Temperatura del Suelo y Microclimatologa

Publicado porJuan Jos Ibezel21 enero, 2008Lamicroclimatologaesdefinida en el enlace mentado comola ramade la meteorologa aplicada que estudia el influjo que ejercen, el crecimiento de las plantas y la constitucin del suelo, en el clima de la regin. Se trata de una definicin entre otras muchas, y con la que realmente discrepo en varios aspectos aunque nos puede servir para comenzar. Hemos hablado en diversos post delagua(ver categoras sobre Componentes, Estructuras y ProcesosyZona Crtica Terrestre junto con la Hidroedafologa) y de laatmsfera del suelo.Pero que decir de la temperatura Veamos que puedo comentaros, comenzando por que lasvariaciones diarias y estacionalesde la temperatura del suelo, respecto a la que existe sobre l,se amortiguan rpidamente con la profundidad, de tal modo que el medio edfico acta como tampn frente a la variabilidad de la temperatura atmosfrica del lugar. Me sorprende que se encuentre unaabundante informacin sobre la temperatura de la superficie del suelo y muy poca conforme descendemos a lo largo del perfil. Esta variablees enormemente importante a la hora deexplicar la vida en el suelo, as como una pltora dereacciones biogeoqumicasque ocurren en su seno, por cuanto juntocon la humedad y oxigenacin, ejercen una notable influenciasobre aquellas.Sin embargo, desde otro punto de vista,resultan chocantes las declaraciones de muchos expertos sobre cambio climtico acerca de las repercusiones del calentamiento climtico en el medio edfico. La bibliografa actual comienza a estar repleta de barbaridades en esta materia.Conforme descendemos en profundidad, y salvando algunas excepciones que luego comentaremos,las fluctuaciones diarias y estacionales de la temperatura del suelo se reducen rpidamente hasta que a un metro o dos de profundidad, suelen ser desdeables. Recordemos quea esa distancia de la superficie aun viven muchos microorganismos, tienen lugarnumerosas reacciones biogeoqumicasy se desarrollan profusamente lossistemas radicales de las plantasQu significa tal hecho? Simplemente queel suelo es un medio muy refractario a las fluctuaciones de temperatura, por lo que su ambiente trmico resulta ser extremadamente regular y estable para el desarrollo de la vida y el metabolismo edfico. En este post hablaremos por tanto de la temperatura del perfil edfico, tocando de refiln la microclimatologa. Se trata deun post para jvenes estudiantes, aunque no vendra mal que lo leyeran algunos colegas que trabajan en cambio climtico (esperemos que se les refresquen las ideas).Cambio de la temperatura del suelo con la profundidadSirealmentedeseara abordar el tema de la temperatura del suelo desde un punto de vista agronmico no existira mayor problemapara escribir un post. Perocuando pretendo hablaros de los perfiles de temperatura conforme profundizamos en un suelo, as como de sus repercusiones sobre la biota, la cosa se pone mucho ms fea. He buscado en Internet durante muchas horas y no he logrado encontrar casi nada. Es cierto que se nos habla decalor latente, sensible, y otras variables relevantes. Pero entraramos a escribir un post muy tcnico,mientras lo que yo deseaba era algo sencillo para los estudiantes. El tema tiene ms enjundia por cuanto durante un ao colabor con un microclimatlogo, recuerdo aquellos datos, pero no encuentro ni este ni otro material por ningn lado. Aos despus pas un verano midiendo temperaturas hasta un metro de profundidad. Sin embargo no atesoro personalmente los resultados. Se los di a aqul climatlogo (que me haba cedido el instrumental) y jams volv a saber nada de ellos.La cobertura vegetal afecta notablemente a la temperatura superficial del suelo, por cuanto disminuye por la accin directa de los rayos solares, como puede observarse en lasdos figuras de abajo (suelo con vegetacin y denudo).Fluctuaciones superficiales en suelo con vegetacinFluctuaciones superficiales en suelo desnudoObviamente,con la temperatura ocurre lo contrario que con la hidrologa de los suelos:la primera es bastante establesalvo en los centmetros superficiales,mientras que la segunda vara ampliamente, por lo general (aunque tambin se producen excepciones, como en los suelos permanentemente encharcados, o en los ambientes hiperridos, habitualmente secos durante varios aos consecutivos).Adems de la profundidad, la composicin de los materiales del suelo resulta tener una notable influencia, por cuantosegn su naturaleza difieren a la hora de trasmitir el calor. El agua o humedad del sistema edfico,en un momento dado,como veremoses otro elemento a tener en cuentadebido a que posee sus propias peculiaridades a la hora de conducir el calor. Como describenJaume Porta y colaboradores. En sulibro Edafologa:El calor puede ser transmitido de un compartimento al otro del suelo o intercambiado con la atmsfera, por diversos procesos, los ms importantes son,la conduccin, la conveccin, la radiacin, la