UNIVERSITATEA DE ŞTIIN ŢE AGRICOLE

ŞI MEDICIN Ă VETERINAR Ă “I. I. de la BRAD” IA ŞI

Sef.lucr. drd. N. Cojocaru

Prof.dr. Servilia Oancea

BIOFIZICA

SI

AGROMETEOROLOGIE

(SUPORT DE STUDIU I.D.)

- 2014 -

2

3

I. BIOFIZICA Pag. Introducere U.I.1. Noţiuni de biofizica fluidelor 6 1.1. Noţiuni introductive. 6 1.2. Fenomene de suprafaţă şi de contact. 8 1.2.1. Tensiunea superficială. 8 1.2.2. Capilaritatea si adsorbţia. 9 1.3. Fenomene moleculare de transport. 10 1.3.1. Difuzia simplă. 11 1.3.2. Osmoza directă. 13 U.I.2 Noţiuni de termodinamică biologică 18 2.1. Principiul zero. Temperatura. 19 2.2. Principiul I . 21 2.3. Principiul al II-lea. 23 2.4. Principiul al III-lea. 25 2.5. Termodinamica sistemelor biologice (deschise) 26 U.I.3 Noţiuni de bioenergetică 29 3.1. Transport pasiv şi actriv prin membranele vii. 29 3.2. Transportul prin membrane. 30 3.3. Mecanisme (modele) de transport 33 3.4. Procese de transformare a energiei 35 3.4.1. Procesul din cloroplast 36 U.I.4 Radiaţii şi radioactivitate 41 4.1. Radiaţie 41 4.2. Proprietăţile generale ale radiaţiilor nucleare. 42 4.3. Radioactivitate. 42 4.4. Surse radioactive. 42 4.5. Mărimi şi unităţi pentru măsurarea efectelor radiaţiilor nucleare. 43 4.6. Proprietăţile radiaţiilor alfa, beta şi gama. 44 II. AGROMETEOROLOGIE U.I. 5 Observaţii meteorologice şi agrometeorologice 47 5.1. Introducere. 48 5.2. Reţeaua naţională de observaţii meteorologice. 49 5.3. Staţia meteorologică. 50 5.4. Platforma meteorologică. 51 5.5. Momentele efectuării observaţiilor meteorologice. 55 5.6. Observaţii agrometeorologice. 56 U.I.6 Atmosfera şi radiaţia 59 6.1. Atmosfera terestră. 59 6.2. Presiunea atmosferică 60 6.3. Variaţia presiunii atmosferice. 61 6.4. Sisteme barice. Topografie barică. 62 6.5. Radiaţia solară. 64 6.6. Radiaţia terestră şi radiaţia atmosferică. 66 6.7. Bilanţul radiativ-caloric la suprafaţa Pământului. 67 U.I.7 Temperatura solului şi a aerului 71 7.1. Temperatura solului 71 7.1.1. Măsurarea temperaturii solului. 72 7.1.2. Factori care influenţează regimul termic al solului 72 7.1.3. Propagarea căldurii în sol. 72 7.1.4. Variaţia diurnă şi anuală a temperaturii solului. 73 7.2. Temperatura aerului. 73 7.2.1. Măsurarea temperaturii aerului. 73 7.2.2. Transferul de căldură în atmosferă 74 7.2.3. Prelucrarea datelor termice. 74 7.2.4. Variaţia zilnică şi anuală a temperaturii aerului. 75

4

U.I.8 Vaporii de apă din atmosferă şi precipitaţiile. 77 8.1. Umiditatea aerului. 78 8.2. Condensarea vaporilor de apă din atmosferă. 79 8.3. Precipitaţiile atmosferice. 81 8.4. Evaporarea şi evapotranspiraţia. 82 8.4.1. Evaporarea. 82 8.4.3. Evapotranspiraţia. 84 U.I.9 Clima României 89 9.1. Vremea şi mersul vremii. 90 9.1.2. Fronturi atmosferice. 91 9.2. Clima Europei. 94 9.3. Circulaţia generală a atmosferei în România. 96 9.3.5. Unităţi agroclimatice. 98 9.3.6. Unităţi fenologice. 100 U.I. 10 Influenţa factorilor climatici asupra creşterii şi dezvoltării plantelor 10.1. Temperatura. 10.2. Lumina. 10.3. Apa. 10.4. Vântul U.I. 11 Accidente climatice (Fenomene meteorologice dăunătoare agriculturii) 11.1. Ingheţurile. 11.2. Grindina. 11.3. Seceta. 11.4. Excesul de umezeală. Bibliografie Răspunsuri la testele de autoevaluare

5

PARTEA I-A

B I O F I Z I C A

6

Unitatea de învăţare 1. NOTIUNI DE BIOFIZICA FLUIDELOR

CUPRINS (U.I.1) Pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.1) 6 Instrucţiuni (U.I.1) 6 1.1. Noţiuni introductive. 6 1.2. Fenomene de suprafaţă şi de contact. 8 1.2.1. Tensiunea superficială. 8 1.2.2. Capilaritatea si adsorbţia. 9 1.3. Fenomene moleculare de transport. 10 1.3.1. Difuzia simplă. Clasificarea membranelor 11 1.3.2. Osmoza directă. 13 Teste de autoevaluare (1) 16 Lucrări de verificare (1) 16 Rezumat (U.I.1) 17 Bibliografie (U.I.1)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.1) Obiectivul acestei unitaţi de învătare este definirea unor fenomene moleculare in fluide (lichide si gaze), explicarea legilor care le guvernează si a rolului acestora in organismele vii (cu accent pe plante), mediul apos fiind cel in care se desfasoara procesele care caracterizează un organism viu. Dupa studiul acestei unitaţi de învăţare, studentul va avea competenţe să: - înţeleagă şi să explice ce sunt cateva fenomene de suprafaţă şi de contact , anume tensiunea superficială, capilaritatea şi adsorbţia, împreuna cu rolul şi importanţa acestora în lumea vie; -înţeleagă şi să explice ce sunt fenomenele de difuzie şi de osmoză, fenomen fundamental în celule şi ţesuturi, dar şi utilizat în unele procese tehnologice. Instrucţiuni (U.I.1) Aceasta unitate de învăţare cuprinde noţiuni introductive despre fluide, necesare pentru studiul fenomenelor de suprafaţă şi de contact şi al celor moleculare de transport precum şi o clasificare a membranelor, necesară pentru explicarea fenomenului de osmoză. Este cunoscut că substanţele tensioactive reprezintă componente importante ale săpunurilor şi ale detergenţilor şi că acestea reduc tensiunea superficială favorizand prin aceasta o suprafată de contact mai mare cu obiectul de curăţat. Mai puţin cunoscut este faptul că în agricultură, în compoziţia substanţelor administrate foliar (ingrasaminte foliare, ierbicide, fungicide), pe langă substanţele necesare pentru producerea efectului dorit, intră şi componente tensioactive care au rolul de a face ca picatura de lichid sa aibă o suprafaţă de contact cat mai mare cu frunza. Ar fi de remarcat că fenomenul de capilaritate îşi face efectul la contactul între un (perete) solid si un lichid, şi că nu este neaparat necesară prezenţa unor tuburi capilare pentru apariţia unor probleme determinate de capilaritatea crescută! Legat de capilaritate, trebuie retinut ca termenii "liofil", şi "liofob" sunt folosiţi pentru a caracteriza comportarea corpului solid nu a lichidului! Astfel, nu este de mirare ca un solid poate fi liofil faţă de un lichid, liofob sau indiferent faţă de alt lichid! Difuzia este un fenomen care are loc prin membrane permeabile dar procesul de difuzie nu impune existenţa unei astfel de membrane; prin difuzie are loc

7

omogenizarea compoziţiei corpului, fie el gazos, lichid sau solid, evident cu viteze de difuzie diferite (vezi discuţia de la coeficientul de difuzie!) Difuzia în celule şi ţesuturi este tratată schematic, simplificat; modul în care variază (creşte/scade) concentraţia substanţei care difuzează prin membrană nu este neaparat liniar cum este considerat aici ci poate fi şi de alte tipuri, funcţie de natura membranei, de natura substanţei şi de solubilitatea acesteia în mediul membranar. Este remarcabil faptul ca prin măsuratori, întotdeauna simple, de presiune osmotica se pot determina valori ale unor mărimi fizice microscopice (aici, masa molară) prin utilizarea ecuaţiei van't Hoff. Unitatea de învăţare se încheie cu descrierea celulei vii ca sistem osmotic cu introducerea noţiunii de tonicitate. Tonicitatea este o fracţiune a presiunii osmotice; deci, intotdeauna tonicitatea este mai mică decat presiunea osmotică! Timp estimativ de studiu este de 4 ore. La sfârşitul U.I.1 se afla un set de 10 întrebări pentru autoevaluare şi 4 teme de verificare.

1.1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE Fluidele sunt substanţe care au o coeziune moleculară relativ mică, datorită

cărui fapt curg şi iau forma vasului în care sunt puse. Gazele şi lichidele (la temperaturi obişnuite) sunt fluide. Numim lichid un corp aflat într-o stare de agregare intermediară între starea solidă şi cea gazoasă. În lichide, forţele de atracţie dintre molecule au o intensitate slabă, dar mai mare decât în cazul gazelor; distanţa dintre molecule fiind mai mică decât la gaze, ele sunt foarte puţin compresibile. In cazul lichidelor este posibilă o mişcare a unei părţi a corpului faţă de altă parte a aceluiaşi corp, prin alunecarea unui strat de lichid faţă de straturile învecinate, fenomen numit curgere.

Un lichid perfect (sau ideal) este absolut incompresibil, iar alunecarea unui strat faţă de alt strat se face fără frecarea internă a straturilor între ele. Lichidele reale sunt compresibile iar curgerea lor se face cu frecare internă (proprietate numită vâscozitate). Amestecurile gazelor şi lichidelor sau amestecul lor cu unele solide sunt de asemenea fluide.

Un sistem monofazic (omogen) reprezintă acel sistem în care toate componentele sale se află într-o stare unică de agregare şi fără discontinuităţi în cuprinsul său. (Denumire echivalentă - fază).

Un sistem polifazic (eterogen) este acel sistem în care există discontinuităţi între părţile sale componente, care se pot afla în diferite stări de agregare (dar nu obligatoriu, vezi sistemul apă-ulei). Biosistemele şi părţile lor componente sunt sisteme polifazice, eterogene.

Sistemele polifazice în care una sau mai multe faze sunt discontinue şi au o interfaţă apreciabilă se numesc sisteme disperse. Faza unui sistem dispers aflată în cantitatea cea mai mare se numeşte mediu dispersiv, iar celelalte faze se numesc faze disperse sau dispersoizi.

Un amestec relativ omogen de două sau mai multe componente (substanţe), ionice, moleculare sau macromoleculare constituie o soluţie. În cazul soluţiilor, mediul de dispersie este solventul iar substanţa sau substanţele dizolvate (solvitul sau solviţii) reprezintă faza dispersă. Dispersia poate fi caracterizată printr-o mărime numită grad de dispersie (d) care arată câte particule de diametru d încap pe distanţa de 1 cm (d = 1/d cm-1). Gradul de dispersie poate merge până la moleculă.

8

După starea fizică a componentelor care participă într-o soluţie, deosebim soluţii solide, lichide şi gazoase. Soluţiile de interes biologic sunt soluţii complexe în care solventul este apa.

După mărimea particulelor dizolvate, soluţiile pot fi: ionice (electrolitice), moleculare, coloidale.

O soluţie ionică tipică este aceea de NaCl în apă. Soluţiile apoase de glucoză sau uree sunt soluţii moleculare. Soluţiile ionice şi moleculare au un grad uniform de dispersie, iar particulele lor nu sunt vizibile la ultramicroscop (au diametrul de aproximativ 10-8cm) şi sunt denumite soluţii propriuzise (sau "adevărate").

Soluţiile coloidale (coloizii) sunt sisteme disperse eterogene În cazul soluţiilor "adevărate", d = 108cm-1. soluţiile coloidale au un grad de dispersie cuprins între 107 şi 105 cm-1. Pentru 105 < d < 103 cm-1 sistemele disperse formează suspensii (particulele dispersate solide) sau emulsii (componenta dispersă lichidă).

1.2.FENOMENE DE SUPRAFAŢĂ ŞI DE CONTACT Fenomenele de suprafaţă şi de contact sunt fenomenele moleculare care apar

la suprafaţa de contact între două faze (la interfeţe). 1.2.1. Tensiunea superficială. La suprafaţa liberă a unui lichid, adică la contactul dintre faza lichidă şi

gazoasă (aer şi vaporii lichidului), moleculele din stratul superficial au o poziţie aparte în raport cu forţele moleculare care se exercită asupra lor. În timp ce o moleculă oarecare din interior este atrasă în mod simetric (egal din toate direcţiile) de către moleculele învecinate, o moleculă din stratul superficial este supusă unei atracţii notabile numai dinspre interior şi părţile laterale. De aceea, stratul de la suprafaţă se comportă ca o membrană elastică ce tinde să se strângă. Se poate considera că există o forţă tangenţială la suprafaţa lichidului care apare ca urmare a fenomenelor moleculare prezentate mai sus şi care este numită tensiune superficială. Dacă se aşează un inel pe suprafaţa liberă a unui lichid, se poate măsura o forţă de rezistenţă întâmpinată la desprindere. Această forţă este proporţională cu lungimea conturului inelului, adică

F = σ l unde coeficientul de proporţionalitate σ (litera grec. sigma) depinde de natura lichidului şi este denumit coeficient de tensiune superficială. De aici rezultă o relaţie de definiţie a coeficientului de tensiune superficială:

σ = F/l Unitatea de măsură pentru σ în S.I. este 1 Newton pe metru (N/m); unităţi tolerate: dyn/cm, erg/cm. Coeficientul de tensiune superficială poate fi definit şi prin relaţia

σ =∆W/∆S unde ∆W este energia consumată pentru mărirea (împotriva forţelor de tensiune superficială) suprafeţei lichidului cu o unitate. Unitatea de măsură SI corespunzătoare este 1 J/m2.

Coeficientul de tensiune superficială al unui lichid depinde de temperatură, iar pentru soluţii de:natura solventului, natura şi concentraţia solvitului. În ceea ce priveşte influenţa solvitului asupra coeficientului de tensiune superficială σ0 al solventului sunt posibile trei cazuri (σ fiind coeficientul de tensiune superficială al soluţiei):

9

- substanţa dizolvată nu modifică tensiunea superficială a solventului σ = σ0 , ca în cazul soluţiei de zahăr în apă de exemplu; - solvitul măreşte tensiunea superficială a solventului σ > σ0, ca în cazul soluţiilor apoase de electroliţi; - solvitul micsorează tensiunea superficială a solventului σ < σ0 , ca pentru soluţiile apoase ale substanţelor organice polare (alcooli, acizi organici, aldehide, amine cu grupările polare, respectiv, -OH, -COOH, -CHO, -NH2; aceste substanţe sunt denumite tensioactive.

Tensiunea superficială determină evoluţia unui sistem (corp în stare lichidă) spre o stare de echilibru caracterizată printr-o energie minimă: datorită acestor forţe, două picături tind să se contopească; picătura mai mare care rezultă, având un raport suprafaţă/volum mai mic, va fi caracterizată printr-o energie de suprafaţă mai mică.

Tensiunea superficială determină forma, în general, sferică a celulelor libere. Celula poate avea şi o altă formă, dar menţinerea sa se face cu consum suplimentar de energie.

Unele animale (mai ales insecte) folosesc pentru susţinere şi locomoţie proprietăţile elastice ale stratului superficial al apei.

1.2.2. Capilaritatea şi adsorbţia La contactul dintre suprafaţa unui solid şi suprafaţa liberă a unui lichid,

asupra moleculelor din stratul superficial al lichidului, pe lângă forţele de coeziune dintre moleculele sale, mai acăţionează şi o forţă de atracţie din partea peretelui solid numită forţă de adeziune. Ca rezultat al acţiunii acestor două forţe, suprafaţa liberă a lichidului devine sferică în vecinătatea suprafeţei peretelui solid.

Unghiul între tangenta la suprafaţa lichidului într-un punct de contact cu peretele solid şi perete poartă numele de unghi de racord sau unghi de margine (θ). Atunci când rezultanta Fc a forţelor de coeziune - îndreptată spre interiorul lichidului - este mai mare decât rezultanta Fa a forţelor de adeziune la peretele solid, suprafaţa liberă a lichidului ia (în vecinătatea peretelui) o formă sferică convexă (menisc convex); se spune că lichidul nu udă pereţii vasului; în acest caz π <θ < π/2 (fig.a). Când Fc < Fa, lichidul udă pereţii vasului, suprafaţa liberă a lichidului având o formă concavă (menisc concav); în acest caz 0 <θ< π /2 (fig.b). Este posibilă şi situaţia în care suprafaţa lichidului rămâne plană şi în vecinătatea peretelui solid; în acest caz θ= π /2 (fig.c).

Solidele udate de un lichid se numesc liofile, iar cele care nu sunt udate, liofobe, iar cele care nu fac parte din una dintre aceste categorii, sunt indiferente. Un solid oarecare poate fi liofil faţă de unele lichide şi liofob faţă de altele (sticla este hidrofilă şi mercurofobă). La fel, un lichid poate să nu ude un solid, dar să ude altul (mercurul nu udă sticla dar udă cuprul).

Datorită prezenţei forţelor de tensiune superficială lichidele urcă în tuburi capilare liofile şi coboară în cele liofobe, abătându-se de la principiul vaselor comunicante cu atât mai mult cu cât raza tubului este mai mică. Înălţimea până la care urcă (sau coboară) lichidele în vase capilare cilindrice de rază r depinde şi de unghiul de racord şi este dată de legea lui Jurin:

h = 2

r g

σ θρcos

O coloană de lichid, într-un capilar, fragmentată prin bule de gaze, opune o

rezistenţă mai mare la înaintarea lichidului, deoarece trebuie învinsă, în afară de forţa de adeziune şi tensiunea superficială ce apare la nivelul fiecărui menisc realizat de bulele gazoase.

10

Rolul jucat de capilaritate în lumea vie este destul de important chiar dacă nu vom evidenţia decât două aspecte:

1) capilaritatea solului, factor indispensabil pentru reţinerea şi circulaţia apei; un sol fără capilare îşi pierde repede apa, iar distrugerea capilarităţii stratului superficial al solului - realizată prin lucrări agrotehnice - este esenţială pentru a reduce pierderile prin evaporare;

2) capilaritatea, alături de alte forţe, factor de ascensiune a sevei brute la plante. Multe plante şi animale secretă substanţe hidrofobe (ceara în cazul plantelor) pentru a micăora interacăiunea corpului lor cu apa în exces.

În mediul apos biologic, multe macromolecule de interes biologic se prezintă ca polielectroliţi, expunând mediului o serie de grupări disociate (ionizate) cum sunt: -COO-, -NH3

+, -S-, -HPO42-, etc. Aceste grupări, puternic hidrofile, atrag în jurul lor

molecule dipolare de apă. Dar, macromoleculele posedă şi regiuni cu grupări hidrofobe, nepolare (cum sunt grupările hidrocarbonice -CH) care interacţionează slab cu moleculele de apă, însă foarte puternic între ele.

Din aceste motive, macromoleculele biologice, în mediu apos, tind să se "plieze" şi să se plaseze astfel încât să expună spre mediu cât mai multe grupări hidrofile şi să "orienteze" spre zonele interioare grupările hidrofobe, evitând astfel contactul cu apa. Această "împachetare" spaţială nu este perfectă, unele grupări nepolare (hidrofobe) interacţionând slab cu apa şi realizând cu aceasta clatraţi.

În general, macromoleculele se organizează astfel încât să atingă împreună cu solventul o energie potenţială termodinamică minimă; această tendinţă fizică de minimizare a energiei guvernează atât comportarea macromoleculelor biologice, cât şi organizarea lor, până la nivelul structurilor supramoleculare şi al structurilor celulare. În conformitate cu această tendinţă se constituie toate componentele esenţiale ale celulelor: membrane, ribozomi, cromozomi, etc.

Adsorbţia. Adsorbţia reprezintă fenomenul de fixare pe suprafaţa unui solid

sau lichid a unuia sau mai multor straturi de molecule străine. Adsorbţia trebuie deosebită de absorbţie care constă în înglobarea acestora în toată masa unui solid. Fenomenul invers adsorbţiei este denumit desorbţie. Aceste două procese sunt selective şi, de acea sunt folosite pentru separarea prin desorbţie (eluţie) cu solvenţi corespunzători, a unor substanţe fixate pe o coloană de material poros sau pe o hârtie specială (metoda cromatografică de separare a amestecurilor).

1.3. FENOMENE MOLECULARE DE TRANSPORT Există o analogie perfectă între starea gazoasă a unei substanţe şi starea ei în

soluţie, moleculele unei substanţe dizolvate, ca şi moleculele unui gaz, fiind animate de mişcări dezordonate.

Moleculele gazelor, în mişcarea lor haotică, interacţionând unele cu altele, se deplasează pe distanţe considerabile. Astfel de microprocese conduc fie la un transport nemijlocit de masă (substanţă) prin molecule, fie către un transfer indirect, de la moleculă la moleculă, de energie şi impuls într-o direcţie determinată. Corespunzător acestor situaţii, distingem mai multe procese de transport: difuzia - transport de substanţă (de masă), vâscozitatea (frecarea internă) - transport de impuls, conductibilitatea termică - transport de energie cinetică (de căldură).

In cele ce urmează ne vom referi în special la fenomene de transport în lichide.

11

1.3.1. Difuzia simplă Difuzia în gaze şi lichide. Să ne imaginăm că într-un gaz care umple uniform spaţiul se găseşte un alt

gaz, a cărui concentraţie, deci şi densitate parţială, variază de-a lungul unei direcţii (de exemplu axa Ox), adică există un gradient de concentraţie (densitate) după această direcţie Aceasta înseamnă că, printr-o suprafaţă S perpendiculară pe direcţia Ox, va exista un flux al moleculelor gazului al doilea, mai mare decât în sensul opus, fenomenul constând din pătrunderea moleculelor unui gaz printre moleculele celuilalt gaz. Acest fenomen, care are loc la gaze, lichide şi solide, poartă numele de difuzie (difuzie pasivă). Condiţia necesară pentru producerea sa este prezenţa unui gradient al densităţii (concentraţiei- in cazul solutiilor) substanţei care difuzează.

0 x

≠∂∂ ρ

Generalizând, putem defini difuzia (pasivă) ca fiind fenomenul de variaţie

spontană în timp a concentraţiilor componenţilor unui sistem datorită mişcării relative (mişcarea de agitaţie termică dezordonată) a particulelor acestora, constând într-un transport de masă şi/sau de sarcină.

Procesul de difuzie pasivă stă la baza egalizării spontane a diferenţelor de presiune, de concentraţie sau de temperatură în natură, diferenţe cu care este proporţională viteza proceselor de difuzie.

Legile difuziei (legile lui Fick). Experimentele au arătat că masa transportată ca urmare a difuziei printr-o

suprafaţă S perpendiculară pe o direcţie Ox, în intervalul de timp dt este dată de legea I-a a lui Fick. Forma diferenţială a legii este:

)Sdtdx

d-D(= dm

ρ

unde D este o constantă, care depinde de natura substanţei, denumită coeficient de difuzie. Pentru lichide, de obicei, se foloseşte în locul gradientului densităţii, gradientul concentraţiei şi deci se scrie:

dm = -D(dc

dx)Sdt

Semnul minus are semnificaţie fizică, arătând că procesul se desfăşoară în sensul descreşterii concentraţiei substanţei care difuzează, în final concentraţia acesteia devenind uniformă (gradientul concentraţiei devine egal cu zero). Prin coeficient de difuzie se înţelege o mărime fizică numeric egală cu cantitatea de substanţă care străbate în unitatea de timp (viteza de difuzie - dm/dt) unitatea de suprafaţă perpendiculară pe direcţia gradientului de concentraţie, la un gradient de concentraţie egal cu unitatea. În SI unitatea de măsură pentru D este 1 m2/s. (D are valorile aproximative de 10-5m2/s la gaze şi 10-10m2/s la apă, la 20°C şi 10-11m2/spentru soluţii coloidale).

