suoli

3

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evaporazione

Processi nei quali l’acqua cambia di fase, da liquido a vapore nel caso di

superfici d’acqua e suoli

Traspirazione

Processi nei quali l’acqua cambia di fase, da liquido a vapore per

mantenere l’equilibrio termico delle piante e degli animali

3

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evapotranspirazione

Una singola parola che racchiude i diversi fenomeni evaporativi e traspirativi. E’ un flusso:

- di energia

- di acqua

- di vapore

- di entropia

4

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

•Conoscere quali condizioni causano l’evaporazione e/o la traspirazione

•Apprendere quali fattori controllano la velocità di evaporazione/traspirazione.

•Imparare a stimare l’evapo-traspirazione

•Capire la differenza tra evaporazione potenziale ed effettiva

•Capire come l’evapotraspirazione varia nello spazio e nel tempo

Obiettivi di apprendimento

5

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evaporazione

I legami ad idrogeno nel liquido si rompono e il vapore si

diffonde da zone a pressione parziale più elevata a zone di

pressione meno elevata (legge di Dalton). 6

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evaporazione

Su di una superficie d’acqua libera questo processo manifesta

la natura molecolare dell’acqua ed avviene continuamente.

7

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evaporazione

Se si mettesse un coperchio a chiudere il volume di aria a

contatto con la superficie liquida, il numero di molecole di

vapore raggiungerebbe un valore grosso modo stabile,

dipendente dalla temperatura del sistema. 8

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evaporazione

Non esistendo alcun coperchio, l’acqua tende ad evaporare

completamente.

9

Monday, May 21, 12

R. Rigon, M. Dall’Amico

10

Se non c’è forza che ha mosso il vapore, chi lo ha mosso?

Possiamo avere una risposta se guardiamo l’equazione dell’energia del sistema

Un po’ di Termodinamica

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10



Variazione del l ’energia interna


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10




Riscaldamento/Raffreddamento


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10





Lavoro fatto dal sistema


Monday, May 21, 12


10





Lavoro fatto dal sistema

variazione della sostanza


Monday, May 21, 12


11

Che cosa è accaduto energeticamente ?

Allora:


Monday, May 21, 12


12

Dal secondo principio della termodinamica

Perciò:

Che, scritto così non si sa cosa significhi


Monday, May 21, 12


13

Per avere una risposta ragionevole dobbiamo muovere dalla termodinamica dell’equilibrio, al concetto di

equilibrio termodinamico locale


Monday, May 21, 12


14

Assumendo equilibrio locale

Reg

uer

a et

al, 2

00

5Diffusione

E cioè che per ogni singolo elemento rappresentativo valgano l’equazione

Integrando dunque su tutto il volume (tenendo conto delle condizioni

dell’esperimento:

Monday, May 21, 12


15

Assumendo equilibrio locale

Reg

uer

a et

al, 2

00

5Diffusione

Monday, May 21, 12


16

massa dell’acqua densità dell’acqua

Definizioni

Monday, May 21, 12


17

La legge di conservazione della massa dice:

Cosicchè

Reg

uer

a et

al, 2

00

5Diffusione

Monday, May 21, 12


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Le relazioni di Osanger dicono che

Il flusso di massa dovuto ad un forza è una

funzione lineare della forza medesima, in questo

caso, il potenziale chimico (si veda Osanger’s

reciprocal relations su Wikipedia).

Diffusione

Osanger’s coefficient

Monday, May 21, 12


19

D’altra parte il potenziale chimico del vapore si può scrivere:

pressione parziale relativa del vapore

pressione di riferimento

Diffusione

Monday, May 21, 12


20

Allora l’equazione dell’energia per l’intero sistema diviene:

Che rappresenta l’equazione dell’energia del sistema e rivela che:

•come ci si aspetta, l’entropia cresce con il tempo (dipendendo da quantità positive) •la produzione di energia è completamente determinata da tale equazione•E’ proprio tale incremento di entropia che genera la dinamica

Diffusione

Monday, May 21, 12


21

L’equazione di conservazione della massa

diviene:

Diffusione

Monday, May 21, 12


22

Che è una equazione di diffusione !

