Fundamentos del Sistema Climático y su Impacto en la Agrometeorología

Sistema Climático

El planeta Tierra está inmerso en un sistema climático, que tiene diferentes factores que determinan todo. Además, son los principales recursos:

• Energía.
• Aire.
• Suelos.
• Agua.
• Biodiversidad.

Meteorología teórica

Es posible estudiar el clima en términos de las leyes y conceptos básicos de la física. El estudio del movimiento del aire en la atmósfera, sus causas y evolución futura, constituye la base teórica de la predicción del tiempo atmosférico.

Termodinámica

Estudia el estado inicial y final de los sistemas cuando han tenido procesos energéticos. El estado se define por variables de estado: presión, temperatura, volumen, masa y composición.

Leyes de la termodinámica:

• Ecuación de estado de los gases perfectos.
• 1ª ley (Conservación).
• 2ª ley (Degradación).

Radiación

Estudia la emisión de energía por la materia, su propagación y la absorción (se diferencia de las otras formas de transmisión de energía ya que no necesita de un medio físico para su transporte).

Leyes de la radiación:

• Kirchoff.
• Wien.
• Stefan-Boltzmann.
• Planck.
• Ley Lambert–Beer.

Hidrodinámica

Estudia el movimiento de los fluidos en relación con las fuerzas que actúan sobre ellos.

Leyes de la hidrodinámica:

• Ley de la gravitación universal (Newton).
• Concepto de equilibrio de fuerzas.
• Leyes de movimiento de Newton.

Radiación

Es la principal fuente de energía de nuestro planeta. La radiación es una forma de transferir energía y no necesita de un medio físico para operar. La radiación tiene que ver con las longitudes de onda y con las frecuencias, medidas que son inversamente proporcionales.

Otras formas de transferir energía:

• Conducción: se da por el contacto directo entre cuerpos sólidos y fluidos.
• Convección: típica de fluidos, el movimiento es vertical; el movimiento horizontal se conoce como advección.

Interacción Radiación-Materia

La radiación interactúa con la materia mediante los siguientes procesos:

• Absorción.
• Reflexión.
• Dispersión.
• Emisión.

Esta relación entre la materia y la radiación permite que la materia aumente su cantidad de energía (aumento de temperatura).

Leyes de la Radiación

Ley de Kirchoff: Los cuerpos más calientes emiten más energía por unidad de superficie.

Ley de Stefan-Boltzmann: La cantidad de energía emitida por un cuerpo es igual a una constante multiplicada por la temperatura (°K) elevada a la cuarta potencia.

Ley de Wien: Determinó la longitud de onda máxima que puede emitir cualquier sustancia. Se aplica para todas las sustancias, simplemente un número dividido por la temperatura (K°).

Ley de Lambert-Beer: Expresa cómo pasa la radiación a través de un fluido y explica cómo en la superficie recibimos aproximadamente un 65% de la radiación que llega al borde de la atmósfera.

Radiación difusa: Es la luz solar que llega a la Tierra después de ser dispersada por la atmósfera.

Radiación directa: Es la luz solar que llega a la Tierra en línea recta, sin ser dispersada ni absorbida por la atmósfera.

Aparatos para medir la radiación:

• Heliofanógrafos: miden las horas de sol.
• Piranómetro: Mide unidades de potencia por unidad de superficie, se mide sobre superficie horizontal.
• Pirheliómetro: Mide la radiación solar directa.

Temperatura del suelo

La temperatura del suelo varía en respuesta a procesos de intercambio energético.

Clima edáfico

Se relaciona con:

• Radiación solar que recibe.
• Composición del suelo.
• Albedo (Relación entre la radiación incidente y la radiación reflejada).

Factores que regulan la temperatura del suelo: (POSIBLE PREGUNTA)

• Balance de Radiación: Determina el calentamiento del suelo, dependiendo del albedo y la radiación infrarroja.
• Cobertura vegetal: Disminuye la cantidad de radiación que recibe el suelo.
• Humedad: Influye notoriamente en el albedo.

Dependencia de las propiedades térmicas del suelo:

Dependen de:

• Humedad
• Granulometría
• Agregación
• Actividad Microbiana

Propiedades térmicas del suelo: (POSIBLE PREGUNTA)

• Conductividad térmica: Capacidad de un material para conducir calor, moviéndose de áreas más calientes a más frías.
• Capacidad calórica: Es la cantidad de calor necesaria para cambiar su temperatura.
• Difusibilidad térmica: Determina cómo la temperatura varía en profundidad, diaria o anualmente. Depende del tipo de suelo y contenido de agua.

Leyes de Angot:

1ª ley: La amplitud de las oscilaciones de la temperatura del suelo disminuye geométricamente a medida que la profundidad aumenta aritméticamente.

