Perfil de temperatura del dosel: cómo afecta la salud de los cultivos, mejora el rendimiento y ayuda a la adaptación climática. Tecnología y agricultura sostenible.
Perfil de Temperatura del Dosel | Salud de los Cultivos, Rendimiento y Adaptación Climática
El perfil de temperatura del dosel es un aspecto crucial para entender la salud de los cultivos, su rendimiento y su capacidad de adaptación a distintos climas. Este tema abarca principios básicos de la física como la transferencia de calor, la termodinámica y la interacción de la radiación solar con las plantas. En este artículo, exploraremos las bases teóricas y las fórmulas utilizadas para estudiar el perfil de temperatura del dosel, así como sus implicaciones prácticas para la agricultura.
Bases Teóricas
El dosel vegetal es la capa superior de las plantas que intercepta la mayor parte de la radiación solar. La temperatura del dosel está influenciada por varios factores, incluyendo la radiación solar, la transpiración de las plantas, el intercambio de gases y la conductancia térmica del aire. Para entender estos procesos, es fundamental aplicarse a algunos principios físicos clave:
- Transferencia de Calor
- Termodinámica
- Interacción Radiativa
Transferencia de Calor
La transferencia de calor es el proceso por el cual la energía térmica se intercambia entre sistemas físicos según las diferencias de temperatura. Existen tres tipos principales de transferencia de calor:
- Conducción
- Convección
- Radiación
En el contexto del dosel vegetal, la conducción tiene lugar cuando el calor se transfiere desde la superficie de las hojas hacia el ambiente. La convección es el proceso de transferencia de calor mediante el bloqueo y desplazamiento del aire alrededor de las hojas. Finalmente, la radiación solar es absorbida por las hojas y convertida en calor.
Termodinámica
La termodinámica nos permite entender cómo se distribuye y transforma la energía en sistemas físicos. La Primera Ley de la Termodinámica, también conocida como el principio de conservación de la energía, establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma:
\[ \Delta U = Q – W \]
Donde \(\Delta U\) es el cambio en la energía interna, \(Q\) es el calor añadido al sistema, y \(W\) es el trabajo realizado por el sistema. En el contexto del dosel, esta ley implica que la radiación solar (energia) absorbida por las hojas se convierte en calor (que puede provocar evapotranspiración) o en energía química mediante la fotosíntesis.
Interacción Radiativa
Las hojas de las plantas pueden absorber, reflejar o transmitir la radiación solar. La cantidad de energía absorbida depende de las propiedades ópticas de las hojas y de la geometría del dosel. La absorción de radiación influye directamente en la temperatura del dosel.
Fórmulas y Modelos Utilizados
Para predecir la temperatura del dosel y sus efectos en la salud y rendimiento de los cultivos, se utilizan varias fórmulas y modelos matemáticos. A continuación, se presentan algunas de las ecuaciones más comunes:
Ecuación de Balance de Energía
El balance de energía en el dosel se describe mediante la ecuación:
\[ R_n = H + LE + G \]
Donde:
- \(R_n\) es la radiación neta (diferencia entre la energía absorbida y la energía reflejada/excluida).
- \(H\) es el flujo de calor sensible (transferencia de calor parte al aire).
- \(LE\) es el flujo de calor latente (energía utilizada en la evaporación/transpiración).
- \(G\) es el flujo de calor al suelo.
La radiación neta (\(R_n\)) puede calcularse con la siguiente fórmula:
\[ R_n = (1 – \alpha) R_s + L_d – L_u \]
Donde:
- \(\alpha\) es el albedo de las hojas (fracción de radiación reflejada).
- \(R_s\) es la radiación solar incidente.
- \(L_d\) es la radiación de onda larga descendente.
- \(L_u\) es la radiación de onda larga ascendiente.
Esta ecuación nos dice cuánta energía está disponible en el dosel para calentar las hojas y el aire circundante, y para conducir procesos de evaporación y transpiración.
Modelos de Transferencia de Calor
Para entender y predecir la transferencia de calor dentro del dosel, se utilizan modelos que simulan los diferentes procesos físicos. Uno de los modelos más utilizados es el Modelo de Penman-Monteith para estimar la evapotranspiración:
\[ ET = \frac{\Delta (R_n – G) + \rho_a c_p (e_s – e) / r_a}{\Delta + \gamma (1 + r_s / r_a)} \]
Donde:
- \(ET\) es la evapotranspiración.
- \(\Delta\) es la pendiente de la curva de saturación de presión de vapor-temperatura.
- \(R_n\) es la radiación neta.
- \(G\) es el flujo de calor en el suelo.
- \(\rho_a\) es la densidad del aire.
- \(c_p\) es el calor especifico del aire.
- \(e_s\) es la presión de vapor de saturación.
- \(e\) es la presión de vapor actual.
- \(r_a\) es la resistencia aerodinámica.
- \(\gamma\) es la constante psicrométrica.
- \(r_s\) es la resistencia estomática.
Este modelo considera tanto las condiciones atmosféricas como las características del dosel para ofrecer una estimación precisa de la pérdida de agua a través de la transpiración y evaporación.