Diffusione

Monday, May 21, 12


23

Nomalmente

Analizzando il problema dell’evaporazione da uno specchio d’acqua, si assume

che la pressione parziale del vapore al di sopra dell’acqua, per alcuni strati

molecolari, sia pari alla tensione di vapore e cioè alla pressione del vapore in

equilibrio con l’acqua sottostante nelle condizioni di pressione e temperatura

esistenti.

Questa tensione di vapore è ottenuta dalla legge di Clausius-Clapeyron.

Diffusione

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

ET = �w⇥ q = ��k2|u|(qr � q0)ln2(z � d/z0)

= ��1r(qr � q0)

r�1 =|u| k2

ln2(z/z0)

ra =208u2

Qual è la pressione di equilibrio ?

24

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Il grafico precedente è tuttavia usato, spesso in modo sbagliato.

Attenzione! Questo grafico stabilisce la fase presente, assegnata una

pressione ed una temperatura all’equilibrio termodinamico.

Le curve stabiliscono per quali coppie di temperatura - pressione due (o

più) fasi sono in equilibrio.

Condizione necessaria per l’equilibrio termodinamico è che l’entropia sia

massima, o, equivalentemente, l’energia libera di Gibbs sia minima

(secondo principio della termodinamica)

La fisica dell’ evaporazione

25

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Quest’ultimo principio implica di che un liquido (o un solido) è sempre in

equilibrio con il suo vapore, purche’ quest’ultimo si trovi a quella pressione

parziale tale per cui il suo potenziale chimico sia uguale al potenziale

chimico della fase liquida della medesima sostanza alla medesima

temperatura.

Il potenziale chimico e’ l’energia libera di Gibbs per unità di massa


Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Legge di Clausius-Clapeyron

e�(T ) = e�0 exp⇤

�

Rv

�1T0� 1

T

⇥⌅

e�0 = 611 Pa e T0 = 273.15 oK.

es(Ta)

es(Ts)

27

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

• Segue naturalmente i principi di base di

– Conservazione della Massa

– Conservazione dell’Energia

– Massimizzazione dell’entropia (minimizzazione dell’energia libera di Gibbs)

• Inoltre

– La legge ideale dei gas relativa al vapore d’acqua

– Il calore latente di vaporizzazione

– Le leggi di trasferimento turbolento (diffusione della quantità di moto) in prossimità della superficie del terreno


28

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

w =Mv

Ma=

�v

�a

– Rapporto di mescolamento

Definizioni

q =Mv

Ma + Mv=

�v

�a + �v� w

– Umidità specifica

29

densità del vapore

densità dell’aria

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Rd = 287J⇥K�1kg�1, per l’aria secca

Rv = 461J ⇥K�1 kg�1 per il vapor d’acqua

Legge dei gas perfetti

30

pressione (parziale) del gas

volume occupato dal gas

numero di moli

costante del gas

temperatura

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

– La legge dei gas perfetti deve valere anche per i gas componenti separatamente (legge di Dalton)

Legge dei gas perfetti

31

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

– Rapporto di mescolamento

Definizioni

– Umidità relativa

32

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

L’esempio iniziale

Dell’evaporazione da una superficie liquida è un caso molto semplificato.

Di solito

il fenomeno non è isotermo, ne’ avviene a pressione costante.