¿Qué explica Angot en la 1ª ley de temperatura de los suelos?

La variabilidad va a ser máxima en la superficie y disminuye a medida que descendemos en el suelo.

2ª ley: El atraso en el momento de ocurrencia de las temperaturas máximas y mínimas en un suelo homogéneo es proporcional a la profundidad.

Aparatos para medir la temperatura del suelo:

• Geotermómetros: Miden la temperatura del suelo a diferentes profundidades. Para instalarlo, se selecciona un lugar adecuado y se perfora el suelo a la profundidad deseada.

Temperatura del Aire

El suelo calienta al aire por conducción, convección y radiación.

La radiación no se recibe las 24 horas del día. A medida que el sol sube en el horizonte, la energía solar se difunde cada vez en menos superficie. La cantidad de radiación influye en la temperatura.

¿Además de la radiación, qué procesos influyen en la temperatura del aire?

La transferencia de energía no es solamente por radiación, tiene otras fuentes:

• Procesos de condensación y evaporación.
• Conducción de lo más cálido a lo más frío.
• Mezcla convectiva que redistribuye el calor.
• Advección.

Proceso Adiabático

Es aquel en el cual no hay transferencia de energía ni masa entre el volumen que se está estudiando y su entorno.

La temperatura del aire cambia por intercambios radiactivos, por conducción y convección. El intercambio genera movimientos y transporte de masa, que a su vez transporta energía.

Aparatos para medir la temperatura del aire:

• Termómetros: De mercurio, de alcohol, metálicos, eléctricos, infrarrojos o termógrafos. Se deben colocar dentro de una casilla meteorológica a 1,5 metros de altura para que no influya la temperatura del suelo.

Heladas

Pueden ocasionar problemas cuando se dan fuera de fecha o cuando interfieren en los procesos biológicos.

Helada: Descenso de la temperatura por debajo de 0 ºC.

Escarcha: Depósito de hielo cristalino, similar al rocío, pero formado a temperaturas menores de 0 ºC.

Tipos de heladas:

• Helada de Advección: Ocurre cuando se traslada una masa de aire polar con temperatura por debajo de 0 grados sobre un territorio. No se dan en Uruguay.
• Helada de Radiación: Se producen por la pérdida de calor por radiación desde el suelo, especialmente cuando no hay nubes o humedad que impidan que la energía se pierda directamente al espacio. Se dan en Uruguay.
• Helada Mixta: Combinación de las anteriores.
• Helada Meteorológica: Ocurren cuando las temperaturas del aire (medidas en casilla meteorológica) son iguales o inferiores a 0 °C.
• Helada Agrometeorológica: Ocurre cuando las temperaturas a nivel del suelo o del cultivo son iguales o inferiores a 3 °C (o el umbral crítico para el cultivo).
• Helada negra: La temperatura es inferior a 0 °C, no se forma escarcha visible y la humedad ambiente es muy baja. El daño se produce dentro de los tejidos vegetales.
• Helada blanca: Si se alcanza la temperatura del punto de rocío y esta es igual o inferior a 0 °C, el vapor de agua se sublima formando cristales de hielo (escarcha) sobre las superficies.
• Helada de evaporación: Descenso de temperatura causado por la evaporación rápida de agua (rocío o lluvia) sobre las plantas, especialmente con aire seco y viento. La intensidad depende de la temperatura del aire y la cantidad de agua evaporada.

Efectos de las heladas en los cultivos:

• Se congela el agua en los espacios intercelulares.
• El agua pasa de la célula al exterior y se congela (deshidratación celular).
• El proceso puede revertirse si el deshielo es lento (en plantas resistentes).
• A mayor tamaño de las células, generalmente mayor es el daño.

Efectos de bajas temperaturas (sin llegar a helada):

Reversibles:

• Se interrumpe el crecimiento.
• Disminuye la fotosíntesis y la respiración.
• Disminuye la absorción de agua y nutrientes.

Irreversibles:

• Pérdida de hojas.
• Defectos en el desarrollo (frutos, flores).
• Pérdida de fertilidad (polen).

Factores Moduladores de las Heladas:

• Rapidez del descenso de temperatura.
• Persistencia en el tiempo de la baja temperatura.

Factores Determinantes de las Heladas:

Macrometeorológicos:

• Circulación general (Atmósfera y Océano).
• Balance calórico Suelo-Atmósfera.
• Modulan: Extensión geográfica, extensión temporal y época de ocurrencia.

Meso y micro meteorológicos:

• Balance local de radiación.
• Aspectos físicos del terreno (relieve, exposición).
• Circulación local del aire (brisas).
• Modulan: Intensidad, duración y daño específico en un lugar.