evaporacin y la condensacin de agua(.).el flujo de calor tienelugar por distintos mecanismos en simultneo y adems suele ir asociado al flujo de agua () El estudio del comportamiento trmico de un suelo requiere introducir las propiedades trmicas que intervienen en l, que son las de sus componentes, variando adems con el contenido de agua, la granulometra de los materiales y la forma en la que se agreguen ()La capacidad calorfica o capacidad del suelo para almacenar calor por unidad de volumen o de masa y unidad de temperaturapuede expresarse como: ()Los componentes slidos del suelo tienen calores especficosmuysemejantesentre ellos,y difieren considerablemente de la materia orgnica y del agua, siendo despreciable el del aire.Digamos en este sentido que,la capacidad calrica Cde cualquier sustancia se define como la cantidad de energa calrica que se requiere para elevar la temperatura de la sustancia en un grado Celsius.Luego Porta y coautores muestran como la capacidad calorficade laarcillay el cuarzoson prcticamente iguales, pero inferiores a la de loscomponentes orgnicosy estos que la delagua(aunque la delhieloes ligeramente inferior a la de cuarzo y arcillas).Los autores siguen a continuacin exponiendo un material mucho ms tcnico, para continuar sealando que:La radiacin solar calienta la superficie del suelo durante el da y esta se enfra a lo largo de la noche. Los datos experimentales han puesto de manifiesto quela variacin de temperatura sigue un modelo sinusoidal. Laamplitud no es constante, sino que existe un efecto de amortiguamiento en funcin de la profundidad. La profundidad mxima de penetracin es aquella a la que la amplitud es 1/100 de la amplitud de la superficie del suelo. Por lo general, se consideraque la parte del suelo situada a 50 cm o ms solo se ve afectada por las oscilaciones estacionales de temperatura, pero no por los cambios a lo largo del da. Por ello se toma la profundidad de 50 cm como referencia para establecer el rgimen de temperatura del suelo ()Porta y colegas nos hablan de los regmenesconsiderados por la taxonoma americana de suelos. Tras un texto muy arduo, para los ms jvenes,Porta enfatizaun hecho de importancia. Debido a quelas soluciones del suelo son salinas y estas alteran la conductividad elctrica(aspecto que vimos en lospost dedicados a suelos salinos, ya que este proceso es utilizado para estimar la salinidad), debe tenerse en cuenta tal hecho a la hora de estimar los flujos de calor dentro en el medo edfico. Carlos Dorronsoroy sus colaboradores nos dicen entre otras cosas interesantes en su curso on-line sobre edafologa(por lo tanto es mejor pinchar el enlace y analizar all el texto completo y las grficas que proporcionan):El suelo recibelas radiaciones procedentes del Sol y se calienta. Su temperatura depende de como lleguen las radiaciones a la superficie (humedad atmosfrica, transparencia, nubosidad, precipitaciones, vientos, topografa, cobertera vegetal, etc.) y de como el suelo las asimile (humedad, color, calor especfico, conductividad, etc.) (figura).La temperatura del suelo est directamente relacionada con la temperatura del aire atmosfrico de las capas prximas al suelo. Latemperatura del suelo, como la del aire, est sometida a cambios estacionalesydiurnos.Estas oscilaciones se van amortiguando hacia los horizontes profundos. La distribucin de la temperatura con la profundidad constituye el perfil trmico.La temperatura del suelo es una medida de la que se dispone de muy pocos datos. Se acepta que la temperatura del suelo a 50 centmetros de profundidad es equivalente a la del aire atmosfrico ms 1 grado centgrado.Si miris las grficas del sucurso on-line sobre edafologade la Universidad de Granadacomprenderis hasta que punto el suelo amortigua las temperaturas de la atmsfera emergida, por lo que los organismos que viven a ms de 50 cm de profundidad lo hacen bajo unclima(edafoclima)muy temperado (a no ser que se den circunstancias especiales como las que acaecen en las zonas subpolares, es decir un fro tan intenso y prolongado que da lugar a la gnesis de lospermafrost). Debemos tambin tender en cuenta que en los muchos tipos de suelos que presentan horizontes arglicos(por ejemplo), puede permaneceragua tildurante todo o casi todo el ao. Pensar, como ya vimos en otrospost que las races de las plantaspenetran con creceshasta estas profundidades y ms. Con todo ello en la cabeza, no debe extraar queen ambientes estacionales contrastados(como lo es elmediterrneo), parte de sumicrofauna y microflora descienda pasivamente con el frente de humectacin hacia horizontes no superficiales en los periodos ms desfavorables del ao, ya sea por fro intenso o por calor y sequedad extremas. Seguidamente, cuando el clima de la superficie sea ms benigno tendern a ascender a los horizontes superficiales, comoAntonio Bello y Mara Arias(CCMA, CSIC) demostraron, para le perplejidad de los bilogos del suelo de la Europa templada.

