La complejidad de un dosel como sistema de fuentes y sumideros de calor y masa es tal que hace casi imposible una descripción exacta de su comportamiento físico. Al intentar encontrar una representación más simple (un modelo) de un dosel, uno se enfrenta a dos tipos de problemas. El primero es la falta de homogeneidad espacial inherente del follaje. Esto implica que, para una descripción precisa, las variables necesarias deben conocerse para muchos puntos. La segunda es la naturaleza turbulenta de la corriente de aire dentro (y por encima) de un dosel. Su consecuencia es que la dirección y la magnitud de los flujos de energía y masa varían en cualquier momento y no se pueden predecir con exactitud.
A pesar de esto, en gran parte de la literatura relacionada con el acoplamiento de las plantas con su entorno (por ejemplo, Monteith, 1975; Jones, 1983), la transferencia de calor y masa hacia y desde un dosel se describe como flujos verticales a lo largo de un gradiente de concentración, a través de alguna resistencia típica. Sin embargo, la suposición de que la transferencia tiene lugar a lo largo de una dirección vertical solamente, implica un promedio de las variaciones a lo largo de un plano horizontal. Por otro lado, las relaciones empíricas conocidas entre flujos y gradientes justifican la solidez de este enfoque sólo en lo que respecta a los promedios temporales de flujos y gradientes. Por lo tanto, las condiciones para que este enfoque produzca una representación sensible, aunque simplificada, del comportamiento de nuestro dosel real, deben investigarse a fondo. Ciertamente, las cosas no son más fáciles para las marquesinas de los invernaderos, ya que la transferencia de energía allí no se puede descifrar si tiene lugar entre la marquesina y una capa de aire homogénea (suficientemente distante). Además, la presencia de un sistema de calefacción proporciona alguna complicación adicional, debido a las fuentes adicionales de energía (y flotabilidad) dentro del propio dosel. Para compensar estas complicaciones, en el presente trabajo se adoptará un enfoque paso a paso. Los fenómenos de transporte alrededor de una sola hoja se analizarán en primer lugar. Solo después se intentará describir el mismo fenómeno en un conjunto de hojas, es decir, un dosel.
De hecho, para una superficie de evaporación plana, como la superficie de una hoja 'idealizada', algunas de las condiciones sobre las que descansa el supuesto de unidimensionalidad de los flujos se cumplen de forma más intuitiva. Además, se puede prever fácilmente la existencia de una capa límite caracterizada por cierta resistencia. En este capítulo se desarrollará un método para determinar la producción de vapor y la temperatura de la superficie de tal hoja ideal, sobre la base del balance de energía de la superficie. Las condiciones para que tal enfoque tenga algún valor en relación con el dosel de un invernadero, por otro lado, se discutirán en el próximo capítulo.
Definiciones
Cuando la radiación golpea la superficie de una hoja, la energía así absorbida se disipa en parte por la evaporación del agua y la liberación de calor sensible, en parte almacenado en los productos de la fotosíntesis y como energía térmica en el cuerpo de la hoja. De hecho, la temperatura de la hoja se ajusta continuamente para alcanzar un valor de equilibrio tal que el consumo total de energía equilibre su ganancia. En agronomía y meteorología, tal declaración se escribe comúnmente de la siguiente manera:
Rn =H+LE+M+J
Dónde:
Rn es la densidad de flujo neto de radiación resultante de la absorción y emisión por
2 la hoja (W-m- )-2
H es la densidad de flujo del calor sensible transferido al aire (W-m )2
LE es la densidad de flujo del calor latente debido a la evaporación del agua (W-m~), L-1
siendo el calor latente de vaporización del agua (J-kg), y E el vaporflujo (kg-m-2-s_1)
M es la velocidad a la que se almacena la energía en los productos de la fotosíntesis 2 (W m-)
J es la velocidad a la que se almacena la energía térmica dentro de la hoja (W-m-2)
Todos los términos de se escriben como promedios para una unidad de superficie. Es conveniente definir el área superficial como el área desde la cual se pierde calor sensible, aunque no necesariamente es idéntica al área desde la cual se gana o se pierde energía por radiación o transpiración, como se comentará más adelante.
Ciertamente, todos estos flujos de energía pueden representar ganancias y pérdidas de energía para la hoja. De hecho, una hoja bien puede ser un radiador neto mientras obtiene calor del aire más cálido o incluso de la caída de rocío en su superficie. Al escribir la ecuación como tal, se hace la convención de que el flujo de radiación neto es positivo cuando se dirige hacia la superficie de la hoja, mientras que los flujos en el lado derecho son positivos cuando salen de ella. Una razón para escribir la ecuación de esta manera (ciertamente inconsistente), probablemente se deba al uso de considerar a Rn como un flujo fácilmente medible, en gran medida independiente de la temperatura de la hoja, mientras que se reconoce que tanto los flujos de calor sensible como latente son funciones fuertes de la temperatura de la superficie.
