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venerdì 9 febbraio 2018

La temperatura dell’aria – significato fisico, strumenti di misura e standard di collocazione in campo

di LUIGI MARIANI

 

Figura 1 – Una stazione agrometeorologica nel pressi di un vigneto (fonte: Lumpkin County vineyard - www.gainesvilletimes.com/archives/79836/).

Riassunto
L’articolo si propone di offrire alcuni spunti di riflessione sul significato e sulla modalità di misura della temperatura dell’aria e su cosa la differenzia rispetto alla temperatura delle piante. Premettiamo che le principali normative internazionali citate (Schermi anti-radiazione, standard di posizionamento dei termometri) sono reperibili nella “Guide to meteorological instruments and methods of observation (7th ed.).” (World Meteorological Organization, 2014). Una modalità di misura rispettosa delle normative è essenziale per ottenere misure rappresentative e utilizzabili in ambito aziendale.

Abstract
This post describes the meaning and mode of measuring the air temperature and what makes it different from the temperature of plants. Please note that the main international standards cited in this paper (e.g.: radiation screens, standard for positioning of thermometers) are available in the "Meteorological Instruments and Methods of Observation (7th Ed.)" (World Meteorological Organization, 2014). The knowledge and the adoption of these standards is essential to obtain measures representative and useful for farming activities.

Quale temperatura?

Temperatura dell’aria a diverse altezze, del terreno (in superficie e a diverse profondità), dei vegetali e dei loro organi, di un corpo idrico come un fiume, un canale d’irrigazione o una camera di risaia allagata, di un ricovero zootecnico, di un magazzino per stoccaggio dei cereali. Quando trattiamo di agrometeorologia abbiamo di fronte parecchie temperature. In questo post parleremo di temperatura dell’aria misurata con lo scopo di avere una misura rappresentativa del territorio dominato da un’azienda agricola e di temperatura di superficie.

Cos’è la temperatura dell’aria e come si comporta


La temperatura dell'aria è una misura del livello energetico dell'atmosfera. In particolare la temperatura dell’aria nei pressi della superficie è la risultate di due elementi:

- il bilancio energetico della superficie sottostante, in virtù del fatto che di giorno il Sole riscalda la superficie e a sua volta la superficie riscalda l’aria che la sovrasta mentre di notte la superficie si raffredda irraggiando verso lo spazio e a sua volta raffredda l’aria che la sovrasta.

- i trasporti orizzontali di aria calda e fredda (in gergo “avvezioni”) da distanze più o meno grandi (il campo di fianco, i rilievi circostanti o aree più o meno remote del globo).

In condizioni di tempo stabile con cielo sereno e vento debole o calma di vento l’altezza fino alla quale la temperatura della superficie influenza quella dell’atmosfera¹ può limitarsi di notte a pochi metri di altezza mentre nelle ore centrali del giorno di giornate estive può raggiungere i 1000-1500 m, con casi limite di 2000-2500 m nelle zone desertiche. La temperatura dell'aria nei pressi della superficie presenta ciclicità giornaliere ed annuali caratteristiche. Il ciclo giornaliero in condizioni di tempo stabile con cielo sereno e vento debole o calma di vento è caratterizzato da un minimo termi­co intorno all'alba e da un massimo raggiunto 3-4 ore prima del tramonto. Il ciclo annuale vede invece le temperature minime assolute raggiunte mediamente a gennaio-febbraio e le massime assolute raggiunte a luglio-agosto (ho scritto mediamente perché la variabilità interannuale è molto marcata, per cui possiamo trovare anni in cui la minima assoluta si raggiunge a dicembre e la massima assoluta a giugno). Vicino al terreno la temperatura presenta una variabilità molto accentuata, per cui ad esempio in giornate soleggiate fra la superficie e 1,70 m di altezza possono essere registrate differenze di temperatura fino a 10°C e oltre. È questa una delle principali ragioni per cui, come vedremo meglio in seguito, l'Organizzazione Meteorologica Mondiale pre­scrive di localizzare i sensori per la misura della temperatura ad altezza di 1.50 – 2.0 metri da terra (World Meteorological Organization, 2014).

Perché misurare la temperatura dall’aria

La misura di temperatura dell’aria (insieme a quella della precipitazione) non dovrebbe mai mancare nell’azienda agricola per almeno tre ordini di motivi:

- è una grandezza meteorologica di straordinario significato biologico

- è relativamente facile da misurare (basta applicare alcune semplici norme che enunceremo più avanti)

- è ben correlata con altre importanti grandezze meteorologiche (in primis la radiazione solare e l’umidità relativa) la cui misura è più complessa e costosa.
 
La strumentazione di misura della temperatura dell’aria: tipologie e standard di collocazione

In azienda è importante misurare e registrare ogni giorno quantomeno la temperatura massima (Tx) e minima (Tn) giornaliera con termometri a massima e minima. Ciò è utile in quanto da Tx e Tn si possono ricavare:

- le temperature orarie Th, ottenibili applicando metodi basati su interpolanti sinusoidali. Tali temperature sono necessarie per stime di risorse termiche basate sulle ore normali di caldo, che tratteremo in un post successivo

- la temperatura media giornaliera Td tramite l’equazione Td=(Tx+Tn)/2. Il risultato di tale equazione dà luogo ad un errore che mediamente è di 1°C o poco più rispetto alla Td ottenuta mediando i 24 valori medi orari misurati. Td come vedremo in un post successivo è necessaria per stimare le risorse termiche per le colture con metodi a unità termiche.

L’ideale sarebbe tuttavia quello di disporre di termometri automatici a registrazione elettronica in modo di disporre di misure in continuo a livello orario, mezzorario o anche su periodi più brevi. Sempre più difficile è invece mantenere i termometri automatici a registrazione meccanica (su fascetta) anche se si tratta di strumenti che se ben gestiti possono ancor oggi offrire un servizio dignitoso.