Datorită procesului de difuzie, concentraţia substanţei care difuzează într-un anumit punct al spaţiului variază în timp; pe de altă parte, gradientul concentraţiei la un moment dat variază în spaţiu.

Legea a II-a a lui Fick leagă variaţia concentraţiei în timp (dc/dt) de variaţia în spaţiu a gradientului concentraţiei (d2c/dx2): viteza de variaţie a concentraţiei este proporţională cu variaţia spaţială a gradientului concentraţiei. Expresia sa matematică este:

12

dc

dt = -D d c

dx

2

2

Difuzia în celule şi ţesuturi. Fenomenul de difuzie are un rol esenţial pentru viaţă. El intervine în

schimburile dintre organism şi mediu, respectiv în schimburile dintre celulă şi mediul său înconjurător, precum şi între diferite compartimente celulare. În lumea vie există organe "specializate pentru schimbul prin difuzie, cum ar fi branhiile şi plămânii la animale, iar la plante frunzele. La animalele inferioare, de multe ori, toată suprafaţa tegumentului este adaptată la schimbul prin difuzie; paraziţii interni îşi iau de obicei hrana pe această cale (dar este vorba de o difuzie prin membrane).

La interacţiunea sistemelor biologice cu mediul înconjurător, ca şi între părţile unui sistem biologic, sunt posibile în acelaşi grad toate fenomenele de transport. Rolul principal, ca volum de substanţă transportată, îl joacă difuzia, printre altele, între celulă şi lichidele din ţesuturi. În aceste procese este caracteristic faptul că difuzia are loc în lichide separate de bariere (membranele): celula separată de mediul exterior, sau părţi ale celulei separate unele de altele.

În cazul în care o membrană permeabilă pentru solvit separă două soluţii în care solvitul are concentraţii diferite, gradientul de concentraţie se manifestă, aproape în totalitate, numai pe grosimea membranei, deoarece vitezele moleculelor (ionilor) în membrană sunt mult mai mici decât în solvent. Dacă, în membrană – pe direcţia transversală, concentraţia solvitului variază liniar cu distanţa, atunci gradientul concentraţiei se poate scrie ca diferenţa concentraţiilor c1 şi c2 ale substanţei care difuzează, de o parte şi de cealaltă a membranei, împărţită la grosimea b a membranei (considerată permeabilă): c Membrană permeabilă c2

c1

x1 b x x2

b

cc

dx

dc 12 −=

Putem rescrie, deci, legea I-a a lui Fick sub forma:

dm

dt = - DS c

- cb

2 1

În cazul membranelor se defineşte un parametru numit coeficient de

permeabilitate a membranei P, prin relaţia:

P = D/b Se obţine astfel relaţia

dm

dt = - PS(c - c )2 1

care reprezintă prima lege a lui Fick pentru difuzia pasivă prin membrană.

13

De multe ori, solubilitatea solvitului în solvent diferă de solubilitatea solvitului în substanţa din care este alcătuită membrana. Presupunând că solvitul este de r ori mai solubil în membrană decât în solvent, concentraţia lui în membrană este de r ori mai mare decât în solvent. În acest caz legea I-a a lui Fick devine:

)( 12 ccPSrdt

dm −−=

Cazul special al difuziei prin membrane neegal permeabile pentru toate substanţele va fi tratat în cele ce urmează.

Acest transport de substanţă, prin membrana permeabilă, de la o concentraţie mai mare către o concentraţie mai mică (în sensul gradientului concentraţiei) este un transport pasiv de substanţă. În sistemele biologice, pătrunderea substanţelor prin membrane poate avea loc şi în direcţie opusă gradientului concentraţiei (transport activ sau difuzie constrânsă). Pot difuza nu numai particule neutre (atomi, molecule) ci şi încărcate electric (ioni, electroni), difuzia ultimelor depinzând nu numai de diferenţa între concentraţii ci şi de câmpul electric. Este util de amintit că difuzia ionilor constituie cauza apariţiei biopotenţialelor. Fenomenul de difuzie prin suprafeţe şi membrane este esenţial pentru respiraţie. La plante respiraţia se face prin întreaga suprafaţă a frunzelor, adaptate pentru schimbul de gaze prin difuzie (coeficientul de difuzie pentru CO2 este de 5 ori mai mare decât cel pentru N2 şi de 2 ori mai mare decât cel pentru O2). Existenţa unor fluxuri de difuzie foarte mari pentru CO2 (datorită coeficientului de difuzie mare) este importantă pentru biosisteme: acesta constituie produsul principal de catabolism al animalelor şi al plantelor, se elimină uşor din organisme, iar, pe de altă parte, este folosit ca materie primă în procesul de fotosinteză, uşor de preluat (prin difuzie) din aerul atmosferic. Deasemenea difuzia intervine şi în procesul de nutriţie.

Clasificarea membranelor. Membranele se pot clasifica în trei mari categorii:

- membrane impermeabile; - membrane permeabile (la orice substanţă şi în ambele sensuri); - membrane selectiv permeabile (permit trecerea numai a anumitor substanţe). Membranele selectiv permeabile se pot grupa în două categorii: - membrane semipermeabile (permit trecerea numai a solventului); - membrane ireciproc permeabile (permeabile la solviţi, dar numai într-un singur sens). Membranele semipermeabile pot fi: - naturale sau - artificiale. Membranele semipermeabile naturale pot fi: - celulare; - monocelulare; - pluricelulare. În cazul organismelor vii se întâlnesc membrane permeabile şi selectiv permeabile, reprezentând bariere biologice de complexităţi diferite. Membranele biologice sunt caracterizate prin permeabilităţi foarte mari pentru molecula de apă, mult mai mari decât pentru orice moleculă polară (deoarece macromoleculele sale componente se află în stări hidratate). Deasemenea, membranele biologice au permeabilităţi mari şi pentru alte molecule şi ioni (glucoză, K+ , Na+ , Cl- ).

1.3.2. Osmoza directă Presiunea osmotică. Membranele biologice nu sunt permeabile în egală

măsură pentru toate substanţele. De aceea ele sunt numite membrane selectiv permeabile (sau semipermeabile). Membrana semipermeabilă este o membrană care lasă să treacă prin ea moleculele solventului, dar este impermeabilă pentru solvit (substanţa dizolvată).

14

Dacă în vasul A se pune o soluţie concentrată, iar în vasul B apă (sau o soluţie mai puţin concentrată), atunci moleculele solventului din B şi din A vor începe să pătrundă prin membrana semipermeabilă (M) în vasul A şi, respectiv B. Datorită diferenţei de concentraţie, va exista un transport net din vasul B către vasul A. Dacă nu este împiedicată de cauze externe, fenomenul continuă până la egalarea concentraţiilor. Acest fenomen poartă numele de osmoză directă.

Prin osmoză directă se înţelege fenomenul de difuzie pasivă a moleculelor de solvent ale unei soluţii printr-o membrană semipermeabilă.

Pentru soluţii nu prea concentrate, substanţa dizolvată se comportă, în interiorul lichidului, ca un gaz într-un spaţiu închis. Ca şi gazul, substanţa dizolvată are tendinţa de a se destinde sau de a difuza, ocupând tot spaţiul care îi stă la dispoziţie, adică volumul lichidului. Cum moleculele substanţei dizolvate nu pot depăşi, în mişcările lor, suprafaţa soluţiei în care se află, ele vor exercita asupra acestei suprafeţe o presiune, o împingere (grecescul osmos = împingere), aşa cum moleculele unui gaz exercită o presiune asupra pereţilor vasului în care este închis. Volumul lichidului fiind -practic- invariabil, presiunea exercitată de substanţa dizolvată nu poate fi pusă în evidenţă în afara lichidului, tot aşa cum nu poate fi simţită presiunea unui gaz închis într-un vas cu pereţi groşi.

Presiunea pe care o exercită o substanţă dizolvată în interiorul unei soluţii se numeşte presiune osmotică.

Presiunea osmotică poate fi pusă în evidenţă la limita de separare, cu o membrană semipermeabilă, a două soluţii de concentraţii diferite, suprapuse, sau la limita de separare a unei soluţii de solventul pur. Dispozitivul cu ajutorul căruia poate fi pus în evidenţă fenomenul este numit osmometru.

În osmometrul prezentat, apa difuzează prin membrana semipermeabilă din soluţia mai diluată spre soluţia mai concentrată, cu tendinţa de a o dilua; nivelul în vasul superior (1) creşte. Procesul continuă până ce presiunea hidrostatică exercitată de coloana de lichid formată (p = rgh) în vasul 1 echilibrează presiunea osmotică; după aceasta osmoza încetează. Presiunea hidrostatică care stopează osmoza constituie o măsură a presiunii osmotice.

În cazul soluţiilor moleculare (neelectrolitice) diluate, presiunea osmotică este egală cu presiunea pe care ar exercita-o substanţa dizolvată dacă s-ar găsi în stare de gaz (ideal), la temperatura soluţiei, şi ar ocupa un volum egal cu al acesteia, având un număr de moli egal cu cel al substanţei dizolvate. În acest caz presiunea osmotică p este dată de ecuaţia (van't Hoff):

RTc

µπ =

sau CRT=π unde: c=m/V este concentraţia masică a substanţei dizolvate; m este masa molară a acesteia; R este constanta universală a gazelor; T este temperatura absolută a soluţiei. C = n/V este concentraţia molară a substanţei dizolvate.

Presiunea osmotică p variază direct proporţional cu concentraţia molară (deci cu numărul de molecule/particule din unitatea de volum) şi cu temperatura absolută, nu depinde nici de natura solventului şi nici de cea a substanţei dizolvate. Soluţia care conţine un număr de particule osmotic active egal cu numărul lui Avogadro este denumită soluţie osmolară. În cazul particular când solvitul este alcătuit din molecule nedisociate, soluţia osmolară este aceeaşi cu soluţia molară.

Presiunea osmotică a unei soluţii osmolare este de 22,4 atm (la 0°C). Ecuaţia van't Hoff permite determinarea masei molare a substanţelor prin

măsurători relativ simple de presiune osmotică

15

µπ

=mRT

V În cazul în care moleculele substanţei dizolvate disociază (soluţii ionice sau

electrolitice), din cauză că numărul ionilor este mai mare decât al moleculelor disociate, p este mai mare, ecuaţia se corectează cu un factor i:

RTc

iµ

π = sau iCRT=π

unde i = 1- a(1+p) a = (nr. de molecule disociate)/(nr. de molecule dizolvate) = grad (indice) de disociere p = numărul de ioni în care disociază o moleculă.

De asemenea, ecuaţiei i se aplică corecţii şi pentru soluţii macromoleculare şi pentru soluţii mai concentrate.

Legile presiunii osmotice. Aceste legi au fost deduse teoretic de către van't Hoff şi stabilite

experimental de Pfeffer.

a) Legea Boyle-Mariotte. La creşterea concentraţiei c a unei soluţii, creşte şi presiunea osmotică p, dar în aşa fel încât, pentru aceeaşi temperatură, raportul p/c rămâne constant. Cu alte cuvinte, presiunea osmotică a unei soluţii, la temperatură constantă, este proporţională cu concentraţia soluţiei. În cazul a două soluţii ale aceleiaşi substanţe, la aceeaşi temperatură, raportul presiunilor lor osmotice p1 şi p2 este direct proporţional cu raportul concentraţiilor c1 şi c2. b) Legea lui Charles. Presiunea osmotică a unei soluţii creşte liniar cu temperatura:

π π α π α = (1 + t) = T0 0 unde p0 şi p sunt presiunile osmotice la 0 ºC şi, respectiv, la temperatura t ºC. c) Legea lui Avogadro. Volume egale de soluţii diferite care au aceeaşi presiune osmotică şi se găsesc la aceeaşi temperatură, conţin acelaşi număr de molecule de substanţă dizolvată.

Celula vie ca sistem osmotic. Două soluţii ideale, de molaritate egală, au aceeaşi presiune osmotică; se

spune că soluţiile sunt izoosmotice. În cazul celulelor vii, membranele fiind selectiv permeabile, trebuie să se ţină seama numai de acea parte a presiunii osmotice datorată moleculelor pentru care membrana este impermeabilă. Această fracţiune a presiunii osmotice este denumită tonicitate. Din punct de vedere osmotic, o soluţie poate fi faţă de alta, izotonică (are aceeaşi π cu cealaltă), hipertonică (are π mai mare decât cealaltă) sau hipotonică (are π mai mic decât cealaltă). Din motivul menţionat anterior, două soluţii izoosmotice despărţite printr-o membrană selectiv permeabilă nu sunt, de obicei, şi izotonice.

16

MSP MSP 0,5M zaharoză 1M zaharoză 0,5Mzaharoză 0,5Mzaharoză 0,5M uree 0,5M uree 1 2 1 2

A) B)

Exemplu. Considerăm o soluţie apoasă de 0,5M zaharoză + 0,5M uree, separată printr-o membrană permeabilă la uree, dar nu şi la zaharoză, de o soluţie apoasă de 1M zaharoză (fig.A). Soluţia din compartimentul 1 este izoosmotică cu soluţia din compartimentul 2 şi este hipotonică faţă de cea din 2 (sau, soluţia din 2 este hipertonică faţă de cea din 1). Dacă soluţia din stânga rămâne aceeaşi iar în dreapta membranei se află o soluţie 0,5M de zaharoză (fig.B), soluţiile din compartimentele 1 şi 2 sunt izotonice, dar soluţia din 1 este hiperosmotică.

Teste de autoevaluare (1)

1) Cum se comportă stratul superficial al unui lichid dacă se învecinează cu un gaz (aer, de ex.)? 2) Cum influenţează substanţa dizolvată coeficientul de tensiune superficială al solventului? 3) Ce înţelegeţi prin capilaritate? 4) Ce forme poate avea suprafaţa liberă a unui lichid marginită de un gaz, în vecinătatea unui perete solid? 5) Ce este unghiul de margine (de racord)? 6) Ce înţelegeţi prin difuziune simplă? 7) Ce înţelegeţi prin osmoză directă? 8) Ce înţelegeţi prin tonicitate? 9) Ce înţelegeţi prin coeficientul de permeabilitate al unei membrane? 10) Ce s-ar putea determina experimental cu ajutorul rezultatelor unor măsurători de presiune osmotică?

Lucr ări de verificare (1) 1) Daţi exemple si analizaţi situaţii reale din natură în care intervine fenomenul de difuziune simplă. 2) Analizaţi cazul difuziei simple printr-o membrană permeabilă. 3) Descrieţi, din punctul de vedere al capilarităţii, comportarea unor solide diferite faţă de apă. 4) Analizaţi cazurile posibile de tonicitate a doua soluţii separate de o membrană permeabilă. Rezumat (U.I.1)

Fenomenele de suprafaţă şi de contact sunt fenomenele moleculare care apar la suprafaţa de contact între două faze (la interfeţe).

Aceste fenomene sunt tensiunea superficiala, capilaritatea si adsorbţia. Evident, interfeţele posibile sunt lichid-gaz, lichid-solid şi gaz-solid.

17

Stratul de la suprafaţa liberă a unui lichid (interfaţa lichid-gaz) se comportă ca o membrană elastică ce tinde să se strângă. Există forţe tangenţiale la suprafaţa lichidului numite forţe de tensiune superficială, sau, simplu, tensiune superficială. Forţa de tensiune superficială este proporţională cu lungimea conturului suprafeţei libere a lichidului; factorul de proporţionalitate depinde de natura lichidului şi este denumit coeficient de tensiune superficială. Coeficientul de tensiune superficială al unui lichid depinde de temperatură, iar pentru soluţii de natura solventului, natura şi concentraţia solvitului. În cazul soluţiilor, substanţa dizolvată poate să mărească, să micşoreze (cazul substanţelor tensioactive) sau să nu modifice tensiunea superficială a solventului.

Capilaritatea reprezinta fenomenul de urcare sau de coborare a unui lichid la contactul cu un perete solid. La contactul dintre suprafaţa unui solid şi suprafaţa liberă a unui lichid (adică la interfata lichid-solid-gaz!), suprafaţa liberă a lichidului devine sferică în vecinătatea peretelui solid.

Curbura suprafeţei este descrisă de unghiul între tangenta la suprafaţa lichidului într-un punct de contact cu peretele solid şi perete, unghi numit de unghi de racord sau unghi de margine (θ).

După mărimea unghiului de margine, lichidele se pot clasifica în trei categorii: lichide care udă solidul, lichide care nu udă solidul şi lichide indiferente faţă de solidul respectiv. Din acelasi punct de vedere solidele(!) udate de un lichid sunt denumite liofile, cele care nu sunt udate - liofobe; dacă un solid nu face parte din aceste categorii atunci acesta este indiferent faţă de lichidul respectiv.

Adsorbţia reprezintă fenomenul de fixare pe suprafaţa unui solid sau lichid a unuia sau mai multor straturi de molecule străine.

Fenomenele moleculare de transport se produc datorită mişcării dezordonate de agitatie termică a moleculelor. Sunt prezentate difuzia simplă si osmoza directă. Difuzia simpla (pasivă) constă in pătrunderea moleculelor unui gaz (lichid) printre moleculele celuilalt gaz (lichid). Fenomenul are loc la gaze, lichide şi solide. Condiţia necesară pentru producerea sa este existenţa unui gradient al densităţii (concentraţiei) substanţei care difuzează, adică a unei variatii spatiale a densitătii (concentratiei) acesteia. Procesul de difuzie pasivă stă la baza egalizării spontane a diferenţelor de presiune, de concentraţie sau de temperatură în natură, diferenţe cu care este proporţională viteza proceselor de difuzie. Bibliografie (U.I.1) Oancea, Servilia, 2008 - Biofizica, Ed. PIM, Iasi. Cojocaru, N., 2000 - Fizică şi Agrometeorologie, Ed. HELIOS, Iasi.

18

Unitatea de învăţare 2. NOŢIUNI DE TERMODINAMIC Ă BIOLOGIC Ă

CUPRINS (U.I.2) Pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.2) 18 Instrucţiuni (U.I.2) 18 2.1. Principiul zero. Temperatura. 19 2.2. Principiul I . 21 2.3. Principiul al II-lea. 23 2.4. Principiul al III-lea. 25 2.5. Termodinamica sistemelor biologice (deschise) 26 Teste de autoevaluare (1) 27 Lucrări de verificare (1) 28 Rezumat (U.I.2) 28 Bibliografie (U.I.2)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.2) Definirea sistemului termodinamic, a parametrilor săi de stare şi a echilibrului termic, enunţul principiului zero. Clasificări ale proceselor termodinamice, introducerea noţiunii de lucru mecanic şi de energie internă, enunţul principiului intai. Enunţul şi explicarea principiului al doilea. Enunţul principiului al treilea. Termodinamica sistemelor biologice (vii) cu aplicarea detaliată a principiului al doilea în acest caz. Dupa studiul acestei unitaţi de învăţare, studentul va avea competenţe să: - înţeleagă şi să explice modul şi sensul de desfasurare al unor procese naturale spontane; - înţeleagă şi să explice modul şi sensul de posibil desfaşurare al unor procese tehnologice doar prin cunoasterea catorva date de intrare/ieşire. Instrucţiuni (U.I.2) După ce sunt întelese cele trei postulate rezultate din experientă, afirmatia ce reprezintă principiul zero apare ca o concluzie firească. Noţiunea de temperatură trebuie înteleasă tinand cont de subiectivitatea notiunilor de "cald"si de "rece". Exista un numar mare de mărimi fizice, adica de proprietati masurabile ale unor corpuri diferite, ce pot fi utilizate ca mărimi termometrice pentru masurarea temperaturii corpurilor. Notiunile de lucru mecanic şi de energie internă, uşurează întelegerea enuntului principiului întai, iar ecuatie sa, exprimarea matematică, reprezintă un "bilant" energetic al unui proces, de fapt un alt enunt al cunoscutei legi de conservare a energiei. Principiul al doilea este cel care completează primul principiu prin stabilirea sensului în care se pot desfasura, în mod spontan, procesele naturale. Ganditi-vă la sensul în care se poate desfasura, fară nicio interventie din exterior, trecerea caldurii de la un corp la altul, un corp fiind "mai cald" iar celalalt "mai rece"! Acest principiu este explicat şi cu ajutorul notiunii de entropie precum şi prin utilizarea limbajului statistic permis de definitia entropiei dată de Bolzmann. Important este faptul ca starea de echilibru este starea de entropie maximă, din punct de vedere termodinamic, şi este starea cea mai probabilă, din punct de vedere statistic!

19

Principiul al doilea, de la sfarsitul acestei U.I. este aplicat în cazul concret al sistemelor biologice, vii, sisteme care, din punctul de vedere al termodinamicii, sunt sisteme deschise. Analizati aici, de ex., procesul cresterii si dezvoltarii unei plante, sau viata unui individ, de la nastere pana la disparitia lui fizica. Legat de echilibrul între un sistem viu si mediul său exterior este interesant de remarcat că un sistem în echilibru cu mediul său exterior este un sistem mort!!! Timp estimativ de studiu este de 2 ore. La sfârşitul U.I.2 se afla un set de 10 întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi 4 teme pentru autoevaluare.

2.1. PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Parametri de stare. Prin sistem termodinamic se înţelege un ansamblu de corpuri care ocupă

împreună un volum oarecare şi care pot fi izolate sau în contact. Pentru ca un sistem (corp) să poată fi studiat din punct de vedere

termodinamic este necesar ca acesta să fie omogen, adică proprietăţile sale macroscopice să fie aceleaşi pe toată întinderea sistemului (corpului). Starea unui astfel de corp la un moment dat poate fi caracterizată complet, din punct de vedere termodinamic, printr-un număr finit de parametri numiţi parametri de stare.

Numărul minim al parametrilor de stare ai unui sistem care pot fi variaţi în mod independent constituie numărul gradelor de libertate ale sistemului.

Un corp în echilibru termodinamic îşi poate modifica starea datorită interacţiunii cu mediul exterior. Această interacţiune poate fi de natură mecanică, electrică, magnetică, schimb de substanţă, etc. Experienţa arată că starea unui corp poate fi modificată şi pe cale termică. Se spune că interacţiunea se realizează prin contacte de tipuri diferite: contact mecanic, electric, magnetic, schimb de substanţă, etc. şi contact termic.

Fiecare tip de contact reprezintă o posibilitate de transformare a stării corpului. Se poate stabili o legătură între numărul de contacte şi numărul gradelor de libertate. Postulat (1). Numărul gradelor de libertate ale unui corp izotrop în stare de echilibru termodinamic este egal cu numărul maxim de contacte care se pot realiza, în starea dată, între corp şi mediul înconjurător (fără a fi modificată starea de echilibru).