Heladas de Radiación

Factores:

• Relieve (acumulación de aire frío en zonas bajas).
• Humedad del suelo (suelos húmedos retienen y conducen mejor el calor).
• Condición del suelo (suelos compactos son mejores que sueltos).
• Cubierta vegetal (puede proteger el suelo o enfriarse más que el suelo desnudo).

Condiciones que favorecen:

• Cielo despejado (máxima pérdida de radiación).
• Aire seco (menor efecto invernadero del vapor de agua).
• Calma o brisa débil (impide la mezcla con aire más cálido de capas superiores).
• Suelo suelto (mala conducción del calor desde capas profundas).
• Suelo seco (menor capacidad calórica y conductividad).
• Suelo con pasturas altas (aíslan el suelo pero enfrían la capa de aire cercana).
• Condiciones topográficas que permiten la permanencia o acumulación de aire frío.

Métodos pasivos de control de heladas:

• Ubicación de cultivos (evitar hondonadas, elegir laderas adecuadas).
• Selección de época de siembra/plantación (evitar periodos críticos).
• Uso de variedades resistentes al frío.
• Facilitar el drenaje de aire frío (eliminar obstáculos).
• Manejo de cultivos:
  • a) Altura del cultivo.
  • b) Estado del suelo (mantenerlo húmedo y compacto).

Métodos Activos de control de heladas:

• Coberturas de Cultivos (mallas térmicas, túneles).
• Calentadores (estufas, quemadores).
• Máquinas que mezclan aire (ventiladores, hélices).
• Riego por aspersión (aprovecha el calor latente de fusión del agua).
• Generación de Niebla artificial.

Máquinas para mezclar el aire:

• Sumidero invertido (o ventilador antihelada): Método bastante útil, con un solo aparato se pueden cubrir entre 3 o 4 hectáreas, dependiendo de la inversión térmica.

¿Cómo funciona un sumidero invertido?

Toma el aire más cálido que se encuentra en capas superiores (inversión térmica) y lo impulsa hacia abajo, desplazando el aire frío acumulado cerca de la superficie. Esto produce una circulación que mezcla el aire, aumentando la temperatura cerca de los cultivos y disminuyendo el riesgo de helada.

Fenología

Es la ciencia que estudia la relación entre los ciclos de los seres vivos (especialmente plantas) y los factores climáticos.

Diferencias: crecimiento / desarrollo

• Crecimiento: Aumento irreversible de tamaño o masa.
• Desarrollo: Pasaje por diferentes etapas o fases cualitativas (germinación, floración, fructificación, etc.).

Elementos meteorológicos determinantes del crecimiento y desarrollo: (POSIBLE PREGUNTA)

Principales factores:

• Temperatura (acumulación de grados-día).
• Fotoperíodo (Duración del día/luz).

Factores secundarios (modificadores):

• Heladas.
• Sequía (disponibilidad de agua).
• Viento (efectos mecánicos y sobre la evapotranspiración).

Principales variables que controlan la fenología de un cultivo:

• Fecha de siembra.
• Duración del día (Fotoperíodo).
• Temperatura.
• Suministro de humedad.
• Componente genético (variedad o cultivar).
• Manejo de la planta (fertilización, podas, etc.).

Agua

Ciclo hidrológico

Procesos clave: Condensación, evaporación y precipitaciones.

La Condensación ocurre por:

• Enfriamiento por conducción (contacto con superficie fría).
• Enfriamiento por convección (ascenso y expansión adiabática).
• Enfriamiento por mezcla de masas de aire con diferente temperatura y humedad.

Agua en el aire (Humedad atmosférica)

Estas son formas de medir la humedad:

¿Qué formas se tiene de caracterizar la humedad del aire?

• Razón o Relación de mezcla (r): Masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco (g/kg).
• Humedad Específica (q): Masa de vapor de agua por unidad de masa total de aire húmedo (aire seco + vapor) (g/kg).
• Humedad Absoluta (ρv): Masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire húmedo (g/m³).
• Humedad Relativa (HR): Razón (en porcentaje) entre la cantidad de vapor de agua presente en el aire y la máxima cantidad que podría contener a esa misma temperatura (saturación) (%).

Diferencia entre humedad específica y absoluta: una se mide en relación a la masa (específica) y la otra se mide en relación al volumen (absoluta).

Disponibilidad del agua para las plantas:

• Precipitación (lluvia, nieve, granizo).
• Humedad del suelo (agua almacenada).
• Humedad del aire (puede ser absorbida por algunas plantas o reducir la transpiración).
• Evaporación (pérdida de agua desde superficies libres o suelo).
• Evapotranspiración (pérdida total de agua: evaporación + transpiración vegetal):
  • a) Potencial (ETP): Máxima posible bajo condiciones óptimas de humedad.
  • b) Actual (ETR): La que realmente ocurre, limitada por la disponibilidad de agua.