Cambio de la temperatura del suelo con la profundidadVeamos algunos aspectos que podemos extraer da la informativapgina Web deJuan de Inzuzua, que tambin os recomiendo para los que busquis informacin ms tcnica acerca de la meteorologa, climatologa y bioclimatologa (Unidad 6 Biofsica 7):El suelo no es un verdadero slido, sino queconsta de partculas individuales y agregados, junto con aire, agua o hielo.La conductividad de un bloque de suelo no es constante, sigue la secuencia: mineral > agua > aire, depende de varios factores como: a)la conductividad de las partculas del material del suelo;b)el tamao de las partculas del suelo;c)la compactacin de la mezcla, es decir la porosidad y el grado de contacto entre partculas;d)la humedad del suelo.Si la superficie del suelo se calienta su temperatura aumenta y se transfierecalor hacia abajo por conduccin. Como cada capa recibe calor, su temperatura aumenta, pero el punto hasta el cual aumentadepende de la capacidad de calor de la unidad de volumen del suelo, lo que a su vez depende del calor especfico del material. El agua tiene el calor especfico ms altode las sustancias comunes, por lo que el aumento de temperatura ser menor que para igual volumen de cualquier otro material. Esto significa queel calor especfico de un volumen de suelo aumenta con el contenido de agua. Tambin vara con ladensidad del suelo. El calor especfico grande del agua es responsable de las temperaturas moderadas que se encuentran en regiones cercanas a grandes masas de agua. Por ejemplo, al descender la temperatura de la masa de aire en el invierno, se transfiere calor del agua al aire, el cual a su vez transporta calor hacia la tierra si los vientos son favorables.En agriculturason los cambios de temperatura ms que el flujo calrico los que tienen gran importanciapara las partes subterrneas de las plantas, y esto se halla determinado por ladifusividad trmicaK:Dentro del suelo pueden tener lugar la evaporacin, la condensacin y movimientos del vapor de agua, y para un suelo inicialmente muy seco, ladifusividadpuede aumentar en un orden de magnitud cuando, se le aade una pequea cantidad de agua, dado que cantidades de calor relativamente grandes se transfieren por evaporacin y condensacin del agua de los poros. La adicin de aguaa un suelo seco conduce al reemplazo del aire de los poros celulares por agua y aun mejoramiento del contacto trmico entre partculas adyacentesresultando ambos procesos enel aumento dela difusividad trmica y laconductividad trmicaaumenta. ().4.6 Variacin diurna y anual de la temperatura del suelo a diferentes profundidades.El tema ser tratado desde el punto de vista de la transmisin de unpulso de calordesde la superficie hacia abajo, pero los mismos principios son aplicables a los casos en que, la capa superficial se enfra y el calor fluye, y por lo tanto lasondas trmicasse desplazan, desde las capas inferiores hacia la superficie. El aumento de temperatura en cualquier nivel del suelo, despus que recibe energa en la superficie ser:Mayor y tendr lugar ms rpidamente, cuanto ms grande sea el pulso de calor en la superficie; peroMenor cuanto mayor sea lacapacidad calricavolumtrica,C=rc.Las observaciones de temperatura, aun cuando slo sean realizadas en un perodo limitado a un ao, revelan claramente que:a)existe una variacin diurna de la temperatura en superficie, que se extiende hasta una profundidad de alrededor de un metro, debajo de la cual las variaciones son demasiado pequeas como para medirlas con un equipo convencional;b) sta se superpone a una variacin estacional en fase con las estaciones.Suponiendo una profundidad de suelo suficiente, la variacin estacional se hace desestimable a profundidades entre 5 m a 20 m, segn las condiciones y el tipo de suelo. Se podra admitir como razonable una cifra promedio de entre 7 a 10 m de profundidad;c) Las observaciones de la variacin diaria y ms aun de la variacin estacional de la temperatura del suelo, demuestran que: (i)la amplitud de la fluctuacin disminuye al aumentar la profundidad; (ii) con el aumento de profundidadlos instantes en que se registran el mximo y el mnimo se producen con retardo creciente respecto de los de superficie. Esto se muestra ms claramente en la curva anual, y con menor nitidez en la curva diaria. ()Al tiempo que se registra la mxima temperatura en superficie, habr un desfase en el tiempo respecto de la hora en