Temperatura empirică. Parametrii de stare ai corpurilor unui sistem termodinamic se pot împărţi în două mari categorii:

a)parametri intensivi sau de contact, care se caracterizează prin faptul că au aceeaşi valoare pentru toate corpurile unui sistem termodinamic în echilibru puse în contact ( de ex., presiunea);

b)parametri extensivi sau de capacitate, care se caracterizează prin aceea că valoarea parametrului pentru sistem este egală cu suma valorilor parametrului fiecărei părţi din sistem (de ex., volumul). Dacă se consideră un sistem, izolat de mediul înconjurător, format din corpuri izolate între ele, între parametrii de stare ai corpurilor nu există nici o legătură, deoarece stările corpurilor componente pot varia în mod independent. Deci, în acest caz, numărul gradelor de libertate ale sistemului este dat de suma numerelor gradelor de libertate ale corpurilor componente. Realizând, de exemplu, contactul mecanic între două corpuri ale unui sistem izolat, presiunile lor trebuie să fie egale la echilibru:

20

p1 = p2 Adică, prin contactul mecanic a două corpuri se realizează, la echilibru, o legătură între parametrii de stare ai corpurilor. Prin generalizare obţinem următoarea afirmaţie. Postulat (2). Dacă două corpuri ale unui sistem izolat sunt în echilibru, prin fiecare contact (mecanic sau termic) se realizează o legătură între parametrii de stare ai corpurilor

F12(1,2) = 0 Admiţând acest postulat, rezultă că, prin existenţa unui contact termic între două corpuri, numărul gradelor de libertate ale sistemului scade cu o unitate. Adică, pentru sistemul format din două corpuri în contact termic şi mecanic, existând două relaţii datorită contactelor, numărul gradelor de libertate scade cu două unităţi. Parametrii independenţi pot fi, de ex., compoziţiile celor două corpuri exprimate prin numerele de moli, iar parametrii comuni – presiunea şi un alt parametru intensiv termic. Dacă numărul corpurilor din sistem este mai mare ca 2, trebuie luată în consideraţie o nouă proprietate legată de contactul termic, proprietate introdusă de postulatul următor. Postulat (3). Echilibrul termic are proprietatea de tranzitivitate (la fel ca şi echilibrul mecanic). Adică, pentru un sistem de n corpuri în echilibru, din

Fij = 0, Fjk = 0, Rezultă

Fik = 0. Pe baza postulatelor anterioare (1-3) se ajunge la următoarea concluzie, denumită adeseori “principiul zero” al termodinamicii. PRINCIPIUL ZERO. Exist ă parametrul intensiv termic, numit temperatura empirică (θ), cu următoarea proprietate: într-un sistem izolat format din n corpuri în contact termic, condiţia necesară şi suficientă de echilibru este ca temperatura empirică să aibă aceeaşi valoare pentru toate corpurile . Cu alte cuvinte, dacă trei sau mai multe sisteme (corpuri) sunt în contact termic între ele, şi toate sunt în echilibru, atunci oricare două, luate separat, sunt în echilibru cu celălalt. Temperatura unui corp. Termometrul şi mărimea termometrică. Experienţele conduc la constatările următoare: Două corpuri, puse în contact prelungit, ajung în echilibru termic. Două corpuri, în echilibru termic cu un al treilea, sunt deasemenea în echilibru termic între ele. (Aceste concluzii sunt incluse în “principiul zero”). Toate corpurile în echilibru termic între ele sunt caracterizate printr-o proprietate comună: aceea de a avea o aceeaşi “temperatură”. Obs. Temperatura este o noţiune fizică de origine fiziologică (senzaţia de “cald” şi de “rece”). Ea reprezintă, printre altele, o noţiune subiectivă pentru un observator.

EXTERIOR (θ0) La ieşire La ieşire senzaţie senzaţie de “rece”. de “cald”. θ2< θ0< θ1

CASĂ ÎNCĂLZITĂ (θ1)

PIVNIŢĂ RECE (θ2)

21

Rezultă că este necesar să se detecteze temperatura cu ajutorul unei mărimi măsurabile: o mărime termometrică. Pentru a detecta temperatura unui sistem (S), se aduce un sistem, notat (T) şi numit “termometru”, în echilibru termic cu (S). Termometrul este un aparat destinat pentru măsurarea temperaturii unui corp. Mărimea fizică a sistemului (T) care variază ca urmare a contactului termic cu (S) reprezintă mărimea termometrică x. Valoarea obţinută pentru x, la echilibrul termic între (S) şi (T), depinde de temperatuea notată θ. 2.2. PRINCIPIUL I AL TERMODINAMICII

Clasificarea proceselor termodinamice. Un corp (sistem) care trece dintr-o stare termodinamică în alta, se spune că suferă un proces termodinamic. Procesele termodinamice se pot clasifica după mai multe criterii; prezentăm, mai jos, doar câteva clasificări mai importante. a) După mărimea variaţiei relative a parametrilor de stare: - procese diferenţiale - în care variaţia relativă a parametrilor de stare este foarte mică; - procese finite - în care cel puţin un parametru de stare suferă o variaţie relativă mare. b) După natura stărilor intermediare: - procese cvasistatice - în care stările intermediare ale corpului (sistemului) sunt arbitrar de apropiate de stări de echilibru în cursul procesului; - procese nestatice - pentru care stările intermediare ale corpului (sistemului) nu pot fi caracterizate complet termodinamic, deoarece corpul (sistemul) nu este omogen. Dacă un proces este cvasistatic, deoarece toate stările intermediare pot fi considerate stări de echilibru într-o bună aproximaţie, evoluţia corpului poate fi reprezentată pe o diagramă, printr-o curbă. Fie un proces cvasistatic prin care un corp (sistem) trece dintr-o stare (1) în altă stare (2); numim acest proces - proces direct. Procesul cvasistatic prin care sistemul revine din starea (2) în starea (1) pe acelaşi drum ca drumul direct, parcurs în sens invers, este numit proces invers. Dacă un astfel de proces invers există, se spune că procesul de trecere din starea (1) în starea (2) este reversibil. Dacă nu există, procesul este ireversibil. Procesele reale nu sunt reversibile.

Lucrul mecanic. Energia interna. Daca se considera un corp (sistem) care, printr-un proces cvasistatic trece din starea termodinamica (1) in starea termodinamica (2), acestui proces i se poate asocia notiunea de lucru. Intr-un proces diferential (cu variatii f. mici), marimea lucrului este

δL A dai ii

=∑,

iar pentru un proces finit

L A dai iCi

= ∫∑

unde Ai = parametrii de forta, iar ai = parametrii de pozitie corespunzatori contactelor i.

22

Prin conventie s-a atribuit lucrului efectuat de corp (sistem) asupra mediului inconjurator valoare pozitiva, iar lucrului efectuat de mediul inconjurator asupra corpului (sistemului) valoare negativa. Asupra unui corp (sistem) pot acţiona simultan mai multe contacte (mecanic, electric, magnetic, termic etc.). Sa consideram, mai întâi, transformarea cvasistatică a unui corp (sistem) izolat adiabatic.

Postulat. Daca un sistem închis într-un învelis adiabatic trece printr-o transformare cvasistatică reversibilă din starea (1) în starea (2), lucrul total nu depinde decât de starea (1) şi (2), fiind independent de felul în care are loc transformarea. Plecând de la acest postulat se poate introduce o funcţie termodinamică de stare, numită energie internă,a cărei variaţie între starea iniţială (1) şi cea finală (2) este egală chiar cu lucru schimbat de sistem cu mediul în acest proces.

( )( )

( )

( )

( )

L A da dU U U Uadi

i i12 1 21

2

1

2

= = − = − = −∑ ∫∫ ∆

După cum se observă, dimensiunile energiei interne sunt aceleaşi cu dimensiunile lucrului, dar energia internă este o funcţie de stare, în timp ce lucrul este legat de proces.

Principiul I al termodinamicii Orice sistem termodinamic are un parametru de stare numit energie internă (U). Variaţia acestui parametru la trecerea dintr-o stare termodinamică (1) în starea termodinamică (2) indică schimbul de energie cu mediul exterior. Rezultă că, pentru un sistem izolat energia internă rămâne neschimbată. In cazul general, lucrul nu mai este independent de modul în care are loc transformarea, deci nu poate fi egal cu variaţia energiei interne,

U U L1 2 12− ≠ Pentru a se înţelege acest fapt, să considerăm un proces ciclic. Deoarece stările (1) şi (2) coincid, U1-U2=0, iar lucrul mecanic este diferit de zero, fiind egal cu aria închisă de curba ciclului. Notăm prin Q12 diferenţa dintre variaţia energiei interne şi lucrul efectuat la trecerea din starea (1) în starea (2):

U1 - U2 +L12 = Q12 sau U1 - U2 = Q12 - L12 (1) Această variaţie de energie suplimentară care apare în urma realizării contactului termic se numeşte schimb de caldură. Se observa că modificarea energiei interne poate fi realizată fie prin efectuarea unui lucru, fie prin schimb de căldură. Intr-un proces ciclic, deoarece U2 = U1 avem

Q12 - L12 = 0 (2) relaţie ce exprimă echivalenţa din punct de vedere cantitativ a lucrului cu schimbul de căldură. In cazul proceselor diferenţiale

dU Q L= −δ δ (3) Expresiile 1, 2, 3 sunt formulări matematice ale principiului întâi, în cazul proceselor finite, ciclice, respectiv, diferenţiale. Relaţia (3) arată că energia nu poate fi nici creată, nici distrusă şi astfel exprimă imposibilitatea realizării unui perpetum mobile de speţa I-a; ea reprezintă, în acelaşi timp, o exprimare matematică a legii conservării energiei. Primul principiu stabileşte o ecuaţie a bilanţului energetic dar nu spune nimic despre sensul în care se desfăşoară în mod spontan procesele naturale. Procesele naturale par să se desfaşoare pe o cale unidirecţională şi această direcţie pare să fie aceea în care puterea este disipată.

23

2.3. PRINCIPIUL AL II-LEA Insuficienţele principiului întâi al termodinamicii Toate procesele fizice trebuie să se desfăşoare în acord cu primul principiu al

termodinamicii. Cu toate acestea, există procese fizice irealizabile, deşi ele nu ar încălca principiul I al termodinamicii.De exemplu, o maşină termică (cu funcţionare ciclică) ar putea produce, conform primului principiu, un lucru mecanic egal cu căldura primită din mediul înconjurător. Practica a arătat însă că acest proces este irealizabil. Principiul I al termodinamicii arată că între două corpuri cu temperaturi iniţiale diferite şi aflate în contact termic are loc un schimb de căldură de la cel mai cald spre cel mai rece, până la egalizarea temperaturilor, fără să interzică trecerea spontană a căldurii de la corpul mai rece la cel mai cald. Ultimul proces este însă irealizabil. .

O piatră lăsată să cadă de la o înălţime h îşi transferă în căldură energia cinetică în momentul opririi sale bruşte la impactul cu pămîntul, dar încălzind, pe pămînt, piatra, aceasta nu se ridică spontan la înălţimea h.

In procesul de difuzie, fenomenul se realizează în mod spontan în sensul micşorării gradientului de concentraţie. Separarea spontană, prin difuzie, a componentelor unui amestec, nu este însă realizabilă, deşi principiul I nu interzice acest fenomen. Fiinţele vii au, fără excepţie, o evoluţie temporală unidirecţională. Ireversibilitatea proceselor nu este prevăzută de către primul principiu al termodinamicii. Insuficienţele primului principiu al termodinamicii reclamă formularea unui alt principiu, care să indice sensul natural de desfăşurare al fenomenelor termice.

Enunţuri. Cel mai vechi enunţ: “Nu este posibil un proces ciclic reversibil, prin care căldura primită de la un singur izvor termic să fie transformată în lucru mecanic.” (W. Thomson, Lord Kelvin).

Principiul al doilea al termodinamicii nu interzice însă realizarea practică a unei maşini termice care să producă lucru mecanic nelimitat prin utilizarea fenomenului de transport spontan al căldurii de la un termostat cu temperatură dată la altul cu temperatură mai mică. Tehnica modernă a realizat astfel de maşini. De altfel, termodinamica s-a dezvoltat ca ştiinţă, împreună cu diversele ei ramuri aplicative, în legătură cu aceste necesităţi practice.

“Este imposibil de realizat un proces ciclic al cărui unic rezultat să fie transferul de căldură de la o sursă cu o temperatură dată T0 la o altă sursă cu temperatura mai inaltă T” (Clausius). Acest enunţ stabileşte imposibilitatea realizării unui perpetum mobile de speţa a II-a: este imposibil ca răcind un singur corp, oceanul de ex., să se obţină energie utilă, de ex., energia necesară pentru a deplasa o navă, într-un mod ciclic, chiar dacă obţinerea energiei termice de la apă şi transformarea sa ciclica în lucru mecanic nu încalcă principiul I. Astfel, nu poate fi obţinut un l.m. > 0 de la un proces ciclic care se desfăşoară la T=const:

( )dW T∫ ≤ 0

sau ∆WT const= ≤ 0 (4) în care indicele T înseamnă că temperatura este menţinută constantă pe durata transformării ciclice.

24

Dacă un sistem produce o anumită cantitate de l.m. W1 2→ când trece din

starea 1 în 2 la T=const., cantitatea de l.m. W2 1→ necesară pentru a aduce înapoi

sistemul din starea 2 în 1 este mai mare decât W1 2→ :

W W1 2 2 1→ →≤ (5) Ecuaţiile (4) şi (5) se aplică pentru procese reversibile. In acest caz se poate arăta că:

dQT

=∫ 0 sau

dQT

=∑ 0 ((dQ/T)=căldura redusă) (6)

ceea ce înseamnă că, atunci când sistemul trece reversibil din starea 1 în starea 2, valoarea integralei (sumei) dQ/T depinde numai de starea iniţială 1 şi de starea finală 2 şi nu depinde în niciun fel de drumul pe care a avut loc procesul. Pentru procese reversibile, deci, se poate defini o funcţie S în aşa fel încât variaţia sa dS să fie:

T

dQdS=

(7) Aceasta funcţie poartă numele de entropie. Entropia este o funcţie de stare a unui sistem termodinamic a cărei variaţie, la trecerea reversibilă a sistemului de la o stare la alta, este egală cu variaţia căldurii reduse (Clausius - 1865). Conform cu (6), pentru un proces reversibil dS=0 şi când sistemul trece din starea 1 în starea 2,

∫ −=2

1

12 SSdS sau 12 SSS −=∆ (8)

indicând astfel că variaţia funcţiei entropie S, cand sistemul trece din 1 în 2 depinde numai de valorile iniţială şi finală ale funcţiei. Deşi entropia a fost definită numai pentru procese reversibile, faptul că diferenţa între entropiile a doua stări ale sistemului depind numai de valorile iniţială şi finală (ec.8), o face să fie o funcţie utilă pentru procese ireversibile naturale. Variaţia entropiei la trecerea din starea 1 în starea 2 este întotdeauna aceeaşi, indiferent de drumul între 1 şi 2 şi dacă sau nu procesul este ireversibil. Pentru a studia variaţia entropiei unui sistem izolat, în cazul unui proces natural ireversibil care se desfaşoară din starea 1 în starea 2, ne putem imagina că sistemul revine la starea iniţială 1 pe cale reversibilă. Găsim că, conf. p.II, pentru un proces ireversibil într-un sistem izolat, entropia creşte întotdeauna. Deoarece toate procesele naturale sunt ireversibile, orice variaţie care se produce spontan într-un sistem izolat este însoţită de o creştere netă a entropiei. Sau, daca se poate concepe un proces pentru care entropia S creşte, atunci acesta se va desfăşura în mod spontan.

∆S S S= − >2 1 0 Aceasta este expresia principiului al II-lea pentru procese ireversibile, expresie care indică direcţia în care se vor desfăşura procesele ireversibile, anume, întotdeauna către entropie maximă. Un proces natural (deci, ireversibil), care porneşte dintr-o stare de echilibru şi sfârşeşte într-o altă stare de echilibru, se va desfăşura în sensul care duce la o creştere a entropiei sistemului compus din sistemul în care are loc procesul şi mediului său înconjurător.

Pentru procese reversibile entropia sistemului + mediu este constantă (∆S = 0). Pentru un sistem izolat: - în cazul unei transformări ciclice reversibile ∆S = 0, iar

25

- pentru o transformare ciclică ireversibilă ∆S > 0. Variaţia entropiei fiind întotdeauna pozitivă sau egală cu zero, transformarea ireversibilă prin care trece un sistem are un sens unic, cel care duce la creşterea entropiei sistemului. Combinînd principiul I al termodinamicii cu principiul al-II-lea, se obţine “inecuaţia fundamentală a termodinamicii”:

LdUTdS δ+≥ în care semnul “egal” se referă la procesele reversibile, iar semnul de “inegalitate” – la procesele ireversibile.

Entropia este o mărime fizică a cărei variaţie măsoară gradul de ireversibilitate a proceselor termodinamice.

Principiul al II-lea în limbaj statistic.

Starea de dezordine este descrisă cu ajutorul conceptului matematic de entropie. Dacă există o legătură între dezordine şI entropie, atunci dezordinea, analog entropiei, trebuie să crească într-un proces natural. Există o tendinţă pentru procesele naturale de a se desfăşura către o stare de dezordine mai mare. In mecanica statistică se dă un sens precis dezordinii şi se exprimă legătura sa cu entropia prin relaţia (Boltzmann)

S = k lnw,

unde w este probabilitatea termodinamică (numită şi parametru de ordine) ca sistemul să existe în starea în care se află, faţă de toate stările posibile (în care s-ar putea afla). Sensul în care au loc procesele naturale (către entropie mai mare) este determinat de legile probabilităţii (către o stare mai probabilă). Starea de echilibru este starea de entropie maximă, din punct de vedere termodinamic, şi este starea cea mai probabilă, din punct de vedere statistic. Dar, uneori, pot să apară fluctuaţii în jurul unei distribuţii de echilibru (de ex. mişcarea browniană). Atunci, din acest punct de vedere, nu este absolut sigur că entropia va creşte în orice proces spontan. Uneori, entropia poate să descrească. Dacă aşteptăm un timp suficient de îndelungat, chiar stările cele mai improbabile ar putea să apară; deşi asemenea evenimente sunt posibile, probabilitatea lor de apariţie este extrem de mică. Prin urmare, principiul al II-lea ne arată cursul cel mai probabil al evenimentelor în general şi nu numai pe cel el evenimentelor posibile.

2.4. PRINCIPIUL AL III-LEA AL TERMODINAMICII.

Studiind experimental diverse procese fizico-chimice, Nernst a constatat că, pe măsura scăderii temperaturii, variaţiile de entropie devin tot mai mici, acestea tinzând spre o constantă finită, cînd T → 0 K. Aceste observaţii experimentale au constituit baza elaborării de către Plank a principiului al-III-lea al termodinamicii. Actualmente, al-II-lea principiu al termodinamicii admite formularea “entropia oricărui sistem termodinamic tinde către a valoare constantă finită, când temperatura tinde către zero absolut”, cu următoarele consecinţe directe:

l) entropia cristalelor ideale este nulă la zero Kelvin 0lim

0=

→S

T

26

2) temperatura de zero Kelvin este inaccesibilă experimental. La zero Kelvin, sistemul nu mai poate ceda căldură; energia sa este minimă. 2.5. TERMODINAMICA SISTEMELOR BIOLOGICE (DESCHISE) Toate acţiunile pe care le poate efectua un sistem ca şi transformările pe care le poate suferi acesta, reprezintă diferite forme de variaţie a energiei sale interne U. La scară atomo-moleculară, energia internă reprezintă suma energiilor de mişcare ale moleculelor, a energiilor de interacţiune dintre molecule, precum şi a energiilor intramoleculare (adicăale legăturilor chimice) şi intraatomice ale particulelor ce alcătuiesc sistemul. Am văzut că, conform principiului I, în cazul sistemelor izolate, care nu au nici un fel de schimburi cu exteriorul, energia internă se conservă, diferitele tipuri de energii transformându-se unele în altele. Pentru sistemele deschise, cum sunt cele biologice, energia internă variază, la trecerea dintr-o stare în alta, cu o cantitate ∆U egală cu suma algebrică a schimburilor de căldură (∆Q), lucru mecanic (Wm), energie electrică (We), energie chimică (Wch) etc. Deci:

∆U = ∆Q + Wm + We + Wch + ... Pe baza acestei relaţii se pot descrie bilanţurile energetice ale organismelor. Principiul al II-lea al termodinamicii generalizează constatarea practică a imposibilităţii ca o maşină termică să transforme, integral, o cantitate de căldură în lucru mecanic. Numai o parte din energia internă a unui sistem este liberă să fie convertită în forme utile de travaliu (mecanic, chimic..), o alta fiind “legată” în sistem ca energie a agitaţiei termice dezordonate a moleculelor. Această energie legată se exprimă prin funcţia de stare entropie, care este cu atât mai mare cu cât gradul de dezordine al componenţilor moleculari ai sistemului este mai ridicat. In sistemele izolate, în care se produc numai procese spontane, prin orice proces entropia creşte, adică scade ordinea din sistem şi capacitatea acestuia de a efectua travaliu. Este de remarcat comportarea diametral opusă a organismelor şi a lumii vii, în ansamblu, căci sensul de evoluţie al acestora este către creşterea complexităţii structurale şi a diversificării funcţiilor. S-ar părea, deci, că principiul al II-lea al termodinamicii nu descrie corect situaţia organismelor vii care, cel puţin o parte a vieţii, îşi dezvoltă şi îşi complică structura, sintetizând macromolecule complexe pe care le organizează într-o dispunere bine definită. Contradicţia este însă aparentă, deoarece formularea “orice proces natural determină creşterea entropiei...” este valabilă numai pentru sisteme izolate, în timp ce organismele sunt sisteme deschise, a căror existenţă este de neconceput fără schimburi permanente de substanţe şi de energie cu exteriorul. Principiul creşterii entropiei crează impresia unei lumi care se apropie de o stare de dezordine totală; se poate afirma cu certitudine că orice proces care se produce spontan într-un sistem izolat are un sens preferenţial de desfăşurare, anume de la o stare mai ordonată către o stare mai dezordonată. In ce măsură este posibil să se inverseze sensul unor astfel de procese în aşa fel încât să se aducă sistemul dintr-o stare mai dezordonată într-o stare mai ordonată? Sau, în ce măsură este posibil să se transforme un amestec de molecule simple în macromoleculele complexe şi înalt organizate care formează un animal sau o plantă? Cu alte cuvinte, în ce măsură este posibil să existe organismele vii?

27

Intrebarea pusă, într-o exprimare sau într-alta, este legată direct de posibilitatea vieţii. Reformulată în termeni foarte generali întrebarea pusă ar fi următoarea: în ce măsură este posibil de a duce un sistem A dintr-o stare mai puţin ordonată într-o stare mai ordonată? Sau, mai cantitativ, în ce măsură este posibil de a duce un sistem A dintr-o macrostare i în care entropia este Si în altă macrostare f de entropie Sf, astfel ca ∆S = Sf - Si ? Păstrând generalitatea întrebării, se pot da două răspunsuri diferite: a) Dacă sistemul A este izolat, este foarte probabil că entropia lui va creşte (sau cel mult va rămâne constantă), aşa că ∆S ≥ 0. Răspunsul la întrebarea pusă este atunci simplu: diminuarea dezordinii nu poate fi realizată b) Dacă presupunem că sistemul A nu este izolat, ci este liber să interacţioneze cu un alt sistem oarecare A', atunci entropia S* a sistemului compus izolat A*- format din sistemele A şi A', trebuie să crească, astfel încât ∆S*>0. Dar S* = S+ + S', dacă prin S' notăm entropia sistemului A'. Principiul creşterii entropiei aplicat sistemului izolat A* conduce la

∆S* = ∆S + ∆S' > 0 (*) Această condiţie nu cere ca în mod necesar ∆S > 0: este posibil ca entropia S a sistemului A să descrească, cu condiţia ca entropia S' a sistemului A' să crească cu o cantitate care, cel puţin, să compenseze această descreştere pentru a satisface condiţia ∆S* > 0 pentru sistemul total. Astfel, dezordinea din sistemul A descreşte pe seama celuilalt sistem, A', cu care el interacţionează. Am ajuns, astfel, la următoarea concluzie: entropia unui sistem poate să scadă numai dacă acesta interacţionează cu unul sau mai multe sisteme auxiliare, astfel încât să se producă compensarea descreşterii entropiei. Această afirmaţie reprezintă aşa-numitul principiu al compensării entropiei şi nu este altceva decât forma verbală a relaţiei (*) - răspunsul general la întrebarea pusă. Entropia sistemelor deschise poate să scadă, deci gradul lor de ordonare să crească, dacă ele elimină în mediul ambiant deşeurile materiale şi energetice ale activităţii lor. Comportamentul antientropic al organismelor vii, după Schrödinger, constă în aceea că organismele “evită creşterea entropiei lor preluând din mediul extern entropie negativă - negentropie”, ceea ce înseamnă că organismele vii primesc din mediu energie liberă (utilizabilă), fie sub forma energiei chimice din alimente, fie ca energie liberă radiantă, în cazul plantelor foto-litotrofe. Procesele care determină o scădere a entropiei sistemului pot exista numai ca procese cuplate cu procese ce evoluează în sens entropic. Existenţa cuplajelor explică desfăşurarea antientropică a proceselor anabolice de sinteză, a morfogenezei şi a creşterii organismelor, pe seama reacţiilor catabolice ce decurg în sens entropic. Deci, în mod cert, organismele nu fac excepţie de la legile generale ale termodinamicii; ele sunt sisteme deschise în care au loc procese ireversibile. Teste de autoevaluare (2)

1) Ce este un sistem termodinamic? 2) Ce este un sistem biologic, din punct de vedere termodinamic? 3) Ce înţelegeţi prin număr de grade de libertate? 4) Ce este temperatura empirică? 5) Ce este entropia? 6) Cum poate varia entropia unui sistem termodinamic? 7) Care este inecuaţia fundamentală a termodinamicii şi semnificaţia sa? 8) Ce este energia liberă? 9) Ce reprezintă entalpia?