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

– Il flusso evaporativo come prodotto dalla legge di Dalton:

Pertanto, di solito sull’intero volume si considera:

34

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon



è l a p re s s i one d i e q u i l i b r i o a l l a temperatura del suolo (o del liquido)

34

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon



è l a p re s s i one d i e q u i l i b r i o a l l a temperatura del suolo (o del liquido)

34

è la pressione del vapore rea lmente esistente

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

– Legge di Dalton II


– Si ha evaporazione quando il termine a secondo membro è positivo

– Quando il termine a secondo membro è negativo si ha condensazione

– Si noti che il secondo membro può essere positivo anche quando l’aria è satura e cioè:

35

Monday, May 21, 12


36

– La legge di Dalton diviene una uguaglianza introducendo gli opportuni coefficienti


– Unità: E = (LT2M-1)(LT-1)(ML-1T-2) = L/T

Ev e l’evaporazione

Ke e una conducibilita evaporativa

u e la velocita del vento

e ⇤ (Ts) e la tensione di vapore a saturazione (al suolo/superficie idrica)

e(Ta) e la tensione di vapore in aria

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

– Evaporando l’acqua porta con se energia latente (energia interna). La

legge di Dalton è pertanto associata anche al trasferimento di energia

dal suolo all’atmosfera e/o viceversa.


dove � e il calore latente di vaporizzazione

Kle � ⇥v �Ke

� E e [E L�2 T�1]

37

Ev = Kle u (e⇤(Ts)� e(Ta))

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

– Le costanti K di proporzionalità sono legate alle modalità di trasporto

turbolento dell’aria su una superficie e si possono calcolare conseguentemente


Turbulent Transfer of Momentum

38

Monday, May 21, 12


39


� = 0.622k=0.41 e la costante di von Karmanp e la pressione atmosferica⇥w e la densita del vapore d’acquaz �m e la quota di riferimentozd e la quota di spostamento nulloz0 e la scabrezza equivalente delle superfici

Ke :=✏

p ⇢wa

k2

ln(zm�zd)z0

Ev = Ke u (e⇤(Ts)� e(Ta))

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

La fisica dell’ evaporazionezd and z0 over a

vegetated surface

zd and z0 are proportional

to vegetation height zveg

zd = 0.7 zveg

z0 = 0.1 zveg

40

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

– Si può concludere che devono esistere quattro condizioni affichè avvenga

l’evaporazione:

– Ci sia energia disponibile per il cambiamento di fase

– Ci sia acqua disponibile sulla superficie del terreno (questo è legato al bilancio di

massa)

– Ci sia un gradiente nella tensione di vapore con la quota (questo è legato alla

massimizzazione dell’entropia)

– Ci sia vento che consente di rimuovere l’umidità dall’atmosfera (questo è legato al

flusso di quantità di moto).


41

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Che cosa controlla l’ evaporazione?

L’evaporazione è un fenomeno energeticamente intenso, dal momento

che la costante di vaporizzazione è di 540 cal/grammo

Questa energia è fornita prevalentemente attraverso:

– La radiazione solare

– Calore (sensibile) trasferito via convezione e conduzione

– Energia cinetica, energia interna dell’acqua

42

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


1. Il bilancio di energia

2. La temperatura

3. Il contenuto di vapore

4. Il vento

5. La disponibilitá d’acqua

43

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Il bilancio di energia

• La radiazione netta è determinata dalla misura della radiazione entrante ed uscente dal volume di controllo (in questo caso “la superficie” del terreno.

• Se la radiazione è positiva viene poi ripartita in calore latente, calore sensibile, flusso di calore verso il terreno ed energia usata per la fotosintesi

• La radiazione per altro non proviene solo dal Sole ma anche dalle superfici stesse, come descritto dalla legge di Stefan-Boltzmann

Rn = � ET + H + G + PS

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Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Surface radiation and energy budgets

Oke (1978)

Q* = R = net radiation

Kdn = incoming solar

Kup = reflected solar

K* = net solar

Ldn = incoming longwave

Lup = outgoing longwave

L* = net longwave

QG = G = ground heat flux

QH = H = sensible heatflux

QE = L = latent heat flux

Q* = K* + L* = Kdn + Kup + Ldn + Lup

Q*+ QG+QH+QE = 0

Q*+ QG+QH+QE = 0

45

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


46

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


Rn = � ET + H + G + PS

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evapotraspirazione

radiazione netta

flusso di calore

flusso di calore“verso il centro”

della Terra

stoccaggiodi energia nelle

piante

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


• Va ricordato che il calore latente e sensibile possono derivare anche zone adiacenti a quella considerata per avvezione.