que se produce el mximo en profundidad. Lo mismo vale para el ciclo anual. ()La temperatura del suelo puede ser un factor limitante para la germinacin de la semilla, crecimiento de las races, desarrollo de los tubrculos, descomposicin de la materia orgnica dentro del suelo y por lo tanto para la cantidad de dixido de carbono que pasa del suelo a la capa planta-aire y de sta a la atmsfera.La evapotranspiracin, la temperatura del aire cercano a la tierra y su variacin diaria se ven influenciadas por las propiedades fsicas de las capas del suelo ms prximas a la superficie, como as tambin por diferentes tipos de cubiertas naturaleso artificiales del mismo.La germinacin de las semillas requiere de temperaturas mnimas dealrededor de 1 3 C, optimas quepueden variar entre 15 y 28 C segn las semillasy mximas quegeneralmente son de 30 C. Estos rangos definen lasfechas de siembra().un pequeo aumento de la temperatura del suelo por encima de la temperatura mnima da como resultado un importante acortamiento del tiempo que tarda la planta en emerger (emergencia). Al contrario, la reduccin del tiempo es mucho menor a temperaturas altas.Calor y energa trmicaLa palabracalorse debe usar slo cuando se describe la energa que se transfiere de un lugar a otro.Flujo de calores la transferencia de energa que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias en la temperatura solamente. Laenerga internaes la energa que tiene un cuerpo debido a su temperatura. En los gases es energa cintica en escala microscpica, mientras ms grande es la temperatura del gas mayor es su energa interna.3.2Flujo de calor sensible y latente.Recordaremos algunas observaciones sencillas sobre los cambios de calor y temperatura. Si se pone al fuego un vaso con agua fra, la temperatura del agua aumentar; este calor que produce el cambio de temperatura se llamacalor sensible. Se puede seguir entregando calor hasta que el agua hierva; cuando esto ocurre no aumenta ms la temperatura y el calor entregado se emplea en evaporar el agua. Este calor ya no esta presente como calor sensible, se llamacalor latente(de evaporacin). Este calor puede ser posteriormente recuperado como calor sensible si el vapor se condensa. Otro ejemplo: si se pone en una habitacin clida un vaso con hielo, su temperatura aumentar, pero cesar cuando se alcance el punto de fusin, mantenindose en este punto fijo la temperatura en 0C hasta que se derrita todo el hielo.- El calor empleado durante la fusin es elcalor latente(de fusin) y se puede recuperar como calor sensible si el agua se congela.Si no hay cambio de fase se tiene calor sensible; la ganancia o perdida de calor en los cambios de fase se llama calor latente (de fusin, vaporizacin, condensacin, etc).En la atmsfera continuamente se encuentran procesos de evaporacin y condensacin en la formacin de nubes y procesos de fusin ligados a la formacin cristales de hielo, nieve y granizo.Gracias aJuan de Inzuzua, he podido ir refrescando conceptos como los de calor latentes, sensible, etc., que hace ms de 20 aos que no revisaba. Esperemos que como Jaime Portano se nos enfaden, por cuanto sus textos son para estudiantes universitarios, y por lo tanto ricos en formalismos matemticos, no para jvenes que carecen de tal instruccin previa. No creo pues restarles lectores, ya que los universitarios que nos visiten se encontrarn obligados o a visitar su magnifica pgina Web o a leer su ms que documentado libro, respectivamente. Y eso les recomendamos, ya que sus profesores se lo demandarn. Tan solo pretendemos explicar conceptos bsicos.Para finalizar recordemos quees cierto que la variacin diurna de la temperatura del suelo es aproximadamente sinusoidal, as como que su amplitud decrece rpidamente en profundidad. Del mismo modo, el momento dela mxima y la mnima se desplaza con el tiempo, existiendo un retrazo en la medida que la onda trmica tarda en penetra en el suelo (efecto de retardo). Entre 30 y 40 cm la mxima ocurre alrededor de 12 horas despus de la mxima en superficie. La variacin anual de la temperatura tiene una forma similar a la variacin diurna pero con menor frecuencia y una mayor profundidad de atenuacin.Ahora bien, debemos tener presente que (i) las propiedades trmicas del suelo cambian con la profundidady (ii)la variacin de la temperatura en superficie no es necesariamente sinusoidalhttp://www.madrimasd.org/blogs/universo/2008/01/21/82825