28

10) Ce înţelegeţi prin procese cuplate? Lucrari de verificare (2) 1) Explicaţi de ce senzaţiile de „cald” şi de „rece” sunt subiective? 2) Enunţaţi şi analizaţi principiile întâi şi al doilea. 3) Enunţaţi şi analizaţi principiul al doilea al termodinamicii pentru sistemele biologice. 4) Faceţi corelaţia între entropie şi ordine. REZUMAT (U.I. 2) Principiul zero. (i) Două corpuri, puse în contact prelungit, ajung în echilibru termic si (ii) două corpuri, în echilibru termic cu un al treilea, sunt deasemenea în echilibru termic între ele. Orice sistem termodinamic are un parametru de stare numit energie internă (U). Variaţia acestui parametru la trecerea dintr-o stare termodinamică în alta starea termodinamică indică schimbul de energie cu mediul exterior. Modificarea energiei interne poate fi realizată fie prin efectuarea unui lucru, fie prin schimb de căldură. Formularea matematică a principiului întâi arată că energia nu poate fi nici creată, nici distrusă şi astfel exprimă imposibilitatea realizării unui perpetum mobile de speţa I-a; ea reprezintă, în acelaşi timp, o exprimare matematică a legii conservării energiei. Principiul al doilea: “Nu este posibil un proces ciclic reversibil, prin care căldura primită de la un singur izvor termic să fie transformată în lucru mecanic.” (W. Thomson, Lord Kelvin). Entropia este o funcţie de stare a unui sistem termodinamic a cărei variaţie, la trecerea reversibilă a sistemului de la o stare la alta, este egală cu variaţia căldurii reduse. Deoarece toate procesele naturale sunt ireversibile, orice variaţie care se produce spontan într-un sistem izolat este însoţită de o creştere netă a entropiei. Sau, daca se poate concepe un proces pentru care entropia S creşte, atunci acesta se va desfăşura în mod spontan. Variaţia entropiei fiind întotdeauna pozitivă sau egală cu zero, transformarea ireversibilă prin care trece un sistem are un sens unic, cel care duce la creşterea entropiei sistemului.

Entropia este o mărime fizică a cărei variaţie măsoară gradul de ireversibilitate a proceselor termodinamice. Folosind definitia statistica a entropiei, definitie ce stabileste o legatura intre dezordine si entropie, se poate constata ca există o tendinţă pentru procesele naturale de a se desfăşura către o stare de dezordine mai mare. Sensul în care au loc procesele naturale (către entropie mai mare) este determinat de legile probabilităţii (către o stare mai probabilă). Starea de echilibru este starea de entropie maximă, din punct de vedere termodinamic, şi este starea cea mai probabilă, din punct de vedere statistic. Principiul compensării entropiei pentru sistemele vii (deschise): entropia unui sistem poate să scadă numai dacă acesta interacţionează cu unul sau mai multe sisteme auxiliare, astfel încât să se producă compensarea descreşterii entropiei. Procesele care determină o scădere a entropiei sistemului pot exista numai ca procese cuplate cu procese ce evoluează în sens entropic. Bibliografie (U.I.2) Moisul, G., 1988 - TERMODINAMICA, Ed. Acad. Romane, Bucuresti

29

Unitatea de învăţare 3. NOŢIUNI DE BIOENERGETIC Ă

CUPRINS (U.I. 3) Pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.3) 29 Instrucţiuni (U.I.3) 29 3.1. Transport pasiv şi actriv prin membranele vii. 29 3.1.1. Efectivitatea membranelor vii. 29 3.1.2. Metode analitice. 30 3.2. Transportul prin membrane. 30 3.2.1. Echilibrul osmotic. 31 3.2.2. Echilibrul ionic. 31 3.2.3. Echilibrul Donnan. 32 3.3. Mecanisme (modele) de transport 33 3.3.1. Asocierea chimică (transport pasiv) 34 3.3.2. Transport activ. 34 3.4. Procese de transformare a energiei 35 3.4.1. Procesul din cloroplast 36 Teste de autoevaluare (1) 39 Lucrări de verificare (1) 39 Rezumat (U.I.3) 39 Bibliografie (U.I.3) Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.3) Descrierea mecanismelor fenomenelor de transport transmembranar care asigura echilibrul biochimic la nivel celular, a unor mecanisme (modele) de transport, atat pentru transportul pasiv desfasurat prin simpla difuzie, cat si pentru cel activ, pe baza consumului de energie metabolica. Dupa studiul acestei unitaţi de învăţare, studentul va avea competenţe să: - înţeleagă şi să explice echilibrul osmotic si echilibrul ionic la nivelul membranelor biologice; - înţeleagă şi să explice mecanismul (modelul) de transport prin "transportor" pentru transportul pasiv si pentru transportul activ; - înţeleagă şi să explice fenomenul de conversie a energiei la nivel celular, in particular pentru procesul de fotosinteza din cloroplast. Instrucţiuni (U.I.3) Aceasta unitate de învăţare cuprinde descrierea metodelor analitice (teoretice) de abordare a fenomenelor de transport prin membranele vii, explicarea echilibrelor osmotic si ionic la nivelul membranei celulare, descrierea modelelor de transport cu "purtator", in cazul transportului pasiv si activ. Unitatea de învăţare se încheie cu descrierea proceselor de transformare a energiei la nivel celular si cu explicarea procesului fotosintetic din cloroplast. Timp estimativ de studiu este de 4 ore. La sfârşitul U.I.1 se afla un set de 10 întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi 3 teme pentru autoevaluare.

3.1. TRANSPORT PASIV SI ACTIV PRIN MEMBRANE VII

3.1.1. Efectivitatea membranei vii Una dintre caracteristicile materiei vii este aceea că o celulă este învelită într-o membrană - membrana plasmatică- componentă dinamică a acesteia. In cele ce urmează vom considera numai anumite proprietăţi transmembranare ale membranei plasmatice, inorând multe alte roluri (de ex., de contact celular, etc.).

30

Membranele vii nu pot fi studiate experimental fara sa fie asociate cu substanta vie; nu există, deocamdată, nici o membrană care să poată fi sintetizată în laborator şi care să se comporte la fel cu membranele produse de celule, nici nu este posibil ca membranele naturale să-şi păstreze proprietăţile lor funcţionale dacă sunt separate de contextul celular! Una dintre proprietăţile principale ale membranei este aceea de a servi ca barieră, nu numai între conţinuturile diferite ale celulei şi mediul înconjurător, ci şi între diferitele compartimente din interiorul celulei. Efectivitatea barierei reprezintă cantitatea, dintr-o anumită substanţă, care străbate bariera în unitatea de timp; această cantitate este fluxul J. Determinările experimentale ale fluxurilor unor substanţe diferite prin membrane celulare (de ex., cu trasori radioactivi) dau o varietate de rezultate care încă nu sunt toate explicate. Contribuţia difuziei este descrisă de legile lui Fick. Deci, pentru a descrie difuzia este posibil fie să se determine coeficientul de difuzie D şi să se prevadă rezultatele, fie să se utilizeze măsurători de flux pentru a deduce valoarea lui D. Experimente numeroase aratată că multe substanţe, pentru care membrana celulară este permeabilă, nu respectă ecuaţia difuziei simple. In multe cazuri fluxurile sunt exact opuse celor la care ne-am aştepta conform ecuaţiei difuziei. De exemplu, ionii de K se acumulează în celulă atunci când concentraţia K în celulă poate fi de 100 de ori mai mare decât concentraţia sa în exteriorul celulei. 3.1.2. Metode analitice. Imposibilitatea evidentă a ecuaţiei difuziei de a descrie transportul prin membrane a determinat eforturi pentru găsirea unor metode analitice de rezolvare a problemei. Au fost sugerate trei aproximaţii generale: (i) o aproximaţie bazată pe ecuaţia Nernst-Planck ce reprezintă baza investigării mişcării sub influenţa unei diferenţe de potenţial electric (sau electrodifuzie); (ii) o aproximaţie bazată pe formalismul termodinamicii proceselor ireversibile; (iii) o aproximaţie ce derivă din teoria lui Eyrin a vitezelor de reacţie. Aproximaţiile bazate pe ecuaţia Nernst-Planck sau pe ecuaţiile termodinamicii proceselor ireversibile au în comun mărimi legate de forţele care sunt prezente în sistem. Aproximaţia bazată pe formalismul termodinamicii proceselor ireversibile (Onsager) este mai rafinată întrucat permite să se ţină seama de posibilitatea ca toate fluxurile să fie corelate cu toate forţele care acţionează. Presupunerea centrală in această aproximaţie este divizarea variaţiei entropiei în două părţi, una datorată proceselor interne din celulă şi alta, proceselor externe. 3.2. TRANSPORTUL PRIN MEMBRANE Procesele de transport sunt parte integrantă a funcţiei biologice. De ex., procesele de conversie a energiei necesită o alimentare continuă a substraturilor şi o depunere a produselor şi deşeurilor. Caracteristica structurală prin care celulele îşi îndeplinesc funcţiile lor pare să fie compartimentarea; compartimentarea este realizată de membrane şi se realizează un transport de substanţă prin canale mărginite de membrane (de ex., reticulul endoplasmatic şi aparatul Golgi), transportul selectiv se realizează chiar prin membrane. Prin transport pasiv şi activ este menţinută constantă, în limite înguste, integritatea chimică în interiorul compartimentelor celulei şI organitelor celulare, furnizând condiţii optime pentru procesele vieţii.

31

Prin transport pasiv înţelegem difuzia în sensul gradientului termodinamic; transportul activ reprezintă mişcarea solvitului împotriva gradientului termodinamic. Ultimul cere o sursă de energie şi mecanisme de cuplaj între energie şi transport. Selectivitatea este o consecinţă a permeabilităţii membranei, adesea determinată de mecanismul molecular particular de transport. In celule sau în organitele celulare pot fi găsite mari diferenţe de concentraţii ale solviţilor (cu sau fără sarcină electrică) între interiorul şi exteriorul veziculelor înconjurate de membrane, chiar când membrana este permeabilă la astfel de solviţi. Există situaţii in care un gradient de concentraţie al unui solvit, cu sau fără sarcină electrică, poate fi menţinut în echilibru; aceasta se intâmplă atunci cand membrana are caracteristici semipermeabile. Este vorba de echilibrul osmotic (difuzia simplă), echilibrul ionic (electrodifuzia) şi de echilibrul Donnan, toate tratate în cele ce urmează. 3.2.1. Echilibrul osmotic I II S S+A Considerăm o membrană care separă două compartimente I şi II. Compartimentul I conţine un solvent S iar compartimentul II un solvit A dizolvat în solventul S. Membrana este permeabilă numai pentru solvent. Moleculele solventului tind să se mişte din cmpartimentul I către compartimentul II datorită diferenţei de concentraţie. Mişcarea netă, la echilibru este contrabalansată de apariţia unei presiuni în compartimentul II. Calculând variaţia energiei libere Gibbs G la p=const şi T=const. în presupinerea că solventul este practic incompresibil, şi ţinand seama că la echilibru ∆G = 0, se obţine pentru diferenţa de presiune între cele două compartimente

în care π este presiunea osmotică, vs este volumul molar al solventului, xs

II este fracţia molară (nr. de moli de solvent/nr total de moli de solvent şi solvit). De aici, pentru soluţii diluate se poate obţine ecuaţia van’t Hoff. Astfel presiunea osmotică poate fi privită ca un fenomen care măreşte potenţialul chimic al solventului în soluţie până la valoarea celui al solventului pur. O situaţie similară există atunci când substanţa dizolvată este încărcată cu sarcină electrică. 3.2.2. Echilibrul ionic Presupuunem că membrana semipermeabilă separă două compartimente I şi II ce conţin soluţii ale unui electrolit K+A- de concentraţii diferite şi că membrana este permeabilă numai pentru ionii de un semn, de ex., pentru cationii K+. Calculând variaţia energiei libere Gibbs G, şi ţinand seama că la echilibru ∆G = 0, se obţine ecuaţia lui Nernst:

32

ψ ψII I

k

KI

KII

RT

z F

c

c− = ln

sau ψ ψext

k ext

RT

z F

c

c− =int

intln

in care ψ reprezintă potenţialul electric. Deci, diferenţa de potenţial electric între cele două compartimente este proporţională cu logaritmul raportului a două concentraţii.. Pentru cationi z > 0 aşa încât potenţialul electric este mai mare pe partea mai diluată a membranei. Este atins echilibrul deoarece apariţia potenţialului electric de partea mai diluată a membranei măreşte potenţialul electrochimic al soluţiei in compartimentul mai diluat până la acela al soluţiei mai concentrate din celălalt compartiment. Dacă membrana este permeabilă numai la anioni situaţia va fi inversă. Este de observat că în fiecare compartiment este respectată legea neutralităţii electrice deoarece nu poate fi detectată vreo diferenţă de sarcină electrică (sau deplasare de sarcină); este evidenţiată numai o diferenţă de potenţial electric între cele două compartimente. O astfel de d.d.p. este deseori numită potenţial de difuzie (deoarece ea rezultă dintr-o difuzie aparentă a ionilor de un semn prin membrană). Invers, dacă este aplicat un camp electric membranei permeabile la ionii de un singur semn, şi dacă membrana separă două compartimente, fiecare conţinând soluţii ale ionului, concentraţia ionului la echilibru este dată de ecuaţia lui Nernst:

V VRT

z F

c

ce ik

i

e

− = ln

3.2.3. Echilibrul Donnan Echilibrul Donnan este un caz particular de echilibru ionic. In acest caz, la echilibru există un potenţial electric chiar când membrana este permeabilă pentru ioni (relativ mici) de ambele semne. Acest lucru se realizează atunci cand unul dintre cele două compartimente separate de membrană conţine, pe lângă o sare pentru care membrana este permeabilă, o moleculă mare (de ex., o proteină) ce poartă o sarcină electrică netă, pentru care membrana nu este permeabilă. I II K+ K+ A- A- Pzp

Presupunem că, compartimentul I conţine o soluţie a unui electrolit simplu monovalent K+A- şi că compartimentul II cnţine o soluţie a aceluiaşi electrolit, împreună cu sarea unei proteine P, cu concentraţia cp, care poartă sarcina netă zp. Membrana care separă cele două compartimente este permeabilă peentru ambii ioni ai electrolitului. Să presupunem în plus că există o presiune osmotică corespunzătoare, astfel încât potenţialul chimic al solventului să fie egal in ambele compartimente. La echilibru, variaţia energiei libere, când un mol de electrolit simplu este transportat dintr-un compartiment in altul, este zero. Dacă ignorăm efectele mici ale diferenţei

33

de presiune asupra potenţialelor standard ale sării în cele două compartimente, atunci rezultă

c

c

c

crK

I

K

IIA

II

A

I

+

+

−

−

= =

Raportul r este numit raport Donnan. Legea neutralităţii electrice dictează că, în compartimentul I,

c cK

I

A

I+ −=

şi în compartimentul II,

c c z cK

II

A

IIp p+ −= −

Urmează că

rc

c

c

c z cA

II

K

IIA

II

A

IIp p

2 = =−

−

+

−

− Această ecuaţie ne arată că dacă sarcina netă a proteinei este negativă (zp<0), r2<1 şi deci r<1. In consecinţă,

c cA

II

A

I− −<

şi c c

K

I

K

II+ +<

. Atunci, din ecuaţia lui Nernst rezultă că trebuie să existe un potenţial electric negativ

ψ ψII I A

II

A

IK

I

K

II

RT

F

c

c

RT

F

c

c− = =

−

−

+

+

ln ln

pe direcţia transversală a membranei. Conform definiţiei raportului Donnan,

ψ ψII I RT

Fr− = ln

Când sarcina netă a proteinei este pozitivă (zp>0), evident, potenţialul electric este pozitiv. Analiza a fost făcută pentru o sare simplă monovalentă. Este uşor de arătat că, pentru electroliţi polivalenţi se poate defini un raport Donnan pentru fiecare sare k,

rc

cK

I

K

II

I zk

=

+

+

/

, în care indicele k se referă la speciile ionice k având sarcina zk. Ecuaţia este aplicabilţ în cazul general. 3.3. MECANISME (MODELE) DE TRANSPORT Difuzia este, bineînţeles, implicată în transportul prin membrană; este de aşteptat ca, în mediul vâscos reprezentat de stratul dublu lipidic, coeficientul de mobilitate al substanţelor în soluţie să fie mic. Pe de altă parte, membrana are o structură de pori. Prin astfel de canale poate trece solventul (apa) şi pot difuza solviţii care au moleculele destul de mici ca să treacă. Selectivitatea canalelor faţă de semnul sarcinii ionilor poate fi explicată presupunând că aceste canale sunt structurate ca specii ionice de un semn dat; canalele pot să acţioneze ca schimbătoare de ioni. Ca urmare a studiilor de transport al dizaharidelor prin membranele bacteriilor, s-a imaginat mecanismul de transport prin “purtător” (engl.: carrier). Rezultatele studiilor au condus la ideea că transportul dizaharidei este efectuat de o enzimă ce a fost denumită permează. Această enzimă pare a fi o enzimă indusă; ea este sintetizată ca răspuns la prezenţa substratului său.

34

O interacţiune între o moleculă sau un ion care este obiectul transportului şi o substanţă din interiorul fazei membranare poate fi un fenomen mai general decât termenul specific sugerat de permează; mecanismul cu purtător poate juca un rol important în fenomenele de transport biologic. 3.3.1. Asocierea chimică (transport pasiv) Caracterul specific al reacţiilor enzimatice se datorează interacţiunilor necovalente strânse între enzimă şi substrat care conduc la formarea unui complex substrat - enzimă. Astfel, în sistemele de transport biologic, se poate postula existenţa unei substanţe, în interiorul fazei membranare, care să aibă o mare afinitate pentru speciile de transportat. Interacţiunea conduce la o asociaţie şi complexul rezultat poate difuza prin membrană. 1 Membrană 2 A + T A•T⇒ A•T T + A

O substanţă A este legată de un purtător (transportor) T, cu care formează un

complex A•T. A singur este prost solubil în faza membranei şi de aceea aici este foarte puţin prezentă A; complexul A•T poate difuza uşor prin membrană. Pentru simplitate, presupun că acest complex este neutru electric. Dacă reacţia între A şi T este rapidă faţă de viteza de difuzie a complexului A•T, reacţia va continua aproape de echilibru. 3.3.2. Transport activ Multe membrane transportă molecule sau ioni din regiuni cu concentraţie mică către regiuni cu concentraţie ridicată. Acest transport împotriva gradientului termodinamic poate fi realizat numai când este cuplat cu un proces furnizor de energie. Nici simpla difuzie prin membrană sau pori, nici mecanismul cu “transportor” prin ele însele nu pot explica această translocaţie prin transport activ. Nu este prea dificil, totuşi, să se extindă conceptul de transport prin asociere chimică pentru a postula un mecanism care să funcţioneze. 1 Membrană 2 Difuzie A + T A•T⇒ A•T T + A Energie mare Difuzie T’ T’ Energie mică c1 c2 Afinitate mică pentru A c2 > c1 Afinitate mare pentru A Substanţa purtătoare T, în acest caz, poate fi convertită de la o configuraţie T cu afinitate mare pentru substanţa A, la una cu afinitate mică, T’, şi invers. Această conversie poate fi o alterare chimică sau7 numai o modificare conformaţională. Este

35

esenţial ca această conversie, într-un sens, să fie cuplată cu o reacţie generatoare de energie. Complexul A•T, ca şi configuraţia cu afinitate mică, T’, pot difuza prin membrană. Vizualizat, procesul ar putea fi următorul: la suprafaţa 1, din configuraţia cu afinitate mică, T’, se formează configuraţia cu afinitate mare T; atunci, substanţa A se leagă de T, furnizat continuu prin conversie din T’. T’ difuzează către suprafaţa 1 deoarece concentraţia sa este mai mare la suprfaţa 2 ca rezultat al conversiei continue a lui T în T’ la suprafaţa 2. Procesul are un caracter ciclic şi este evident că nu se poate desfăşura decât dacă este condus de o reacţie furnizoare de energie. O astfel de reacţie poate conduce fie conversia lui T în T’ la suprafaţa 2, fie conversia lui T’ în T la suprafaţa 1. Există dovezi experimentale circumstanţiale care sugerează că mecanismele cu purtător pot opera în sistemele vii. Dar, trebuie spus că transportul total observat prin membrane biologice nu este rezultatul unui singur mecanism ci, în general, rezultatul mai multor mecanisme care se desfăşoară simultan.

Exemplu. Energia necesară pentru transportul activ îşi are originea în reacţii din celulă care sunt asociate cu producţia de ATP (acid adenozintrifosforic); ATP rezultă din ADP (acid adenozindifosforic) şi acid fosforic anorganic provenit din mediu.

3.4. PROCESE DE TRANSFORMARE A ENERGIEI Cum este furnizată celulelor energia necesară? La cel mai fundamental nivel, energia este furnizată de lumina solară, care dirijează fotosinteza în cazul plantelor, şi prin ingerarea şi ruperea moleculelor organice complexe, în mare parte prin reacţii de oxidare, în cazul animalelor. Diferite bacterii pot, nu numai să realizeze astfel de reacţii, ci şi să obţină energie din reacţii simple anorganice. Distincţiile făcute mai sus nu sunt absolute. De ex., când nu este disponibilă lumina, plantele trăiesc pe seama energiei ce provine din oxidarea moleculelor organice sintetizate pe durata perioadei fotosintetice. De asemenea, este corect ca fotosinteza să fie privită ca cel mai fundamental proces pentru viaţa animalelor, datorită limitelor metabolice ale celulelor animale. Deşi celulele animale pot sintetiza, dacă li se furnizează toate zaharurile necesare, majoritatea acizilor graşi, toţi steroizii cu excepţia vitaminei D (vitaminele sunt sintetizate de plante şi microbi, dar nu de animale), toate purinele şi toate pirimidinele, ele nu pot sintetiza 10 aminoacizi esenţiali; bineînţeles, plantele pot. Astfel procesul iniţial pentru, să zicem, un mamifer, este să preia nişte molecule organice foarte mari – proteine, polizaharide şi grăsimi neutre – în canalul alimetar în care acestea pot fi rupte (descompuse) în aminoacizi, monozaharide, acizi graşi şi glicerol şi absorbite în sistemul circulator. Important este faptul că toată energia liberă produsă în această descompunere se transformă în căldură. Variaţia energiei libere ∆F este cea care dirijează metabolismul; de la început până la produs ∆F este negativă şi obişnuit mare. O valoare mare pentru ∆F garantează că reacţia se va desfăşura şi că produşii vor fi >>decât reactanţii. Totuşi, nu spune nimic despre viteza reacţiilor în care, evident, intervin enzimele. Odată produşii de descompunere intraţi în sistemul circulator, aceştia pot să înceapă a fi procesaţi pentru a face energia disponibilă; această energie este necesară pentru procese de la deplasarea ionilor şi moleculelor în transportul activ, până la contracţia musculară.

36

Energia este deasemenea stocată în forma unor compuşi insolubili, ca amidonul şi glicogenul, compuşi care trebuie să fie prelucraţi înainte ca energia să devină disponibilă. La animalele superioare şi la plante, primul pas transformă depozitele în zaharuri solubile; apoi acestea sunt distribuite celulelor. La nivel celular, zahărul este oxidat pentru a produce H2O, CO2 şi energie. Procesele desfăşurate în organismele vii sunt rareori consumatoare directe de energie care să fie imediat disponibilă celulei. Mai întotdeauna, aceste procese sunt dirijate de energia ce provine dintr-o sursă intermediară, care este hidroliza ATP:

ATP + H2O ADP + H3PO4 + ∆G ∆G=-7 kcal/mol.