• Caso tipico è quello di un oasi che riceve grandi quantità di calore sensibile dalle zone aride circostanti (per avvezione)

• La convenzione di calore sensibile causa generalmente il trasporto verticale del calore

Rn = � ET + H + G + PS

48

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


Rn = � ET + H + G + PS

Manca un termine nel bilancio. Quale ?

* Lo stoccaggio di energia nel volume di controllo

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon



2. La temperatura


4. Il vento


50

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Temperatura

• E’ la misura dell’energia interna di un sistema

• Ha effetti sulla pressione di vapore di condensazione* (legge di Clausius - Clapeyron)

• Serve per definire il deficit relativamente alla tensione di vapore di equilibrio (condensation water pressure, cvp)

51*Quella pressione di vapore oltre la quale l’energia libera d Gibbs del vapore supera quella dell’acqua libera alla medesima temperatura.

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon



2. La temperatura


4. Il vento


52

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Il contenuto di Vapore

• Serve per definire il deficit rispetto alla pressione di condensazione, ovvero rispetto a quella pressione in cui il vapor d’acqua ha energia di Gibbs pari a quella dell’acqua liquida allo stato libero (in cui le tensioni superficiali siano trascurabili).

• La condizione appena accennata è condizione necessaria, ma non sufficiente per la condensazione, in quanto per condensare veramente è necessario che siano generate delle superfici di separazione (delle gocce d’acqua microscopiche), operazione per la quale è necessaria ulteriore energia.

53

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon



2. La temperatura


4. Il vento


54

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Il vento

• Crea la diffusione turbolenta e mantiene il gradiente di tensione di vapore

• La turbolenza è funzione della velocità del vento e della scabrezza della superficie

• L’evaporazione aumenta considerevolmente con la velocità del vento sino ad un valore limite che è sola funzione dell’energia e della temperatura della superficie evaporante

55

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

La disponibilità d’acqua

• L’acqua non è ugualmente disponibile sulla superficie. Ovviamente

evapora tanto più facilmente quanta più acqua c’è.

56

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Fattori addizionali

• La qualità dell’acqua: acque più saline evaporano meno di acque meno

saline

• La profondità dei corpi idrici: corpi idrici più profondi, hanno maggiore

inerzia termica e tendono ad evaporare relativamente di più di corpi

idrici meno profondi anche durante i mesi invernali. I corpi idrici meno

profondi, in inverno, possono gelare e far cessare l’evaporazione.

• L’estensione dei corpi idrici: l’evaporazione complessiva è funzione

della superficie evaporante. Le evaporazioni massime si registrano da

corpi idrici superificiale estesi in regioni aride.

57

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Altri aspetti

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evaporazione da acque superficiali

• E’ limitata solo dalle forzanti atmosferiche59

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


• L’evaporazione dalle acque superficiali è limitata solo dalle forzanti

atmosferiche e la sua espressione formale è:

60

ET = ⇢vw0 q = �⇢vk2|u|(qm � q0)

ln2⇣

zm�zdz0

⌘ = �⇢v1r(qm � q0)

r�1 :=|u| k2

ln2⇣

zm�zdz0

⌘

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


• Il secondo membro dell’espressione rappresenta il trasporto turbolento

di umidità sulla verticale. La barra indica media temporale.