Uso del recurso AGUA:

Uso Global (aproximado):

• 70% Agropecuario
• 19% Industrial
• 11% Doméstico

Uruguay (aproximado):

• 87% Agropecuario (principalmente riego)
• 2% Industrial
• 11% Doméstico y público

Aparatos para medir la lluvia:

• Pluviómetro: Su boca debe quedar horizontal respecto al suelo, a 1,5 metros de altura sobre el nivel del suelo, y libre de obstáculos alrededor.

Agua y Relaciones Hídricas

Relación Agua-Suelo:

• Capacidad de retención de Humedad.
• Infiltración (entrada de agua al suelo).
• Redistribución (movimiento del agua dentro del perfil).
• Ascenso Capilar (movimiento ascendente desde capas freáticas).
• Conductividad Hidráulica (facilidad con que el agua se mueve en el suelo).
• Curvas de drenaje de suelos.

Retención de Humedad depende de:

• Textura (proporción de arena, limo y arcilla).
• Densidad aparente del suelo.
• Contenido de Materia Orgánica.
• Estructura del suelo.

Puntos Característicos de Humedad del Suelo:

• Humedad de Saturación (HSS): Contenido de humedad cuando todos los poros del suelo están llenos de agua.
• Capacidad de Campo (CC): Contenido máximo de humedad que el suelo puede retener después de haber drenado el exceso de agua por gravedad (generalmente 2-3 días después de una lluvia intensa). Es el límite superior del agua útil para las plantas.
• Punto de Marchitez Permanente (PMP): Contenido de humedad con el cual las plantas se marchitan de forma irreversible, ya que no pueden extraer más agua del suelo. Es el límite inferior del agua útil.

Agua Útil (AU) = CC - PMP

Medición Humedad del Suelo:

• En base a peso (Método gravimétrico: secado en estufa).
• En base a volumen (Método volumétrico).
• Por lámina de agua (expresado en mm de agua por profundidad de suelo).

Aparatos para medir la humedad del suelo:

• Tensiómetros (miden la tensión o potencial mátrico del agua en el suelo).
• Métodos Gravimétricos (muestreo y pesaje antes y después de secar).
• Sonda de neutrones (mide la dispersión de neutrones por el hidrógeno del agua).
• Sensores dieléctricos (TDR, FDR).
• Estimación al Tacto (método práctico pero subjetivo).

Balance hídrico

Contabiliza las entradas y salidas de Agua en un sistema (suelo, cuenca):

• En el aire (humedad atmosférica).
• En los seres vivos (Plantas: transpiración).
• En el suelo (almacenamiento, infiltración, percolación).

Evapotranspiración potencial (ETP): Es la cantidad máxima de agua que podría evaporarse desde una superficie de suelo cubierta de vegetación y transpirarse por las plantas si hubiera suficiente agua disponible en el suelo y las condiciones climáticas fueran las dadas. Representa la demanda atmosférica de agua.

Evapotranspiración real (ETR): Es la cantidad de agua que se evapora y transpira realmente desde el suelo y las plantas, limitada por la disponibilidad de agua en el suelo. ETR ≤ ETP.

Datos necesarios para calcular el balance hídrico (simplificado):

• Datos del cultivo (coeficiente de cultivo Kc, fases fenológicas).
• Evapotranspiración Potencial (ETP) o de referencia (ETo).
• Capacidad de retención de agua del suelo (Agua Útil: CC - PMP).
• Precipitaciones efectivas.
• Humedad inicial del suelo.

El Clima y la Producción Animal

Uso de información meteorológica para mantener o mejorar el proceso productivo animal. Campo de estudio: BIOMETEOROLOGÍA ANIMAL.

Como las plantas, los animales responden a los cambios meteorológicos y climáticos.

Factores Meteorológicos que afectan a los animales:

• Temperatura del aire (estrés por calor o frío).
• Humedad relativa (potencia el efecto de la temperatura).
• Radiación (solar directa e indirecta, terrestre nocturna).
• Velocidad del viento (aumenta la pérdida de calor).
• Precipitación.

Impactos del clima en la producción animal:

Directos:

• a) Salud y Bienestar animal (confort térmico, enfermedades).
• b) Performance productiva (Crecimiento, producción de leche, lana, huevos, reproducción).

Indirectos:

• a) Disponibilidad de alimento (crecimiento y producción de pasturas/forrajes).
• b) Calidad del alimento (composición nutricional afectada por el clima).
• c) Incidencia de parásitos y enfermedades vectoriales.