Datorită rolului central al ATP, problema transformării energiei a fost dominată de studiile proceselor prin care energia preluată poate fi utilizată pentru producerea ATP. Bineînţeles, hidroliza ATP nu eliberează, simplu, energie. Acest lucru nu ar conduce la lucru util ci doar la generarea de căldură. Reacţia de hidroliză este cuplată într-un anumit mod cu procesul celular care necesită energia. De exemplu, formarea unei legături la construcţia unei proteine necesită o energie liberă ∆G=1/2 kcal/mol, energia liberă a hidrolizei ATP va garanta că echilibrul procesului este modificat puternic către formarea legăturii. Mai general, se poate reprezenta procesul prin care celula utilizează energia hidrolizei ATP printr-o ecuaţie schematică de forma

ATP + X → ADP + X~P + ∆G

În care X este un compus activat de către ATP, dar, de fapt, nu este exact cunoscut cum se desfăşoară un astfel de transfer de energie. ATP este produs prin procese diferite în sisteme biologice diferite. Se cunosc patru procese distincte:

Reacţii de oxido-reducere care se desfăşoară pe membrana internă a mitocondriilor în conexiune cu respiraţia celulară;

Procesele fotosintetice din plantele verzi, care se desfăşoară pe membranele granei din cloroplaste.

Reacţii care se produc pe membranele interne ale bacteriilor în conjuncţie cu metabolismul bacterian

Reacţii dirijate de lumină localizate în cromatoforii bacteriilor fotosintetice. Este semnificativ faptul că toate aceste procese sunt asociate cu o membrană.

Pe lângă asta, putem împărţi procesele de mai sus în două grupe. O grupă depinde de respiraţie, adică, de disponibilitatea oxigenului; cealaltă grupă este fotosintetică, adică condusă de lumină. Membranele sunt mediatori între energia chimică, în forma ATP, şi energia electrică sub forma potenţialului de membrană şia circulaţiei ionilor.

3.4.1. Procesul din cloroplast Complexităţile şi incertitudinile din problema ATP mitocondrial se extind şi asupra fotosintezei. Ambele procese, vom vedea, împart un lucru semnificativ, pe lângă legătura cu membrana. Cel mai simplu aspect al rezultatului mitocondrial este că

Glucoză + Oxigen →Dioxid de carbon + Apă + Energie Sau

37

C6H12O6 + 6O2→6CO2 + 6H2O + ∆H=672 kcal/mol. De fapt aceasta nu este tocmai corectă, şi pentru a vedea de unde vine ATP, ar trebui scris

C6H12O6 + 6 H2O + 6O2→6CO2 + 12H2O + ∆H=672 kcal/mol

Deoarece, în procesul respiraţiei celulare, este nevoie de o moleculă de apă pentru a utiliza fiecare atom de carbon din glucoză. Acum fiecare pereche de atomi de H care devine subiectul unui proces necunoscut al sistemului de citocromi mitocondrial furnizează energie pentru formarea a trei molecule de ATP. Astfel, mitocondria este o uzină energetică care în mod esenţial “arde” hidrogen pentru a produce apă. Pornim cu 12 perechi de H şi avem 3 ATP pentru fiecare pereche, aşa că fiecare moleculă de glucoză face 36 molecule de ATP. Acum se poate face conexiunea cu fotosinteza, deoarece ecuaţia de mai sus este, în mod obişnuit cunoscută ca ecuaţia lui van Niel pentru fotosinteză:

6CO2 + 12H2(X) → νhC6H12O6 + 6 H2O + 12(X)

unde (X) poate fi oxigen, sulf, sau o moleculă organică. Plantele verzi, în care procesul este desfăşurat de cloroplast, reprezintă sistemul cu oxigen ca (X) şi deci putem scrie

6CO2 + 12H2O → νhC6H12O6 + 6 H2O + 6O2.

Când este menţionată fotosinteza s-ar spune că se consumă CO2 şi se produce O2. Deoarece numărul de moli de O2 produşi este egal cu numărul de moli de CO2 consumat, este natural de ghicit că CO2 este “combustibilul” care furnizează O2. Dar nu este aşa; O2 provine din descompunerea H2O, fapt uşor pus în evidenţă prin marcarea oxigenului din apă cu trasorul radioactiv O18. In plantele superioare, mecanismul fotosintetic se află în cloroplaste, structuri compuse dintr-un complex de membrane numite lamellae. Membranele formează saci nimiţi tilakoide; membranele lamellae sunt grupate pentru a forma o unitate numită grana. Fiecare grana este separată de celelalte de o stroma. Procesul de fotosinteză este, ca şi formarea ATP în mitocondrie, un proces asociat cu o membrană. Tilakoidele sunt membranele critice şi ele conţin moleculele de pigment care reprezintă absorbanţii luminii incidente. Se cunoaşte că spectrul de absorbţie al moleculelor organice este, uzual, mai puternic în ultraviolet decât în alte regiuni. Moleculele de pigment cum ar fi clorofila, absorb puternic în vizibil deoarece conţin un compus inelar particular caracteristic de porfirină. Ataşat de acest inel se află un lanţ CH care are celălalt capăt ancorat în membrană. Există 7 tipuri de clorofile. Ln plantele superioare, o contribuţie la absorbţia luminii o au şi carotenoizii. Benzile de absorbţie ale cclorofilelor sunt în roşu şi albastru iar ale carotenoizilor în albastru. Alte sisteme fotosintetice au molecule de pigment diferite şi absorb în diferite regiuni de lungimi de undă. Ce valoare are energia minimă pe care trebuie să o furnizeze o moleculă de pigment? Energia liberă Gibbs necesară pentru a conduce reacţia este de aproximativ

∆G = 116 kcal/mol ≡ 1,2 eV Energia unui “mol” de fotoni la maximul de absorbţieal clorofilei în banda roşu (hυ cu υ ≈430-460 nm în domeniul roşu) este

∆G = 41 kcal Şi la maximul de absorbţie în albastru (υ ≈670 nm)

38

∆G = 65 kcal. Deci, trebuie să fie absorbiţi aprox. 2 fotoni pentru fiecare mol de dioxid de carbon procesat. Cu alte cuvinte, au loc probabil două evenimente fotosintetice. Aceasta este problema centrală; într-un mod oarecare energia absorbită de fotoni poate fi făcută accesibilă pentru lucru. Sistemul care îndeplineşte acest lucru este unitatea fotosintetică, un complex molecular care include aprox. 300 molecule de clorofilă. Când un foton este absorbit de una dintre acestea, molecula trece din starea fundamentală într-o stare excitată. Durata tranziţiei este de ~10-15secunde. Dacă fotonul este din domeniul roşu, molecula trece în prima stare excitată (singlet); dacă este din domeniul albastru, în a treia stare excitată (singlet). Singura tranziţie utilă, pentru fotosinteză, este una în care este transferată energia primei stări excitate şi devine disponibilă pentru efectuarea lucrului fotochimic. In figura următoare este schematizată absorbţia luminii de către o moleculă de pigment şi sunt înfăţişate tranziţiile posibile. Reacţia totală a fotosintezei cuprinde două procese diferite distincte: primul este fotochimic şi al doilea biochimic; ele reprezintă aşa-numitele reacţii de lumină şi de întuneric.

La o altă scară, un foton de lumină capturat de clorofilă face ca această moleculă să realizeze un proces numit separare de sarcini libere. In acest proces, de molecula de clorofilă este separat un electron (e-) şi este trecut, la o energie mai mare, unei molecule de purtător (transportor), convertind energia fotonului în energie chimică. Electronul pierdut de către clorofilă este înlocuit prin ruperea unui electron din molecula de apă. Acest proces este denumit fotoliză, şi este sursa de oxigen gazos. Reacţia fotolitică poate fi descrisă prin ecuaţia:

H2O → 2H+ + 2e- + 1/2O2

Două astfel de separări de sarcini libere, numite fotoacte, sunt conectate în serie. Se formează compusul bogat în energie adenozin trifosfat (ATP), prin adiţia unui grup fosfat anorganic (Pa) la nolecula de adenozin difosfat (ADP), şi electronul îşi pierde energia. Acest proces este denumit fotofosforilare, şi poate fi descris printr-o ecuaţie de forma:

ADP + Pa→ATP + H2O

In al doilea fotoact, compusul NADP+ (nicotinamid adenin dinucleotid fosfat) este redus, adică primeşte electroni pentru a forma compusul donor de electroni NADPH:

NADP+ + H+ +2e-→NADPH

Compuşii ATP şi NADPH sunt folosiţi în stadiul următor al fotosintezei, reacţia de întuneric. In natură, pentru fiecate zece fotoni absorbiţi, se formează două sau trei molecule de ATP şi două molecule de NADPH. Aceasta înseamnă o eficienţă a conversiei energiei de aprox. 38%. In reacţia de întuneric, ATP şi NADPH formate în reacţia de lumină sunt folosite pentru a transforma dioxidul de carbon anorganic (CO2) în compuşi organici de carbon, proces numit fixarea carbonului. Procesul este un ciclu biochimic şi implică zaharul difosforibuloza (RuDP) şi CO2; rezultatul este zaharul trioză fosfat (TP). Reacţia este favorizată, sau catalizată de către enzima ribuloză difosfat carboxilază/oxigenază (RuDiCO). Reacţia poate fi descrisă prin ecuaţia:

RuDP + CO2 →RuDiCO2TP

39

Apoi ciclul regenerează RuDP printr-o serie complexă de reacţii. Zaharurile produse prin aceste reacţii sunt utilizate pentru sinteza de carbohidraţi superiori, proteine şi grăsimi, hrana plantei, ce este la capătul produşilor de fotosinteză. Enzimele controlează viteza cu care se produc diferiţii paşi ai procesului fotosintetic. Viteza fotosintezei depinde şi de condiţiile de mediu cum ar fi intensitatea luminii, temperatura şi disponibilitatea dioxidului de carbon, a apei şi a unor minerale. Teste de autoevaluare (3)

1) Ce înţelegeţi prin efectivitatea barierei în cazul unei membrane? 2) In cazul substanţelor pentru care membrana celulară este permeabilă, este

respectată ecuaţia difuziei simple? 3) Ce înţelegeţi prin transport pasiv şi transport activ de substanţă? 4) In cazul echilibrului osmotic în jurul unei membrane permeabile la solvent,

ce efect are existenţa presiunii osmotice? 5) Ce reprezintă expresia ecuaţiei Nernst? 6) Ce este potenţialul de difuzie? 7) Ce este un “transportor” (“purtător”)?

Lucrari de verificare (3) 1) Explicaţi modul în care are loc conversia energiei în organismele vii, cu referire la respiraţia celulară. 2) Fotosinteza (procesul din cloroplast) 3) Rolul ATP în bioconversia energiei (din punct de vedere fizic!) Rezumat (U.I.3) Una dintre proprietăţile principale ale membranei este aceea de a servi ca barieră între conţinuturile diferite ale celulei şi mediul înconjurător şi între diferitele compartimente din interiorul celulei. Nicio metoda analitica nu da toate raspunsurile la intrebarile referitoare la comportarea membranei. Prin transport pasiv şi activ este menţinută constantă, în limite înguste, integritatea chimică în interiorul compartimentelor celulei şi organitelor celulare, furnizând condiţii optime pentru procesele vieţii. In celule sau în organitele celulare pot fi găsite mari diferenţe de concentraţii ale solviţilor (cu sau fără sarcină electrică) între interiorul şi exteriorul veziculelor înconjurate de membrane, chiar când membrana este permeabilă la astfel de solviţi. Atunci cand membrana are caracteristici semipermeabile, poate fi menţinut în echilibru un gradient de concentraţie al unui solvit, cu sau fără sarcină electrică. In cazul echilibrului osmotic (difuzia simplă), presiunea osmotică poate fi privită ca un fenomen care măreşte potenţialul chimic al solventului în soluţie până la valoarea celui al solventului pur. In cazul echilibrului ionic (electrodifuzia), diferenţa de potenţial electric (potenţial de difuzie), între două compartimente separate de membrana, este proporţională cu logaritmul raportului a două concentraţii. Echilibrul Donnan este un caz particular de echilibru ionic. Modelul de transport cu/prin "purtator" se poate aplica si pentru transportul pasiv si pentru cel activ. Interacţiunilor între enzimă şi substrat care conduc la formarea unui complex substrat - enzimă. Interacţiunea conduce la o asociaţie şi complexul rezultat poate difuza prin membrană in sensul gradientului concentratiei, in cazul transportului pasiv, sau in sens contrar acestuia, in cazul transportului activ. Transportul împotriva gradientului termodinamic poate fi realizat numai când este

40

cuplat cu un proces furnizor de energie. Transportul total observat prin membrane biologice nu este rezultatul unui singur mecanism ci, în general, rezultatul mai multor mecanisme care se desfăşoară simultan. Procesele desfăşurate în organismele vii sunt rareori consumatoare directe de energie care să fie imediat disponibilă celulei. Aproape întotdeauna, aceste procese sunt dirijate de energia ce provine dintr-o sursă intermediară, care este hidroliza ATP. ATP este produs prin procese diferite în sisteme biologice diferite. Se cunosc patru procese distincte: (i)reacţii de oxido-reducere care se desfăşoară pe membrana internă a mitocondriilor în conexiune cu respiraţia celulară; (ii) procese fotosintetice din plantele verzi, care se desfăşoară pe membranele granei din cloroplaste; (iii) reacţii care se produc pe membranele interne ale bacteriilor în conjuncţie cu metabolismul bacterian; (iv) reacţii dirijate de lumină localizate în cromatoforii bacteriilor fotosintetice. Bibliografie M ă r g i n e a n, D-G - Energetica lumii vii, Ed. Edimpex-Speranţa, Buc., 1992. I s a c, M. ş.a. - Biofizica. De la Big-Bang la ecosisteme, Ed.Tehnică, Buc., 1996.

41

Unitatea de învăţare 4. RADIAŢII ŞI RADIOACTIVITATE (U.I.4)

CUPRINS (U.I. 4) pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.4) 41 Instrucţiuni (U.I.4) 41 4.1. Radiaţie 41 4.2. Proprietăţile generale ale radiaţiilor nucleare. 42 4.3. Radioactivitate. 42 4.4. Surse radioactive. 42 4.5. Mărimi şi unităţi pentru măsurarea efectelor radiaţiilor nucleare. 43 4.6. Proprietăţile radiaţiilor alfa, beta şi gama. 44 Teste de autoevaluare (1) 44 Lucrări de verificare (1) 45 Rezumat (U.I.4) 45 Bibliografie (U.I.4)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.4) In aceasta unitat de invatare sunt definite notiuni elementare fundamentale legate de radiatii, sunt descrise proprietatile generale ale radiatiilor nucleare, apoi sunt explicate notiunile de dezintegrare radioactiva si de radioactivitate. Este prezentata o clasificare a surselor radioactive utilizate in tehnici nucleare si este definita activitatea unei surse radioactive. Unitatea de invatare se incheie cu partea sa principala marimi si unitati pentru masurarea efectelor radiaţiilor nucleare; sunt descrise, definite si explicate marimile si unitatile din sistemul röntgenologic si din sistemul radiobiologic. Instrucţiuni (U.I.4) Este important ca studentul sa acorde atentie definitiilor de la inceputul unitatii de invatare. Cunoasterea proprietatilor radiatiilor nucleare, a modului in care se caracterizeaza o sursa radioactiva si a marimilor si a unitatilor pentru masurarea efectelor radiatiilor nucleare sunt necesare pentru a putea utiliza tehnici nucleare si, nu in ultimul rand, pentru radioprotectia personala si a materialului biologic, pentru a intelege riscurile poluarii radioactive si al controlului acesteia. De mentionat ca lucrul cu surse radioactive este strict reglementat si controlat si impune, conform legilor in vigoare, o specializare in domeniu si o autorizare ca persoana si ca laborator (unitate nucleara) Timp estimativ de studiu este de aproximativ o oră. La sfârşitul U.I.4 se afla un set de 10 întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi 3 teme pentru autoevaluare.

4.1. RADIAŢII

Prin radiaţie se înţelege, în accepţiunea actuală, un fascicul de particule în mişcare. Termenul de particulă, folosit în sensul cel mai general, cuprinde atât particulele cu masa de repaus nulă (m0 = 0), cât şi particule cu masa de repaus diferită de zero (m0 # 0). Radiaţiile nucleare sunt radiaţiile care provin din nucleul atomic. Particulele cu m0 = 0 în mişcare constituie radiaţiile electromagnetice sau radiaţii fotonice (radiaţii gama, X).

42

Particulele cu m0 # 0, în mişcare, poartă numele de radiaţii corpusculare (radiaţii alfa, beta plus, beta minus, deuteroni, protoni, neutroni).

4.2. PROPRIETĂŢI GENERALE ALE RADIA ŢIILOR NUCLEARE

Radiaţiile nucleare, indiferent de tip, posedă următoarele proprietăţi generale caracteristice: - radiaţiile nucleare corpusculare sunt deviate de câmpuri electrice şi magnetice; - radiaţiile nucleare ionizează gazele; - radiaţiile nucleare impresionează materialele fotosensibile; - radiaţiile nucleare produc fluorescenţa şi/sau luminiscenţa unor substanţe. După modul în care radiaţiile ionizante produc ionizarea mediului material prin care trec, r.n. se pot grupa în: - radiaţii direct ionizante = particulele încărcate electric (electroni, protoni, particule alfa etc.); - radiaţii indirect ionizante = particule fără sarcină electrică care pot elibera, ca urmare a interacţiunii cu substanţa, particule ionizante sau pot iniţia o transformare nucleară. 4.3. RADIOACTIVITATE

Dezintegrare: transformarea spontană a unui nucleu atomic, în urma căreia din interiorul acestuia sunt expulzate diferite particule nucleare. Fenomenul de dezintegrare se supune unor legi statistice. Radioactivitate: proprietatea unor nuclee de a se dezintegra spontan prin emisia unor radiaţii. Ca urmare a procesului radioactiv, nucleul iniţial se trensformă într-un nucleu final (transmutaţie, tranziţie nucleară), iar nucleul rezultat îşi schimbă poziţia în sistemul periodic al elementelor potrivit unor reguli (legi) de deplasare. Trecerea de la nucleul iniţial la nucleul produs se poate face prin una sau mai multe tranziţii. Radioactivitatea poate fi naturală (Becquerel) sau artificială. 4.4. SURSE RADIOACTIVE

Surse inchise: acele surse radioactive care, prin modul lor de realizare, nu pot contamina în niciun fel spaţiul de lucru şi mediul inconjurator. Surse deschise: sursele radioactive care sunt astfel realizate, încat, indiferent de modul de lucru, de măsurile de protecţie luate, ş.a., produc întotdeauna contaminarea radioactiva a spaţiului de lucru. Mărimea care caracterizează o sursă radioactivă este activitatea Λ (sau viteza de dezintegrare)

Λ ∆∆= =λN N

t adică mărimea fizică, numeric egală cu numărul de nuclee care se dezintegrează în unitatea de timp. Unitatea de măsură pentru activitate în SI este dezintegrarea pe secundă numită Becquerel (Bq). 1 Becquerel reprezintă activitatea unei surse radioactive în care are loc o dezintegrare într-o secundă, indiferent de numărul tranziţiilor nucleare.

43

1 Bq = 1 111

1 −== sss

dez

In practica este folosit un multiplu denumit Curie (Ci)

1Ci = 3,7 1010 dez/s = 3,7 1010Bq.

Intervalul mediu de timp după care numărul iniţial de nuclee din sursă se reduce la jumătate poartă numele de durată (perioadă) de injumătăţire (T1/2).

4.5. MARIMI SI UNITATI PENTRU MASURAREA EFECTELOR RADIA ŢIILOR NUCLEARE

Pentru măsurarea efectelor radiaţiilor nucleare se utilizează două sisteme: sistemul röntgenologic şi sistemul radiobiologic. Sistemul röntgenologic este bazat pe ionizarea produsă în aer de radiaţiile X şi gama cu energia de până la 3 MeV. Mărimea de bază este expunerea X, (numită şi doza de expunere sau doza de ioni) care reprezintă raportul dintre totalitatea

sarcinilor electrice ∆ Q , de fiecare semn, formate în urma absorbţiei radiaţiei incidente în aerul conţinut într-un element de volum ∆V de masa ∆m, cu condiţia ca toate radiaţiile beta formate să fie oprite în elementul de volum considerat. Deci

X Qm= ∆

∆ Unitatea de măsură pentru expunere este Röntgenul (1R). Sistemul radiobiologic măsoară efectul radiaţiilor în materialul iradiat pentru toate tipurile de radiatii. Mărimile utilizate sunt: doza absorbită şi doza biologică (echivalentul dozei). Doza absorbită într-un material, D, reprezintă energia transferată unităţii de masă din materialul iradiat numai prin excitări şi ionizări.

D Wm= ∆

∆ Unitatea de măsură în SI este 1J/kg = 1 Gray = 1 Gy. O unitate de măsură tolerată, folosită în practică este rad-ul 1 rad = (1/100) Gy. Doza biologică, B, reprezintă produsul între doza absorbită D şi un factor numit Factor de Calitate (FC sau η )

B D= η Unitatea de măsură în SI este Sievert-ul (1 Sv); unitatea tolerată utilizată în practică, este numită rem

1 1100rem Sv=

Câteva valori aproximative ale factorului de calitate:

η =

1 pt. rad.X, gama si beta cu E ≥ 30keV 1,7 pt. rad. beta cu E ≤ 30keV 5 pt. neutroni lenţi 10 pt. neutroni rapizi 20 pr. rad. alfa

44

Pentru fiecare dintre mărimile definite mai sus se poate defini şi câte o marime numită debit (debitul expunerii, debitul dozei absorbite), respectiv,

X Xt= ∆

∆ , D D

t= ∆∆ ,

B Bt= ∆

∆

4.6. PROPRIETATILE RADIATIILOR alfa, beta şi gama Radiatiile α (alfa) sunt fascicule de nuclee de Heliu (A=4 Z=2), motiv pentru care mai sunt denumite şi radiaţii helionice (au două sarcini electrice pozitive). Particulele alfa sunt expulzate din nucleu cu o viteză mică, de circa 20000 km/s. Viteza relativ mică şi masa lor mare, determină o putere mare de ionizare şi, ca urmare, o putere de pătrundere mică: în aer, ele au un parcurs de câţiva centimetri şi sunt uşor absorbite (o placa de aluminiu cu grosimea de 0,1mm sau chiar o foaie de hârtie le poate absorbi complet). Se spune că radiaţiile alfa sunt radiaţii cu parcurs, adică, există o grosime, din orice material, care le stopează complet; din acelaşi motiv, radiaţiile alfa şi beta pot fi caracterizate printr-un parcurs maxim într-o anumită substanţă. Spectrul energetic al radiaţiilor alfa este un spectru discret (de linii), adică, pentru un anumit nucleu alfa-emiţător, radiaţiile emise au numai anumite valori (discrete) ale energiei; nu există două nuclee emiţătoare de radiaţii alfa care să emită radiaţii cu acelaşi spectru energetic şi de aceea spectrul energetic poate servi la identificarea nucleului emiţător. Energia radiaţiilor alfa este de ordinul a 4 - 9 MeV.

Radiaţiile β (beta) sunt fascicule de electroni (β −) sau pozitroni (β

+), au o

sarcină negativă, respectiv, pozitivă. Viteza lor este de 0,5 - 0,9 din viteza luminii în spaţiul liber (vid). Viteza lor mare şi masa lor mică face ca aceste radiaţii să aibă o putere de ionizare mai mică decât a radiaţiilor alfa şi, ca urmare, o putere de pătrundere mai mare. Sunt absorbite de o placă de aluminiu de 2-3 mm grosime. Spectrul energetic al radiaţiilor beta este un spectru continuu, adică radiaţiile

emise de un nucleu pot avea energia cuprinsă între zero şi o valoare maximă (Wβ max ), caracteristică nucleului beta-emiţător; nu există două nuclee emiţătoare de radiaţii

beta care să posede aceeaşi valoare pentru Wβ max . Ca şi radiaţiile alfa, şi radiaţiile beta suferă o atenuare cu parcurs. Radiaţiile γ (gama) sunt de natură electromagnetică (m0 = 0) şi de aceea nu sunt deviate nici în câmp electric, nici în câmp magnetic. Datorită lungimii de undă mici (mai mica decât cea a radiaţiilor X) şi vitezei mari, fotonii gama au putere de ionizare foarte mică şi, respectiv, putere de pătrundere foarte mare. Pot să străbată distanţe mari în aer şi pot traversa placi metalice de câţiva centimetri. Spre deosebire de radiaţiile alfa şi beta - care sunt stopate de orice material - radiaţiile gama nu sunt stopate de nici o grosime din niciun material; ele sunt doar atenuate. Spectrul energetic este unul discret, ca şi cel al radiaţiilor alfa; energia lor este cuprinsă între câteva sutimi de MeV şi câţiva MeV. Teste de autoevaluare

1) Ce reprezintă o sursă deschisă de radiaţii nucleare? 2) Ce reprezintă o sursă închisă de radiaţii nucleare? 3) Ce este expunerea şi la ce se referă aceasta? 4) Ce este doza absorbită?