La radiación neta
Una estimación correcta del flujo de radiación neta de una hoja está lejos de ser sencilla. Dado que ninguna hoja natural tiene una superficie perfectamente plana, el área efectiva expuesta al flujo radiativo puede ser difícil de estimar. Además, las propiedades radiativas del tejido de la hoja dependen de la longitud de onda. Por tanto, cuando también se tiene en cuenta la radiación emitida por la hoja:
Sin embargo, hay que tener en cuenta que el grosor de la capa límite de la hoja es un
cantidad micrometeorológica bastante difícil de alcanzar: hay, de hecho, mucha arbitrariedad
en todas las fórmulas que intentan determinarlo en función de la geometría
propiedades de la superficie y de la dinámica de la corriente de aire, como la comparación
de teoría y observaciones muestra fácilmente (§2.3.1). Se potencia la arbitrariedad
cuando esas fórmulas se aplican a una hoja (a veces revoloteando y tal vez peluda)
superficie (Jones, 1983), sumergido en una corriente de aire tan peculiar como dentro de un dosel.
Sin embargo, si se supone que el aire a granel más allá de la capa límite está perfectamente mezclado, de modo que no existan diferencias de temperatura, entonces la diferencia de temperaturaa través de la capa límite de la hoja es igual a la diferencia de temperatura entrela superficie y el aire a granel.
Valor definido ya que este último se ve muy afectado por la naturaleza del flujo de aire.
Por lo tanto, tiene sentido agrupar todos los problemas en una cantidad D7z'
que puede considerarse como una 'conductancia de capa límite'. un correspondiente
La 'resistencia de la capa límite' raH a la transferencia de calor se puede definir como inversa, teniendo-1. En consecuencia, si las propiedades del aire a granel se refieren a
las unidades de s-m por símbolos con el subíndice 'a'.
Tasa de fotosíntesis
Se puede hacer una estimación de la magnitud de esta tasa de energía a través de la energía 6 -1 contenido de materia seca (unos 17,5-10 J-kg, según Monteith, 1972) y
la eficiencia fotosintética, es decir, la energía almacenada en la materia seca expresada como una fracción de la energía radiante entrante. Esta eficiencia no significa una constante, siendo afectada por varios factores como la temperatura de la hoja, la concentración de C 0 2 del aire, etc. Por lo tanto, debe quedar claro que el razonamiento desarrollado a continuación solo proporciona una evaluación aproximada . Las eficiencias típicas para hojas individuales (en términos de PAR absorbida, es decir, radiación fotosintéticamente activa: 400 < X < 700 nm) oscilan entre el 11 y el 16 % (Jones, 1983).
Estos valores pueden convertirse en eficiencias en términos de radiación solar incidente mediante la multiplicación por la hoja absorbancia en el P A R (= 0 . 8 5 ) y por la ra t i o P A R / radiación solar total ( S 0 . 5 ) . Una eficiencia fotosintética típica en términos de radiación solar incidente es, por lo tanto, entre 4 y 7% de C 0 2 a la atmósfera del invernadero o mediante el uso de fuentes de luz artificial que tengan una relación P AR/radiación total más favorable: de todos modos, es poco probable que se supere un valor del 10% de eficiencia fotosintética en términos de radiación incidente de onda corta (ls). (RR). Si se acepta una estimación del consumo máximo de energía para la producción de materia seca como el 10% de la energía radiante neta, debe ser se dio cuenta de que tal fracción es comparable con el error en la evaluación de este último, al menos para un dosel (§3.2).
Almacenamiento térmico
El almacenamiento térmico-Jineq es el flujo de energía por unidad de área de hoja,usado
para calentar (o liberar por el enfriamiento de) el tejido de la hoja. Es decir, si p y c son los 3 -1 densidad (kg-m~ ) y calor específico (J-kg-'-K ), respectivamente, del tejido foliar 3 -2
y Visa relación volumen a área (m -m )- igual, para una hoja plana, a la mitad del espesor, en nuestra convención sobre la unidad de área-,th Existe una lamentable falta de claridad en la literatura sobre este flujo: a veces se omite por completo en las consideraciones sobre el balance de energía (p. ej., Rosenberg, 1974); la mayor parte del tiempo se confunde con el flujo de calor en el suelo subyacente y, de facto, se pasa por alto (p. ej., Idso, 1983); finalmente, siempre que se reconoce explícitamente, se descarta por completo (p. ej., Van Bavel, 1966). Sin embargo, se puede realizar fácilmente una evaluación de la magnitud: por lo general, entre el 80% y el 90% del tejido.
3 u_1 de peso fresco es agua, por lo que 3,5-10 J-kg~ K parece una estimación razonable para 3 _2 _1 el calor específico de las hojas; esto produce pfitV ~ 1.2-10 J-m-K, cuando una hoja-3 densidad de 700 kg-m (Jones, 1983) y espesor de 1 mm. -2 variación de temperatura de, digamos, 15 K en 8 horas, J es entonces alrededor de 0,5 W-m, -2 mientras que para una variación de 1 Kinaminuto, J~ 20 W-m. Es cierto, por lo tanto,
que cada vez que se consideran promedios diarios, o incluso horarios, la ecuación (2.13) arroja un flujo de energía despreciable; lo que hace que sea más una pregunta académica que una de las inconsistencias mencionadas al respecto.