ET = ⇢vw0 q

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon




ET = ⇢vw0 q

f lu t tuaz ione de l la velocità dell’aria nella dierezione verticale, d o v u t a a l l a turbolenza

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon




ET = ⇢vw0 q

f lu t tuaz ione de l la velocità dell’aria nella dierezione verticale, d o v u t a a l l a turbolenza

u m i d i t à s p e c i f i c a d o v u t a a l l a turbolenza

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


• Il terzo membro rappresenta l’esplicitazione del trasporto turbolento

ET = ⇢vw0 q = �⇢vk2|u|(qm � q0)

ln2⇣

zm�zdz0

⌘ = �⇢v1r(qm � q0)

It’s turbulence babe!

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Evaporazione dai suoli

• E’ fondamentale la disponibilità d’acqua: l’evaporazione diminuisce quando il suolo secca. Più profonda è la falda, minore l’evaporazione.

• La tessitura dei suoli è importante. Infatti, per suoli saturi l’evaporazione non è vincolata. Poi il potenziale di suzione gioca un ruolo fondamentale. I suoli di tessitura piu’ fine evaporano più lentamente ma più a lungo.

• Il colore dei suoli concorre a determinare l’albedo e quindi a regolare l’afflusso di energia radiante

• Se i suoli sono vegetati, la vegetazione fa da schermo alla radiazione solare.

63

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


64

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


In presenza di forze capillari non solo nei capillari si misura una pressione

dell’acqua inferiore a quella atmosferica, dovuta alle forze di superficie, ma

anche la pressione di vapore in equilibrio con l’acqua capillare, pv(h), è minore

di quella in equilibrio con l’acqua libera, pv(0).

uw<0

pw=0

pw=0

h pw = �2�cos ✓

r

pv(h)

pv(0)

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


• Rispetto al caso di acqua libera, dunque, l’evaporazione dai suoli risulta

limitata dalla suzione.

• Un approccio termodinamico diretto a questo problema sarebbe necessario,

ma l’approccio standard è diverso, ed illustrato nelle prossime slides

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon


67

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

ET = �1

ra + rs(q�(TL)� qa)


68

Nell’approccio “standard” la traduzione formale del fenomeno è ottenuta

introducendo una resistenza “in serie” alla resistenza aerodinamica e

mantenendo inalterata la legge di Dalton.

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

ET = �1

ra + rs(q�(TL)� qa)


68

resistenza all’evaporazionedovuta alla non saturazione

Nell’approccio “standard” la traduzione formale del fenomeno è ottenuta

introducendo una resistenza “in serie” alla resistenza aerodinamica e

mantenendo inalterata la legge di Dalton.

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

AET = x PET = x �⇥1ra

(q�0 � q)x(�) = 0.082 � + 9.137�2 � 9.815�3


69

Alternativamente, si diminuisce l’evaporazione “potenziale” con un fattore di

riduzione di solito solo funzione del contenuto d’acqua del suolo.

Aft

er P

arla

nge

at a

l.,

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Traspirazione

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Traspirazione

• E l’evaporazione dalle piante

• Che avviene in contemporanea al processo fisiologico di fissazione

dell’anidride carbonica, durante il processo di fotosintesi.

• Dell’acqua necessaria ad una pianta, ~95% serve per la traspirazione e solo

il ~5% diventa biomassa!

71

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Traspirazione

• La traspirazione è basata sulla capacità della pianta di estrarre acqua

dal suolo attraverso le radici e di liberarla attraverso gli stomi.

• Il controllo ultimo della traspirazione è la legge di Dalton, dove però si

considera la differenza di pressione di vapore appena all’interno degli

stomi e appena al di sopra della superficie della foglia.

72

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

E’ dipendente:

•dal tipo di vegetazione e dal suo stato vegetativo

. dalla densità e dalle dimensioni della vegetazione (alberi, arbusti,erba),

•dalla struttura del suolo,

•dalla temperatura dell’ambiente

•dalla concentrazione di CO2 nell’atmosfera.

Traspirazione

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

E’ limitata:

•dalla disponibilità di energia

•dalla disponibilità d’acqua

•dallo sviluppo della turbolenza

Traspirazione

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Avviene attraverso il sistema vascolare delle piante.