45

5) Ce este doza biologică?

Lucrari de verificare Estimaţi energia absorbită prin iradiere cu radiaţii nucleare în situaţiile următoare:

a) la o expunere de 1 R; b) la o doza absorbită de 0,01 Gy; c) la o doză biologică de 0,01 SV.

Rezumat (U.I. 4) Particule, radiatii, radiatii nucleare (r.n.)- numai definitii. Proprietatile generale ale radiatiilor nucleare sunt caracteristice tuturor tipurilor de radiatii nucleare. Clasificarea r.n. in functie de modul in care produc ionizarea materialului iradiat. Dezintegrarea nucleului atomic si radioactivitatea - definitii. Surse radioactive inchise: acele surse care, prin modul in care sunt realizate, nu pot contamina în niciun fel spaţiul de lucru şi mediul inconjurator. Surse radioactive deschise: sursele care, indiferent de modul de lucru, de măsurile de protecţie luate, ş.a., produc întotdeauna contaminarea radioactiva a spaţiului de lucru. Sistemul röntgenologic este bazat pe ionizarea produsă în aer de radiaţiile X şi gama cu energia de până la 3 MeV. Marimea folosita este expunerea cu unitatea de măsură Röntgenul (1R). Sistemul radiobiologic măsoară efectul radiaţiilor în materialul iradiat pentru toate tipurile de radiatii. Mărimile utilizate sunt doza absorbită (unitatea de masura in SI 1J/kg = 1 Gray = 1 Gy) şi doza biologică (echivalentul dozei) - unitatea de masura in SI Sievert-ul (1 Sv). Unitati tolerate: 1 rad, pentru doza absorbita si 1 rem, pentru doza biologica. Proprietatile radiatiilor alfa, beta şi gama: spectrul energetic, masa de repaus, sarcina electrica, viteza la expulzarea din nucleu, putere de ionizare, putere (adancime) de patrundere.

Bibliografie

C.N.P.R. Marea Britanie, "Traim cu radiatii"(traducere din l.engleza), Ed.Tehnica, Bucuresti (1989)

46

PARTEA A II-A:

AGROMETEOROLOGIE

47

Unitatea de învăţare 5. OBSERVATII METEOROLOGICE SI AGROMETEOROLOGICE (U.I.5)

CUPRINS (U.I.5) Pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.5) 47 Instrucţiuni (U.I.5) 47 5.1. Introducere. 48 5.2. Reţeaua naţională de observaţii meteorologice. 49 5.3. Staţia meteorologică. 50 5.4. Platforma meteorologică. 51 5.5. Momentele efectuării observaţiilor meteorologice. 55 5.6. Observaţii agrometeorologice. 56 Teste de autoevaluare (1) 57 Lucrări de verificare (1) 57 Rezumat (U.I.5) 58 Bibliografie (U.I.5)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.5) In această unitate de invătare este prezentată statia meteorologică organizată clasic, pentru ca viitorii fermieri să inteleagă care sunt principiile amplasării acesteia si cele ale efectuării observatiilor meteorologice si agrometeorologice pentru a-si putea organiza puncte de observatii meteorologice si agrometeorologice pe teritoriul exploatatiilor agricole. Nu sunt prezentate statiile meteorologice automate din mai multe motive: (1) statiile automate vin cu o documentatie completă si sunt instalate in locurile propuse de beneficiar de catre echipele specializate ale furnizorului; (2) este, dupa parerea mea, aproape imposibil ca un fermier sa-si poată permite, din punct de vedere financiar, acoperirea teritoriului unei ferme medii cu statii automate; mai ales că datele meteorologice inregistrate chiar pe suprafete identice ca relief vor fi diferite daca pe suprafetele respective sunt exploatate culturi diferite. Fermierul isi poate organiza, cu cheltuieli mici, cateva puncte de observatii; dacă respectă principiile amplasării statiei si platformei meteorologice si momentele efectuării observatiilor, isi va putea completa datele proprii cu cele de la statia meteorologica zonală. Instrucţiuni (U.I.5) Pentru starea la zi a retelei nationale de observatii consultati pagina de web a Agentiei Nationale de Meteorologie. Din aceasta U.I. sunt importante de inteles care sunt principiile amplasarii unei statii meteorologice sau ale unui punct de observatii meteorologice, cele ale amenajarii platformei meteorologice, si, nu in ultimul rand, care sunt observatiile agrometeorologice. Importante sunt se respectarea normelor ANM (INMH)privind momentele efectuarii observatiilor. Cei interesati pot consulta direct instructiunile si indrumarul agrometeorologic, ambele elaborate de I.N.M.H. Timp estimativ de studiu este de o oră. La sfârşitul U.I.1 se afla un set de 10 întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi 3 teme pentru autoevaluare.

48

5.1. INTRODUCERE

Meteorologia (M) poate fi considerată şi o ştiinţă pură şi una aplicată la activitaţile umane. Ca ştiinţă pură meteorologia este o ramură a geofizicii care are ca obiect “Fizica atmosferei”. Din punctul de vedere al Serviciilor meteorologice naţionale grupate în Organizaţia Meteorologică Mondială a Naţiunilor Unite (OMM), meteorologia răspunde unei definiţii mai conforme rolului OMM şi anume:

“Meteorologia este ştiinţa mediului atmosferic înconjurător al umanităţii. Activităţile sale teoretice sunt dirijate către o mai bună înţelegere a evoluţiei vremii şi a echilibrelor climatice; activităţile sale aplicate sunt orientate către creşterea bunăstării umane”. In anexa 2 a “Convenţiei OMM”, la art.2, printre scopurile OMM se stipulează “...d) să încurajeze aplicaţiile meteorologiei în aviaţie, în navigaţia maritimă, la problemele apei, în agricultură şi la alte activităţi umane;...” Meteorologia (M) cuprinde două domenii: A. Urmărirea şi de înţelegerea evoluţiei stării atmosferei în toate locurile de pe Pământ, de la un moment la altul, de la o zi la alta. Acesta este punctul de vedere al meteorologiei dinamice, ştiinţa evoluţiei stării atmosferei -a vremii- după legile hidrodinamicii şi ale termodinamicii. Succesiunea în timp a diferitelor stări fizice ale atmosferei, în continuă schimbare, reprezintă mersul sau evoluţia vremii. Aplicaţia meteorologiei dinamice este meteorologia sinoptică, ramură ce are ca obiect prevederea evoluţiei timpului la suprafaţa Pământului. “Buletinul meteo” pentru public constituie obiectul M previzionale. B. Caracterizarea evoluţiei cumulate a “vremii” în diverse locuri de pe Pământ, pe durata unei perioade de ani suficient de lungă pentru ca toate caracteristicile studiate să fie semnificative statistic. Procesul de încălzire al Pământului de către Soare se supune la două cicluri astronomice fundamentale - al zilei şi al anului. Evoluţia medie a diverselor elemente ale vremii (sau elemente meteorologice; acestea sunt temperatura aerului, presiunea atmosferică, umezeala aerului, nebulozitatea, precipitaţiile, vizibilitatea, vîntul,... şi formează obiectul observaţiilor meteorologice) în cursul acestor două cicluri, în fiecare loc de pe Pământ, defineşte “clima” locului respectiv. Clima este caracterizată mai ales prin evoluţia medie sau regimul elementelor în timpul anului, adică prin ritmul sezonier al acestor elemente, dar şi prin valorile lor extreme. La scara marilor tipuri de climă existente pe suprafaţa terestră, temperatura aerului Ta şi precipitaţiile P sunt cele mai caracteristice dintre aceste elemente. Astfel, sistemul regimurilor (Ta, P) este suficient pentru clasarea acestor tipuri şi a marilor formaţiuni fitogeografice pe care aceste regimuri le instalează la suprafaţa continentelor. Constatarea sau descrierea climatelor este obiectul climatografiei. Acesteia i se adaugă climatologia teoretică care se ocupă de explicarea distribuţiei marilor tipuri de climat ale planetei prin cauzele lor. In trecut, Comisia de climatologie a OMM a convenit să se definească climatele pentru perioade de 30 ani, începând cu 1900, 1930, 1960..., acum, chiar specialiştii vorbesc de condiţii climatice atunci când este vorba de evoluţia vremii pe durata unui sezon al unui an dat: se citeşte, de ex., “climatul verii 2000 a fost astfel...”. Se ajunge aici la o scară de evaluare intermediară între vreme şi climat: aceea a sezonului sau a variaţiei în cursul sezoanelor. Agrometeorologia. Etimologia sugerează o primă definiţie directă şi simplă: agrometeorologia este aplicarea meteorologiei în agricultură. Problemele agrometeorologice ale producţiei agricole: • Furnizarea de avize regulate agricultorilor asupra activităţilor agricole şi a aspectelor economice, după oportunitatea situaţiei meteorologice şi după evoluţia

49

probabilă a timpului. Studii destinate asigurării calităţii avizelor furnizate. • Furnizarea de avize asupra pericolelor de incidenţă a bolilor asupra culturilor sau asupra posibilităţilor atacului lor de către insecte, în funcţie de evoluţia vremii, bazate pe studii asupra condiţiilor meteorologice care controlează ciclul biologic acestora. Organizarea luptei contra acestora. • Prevederea fenomenelor meteorologice destructive pentru culturi sau animale, cum ar fi grindina, inundaţiile, îngheţul, furtunile puternice. Punerea la punct a metodelor de prevedere a acestor fenomene. Difuzarea avizelor de alertare a agricultorilor şi de îndrumare asupra măsurilor de protecţie de folosit. • Prevederea recoltelor pe regiune în funcţie de starea culturilor, de condiţiile meteorologice şi de timpul probabil pentru sfârşitul ciclului cultural. Studiul metodelor de prevedere a randamentelor. • Furnizarea de avize meteorologice în raport cu uscarea recoltelor şi conservarea lor. • Previziuni meteorologice speciale asupra pericolului de incendii de pădure şi difuzarea avizelor de alertă. Probleme agroclimatologice ale producţiei agricole • Recunoaşterea caracteristicilor climatice şi agroclimatice proprii diverselor regiuni naturale ale ţării şi teritoriilor locale, în scopul: -amenajării raţionale a teritoriului pe baza vocaţiilor agricole ale regiunii; -distribuirii culturilor şi animalelor de crescătorie prin armonizarea în mod optim cerinţelor lor ecologice cu condiţiile agro-climatologice oferite. • Fundamentarea diversificării agriculturii şi creşterii animalelor şi introducerea noilor specii, varietăţi şi rase, pe bază de studii agroclimatice aprofundate, în special prin studiul experimental al reacţiilor plantelor şi animalelor pentru o gamă variată de condiţii agroclimatice. • Stabilirea pe regiuni şi teritorii a calendarului agricol care organizează, în mod judicios în timpul anului, lucrările de câmp. • Punerea la punct a tehnicilor culturale care să realizeze microclimate corectoare, ale agroclimatelor dezavantajoase regionale sau locale. • Studierea în mod special a cerinţelor de apă a diverselor culturi prin măsurarea experimentalăa evaporării lor în vederea definirii normelor de irigaţie raţionalăa acestor culturi. • Intreprinderea tuturor studiilor sau cercetărilor asupra unor probleme de interes specific şi relative la punerea în valoare agricolă sau la conservarea mediului înconjurător. 5.2. REŢEAUA NAŢIONAL Ă DE OBSERVATII METEOROLOGICE

Rețeaua meteorologică națională activează în concordanță cu rețelele din alte țări, în cadrul programului mondial de veghe meteorologică permanentă, făcând parte din Regiunea VI – Europa, a Organizației Meteorologice Mondiale. In România, începând de la 1 august 2000, reţeaua meteorologică naţională de observaţii şi măsurători, preluată de Institutul Naţional de Meteorologie şi Hidrologie Bucureşti (INMH), este organizată în teritoriu în cadrul a 7 Centre Meteorologice Regionale: CMR Muntenia – Bucureşti, CMR Banat-Crişana – Timişoara, CMR – Cluj, CMR – Sibiu, CMR – Constanţa, CMR – Craiova, CMR Moldova – Iaşi. Metoda de lucru în meteorologie este observaţia vizuală şi instrumentală.

50

Reţeaua de observaţii şi măsurători meteorologice este compusă din staţii meteo, posturi pluviometrice, staţii meteorologice automate, precum şi centre radar, grupate în cele 7 Centre Meteorologice Regionale. Staţiile meteo automate sunt programate să transmită mesaje sinoptice (24 mesaje/zi) şi mesaje de avertizare privind producerea unor fenomene meteorologice periculoase. Imtroducerea staţiilor meteorologice automate în reţeaua naţională s-a desfăşurat în intervalul septembrie 1995-septembrie 2000, staţiile fiind dotate cu softuri care permit editarea mesajelor sinoptice specifice diferitelor ore de transmitere şi stocarea datelor în fişiere de date calculate. Obligațiile internaționale ale României, ca țară membră a Organizației Meteorologice Mondiale, prevăd participarea în schimbul internațional de date meteorologice cu 23 de stații în rețeaua sinoptică de bază (RBSN) și cu 14 stații meteorologice în rețeaua climatologică de bază (RBCN). (vezi pagina web a Administratiei Nationale de Meteorologie) Pe plan mondial, activitatea tuturor instituţiilor centrale meteorologice nationale este coordonată de Organizaţia Meteorologică Mondială (OMM). Staţia meteorologică

Locul unde se efectuează majoritatea observaţiilor meteorologice este staţia meteorologică (SM) (sau postul meteorologic).

În sens general, staţia meteorologică este locul ales ca reprezentativ pentru o zonă dată în care se amplasează aparatura meteorologică şi se efectuează observaţii şi măsurători asupra elementelor şi fenomenelor meteorologice. De regulă, denumirea staţiei este dată de cea a localităţii (satul, comuna, oraşul) pe teritoriul careia este amplasată. În unele cazuri, la denumirea localităţii se mai poate adăuga şi cea a cartierului, străzii, instituţiei etc.

În mod obligatoriu, pe lângă denumirea staţiei meteorologice, fiecărui punct de observaţie i se stabilesc cu exactitate coordonatele geografice (latitudinea şi longitudinea) precum şi altitudinea absolută. La staţia meteorologică se mai stabileşte şi altitudinea barometrului, care, de obicei diferă de cea a platformei meteorologice.

Având în vedere funcţia sa de sursă de informare şi de verigă de bază în cadruI sistemului meteorologic naţional şi internţional, staţia meteorologică este notată cu un indicativ şi cu un număr. Pentru recunoaşterea în timp şi spaţiu a informaţiilor meteorologice, toate materialele (registre de observaţii, tabele) şi mesajele emise de către staţia meteorologică trebuie să poarte elementele de identificare ale poziţiei sale respectiv: denumirea, coordonatele geografice, altitudinea, indicativuI- sinoptic -şi nurnăruI climatologic- care, în practica meteorologică se folosesc parţial sau în totalitatea Ior. Aparatele şi instrumentele din dotarea unei SM sunt de 2 categorii: 1) Cu citire directă (termometre, psihrometre, higrometre, pluviometre, etc) 2) Inregistratoare (higrograf, termograf, barograf, pluviograf). La unele staţii există instrumente şi aparate speciale ca: actinometre, perheliometre, chiciurografe, anemografe, instalaţii radar, etc, care sunt folosite pentru observaţii speciale potrivit instrucţiunilor INMH. Observaţiile efectuate în staţiile meteorologice sunt reprezentative pentru vremea şi climatul local; deoarece activităţile din agriculturăsunt strâns legate de vreme şi de condiţiile climatice, iar acestea pot varia necrezut de mult pe distanţe mici - funcţie şi de relief - este bine ca pe lângă fiecare fermă agricolă să existe un

51

punct (post) de observaţii meteorologice, unde să se înregistreze valorile elementelor meteorologice principale şi să se încerce prevederi locale de timp, de scurtă durată, care să completeze prevederile generale difuzate de INMH Bucureşti, zilnic, prin posturile de radio, TV şi prin reţeaua INTERNET. Cu ajutorul acestor prevederi, fermierii îşi vor putea planifica mai bine activităţile pentru ziua următoare şi vor putea să ia măsuri pentru executarea lucrărilor celor mai indicate. Locul în care este situată SM se alege astfel încât climatul locului să nu fie influenţat de nici un factor climatic special (întinderi de apă, păduri, localităţi, etc); în acest caz observaţiile efectuate vor fi reprezentative pentru climatul local a zonei în care este amplasată SM. Staţia meteorologică este compusă din: platforma meteorologică, terenul pentru observaţii asupra stratului de zăpadă, sediul staţiei meteorologice. Platforma meteorologică

Principalele observaţii, măsurători şi determinări meteorologice de la staţii se efectuează pe platforma meteorologică. De aceea, amplasarea reglementară a platformei, instalarea corectă a aparatelor pe platfomă şi îngrijirea minuţioasă a acesteia determină într-o mare măsură calitatea datelor meteorologice.

Platforma meteorologică trebuie să fie situată pe un teren deschis şi tipic pentru regiunea respectivă. Ea trebuie să se afle departe de obstacolele mari ori de întinderi mari de apă, care pot influenţa direct indicaţiile aparatelor.

Faţă de obstacolele joase şi izolate (construcţii mici, pomi izolaţi etc), platforma trebuie amplasată la o distanţă de cel puţin 10 ori înălţimea acestor obstacole.

Faţă de obstacolele mari extinse şi compacte (păduri, grupuri mari de construcţii, linii continue de clădiri), platforma trehuie să se găsească la o distanţă de cel puţin 20 de ori înălţimea obstacolelor respective.

Platforma meteorologică nu trebuie arnplasată în apropierea unor văi adânci, a denivelărilor pronunţate de relief, a pantelor abrupte etc.

Dacă staţia este situată în apropierea unei mari suprafeţe de apă (râu, lac, mare) platforma meteorologică trebuie să se găsească la o distanţă de cel puţin 100 m de linia care reprezintă nivelul maxim posibil al apei din bazinul respectiv, cu excepţia staţiilor speciale.

Pentru a se asigura o amplasare cât mai tipică şi reprezentativă a platformei meteorologice, terenul ales pentru construcţia acesteia va fi aprobat de comisia de omoţogare a Institutului Naţional de Meteorologie şi Hidrologie.

Platforma meteorologică - standard trebuie să aibă formă pătrată, cu dimensiunile 26 x 26 m şi cu laturile (pe cât posibil) îndreptate de la nord la sud şi de la est la vest. Suprafaţa platformei trebuie să fìe perfect nivelată, fără gropi, movile sau denivelări, iar solul trebuie să fie acoperit cu înveliş vegetal.

Pe lângă condiţiile generale enumerate anterior, platforma meteorologică trebuie să.aibă o zonă de protecţie degajată, fără vegetaţie înaltă (pomi fructiferi, viţă de vie, porumb ori floarea soarclui etc) şi fără culturi irigate. Zona de protecţie din jurul platformei este stabilită la 30 m pe fiecare latură a acesteia.

La unele staţii cu volum redus de observaţii ori arnplasate în zone în care nu s-a putut găsi o suprafaţă de relief corespunzătoare, prin derogare, se admite în mod excepţional micşorarea suprafeţei platformei până la dimensiuni de 16 x 20 m.

Dimensiunile platformelor de la staţiile care efectuează programe speciale pot fì mai mari decât cele tip ale platformei standard, fiind stabilite în funcţie de aparatura necesară executării măsurătorilor speciale. Astfel, platforma unei staţii

52

meteorologice cu prograrn radiometric are forma dreptunghiulară, fiind cu 10 m mai lungă pe direcţia nord-sud decât cea standard.

Pentru păstrarea suprafeţei platformei meteorologice în starea ei natura1ă, circulaţia în interiorul platformei este permisă numai pe cărări special arnenajate sau marcate. Este admisă asfaltarea sau betonarea căilor de acces de pe platformă, cu condiţia ca lăţimea lor să nu depăşească 40 cm şi, numai în cazurile în care terenul platformei este putemic umezit în anumite perioade aIe anului. Cărările trebuie să asigure accesul observatorului de serviciu la adăposturile meteorologice şi la termometrele de sol -în mod obligatoriu - dinspre nord, la heliograf dinspre sud, iar la celelalte instalaţii în aşa fel încât observaţiile să poată fi efectuate cu o pierdere minimă de timp.

Pentru protecţia aparatelor şi instalaţiilor împotriva deteriorărilor, platforma meteorologică trebuie să fie împrejmuiă. Pentru a nu constitui un obstacol în calea vântului şi a favoriza formarea troienelor de zăpadă, împrejmuirea platformei se face din reţele de sârmă cu ochiuri de 10 x 10 cm, întinse pe cadre metalice. Cadrele se fixează pe ţevi metalice care se implantează în sol, în socluri de ciment -sau se prind prin bride metalice de stâlpi de beton cu o lăţime de 12-14 cm. Împrejmuirea trebuie să aibă înălţimea de 2 m deasupra solului.

Dispunerea instalaţiilor şi aparatelor pe platformă Instalaţiile şi aparatele se amplasează pe platforma meteorologica standard

(fig.1), la anumite distanţe şi într-o anumită ordine, în aşa fel încât să nu influenţeze şi să nu se umbrească reciproc. De regulă, acestea se instalează pe mai multe linii paralele cu latura nordică (sudică), în ordinea descrescândă a înălţimii lor, de la nord spre sud. Astfel, în linie - la 4 m distanţă de latura nordică -se insta1ează giruetele sau alte aparate de vânt (pe stâlpi) şi chiciurometrul; în cea de-a doua linie adăposturile meteorologice, iar în cea de-a treia linie pluviografu1 şi pluviometrele.

În partea central-sudică a platformei se instalează heliograful şi catargul anemometrului la o distanţă de 1 m spre nord de heliuograf. În partea sudică a platformei meteorologice se amplasează parcela de termometre de sol.

Cu mici excepţii, pe platforma meteorologică de dimensiuni reduse (fig.2) dispunerea aparatelor este aceeaşi ca şi aceea de pe platforma meteorologică standard.

Dispunerea aparatelor pe platforma unei staţii meteorologice cu prograrn actinometric păstrează, în partea sa nordică (în spaţiul de 26 x 26 m), aceeaşi dispunere a aparatelor de pe platforma standard, iar în partea sa sudică (în spaţiul de 26 x 10 m) este completată cu aparatura necesară observaţiilor actinometrice (fig.3 ).

Pentru efectuarea observatiiţor şi măsurătorilor meteorologice în bune condiţiuni, pe lângă dispunerea corectă a tuturor instalaţiilor şi aparatelor, pe platformă trebuie să se respecte următoarele condiţii:

-poarta de acces pe platforma meteorologică se fixează pe latura nordică a gardului. În mod excepţiona1, se admite ca portiţa de intrare să fie instalată în partea estică sau vestică a platformei, cu condiţia ca accesul observatorului să se facă în orice caz dinspre partea nordică.

-adăposturile meteorologice să fie orientate cu uşile spre nord; -accesul la toate aparatele, cu excepţia heliografului, pluviometrelor şi

giruetelor să se facă dinspre nord; -arnplasarea, temporară sau permanentă, şi a altor instalaţii sau aparate

pentru măsuritori specia1e să nu schimbe condiţiile de funcţionare a aparatelor de bază de pe platforma meteorologică.