Gli standard internazionali di collocazione (World Meteorological Organization, 2014) indicano che il termometro per la misura della temperatura dell’aria (figura 1):

- dev’essere collocato a un’altezza di 1,50 – 2,00 m dalla superficie del terreno

- il terreno sottostante lo strumento dev’essere coperto da un tappeto erboso regolarmente falciato

- il sito d’installazione dev’essere lontano da fonti di calore (edifici, vaste zone asfaltate o cementate, ecc.).

Mi preme ricordare che come copertura del terreno sottostante il termometro è consigliabile evitare non solo asfalto, ghiaia, platee di cemento e terreno nudo ma anche i tappetini plastici (magari verdi…). I tappetini plastici infatti hanno un bilancio energetico del tutto diverso rispetto ad un tappeto erboso: le piante traspirano emettendo calore latente che il termometro non misura mentre il tappetino non traspira e dunque cede all’atmosfera calore sensibile, che il termometro ahimè misura.

Per ottenere misure di temperatura rappresentative è inoltre essenziale che il sensore termometrico:

- non riceva mai radiazione solare diretta, onde evitare di riscaldarsi

- non venga mai bagnato da pioggia, rugiada o neve

- goda di un’ottima circolazione d’aria in modo da poter monitorare la temperatura di una sufficiente massa d’aria circostante.

Per ottenere tali effetti il sensore dev’essere collocato in una capannina meteorologica a persiane (figura 2) o all’interno di uno schermo antiradiazione (figure 3 e 4). 

Figura 2 – Capannina meteorologica a persiane (fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Stevenson_screen)


 
Figura 3 – Schermo antiradiazione a piatti sovrapposti (Nagy, 2006).


 
Figura 4 – Test di diversi schermi antiradiazione presso una stazione del servizio meteorologico ungherese. Per maggiori dettagli si rinvia ll’articolo di Nagy (2006)



Alcuni sostengono che si possa evitare l’uso della capannina o dello schermo antiradiazione e suggeriscono invece di utilizzare come supporto per il sensore termometrico un muro o una tavola di legno esposti a Nord. A mio avviso si tratta di una soluzione da evitare, se non altro per il fatto che alle nostre latitudini l’esposizione Nord riceve radiazione solare diretta al mattino e alla sera.

Modalità di esecuzione delle misure di temperatura dell’aria

Qualora si disponga di un termometro a massima e minima si consiglia di registrare tali valori una volta al giorno (ad esempio alla sera dopo le 20). Nel caso invece si disponga di strumenti a registrazione (meccanici o elettronici) l’archiviazione e gestione dei dati dev’essere eseguita seguendo le consuetudini e le istruzioni date dal costruttore.

La temperatura di superficie

Dal punto di vista della pianta, la temperatura più utile sarebbe quella della superficie o dell’interno dei propri organi. Tuttavia se si trascura l’ambito di ricerca e ci si riferisce alle misure operative aziendali ci si avvede che si tratta di una grandezza proibitiva da misurare con un termometro per svariati motivi fra cui ricordiamo in particolare i seguenti:

- un termometro posizionato su una foglia altera la temperatura fogliare interferendo con la traspirazione e causando necrosi

- gli effetti di ombreggiamento possono creare variabilità accentuate anche per punti di misura molto vicini fra loro

- foglie in pieno sole di piante ben rifornite d’acqua presentano una temperatura simile a quella dell’aria. Tuttavia è sufficiente che venga a mancare l’acqua o che le foglie siano attaccate da patogeni o da parassiti che interferiscono con la traspirazione per assistere ad una drastico aumento della temperatura fogliare.

Da ciò deriva che il mezzo operativo migliore per conoscere la temperatura di superficie di un vegetale o di un campo coltivato consista nel misurare con un radiometro l’energia emessa e nell’applicare il rapporto fra energia e temperatura stabilito dalla legge di Stefan e Boltzmann (E= T4 ove E è l’emissione energetica in W m-2,  è l’emissività, è la costante di Stefan e T è la temperatura in Kelvin). Su questo principio si basano le fotocamere all’infrarosso montate su satelliti, droni o più semplicemente gestite da operatori a terra (figura 5). La temperatura dei corpi stimata con la legge di Stefan e Boltzmann è anche detta temperatura di radianza.

Figura 5 – Variabilità della temperatura di superficie in parcelle di riso sottoposte a prova di stress idrico (Jones et al., 2009).

1 In gergo tale altezza è indicata come “strato limite planetario” ed apre un discorso sulle diverse tipologie di strato limite (bundary layer). Lo strato limite è un aspetto chiave delle micrometeorologia che non affronteremo in questa sede per non rendere eccessivamente ampia la trattazione.

Bibliografia
Jones H.G., Serraj R., Loveys B.R., Xiong L., Wheaton A., Price A.H., 2009. Thermal infrared imaging of crop canopies for the remote diagnosis and quantification of plant responses to water stress in the field, Functional Plant Biology,2009, 36, 978–989
Nagy Z., 2006. Effect of thermometer screens on accuracy of temperature measurements (qui ).
World Meteorological Organization, 2014. Guide to meteorological instruments and methods of observation (7th ed.). Geneva, Switzerland, 1139 pp. (qui)

 


Luigi Mariani 
Docente di Storia dell' Agricoltura Università degli Studi di Milano-Disaa, condirettore del Museo Lombardo di Storia dell'Agricoltura di Sant'Angelo Lodigiano. E' stato anche Docente di Agrometeorologia e Agronomia nello stesso Ateneo e Presidente dell’Associazione Italiana di Agrometeorologia.

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