Si possono distinguere tre processi:

1. l’assorbimento dell’acqua nelle radici

2. il trasferimento lungo il tronco verso gli stomi,

3. l’evaporazione

75

Traspirazione

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

76

Plants do not have a

heart

• Le piante non hanno un cuore (che

pompa l’acqua) !

• Il flusso d’acqua dalle radici alle

foglie si mantiene dunque in virtu’

delle differenze di pressione tra

suolo e radici, radici e tronco, via via

sino alle foglie.

• Tale differenza di pressione ha una

doppia origine: le forze capillari e le

forze osmotiche.

Capillarità e osmosi

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Forze osmotiche

pw=0

h

acqua senza sali

membrana semipermeabile

acqua con sali

Il tubo non e’ capillare. Ma la colonna d’acqua sale nel tubo per

compensare il potenziale chimico (negativo) che si viene a generare nel

tubo che vede la compresenza di due sostanze.

⇧ := ⇢w g h

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Forze osmotiche

pw=0

h

acqua senza sali

membrana semipermeabile

acqua con sali

Il tubo non e’ capillare. Ma la colonna d’acqua sale nel tubo per

compensare il potenziale chimico (negativo) che si viene a generare nel

tubo che vede la compresenza di due sostanze.

⇧ := ⇢w g h

pressione osmotica

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Forze osmotiche

Le due pressioni di vapore alle diverse quote devono essere differenti, per

essere in equilibrio. Pertanto l’effetto della compresenza di sostanze in

soluzione riduce la pressione di vapore (in analogia con il caso capillare).

pw=0

hpressione di vapore

pv(0)

pv(h)

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

La forza che attiva

la traspirazione è

il gradiente di

pressione, e

precisamente la

differenza di

pressione

esistente tra

l’interno della

foglia e

l’atmosfera

attorno ad essa.

ww

w.fs

l.ors

t.edu

/~bo

nd/fs

561/

lect

ures

/hum

idity

%20

and%

20transpiration.ppt

79

Top 2 Bottom: le foglie

Monday, May 21, 12

http://www.fsl.orst.edu/~bond/fs561/lectures/humidity%20and%20transpiration.ppt



Riccardo Rigon

80

Traspirazione

ww

w.fs

l.ors

t.edu

/~bo

nd/fs

561/

lect

ures

/hum

idity

%20

and%

20transpiration.ppt

Gli stomi sono una componente critica della traspirazione

Monday, May 21, 12




81

• La fisica della traspirazione

è l a s t e s s a d i q u e l l a

dell’evaporazione. Si deve

tener conto però di due

aspetti:

1. l ’evaporazione del velo

d’acqua dalla superficie

delle foglie

2. la traspirazione vera e

propria dagli stomi delle

piante

La fisica delle traspirazione

Suolo non saturo

Falda

Vegetazione

Monday, May 21, 12


82

La fisica delle traspirazionetraspirazione dalle foglie

Suolo non saturo

Falda

Vegetazione

Cv =1

ra + rv

1

ra=

✏

pa⇢v

k2

log

2⇣

zm�zdz0

⌘

Monday, May 21, 12


83


Cv =1

ra + rv

rv =rV min

(LAI � (fS fee fT fM))

LAI e il ”leaf area index”fS dipende dalla radiazione solare incidentefee dipende dal contenuto di vapore dell’atmosferafT dalla temperatura dell’ariafM dal contenuto idrico del terreno

Monday, May 21, 12


84

La fisica delle traspirazione Environmental dependencies of stomata conductance

For daytime conditions of simulation stb_stn004f

Courtesy of Giacomo Bertoldi

Stomata close for high vapor pressure deficit Transpiration stop for too high and low Ta

Photosynthesis increases with PaR

θwp

θfc

Monday, May 21, 12


85

Suolo non saturo

Falda

Vegetazione

La fisica delle traspirazioneevaporazione dalle foglie

Kv :=

1

ra=

✏

pa⇢v

k2

log

2⇣

zm�zdz0

⌘

Monday, May 21, 12


86


L’evapotraspirazione totale è :

ET = Ev + Tr

Monday, May 21, 12


Riccardo Rigon

Water movement in plants

• Illustrazione delle differenze di

energia (in termini di pressione)

c h e c a u s a n o i l m o v i m e n t o

d e l l ’ a c q u a d a l s u o l o s i n o

all’amosfera attraverso la pianta.