În cazuri cu totul speciale, când o platformă meteorologică este omologată şi aprobată pe un teren în imprejurimile căreia sunt (sau au aparut între timp) obstacole

53

care umbresc în anumite perioade heliograful în poziţia lui standard, acesta va putea fi instalat într-un alt loc corespunzător.

Având în vedere obligativitatea verificării periodice a orientării unor aparate (ex. heliograful), pe platforma meteorologică se va marca obligatoriu meridianul locului. Marcarea meridianului se va face folosindu-se ca punct de reper stâlpul heliografului.

1 -girueta cu placă uşoară; 2 -girueta cu placă grea; 3 -chiciurometrul; 4 -adăpostul psihrometric; 5 - adăpostul pentru aparatele înregistratoare; 6 -locul pentru adăpostul de rezervă; 7 -pluviograful; 8 -pluviometrul avertizor; 9 –pluviometrul IMC; 10 - catargul anemometrului; 11 -heliograful; 12- rigla de zăpadă; 13 -parcela de sol dezgolit pentru termometrele de suprafaţă şi adâncime; 14 -parcela de sol inierbată pentru termometre cu tragere verticală; 15 -instalaţia radiometrică.

Fig.1. Platforma meteorologică standard

Între ţinerea platformei meteorologice

Platforma meteorologică trebuie supravegheată permanent şi menţinută în perfectă stare de curăţenie; în cazul în care platforma şi instalaţiile de pe ea suferă deteriorări ele trebuie remediate operativ. Adăposturile meteorologice, suporturile aparatelor şi gardul platformei trebuie vopsite ori de câte ori este necesar. Atunci când iarba de pe platforma meteorologică a crescut mai mult de 20cm trebuie cosită şi îndepărtată de pe platformă. În timpul iernii nu este permis să se distrugă sau să se modifice starea naturală a stratului de zăpadă pe platformă. Dacă pe platforma meteorologică se formează troiene de zăpadă care schimbă mult grosimea stratului de zăpadă de lângă instrumente, în comparaţie cu împrejurimile staţiei, aceste troiene trebuie retezate până la nivelul general al stratului de zăpadă, iar surplusul de zăpadă trebuie scos de pe platformă. În asemenea cazuri se urmăreşte ca structura stratului de zăpadă rămas să nu fie modificat prea mult; înlăturarea troienelor se va menţiona în registru.

54

În timpul rondului preliminar, dacă se constată zăpadă pe acoperişul, jaluzelele şi în interiorul adăposturilor, precum şi pe heliograf, aceasta va fi îndepărtată în mod obligatoriu. Toate schimbările survenite în jurul platformei meteorologice pe o rază de 200-300m (ridicări de construcţii ori instalaţii, demolări, defrişări, irigaţii etc.) se vor nota în registrele staţiei meteorologice. Adăpostul meteorologic, care se instalează în partea centrală a platformei, are dimensiuni standardizate. El este construit din lemn şi este constituit dintr-o cutie (cuşcă) aşezată pe patru stâlpi fixaţi în pământ. Pereţii cutiei (cuştii) sunt realizaţi din jaluzele pentru a permite o circulaţie liberă a aerului în interiorul cutiei. Din acelaşi motiv, acoperişul este fixat distanţat faţă de pereţi. In exterior, adăpostul este vopsit în alb pentru a reflecta radiaţiile, iar în interior este vopsit în negru pentru a se menţine o temperatură uniformă în toată incinta. Uşiţa adăpostului se orientează către nord pentru ca, în momentul efectuării observaţiilor, radiaţia solară să nu pătrundă direct în interior.

1 -girueta cu placă uşoară; 2 -girueta cu placă grea; 3 -chiciurometrul; 4 -adăpostul psihrometric; 5 - adăpostul pentru aparatele înregistratoare; 6 -pluviometrul avertizor; 7 –pluviometrul IMC; 8 - catargul anemometrului; 9 -parcela de sol dezgolit pentru termometrele de suprafaţă şi adâncime. Fig.2. Platforma meteorologică de dimensiuni reduse.

Echipamentul minim cu care ar trebui să fie dotat un post meteorologic pentru agricultură trebuie să cuprindă: - un termometru simplu (ordinar); - un termometru de maximă şi unul de minimă; - un evaporimetru (de preferinţă tip PICHE) - un pluviometru; - un barometru. Primele patru instrumente se instalează într-un adăpost meteorologic dispus pe o suprafaţă acoperită cu iarbă. Acestor instrumente li se pot asocia termometre pentru măsurarea temperaturii solului la adâncimi cuprinse între 10 şi 30 cm.

55

Momentele efectuării observaţiilor

Observaţia meteorologică reprezintă măsurarea sau evaluarea unuia sau mai multor elemente meteorologice. Practic, aceasta constă în măsurarea valorilor numerice ale elementelor meteorologice, în determinarea variaţiei lor, precum şi în aprecierea caracteristicilor calitative ale fenomenelor meteorologice care definesc starea vremii în momentul observaţiei.

Pentru cercetarea proceselor şi fenomenelor atmosferice şi pentru calculul diferiţilor parametri meteorologici şi climatologici este necesară raportarea observaţiilor şi măsurătorilor, atât în spaţiu cât şi în timp.

A vând în vedere că variaţia în timp a elementelor şi fenomenelor meteorologice este caracterizată prin oscilaţii periodice, sezoniere, anotimpuale şi diurne, cauzte de factori astronomici, observaţiile şi măsurătorile trebuie efectuate riguros la anumite termene caracteristice şi de regulă, la intervale egale de timp.

Datorită neuniformităţii mişcării aparente a Soarelui în cursul anului, în meteorologie, se foloseşte de timpul solar mediu local.

Timpul solar mediu local are aceeaşi durată a zilelorr în tot cursul anului. Durata acestor zile medii este egală cu media anuală a duratei zilelor adevărate şi serveşte ca unitate principală de măsurare a timpului. Ea este împărţită în ore, minute şi secunde, ca amiază fiind considerată ora 12.

In toate punctele situate pe acelaşi meridian al globului pământesc, amiaza (şi oricare altă oră) se produc în acelaşi timp. Fiecărui meridian îi corespunde un timp solar mediu local (timp local). In viaţa de toate zilele s-a convenit ca în locul timpului local să se folosească noţiunea de oră oficială, adică un timp convenţional, admis oficial pentru o suprefaţă întinsă, cum ar fi teritoriuI unei ţări. Ora oficială este aleasă şi decretată în fiecare ţară, de regulă, după timpul local al meridianului central al unuia dintre fusele orare succesive, în cadrul cărora se găseşte teritoriul ţării respective. Ţara noastră are ca oră oficială timpul local corespunzător meridianului de 30º longitudine estică, adică meridianul central al fusului II. In acest caz, în tot cuprinsul fusului II timpul este cu o oră mai înainte decât în fusul I şi cu două ore faţă de fusul 0. Pe teritoriul României, pentru determinarea timpului local al punctelor de pe acelaşi meridian, în scopul stabilirii orei la care trebuie să se efectueze observaţiile climatologice standard, la ora oficială se adaugă o diferenţă de timp constantă, ce corespunde diferenţei de longitudine dintre meridianul de 30º longitudine estică şi meridianul respectiv. La calculul acestei diferenţe de timp se ţine seama de faptu; că 1º de unghi corespunde la 4 minute de timp, iar 1’ de unghi corespunde la 4 secunde de timp. Prin urmare, în România, diferenţele de timp ce trebuie adăugate orei oficiale pentru aflarea orei climatologice – conform timpului solar mediu local - sunt cuprinse între 1 minut la extremitatea estică a teritoriului (Sulina) şi 39 minute la extremitatea vestică (Beba Veche). “Ora oficială de vară” a României este în avans cu o oră faţă de “ora oficială de iarnă” (care este ora locală a meridianului de 30º longitudine estică). In activitatea de meteorologie, s-a convenit ca cele două ore oficiale să se noteze prescurtat:

- O.I.R – ora oficială de iarnă a României; - O.V.R – ora oficială de vară a României. Pentru a asigura efectuarea observaţiilor climatologice în aceleaşi momente

din zi – în tot cursul anului – acestea vor fi efectuate la următoarele ore locale – climatologice (considerate după ora oficială respectivă):

Iarna-la orele: 1, 7, 13 şi 19 plus diferenţa de minute calculată pentru fiecare staţie;

56

Vara- la orele 2, 8, 14 şi 20 plus diferenţa de minute calculată pentru fiecare staţie.

Acestea sunt orele la care se efectuează observaţiile climatologice standard, pentru a asigura măsurarea şi determinarea parametrilor meteorologici, la ora locală (climatologică).

La Iaşi, deci, observaţiile se vor face la orele: Iarna: 1h10min; 7h10min; 13h10min; 19h 10min; Vara: 2h10min; 8h10min; 14h10min; 20h 10min

Pe lângă observaţiile care se fac în cadrul staţiei meteorologice, în timpul unei zile se efectuează şi observaţii continue asupra fenomenelor care se produc în atmosferă şi în zona înconjurătoare vizibilă. Aceste observaţii se fac pe cale vizuală, fără aparate. Fenomenele trebuie observate de fiecare datăcând se produc, indiferent de ora din zi sau din noapte, şi se notează, ca şi valorile celorlalte date, în registrele şi tabelele standard, prin semne convenţionale. Pe lângă semnele convenţionale trebuie notate, în ore şi minute, momentele de început şi de sfârşit ale fenomenelor. Observatii agrometeorologice

In funcţie de locul în care sunt efectuate, se disting două categorii de observaţii agrometeorologice: observaţii ce se efectuează în platforma meteorologică şi observaţii ce se efectuează direct în culturi. In ambele cazuri se efectuează observaţii instrumentale şi observaţii vizuale. A) Observaţii pe platforma meteorologică

Pe platforma meteorologică se efectuează următoarele categorii de observaţii instrumentale şi vizuale:

a) Observaţii instrumentale - determinarea temperaturii solului la suprafaţă şi la adâncime (0-100 cm).

b) Observaţii vizuale privind starea solului în funcţie de condiţiile atmosferice, ca de exemplu: - umiditatea solului; - gradul de afânare al solului; - gradul de compactizare al solului; - crustă, crăpături; - îngheţ, dezgheţ. - B) Observaţii în culturi

In culturi se efectuează atât observaţii instrumentale cât şi observaţii vizuale. a) Observaţii instrumentale

- proprietăţile hidrofizice ale solului; - umiditatea solului; - determinări biometrice; - estimarea cantitativă a stării de vegetaţie (pe baza determinării elementelor de recoltă).

b) Observaţii vizuale - fenologia la culturile de câmp, viţă de vie, lucernă şi pomi fructiferi; - determinări ale densităţii plantelor; - gradul de îmburuienare al culturilor; - daune produse plantelor de fenomene meteorologice nefavorabile sau boli şi dăunători;

57

- estimarea generală a stării de vegetaţie la culturile agricole. Pe lângă programul de observaţii menţionat, la staţiile agrometeorologice se mai efectuează completarea fişelor staţiei şi platformelor, înregistrarea datelor obţinute în registrul agrometeorologic, prelucrarea şi verificarea datelor, înscrierea rezultatelor în tabelele centralizatoare (TA 1-18) pentru fiecare cultură în parte. Platformele agrometeorologice (standard) cu program complet de observaţii asigură culegerea unor date fenologice şi măsurători biometrice care să contribuie la completarea fondului naţional de date agrometeorologice. Aceste platforme sunt totuşi în număr redus şi nu sunt suficiente pentru obţinerea unei imagini de ansamblu asupra zonei agricole. De aceea, în afara acestora, se aleg platforme suplimentare la 2-3 unităţi agricole situate în poziţii diferite faţă de staţia de bază, în care se fac observaţii asupra întregului lan. C) Observaţii pe platforme suplimentare

Pe platformele suplimentare se notează: - faza de vegetaţie; - numărul de frunze; - starea de vegetaţie; - coloritul lanului; - îmburuienarea; - înălţimea plantelor; - diametrul tulpinii sau rădăcinii; - diametrul capitulului; - boli şi dăunători; - umezeala solului determinată vizual la suprafaţă, la 10 cm şi la 20 cm.

Pentru a se evita subiectivismul, în observaţiile efectuate pe platformele suplimentare, se aleg puncte stabile de observaţii situate pe diagonală la fiecare lan, amplasate la distanţe aproximativ egale, în aşa fel încât ultimul punct să treacă de jumătatea lanului; primul punct se ia la cel puţin 10 m de colţul lanului. La începerea observaţiilor, în colaborare cu specialiştii unităţilor se completează datele generale asupra lanului respectiv, iar pe parcursul vegetaţiei se completează restul datelor.

Teste de autoevaluare (5)

1) Ce este vremea şi ce este clima?

2) Ce este staţia meteorologică (SM) şi ce cuprinde ea?

3) Descrieţi platforma meteorologică a unei SM din reţeaua naţională?

4) Descrieţi adăpostul meteorologic al unei SM; ce rol are acesta?

Lucrare de verificare (5)

Care ar fi dotarea minimă a unui post meteorologic de pe lângă o fermă

agricolă? La organizarea unui astfel de post nu trebuie respectate decât principiile de

realizare ale platformei şi ale adăpostului; care sunt acestea?

58

REZUMAT (5)

Meteorologia şi ramurile sale principale.

Organizarea observaţiilor meteorologice: staţia meteorologică din reţeaua naţională,

punctul/postul de observaţii meteo pentru agricultură.

Agrometeorologia: definiţii, domenii de activitate, obiective.

Organizarea observaţiilor agrometeorologice.

Bibliografie

1. * *, 1995 - Instrucţiuni pentru staţiile meteorologice. Efectuarea observaţiilor meteorologice şi prelucrarea lor în scopuri climatologice, I.N.M.H. Buc.. 2. * *, 1982 - INDRUMAR agrometeorologic, I.N.M.H. Buc., 1982.

59

Unitatea de învăţare 6. (U.I.6) ATMOSFERA ŞI RADIA ŢIA

CUPRINS (U.I.6) Pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.6) 59 Instrucţiuni (U.I.6) 59 6.1. Atmosfera terestră. 59 6.2. Presiunea atmosferică 60 6.3. Variaţia presiunii atmosferice. 61 6.4. Sisteme barice. Topografie barică. 62 6.5. Radiaţia solară. 64 6.5.1. Compoziţia spectrală a radiaţiei solare. 64 6.5.2. Radiaţia solară directă. 65 6.5.3. Difuzia radiaţiei solare. 66 6.5.4. Reflexia radiaţiei solare. 66 6.6. Radiaţia terestră şi radiaţia atmosferică. 66 6.7. Bilanţul radiativ-caloric la suprafaţa Pământului. 67 Teste de autoevaluare (1) 67 Lucrări de verificare (1) 69 Rezumat (U.I.6) 69 Bibliografie (U.I.6)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.6) Dupa studiul acestei unitaţi de învăţare, studentul va fi capabil sa-si explice care sunt fluxurile de radiatie termica in sistemul suprafata terestra (sol) - atmosfera ceea ce ii va permite sa intocmeasca bilantul radiativ al unei suprafete cultivatepentru a identifica zonele predispuse unui regim termic deficitar sau excedentar. Cunostintele despre sistemele barice il vor permite sa identifice regimul vremii si al evolutiei sale si chiar sa urmareasca hartile sinoptice. Instrucţiuni (U.I.6) Aceasta unitate de învăţare cuprinde definitii si informatii esentiale despre troposfera: grosimea, compozitia, stratele componente. Sunt descrise sumar dar complet sistemele barice principale. In ceea ce priveste radiatia, sunt explicate toate tipurile si fluxurile de radiatii termice si vizibile. Bilantul radiativ este prezentat numai pentru o suprafata limitata a solului. Timp estimativ de studiu este de 2 ore. La sfârşitul U.I.1 se afla un set de 10 întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi 3 teme pentru autoevaluare.

6.1. ATMOSFERA TERESTRA

Atmosfera - învelişul gazos subţire care înconjoară Pământul - este un aerosol; ea este constituită dintr-un amestec de gaze în care sunt suspendate particule fine solide şi lichide. Unele dintre aceste particule (picături de apă şi cristale de gheaţă) sunt vizibile sub forma norilor. Compoziţia atmosferei nu este fixată ci s-a schimbat prin interacţiuni geologice şi biologice cu Pământul pe durata evoluţiei sale şi depinde de intrările şi ieşirile gazelor componente aşa cum sunt ele generate, transformate şi transferate. Există o reţea de transporturi continuă şi ciclică între uscat, ocean, biosferă şi aer. Compoziţia atmosferei este omogenă până la aprox. 80-100 km deasupra suprafeţei, cu excepţia vaporilor de apă şi a ozonului. Atmosfera terestră este destul de eterogenă, masa sa principală fiind dată de amestecul de gaze. Particulele solide

60

sunt reprezentate de minerale, microorganisme, particule organice (în special polen) sau particule cosmice, de origine meteorică. Până la cca. 80 km înălţime, compoziţia aerului uscat este aceeaşi: azot 78,1, oxigen 20,9, argon 0,9, toate în % vol. Atmosfera mai conţine: vapori de apă (0-4%), CO2 (0,033%), ozon (0,000004%), metan (0,00017%) ş.a.

• IMPORTANT ! � Atmosfera este stratificată în ceea ce priveşte temperature şi vânturile. � Impactul solar asupra oxigenului din aer crează stratul de ozon şi stratosfera. � Aproape toţi vaporii de apă se află în troposfera turbulentă, adică în primii 15

km ai atmosferei, în care se produc toate fenomenele vremii şi norii. � Presiunea aerului şi densitatea scad logarithmic cu creşterea înălţimii. � Presiunea aerului este mai mică la altitudini mari (în munţii înalţi) datorită

distanţei mai mari faţă de centrul de gravitaţie al Pământului. � Efectul ozonului este pozitiv pentru vieţuitoare (oameni), de aceea omenirea

este îngrijorată de absenţa sa în golurile de deasupra polilor. � Aerul care conţine vapori de apă este mai uşor (are densitatea mai mică)

Structura termică a atmosferei

Troposfera reprezintă stratul din imediata vecinătate a Pământului, singurul care interesează agrometeorologia, şi are drept caracteristică scăderea temperaturii, la creşterea altitudinii, cu cca. 0,6°C/100 m. El conţine aproape în totalitate, vaporii de apă din atmosferă. Aici se formează norii şi precipitaţiile şi au loc majoritatea fenomenelor meteo. Are trei părţi distincte: a) stratul limită planetar (stratul de turbulenţă), de aprox. 1-2 km, care suferă influenţa suprafeţei terestre. Primii metri de la sol formează o păturăde aer în care condiţiile climatice sunt diferite; microclima sa este denumită "clima plantelor"; b) stratul mijlociu (stratul de convecţie), cuprins între 2-6 km, în care se formează principalele tipuri de nori; c) stratul superior, mai sus de 6 km, doar cu nori formaţi din cristale de gheaţă.

6.2. PRESIUNEA ATMOSFERICĂ

Aerul atmosferic exercită o forţă asupra suprafeţelor obiectelor cu care este în contact. Presiunea este o mărime fizică numeric egală cu forţa de apăsare pe unitatea de suprafaţă. Presiunea atmosferică la un anumit nivel în atmosferă reprezintă raportul între greutatea coloanei de aer cuprinsă între nivelul respectiv şi limita superioară a atmosferei şi aria suprafeţei secţiunii transversale a coloanei de aer considerate.

In sistemul internaţional unitatea de măsură pentru presiune este PaPascal

mN 111 2 ==

. In meteorologie ca unitate de presiune atmosferică se utilizează milibarul (mb) şi milimetrul coloană de mercur (mmHg) numit şi torr (în cinstea lui Torricelli). 1mbar = 3/4 mmHg 1mmHg = 4/3 mbar 1mbar = 100 N/m2 = 100 Pa = 1 hPa (hectopascal) Presiunea atmosferică normală reprezintă valoarea presiunii atmosferice la nivelul mediu al mării, la 45° latitudine şi la temperatura aerului de 0°C; valoarea sa este de 760 mmHg ( 1013 mbar).

61

Mărimea presiunii exercitată de moleculele gazelor care compun aerul atmosferic depinde de (i) masa moleculelor, (ii) de gravitaţie şi de (iii) energia cinetică a moleculelor. Presiunea atmosferică variază şi cu altitudinea şi în direcţia orizontală. Datorită comprimării aerului atmosferic de către gravitaţie, densitatea aerului este maximă la suprafaţa terestră şi scade cu creşterea altitudinii; la altitudinea de 16 km densitatea aerului reprezintă numai 10% din valoarea de la nivelul mediu al mării. Deşi presiunea atmosferică şi densitatea aerului scad rapid cu altitudinea, este imposibil să se specifice o altitudine la care atmosfera se termină; nu se poate identifica în mod clar nici un punct de început al “spaţiului”. Se poate doar specifica faptul că jumătate din masa atmosferei se găseşte cuprinsă între suprafaţa terestră şi înălţimea de 5,5 km, iar 99% până la 32 km (aici presiunea este doar 1% din valoarea sa la nivelul mediu al mării). 6.3. VARIAŢIA PE ORIZONTAL Ă A PRESIUNII ATMOSFERICE

Presiunea atmosferică diferă de la un loc la altul, iar aceste variaţii nu se datorează întotdeauna diferenţelor de altitudine. Meteorologii sunt mai interesaţi de variaţiile presiunii aerului determinate de alţi factori decât altitudinea. Staţiile meteorologice fac în mod curent o corecţie de altitudine a măsurătorilor de presiune atmosferică şi obţin, ca urmare, acea valoare a presiunii atmosferice care s-ar măsura dacă staţia ar fi situată la nivelul mediu al mării (corecţia este numită reducere la nivelul mării, iar valoarea obţinută, presiune redusă). După ce toate staţiile fac această reducere la nivelul mării, presiunea atmosferică variază de la un loc la altul şi prezintă fluctuaţii de la o zi la alta şi chiar de la o oră la alta. Deşi fluctuaţiile spaţiale şi temporale ale presiunii atmosferice la suprafaţa terestră (reduse la nivelul mării) sunt relativ mici, ele pot să însoţească modificări importante ale vremii. La latitudini mijlocii, vremea este dominată de o procesiune continuă a unor mase de aer diferite care determină schimbări ale presiunii şi ale vremii. O masă de aer este un volum uriaş de aer care este relativ uniform ca temperatură şi concentraţie a vaporilor de apă. Atunci când o masă de aer se deplasează dintr-un loc în altul, presiunea la suprafaţa terestră scade sau creşte şi vremea se schimbă. Ca regulă generală, vremea se înrăutăţeşte atunci când presiunea scade şi se înbunătăţeşte când presiunea creşte. De ce unele mase de aer exercită o presiune mai mare decât alte mase de aer? Un motiv ar fi diferenţa între densităţile aerului determinate de diferenţele de temperatură, sau de diferenţele în conţinutul de vapori de apă, sau din ambele motive. Scăderea densităţii aerului are ca urmare micşorarea presiunii exercitate de către aer. Aerul cald este mai uşor (mai puţin dens) decât aerul rece şi, ca urmare, exercită o presiune mai mică. Molecula vaporilor de apă este mai uşoară decât masa medie a moleculelor gazelor care compun aerul atmosferic. Când moleculele de apă ajung în aer prin evaporare, ele înlocuiesc molecule mai grele şi fac amestecul mai uşor. Deci, cu cât este mai mare conţinutul în vapori de apă al aerului, cu atât aerul este mai puţin dens. La volume şi temperaturi egale, o masă de aer umed exercită o presiune mai mică decât o masă de aer relativ uscată. Masele de aer rece şi uscat sunt însoţite de presiuni mai mari la suprafaţa terestră decât masele de aer cald şi umed. La rândul lor, aerul cald, uscat determină presiuni mai mari decât o masă de aer la fel de cald dar mai umed. Inlocuirea unei mase de aer cu alta poate însemna modificări ale presiunii atmosferice şi ale vremii, dar presiunea atmosferică la suprafaţă poate prezenta fluctuaţii chiar fără schimbarea

62

maselor de aer, deoarece presiunea atmosferică poate să scadă sau sa crească după cum aerul este încălzit sau răcit local. Pe lângă modificările presiunii atmosferice determinate de variaţii ale temperaturii şi conţinutului în vapori de apă, presiunea poate fi influenţată de asemenea de tipul de circulaţie a aerului. Vânturile divergente faţă de un punct central de la suprafaţa terestră determină, în centru, coborârea aerului de la înălţime, acesta luând locul aerului divergent; dacă la suprafaţă diverge mai mult aer decât coboară de sus, densitatea aerului şi presiunea scad. In cazul vânturilor convergente către un punct de pe suprafaţa terestră, dacă converge mai mult aer decât urcă spre altitudini mai mari, atunci densitatea aerului şi presiunea cresc. Pe globul terestru, presiunea la nivelul mării variază, uzual, între 980 şi 1040 mb. Instrumentele cu care se măsoară presiunea atmosferică sunt: barometrele şi barografele. Descreşterea presiunii cu înălţimea se poate determina şi prin calcul. Astfel,pentru înălţimea până la circa 500m se foloseşte formula lui Babinet:

h tmp pp p= + −

+16000 1 2 1

0 1( )α

unde h este diferenţa dintre două nivele A şi B, p0 şi p1 presiunile la nivelul A respectiv B, = coeficientul de dilatare al gazelor iar tm-temperatura medie. Peste 500m înălţime, presiunea scade foarte repede, conform legii lui Laplace:

h tmpp= +18400 1 0( ) logα

6.4. SISTEME BARICE. TOPOGRAFIA BARIC Ă

Fiecare punct al atmosferei se caracterizează printr-o anumită valoare a presiunii atmosferice exprimată în milibari. Repartiţia spaţială a presiunii atmosferice se poate reprezenta prin suprafeţe de egală presiune, numite suprafeţe izobarice. Distribuţia spaţială a valorilor presiunii atmosferice la un moment dat, caracterizată prin sistemul suprafeţelor izobarice, reprezintă câmpul baric. Liniile de-a lungul cărora suprafeţele izobarice intersectează suprafeţele orizontale, la nivelul mării sau la oricare alt nivel, reprezintă izobarele. Distribuţia presiunii atmosferice la un anumit nivel se reprezintă pe hărţi prin linii izobare. Pentru realizarea hărţilor izobarice la nivelul mediu al mării se folosesc valorile presiunii atmosferice observate în puncte diferite pe suprafaţa terestră, reduse, în prealabil, la 0ºC, la nivelul mediu al mării şi la 45º latitudine; fiecare izobară reprezintă intersecţia suprafeţelor izobarice, cu valori din 5 în 5 milibari, cu suprafaţa care reprezintă nivelul mediu al mării (altitudinea 0). Ele sunt linii curbe, sinuoase, care nu se întretaie, unele curbe închise, altele curbe deschise. Pentru reprezentarea repartiţiei presiunii atmosferice la nivele diferite din atmosferă se foloseşte metoda topografiei barice; aceasta constă în reprezentarea pe hartă a nivelurilor la care se situează o anumită suprafaţă barică deasupra nivelului mediu al mării (topografie barică absolută) sau deasupra unei alte suprafeţe izobarice (topografie barică relativă) – curbele rezultate sunt numite izohipse. Hărţile barice pun în evidenţă, indiferent de modificările spaţiale continue, zone cu presiunea ridicată şi zone cu presiunea coborâtă numite sisteme barice (figura următoare –după Gh.Pop); se pot deosebi sisteme barice cu izobare închise (ciclonul şi anticiclonul) şi cu izobare deschise (talvegul depresionar, dorsala anticiclonică şi şaua barometrică).