L’acqua muove da un potenziale

negativo ad uno più negativo in

atmosfera.

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87

Monday, May 21, 12

http://www.ctahr.hawaii.edu/faresa/courses/nrem600/10-02%20Lecture.ppt

http://www.ctahr.hawaii.edu/faresa/courses/nrem600/10-02%20Lecture.ppt


Riccardo Rigon

Il flusso di acqua interno alle piante

~Jp = �Kp~r(z + + ⇧)

Dove la conducibilità idraulica all’interno delle piante decresce passando

dal tronco alle foglie e tutto è assai meno compreso in termini quantitativi

di quanto accade nei suoli (!).

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Riccardo Rigon

Saturated Conductivity and Trees?

89

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Riccardo Rigon

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Evapotrapirazione Potenziale PET

E’ quella che avviene quando c’è disponibilità di acqua nelle quantità e

pressione richiesta dalla specie arborea in esame, e nell’assunzione di

efficienza fisiologica della pianta.

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Riccardo Rigon

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Evapotraspirazione RealeAET

E’ l’acqua effettivamente traspirata dalle piante nelle condizioni effettive di

esistenza.

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Riccardo Rigon

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Riccardo Rigon

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Riccardo Rigon

Rooting Depth

Source: Canadell, J., R.B. Jackson, J.R. Ehleringer, H.A. Mooney, O.E. Sala, and E.-D. Schulze. 1996.

Maximum rooting depth of vegetation types at the global scale. Oecologia 108: 583-595.

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Riccardo Rigon

1 Nessun limite alla traspirazione: stomi aperti2 Qualche limitazione: stomi parzialmente chiusi a mezzogiorno3 Forte limitazione: stomi chiusi a mezzogiorno4 Suolo secco: chiusura completa degli stomi

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95

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http://www.ictinternational.com.au/appnotes/ICT101.htm

http://www.ictinternational.com.au/appnotes/ICT101.htm


Riccardo Rigon

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Nei casi reali è molto difficile separare l’evaporazione dalla

traspirazione.

La traspirazione varia anche molto da punto a punto in un

versante per effetto della diversa umidità del suolo e delle

condizioni atmosferiche.

�T

me

as

ur

ed

�T

po

te

ntia

l

Tpotential(l h�1 m�2)

Tm

easu

red(l

h�1

m�

2)

�Tmeasured�Tpotential

Wet

DryEven in relatively mesic environments, the degree of

stomatal control on transpiration varies strongly across hillslopes...

Measuring plant water use

�T

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Tpotential(l h�1 m�2)

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�Tmeasured�Tpotential

Even in relatively mesic environments, the degree of

stomatal control on transpiration varies strongly across hillslopes...

Measuring plant water use

Kel

ly C

aylo

r, 2

01

1

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Riccardo Rigon

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The data we have is limited and highly variable...

Leaf Area Index (m2/m2)

Kel

ly C

aylo

r, 2

01

1

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Riccardo Rigon

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EE

EE

T TT

T

Predictions of plant water use from models suggest large shifts in E/T partitioning

Dry Wet

Kel

ly C

aylo

r, 2

01

1

La partizione tra Evaporazione e Traspirazione può cambiare

drammaticamente

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Riccardo Rigon

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Gli studi relativi alla partizione vengono prodotti

analizzando la partizione degli isotopi dell’acqua e, in

particolare, degli isotopi dell’ossigeno

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Riccardo Rigon

ET

ET = ��v1r(qr � q0) = ��v C (qr � q0)

100

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Riccardo Rigon

ET

r = ra Evaporazione da superfici liquider = ra + rs Evaporazione dai suolir = ra + rc Traspirazione dalle piante

101

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Riccardo Rigon

E = �1

ra + rc(q�(TL)� qa)

rc =�rc⇥

c LAI

Traspirazione

Il LAI è stato inizialmente definito come l'area totale di una faccia del tessuto fotosintetizzante per unità di superficie di terreno (Watson, 1947). (Smith, 1991; Bolstad e Gower, 1990) proposero di modificare il parametro, introducendo l'area fogliare proiettata. In questo modo si riducevano i problemi dovuti alla forma di aghi e foglie.

102

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Riccardo Rigon

103

r_c vegetation resistance

r_c =Rs /(LAI * (fS*fee*fT*fM)); (Best, 1998)

Rs minimum stomata resistance (species dependent, but constant over time)

fee water vapor deficit controlling factor

fS solar radiation controlling factor

fT temperature controlling factor

Resistenza della vegetazione

For d

aytim

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ons

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imul

atio

n st

b_st

n004

fC

ourte

sy o

f Gia

com

o B

erto

ldi

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Riccardo Rigon

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Environmental dependencies of stomata conductance

Stomata close for high vapor pressure deficit Transpiration stop for too high and low Ta

Transpiration is decreased below a critical water contentPhotosynthesis increases with PaR

θwp

θfc

1. θfc vs. ψ fc 2. θwp vs. ψ fc

For d

aytim

e co

nditi

ons

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imul

atio

n st

b_st

n004

fC

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com

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Riccardo Rigon

105

IL LAI PUO’ ESSERE MISURATO DA SATELLITE

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Riccardo Rigon

106

�(⇥) =

�⇤

⇥

0 ⇥ < ⇥wp��wp

�cr��wp⇥wp < ⇥ < ⇥cr

1 ⇥ > ⇥cr

AET = �(⇥) ET

Traspirazioneun approccio semplificato

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Riccardo Rigon

107

�(⇥) =

�⇤

⇥

0 ⇥ < ⇥wp��wp

�cr��wp⇥wp < ⇥ < ⇥cr

1 ⇥ > ⇥cr

Traspirazione

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108

Area Satura del versante

Area NON satura del versante

Composizione spaziale dell’ET

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Suolo

Nu

do

Alb

eri

Erb

a

Suolo

Urb

ano


Modelli

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Area Satura del versante

Area NON satura del versante

Suolo

Nu

do

Alb

eri

Erb

a

Suolo

Urb

ano


Modelli

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Riccardo Rigon

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Suoli + Acqua + Vegetazione

ET = Esuolo + Tveg + Eveg

Tveg = Tcanopy + Tsottobosco

Esuolo = Esuololibero + Esuolosottovegetazionealta

nei modelli

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Nel bilancio

L’Evapotraspirazione come bilancio

i flussi generati al suolosono solo una componente

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Nel bilancio

L’Evapotraspirazione come bilancio

Ci sono anche componenti avvettive e termini dovuti allo scambio turbolento atmosferico che non sono affatto trascurabili.

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Riccardo Rigon

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Evapotraspirazione a livello dello strato limite atmosferico

Se non si guardasse alla didascalia,si potrebbe pensare che il grafico in alto rappresenti la variazione con la quota della temperatura. In realtà rappresenta il contenuto di vapore, che con la temperatura condivide la natura di tracciante passivo.

Il primo e il secondo grafico mostrano che l’effetto dell’evapotraspirazione è controllato dallo sviluppo dello strato limite.

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Riccardo Rigon

Evapotraspirazione a livello dello strato limite atmosferico

D’altra parte, l’evaporazione serve a contro l lare l ’ andamento de l le temperature del suolo e quindi dello sviluppo dello strato limite.

I fenomeni sono indissolubilmente legati in modo non lineare!

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14a - Evapotraspirazione

Education

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