63

Ciclonul, depresiunea sau minima barometrică este o zonă cu presiunea coborâtă, delimitată de izobare închise, ovale sau eliptice, în care presiunea creşte de la centru spre periferie; suprafeţele izobarice în ciclon sunt curbate în jos, sub formă de pâlnie. Pe hărţi, centrul zonei este notat cu litera D (în engleză cu L – de la Low). Ciclonul este principalul responsabil de evoluţia vremii la latitudini mijlocii; circulaţia aerului în sens invers acelor ceasornicului şi spre interior către centrul de joasă presiune aduce în contact mase de aer contrastante ce formează fronturi însoţite de nori şi de precipitaţii. Anticiclonul , sau maxima barometrică, este opusul ciclonului; el reprezintă o zonă cu presiunea ridicată, delimitată de izobare închise, de formă circulară sau ovală, în care presiunea scade de la centru spre periferie; suprafeţele izobarice în anticiclon sunt curbate în sus, sub formă de cupole. Pe hărţi, centrul zonei este notat cu litera M (în engleză cu H – de la High). In cazul anticiclonilor, aerul liniştit şi mişcarea divergentă a sa la suprafaţă favorizează formarea unei mase de aer uniforme şi ceruri senine. Ca şi ciclonii, totuşi, anticiclonii pot să conţină fie un centru rece, fie unul cald. Talvegul depresionar este un sistem baric de presiune coborâtă, în formă de uluc alungit, îngust, situat între doi anticicloni; este delimitat de izobare deschise în formă de V şi apare pe hărţi ca prelungirea unui ciclon; presiunea este cea mai coborâtă de-a lungul unei axe care leagă vârfurile unghiurilor de inflexiune ale izobarelor. Dorsala anticiclonica este o formaţiune barică alungită, de presiune ridicată, dispusă între două zone cu presiune coborâtă, în care izobarele sunt curbate în forma literei U, în prelungirea unui anticiclon. Valorile presiunii sunt maxime de-a lungul axei dorsalei. Şaua barometrica este o zonă a câmpului baric cuprinsă între doi anticicloni şi doi cicloni, respectiv între două dorsale şi două talveguri, dispuse în cruce sau tablă de şah. Pe axa anticiclonilor sau a dorsalelor, suprafeţele izobare sunt dispuse ca în ciclon, iar pe axa ciclonilor sau a talvegurilor, ca în anticiclon. Punctul central al şeii se află la intersecţia celor două axe. Suprafeţele izobare au forma caracteristică de şea: se înalţă în direcţia anticiclonilor şi se adâncesc în direcţia

64

ciclonilor. Câmpul baric este influenţat puternic de temperatura aerului, astfel încât configuraţia suprafeţelor izobare şi a izobarelor este condiţionată de dependenţa puternică a repartiţiei presiunii de repartiţia temperaturii aerului (figura următoare – după Gh.Pop).

6.5. RADIATIA SOLARA (RS)

Orice corp aflat la o temperatură superioară temperaturii de 0K, emite radiaţii electromagnetice, ale căror proprietăţi depind de natura şi temperatura sa. Radiaţiile emise conţin unde de diferite lungimi cu intensităţi diferite; la orice temperatură există o lungime de undă pentru care intensitatea undei este maximă. Puterea radiantă totală creşte rapid cu creşterea temperaturii şi lungimea de undă a celei mai intense componente se deplasează către lungimi de undă mai mici. Orice corp este simultan un emiţător şi un absorbant de energie radiantă. O parte din energia radiantă care cade pe suprafaţa unui corp este reflectată, iar restul este absorbită. Un bun absorbant este şi un bun emiţător, iar un absorbant slab este şi un slab emiţător; un absorbant slab trebuie să fie, de asemenea, şi un bun reflector. De aceea, un bun reflector este un emiţător slab. Compoziţia spectrală a radiaţiei solare Radiaţia emisă de Soare cuprinde două grupe principale: radiaţia electromagnetică şi radiaţia corpusculară. Radiaţia electromagnetică are un spectru continuu, de la radiaţiile X până la undele radio, cu lungimi de undă foarte mari. Datorită temperaturii sale ridicate, S

65

emite mai ales această formăde radiaţie; ea nu necesită pentru transmitere un mediu material intermediar.

Radiaţia corpusculară este compusă din particule cu energii foarte înalte; transportă cantităţi de energie mult mai mici comparativ cu radiaţia electromagnetică. Spectrul radiaţiilor electromagnetice ale S cuprinde ca domenii principale: • Domeniul radiaţiilor ultraviolete (UV), invizibile, cu lungimi de undă mici (290 - 360 nm); cu pronunţat efect chimic, reprezintă cca. 7% din energia totală a RS. (1

nm = 1 nanometru = 910− m = 0,000000001 m.) • Domeniul radiaţiilor vizibile (VIZ), cu lungimi de undă între 360 şi 760 nm; mai sunt denumite radiaţii fotosintetic active, reprezintă cca. 48% din energia totală a RS. • Domeniul radiaţiilor infraro şii (IR), cu lungimi de undă mari (760 - 300 000 nm), invizibile, cu efect termic pronunţat, reprezintă cca. 43% din energia totală a RS. 99% din energia totală a RS revine radiaţiilor cu lungimi de undă între 160 nm şi 4000 nm. Repartiţia energiei în spectrul solar depinde şi de altitudine; la suprafaţa terestră, intensitatea şi compoziţia spectrală a RS este modificată datorită fenomenelor de absorbţie şi de difuzie din atmosferă; intensitatea scade puternic atât în zona radiaţiilor de undă scurtă cât şi în domeniul radiaţiilor de unde lungi. Radiaţiile cu lungimi de undă mai mici de 290 nm nu ajung la suprafaţa terestră fiind absorbite de ionosferă şi de stratul de ozon; la fel şi cele cu lungimi de undă egale sau mai mari de 4000 nm. Radiaţia solară directă (rsd) Radiaţia care provine direct de la discul solar şi care ajunge nemodificată (nedifuzată, nereflectată, nerefractată) la suprafaţa terestră este numită radiaţie solară directă (RSD). Străbătând atmosfera RSD este atenuată şi modificată spectral, astfel încât intensitatea RSD are valori diferite la nivele diferite în atmosferă. La limita superioară a atmosferei intensitatea RS înregistrează fluctuaţii minime, fiind considerată constantă. Intensitatea RS la limita superioară a atmosferei, adică RS primită în unitatea de timp, de o suprafaţă cu aria egală cu unitatea, aşezată normal pe direcţia razelor solare, atunci când distanţa Soare-Pământ este egală cu valoarea sa medie, se numeşte constantă solară(I0 ); în SI ea se exprimă în J/(m2.s)=W/m2 şi are valoarea I0 = 1,381 W/m2 = 1,98 cal/ (cm2. min). RSD care cade pe o suprafaţă orizontală reprezintă insolaţia pe suprafaţa respectivă. Intensitatea insolaţiei se exprimă tot în W/m2 (sau cal / (cm2. min); ea depinde de unghiul de incidenţă al RS şi de unghiul de înălţime al S. Suprafeţele perpendiculare pe direcţia razelor solare recepţionează cantitatea maximă de energie radiantă; suprafaţele cu alte orientări vor recepţiona o cantitate mai mică de energie. La trecerea prin atmosferă, o parte din RS este absorbită, alta este difuzată sau reflectată (în special de nori), iar o parte importantă a sa ajunge la suprafaţa P, constituind insolaţia. Toate aceste procese au loc simultan şi au ca rezultat slăbirea (extincţia) radiaţiei solare. Absorbţia RS este un proces selectiv complex; componentele gazoase diferite din atmosferă absorb, în proporţii distincte, numai anumite domenii spectrale: domeniul undelor scurte şi al undelor lungi. Ozonul absoarbe cel mai puternic radiaţiile ultraviolete (290-220 nm). Radiaţiile cu lungimi de undă mai mici de 220 nm sunt absorbite mai ales de oxigen şi azot. Dioxidul de carbon absoarbe deosebit de puternic în domeniul IR (în zone înguste, cea mai puternică între 12 900

66

şi 17 100 nm. Vaporii de apă prezintă o absorbţie slabă în zona UV (între 360 şi 370 nm), o absorbţie foarte puternică în IR (4 000 - 8 000 nm). Difuzia radiaţiei solare

Fenomenul de difuzie determină culoarea luminii solare directe. Radiaţia solară pierde componente din spectrul vizibil prin absorbţie şi prin difuzie, în cazul difuziei fiind afectate radiaţiile albastre. Din acest motiv culoarea obişnuită a luminii solare directe este gălbuie. Difuzia pe particule depinde de mărimea şi numărul acestora dar este aceeaşi pentru toate lungimile de undă. Atunci când predomină difuzia pe particule, cerul apare de o culoare alb-lăptoasă. Absorbţia şi difuzia determină slăbirea intensităţii radiaţiei, cu atât mai puternică cu cât pătura de aer străbătută este mai mare. Suma dintre radiaţia solară directă(D) şi radiaţia difuză(DIF), într-un anumit loc, reprezintă radiaţia globală sau totală (Q) în acel loc; în intensităţi ID + IDIF = IQ. Reflexia radiaţiei solare Radiaţia solară directă şi difuzată, este parţial absorbită şi parţial reflectată de nori şi de suprafaţa apelor şi uscatului. Toate radiaţiile din spectrul solar sunt reflectate la fel, indiferent de lungimea lor de undă. Capacitatea de reflexie a unei suprafeţe se caracterizează printr-o mărime numită albedo. Se numeşte albedo A al unei suprafeţe, raportul procentual între radiaţia reflectată în toate direcţiile şi cea incidentă:

100×=R

Q

I

IA

IQ = intensitatea radiaţiei incidente, IR = intensitatea radiaţiei reflectate. Albedo-ul suprafetei terestre depinde de natura, de gradul de rugozitate şi culoarea corpurilor. Suprafeţele umede au o capacitate de absorbţie mai mare, deci albedo mai mic decât cele uscate; diferitele tipuri de soluri au albedo diferit. Vegetaţia reflectă radiaţia verde şi infraroşie, fapt ce determină culoarea verde a plantelor. Reflexia acestor radiaţii constituie un mod de apărare împotriva încălzirii. Norii au o capacitate de reflexie mare ce depinde de grosimea şi de densitatea lor. 6.6. RADIAŢIA TERESTRĂ ŞI ATMOSFERIC Ă Absorbind o parte din energia solară, pământul se încălzeşte şi emite, la rândul său, o radiaţie numită radiaţie terestră. Pentru că temperatura pământului variază între 50 şi -60°C, conform legilor radiaţiei termice, pământul emite numai în infraroşu (4-40 µm). In urma emisiei de radiaţie, suprafaţa pământului se răceşte în timpul nopţii, în timpul zilei pierderea fiind compensată de radiaţia solară directă, şi temperatura aerului şi a solului cresc. Absorbind atât radiaţia solară cât şi cea terestră, atmosfera se încălzeşte şi emite, la rândul său radiaţia atmosferică. Cum temperatura atmosferei variază între -90 şi 50°C domeniul lungimilor de undă ale radiaţiei atmosferice este cuprins între 3 - 100 µm. Această radiaţie se propagă în toate direcţiile; componenta îndreptată spre pământ constituie contraradiaţia atmosferei. Această radiaţie este situată, ca şi cea terestră, în domeniul lungimilor de undă mari (infraroşu). Absorbţia este mai puternică atunci când cerul este acoperit cu nori. Pe cer senin absorbţia este foarte redusă, radiaţia terestră este foarte puternică şi răcirea nocturnă este accentuată. Atmosfera, lăsând să treacă radiaţiile luminoase de la Soare şi absorbind radiaţia termică infraroşie, împiedică pierderea căldurii şi exercită un “efect de seră”.

67

Diferenţa dintre radiaţia terestră T şi contraradiaţia atmosferei CA se numeşte radiaţie efectivă, EF; în intensităţi putem scrie deci IEF = IT - ICA. EF este îndreptată dinspre pământ spre atmosferă; în timpul nopţii ea constituie radiaţia nocturnă. 6.7. BILANŢUL RADIATIV- CALORIC LA SUPRAFA ŢA PĂMÂNTULUI

Prin bilanţ radiativ (B) al suprafeţei terestre se înţelege diferenţa între radiaţia primită şi cea pierdutăde suprafaţa terestră; folosind intensităţile

B = Iprimită - Ipierdută Suprafaţa pământului primeşte radiaţia solară directă (D), radiaţia solară difuză (DIF), şi contraradiaţia atmosferică (CA). Suma radiaţiilor solară directă şi difuză constituie radiaţia globală (Q). Radiaţia pierdută este constituită din radiaţia terestră (T) şi reflectată (R). B = ID+IDIF+ICA-(IT+IR) = IQ+ICA-IT-AIQ = IQ(1-A)-IEF Bilanţul radiativ poate avea valori pozitive şi negative, suprafaţa se încălzeşte în primul caz, şi se răceşte în cel de al doilea. Calculul bilanţului termic este greu de realizat deoarece unele componente sunt greu de determinat iar altele lipsesc în totalitate.

• IMPORTANT !

� Aerosolii din aer şi din nori împrăştie (difuzează) radiaţia solară, mărind absorbţia şi reflexia către spaţiul extraatmosferic, reducând astfel radiaţia de unde scurte care ajunge la suprafaţa terestră. � parte din radiaţia solară împrăştiată (difuzată) poate ajunge la suprafaţa Pământului ca radiaţie difuză. � Albedoul Pământului ca întreg este aprox. 30%, adică această fracţiune din radiaţia extraterestră este reflectată în spaţiu. � Obiectele mai reci decât Soarele emit radiaţii de lungimi de undă mai mari, invizibile. Astfel suprafaţa terestră şi norii, etc. emit radiaţii infraroşii cu lungimi de undă mari şi absorb aceste lungimi de undă. Astfel atmosfera este mai puţin transparentă la radiaţia termică decât la cea luminoasă (adică radiaţia de unde scurte de la Soare). � Unele radiaţii cu lungimi de undă mari de la nivelul suprafeţei tereste scapă în spaţiu prin ferestre din domeniile de lungimi de undă absorbite de atmosferă, dar aceste ferestre sunt reduse de excesul de dioxid de carbon, de ex. Astfel de gaze acţionează ca o pătură , încălzind Pământul. � Radiaţia absorbită la nivelul suprafeţei terestre este radiaţia netă, adică suma radiaţiei care străbate atmosfera plus radiaţia de unde lungi a atmosferei, minus radiaţia reflectată de suprafaţă plus radiaţia de unde lungi a suprafaţei terestre. � Variaţia diurnă, sezonieră şi geografică a radiaţiei nete explică în mare variaţia temperaturii la suprafaţa Pământului. Teste de autoevaluare (6)

1. Gazul prezent în cea mai mare concentraţie în atmosfera terestră este: A. oxigenul; B. vaporii de apă; C. dioxidul de carbon. D. azotul.

68

2. Gazul (natural sau antropogenetic) implicat în efectul de seră cu cele mai mari performanţe de încălzire din atmosfera terestră este: A: dioxidul de carbon; B: metanul; C: clorofluorocarbonaţii (freonii); D: vaporii de apă. 2. Atmosfera terestră este aproximativ omogenă (exceptând vaporii de apă şi ozonul) până la înălţimea de circa:

A. 1 km; B. 8 km; C. 80 km; D. 800 km.

3. Presiunea atmosferică exercitată la nivelul suprafeţei terestre este egală cu: A: greutatea coloanei atmosferice întinsă până la limita superioară a atmosferei, pe unitatea de arie; B: masa coloanei atmosferice întinsă până la limita superioară a atmosferei, pe unitatea de arie; C: greutatea coloanei atmosferice întinsă până la limita superioară a atmosferei; D: masa coloanei atmosferice întinsă până la limita superioară a atmosferei. 4. Radiaţia globală reprezintă:

A. suma dintre radiaţia solară directă şi radiaţia difuză primită de întreg globul terestru într-un an; B. suma dintre radiaţia solară directă şi radiaţia difuză primită de întreg globul terestru într-o zi; C. suma dintre radiaţia solară directă şi radiaţia difuză, într-un anumit loc; D. suma anuală a radiaţiei solare directe şi difuze, într-un anumit loc.

5. Se numeşte albedo A al unei suprafeţe: A. diferenţa procentuală între radiaţia incidentă şi cea reflectată în toate direcţiile; B. raportul procentual între radiaţia reflectată în toate direcţiile şi cea incidentă; C. raportul procentual între radiaţia incidentă şi cea reflectată în toate direcţiile; D. raportul procentual între radiaţia reflectată de suprafaţă şi radiaţia reflectată de o suprafaţă de referinţă albă.

6 Care suprafaţă are cel mai mic albedo? A: iarba luxuriantă; B: zăpada proaspătă; C: şoseaua asfaltată; D: nisipul din deşerturi.

7. Radiaţie efectivă reprezintă:

A. diferenţa dintre radiaţia solară directă şi radiaţia terestră; B. diferenţa dintre radiaţia terestră şi contraradiaţia atmosferei; C. diferenţa dintre radiaţia globală şi radiaţia terestră; D. suma între radiaţia solară directă şi contraradiaţia atmosferei.

69

8. Prin bilanţ radiativ-caloric al suprafeţei terestre se înţelege: A. diferenţa între radiaţia primită şi cea pierdută de suprafaţa terestră; B. diferenţa între radiaţia primită şi cea reflectată de suprafaţa terestră; C. diferenţa între radiaţia solară directă şi radiaţia pierdută de suprafaţa terestră; D. diferenţa între contraradiaţia atmosferei şi radiaţia terestră.

Lucrare de verificare (6)

1. Vremea in regim ciclonic. 2. Vremea in regim anticiclonic. 3. Bilantul radiativ-caloric al unei suprafete terestre. 4. Care radiaţii solare sunt active fotosintetic? 5. Ce este radiaţia globală (totală)? 6. Ce este albedo-ul unei suprafeţe? 7. Ce este radiaţia efectivă? 8. Care sunt perioadele oscilaţiilor termice ale temperaturii aerului şi solului? 9. Care sunt cele legile ale propagării căldurii în sol (în adâncime)? 10. Ce este stratul cu temperatură invariabilă? 11. Analizaţi, pentru diferite situaţii cunoscute (zi, noapte, cer senin, cer complet acoperit de nori) bilanţul radiaţiv al suprafeţei solului. 12. Cum variază timp de o zi şi timp de un an temperatura aerului şi a solului? Este vre-o legătură (corelaţie) între ele? REZUMAT (6) Atmosfera - învelişul gazos subţire care înconjoară Pământul - este un aerosol. Compoziţia atmosferei nu este fixată ci s-a schimbat prin interacţiuni geologice şi biologice cu Pământul pe durata evoluţiei sale. Până la cca. 80 km înălţime, compoziţia aerului uscat este aceeaşi: azot 78,1, oxigen 20,9, argon 0,9, toate în % vol. Atmosfera mai conţine: vapori de apă (0-4%), CO2 (0,033%), ozon (0,000004%), metan (0,00017%) ş.a. Troposfera reprezintă stratul din imediata vecinătate a Pământului, singurul care interesează agrometeorologia, şi are drept caracteristică scăderea temperaturii, la creşterea altitudinii, cu cca. 0,6°C/100 m. Aerul atmosferic exercită o forţă asupra suprafeţelor obiectelor cu care este în contact. Presiunea este o mărime fizică numeric egală cu forţa de apăsare pe unitatea de suprafaţă. Presiunea atmosferică variază şi cu altitudinea şi în direcţia orizontală. Repartiţia spaţială a presiunii atmosferice se poate reprezenta prin suprafeţe de egală presiune, numite suprafeţe izobarice. Pentru reprezentarea repartiţiei presiunii atmosferice la nivele diferite din atmosferă se foloseşte metoda topografiei barice. Hărţile barice pun în evidenţă sisteme barice cu izobare închise (ciclonul şi anticiclonul) şi cu izobare deschise (talvegul depresionar, dorsala anticiclonică şi şaua barometrică). Radiaţia emisă de Soare cuprinde două grupe principale: radiaţia electromagnetică şi radiaţia corpusculară. Radiaţia electromagnetică are un spectru continuu, de la radiaţiile X până la undele radio, cu lungimi de undă foarte mari.

Radiaţia corpusculară este compusă din particule cu energii foarte înalte DAR transportă cantităţi de energie mult mai mici comparativ cu radiaţia electromagnetică.

70

Spectrul radiaţiilor electromagnetice ale Soarelui cuprinde ca domenii principale: domeniul radiaţiilor ultraviolete (UV), domeniul radiaţiilor vizibile (VIZ) - radiaţii fotosintetic active si domeniul radiaţiilor infraroşii (IR). Radiaţia solară directă reprezintă radiaţia care provine direct de la discul solar şi care ajunge nemodificată (nedifuzată, nereflectată, nerefractată) la suprafaţa terestră. La trecerea prin atmosferă radiaţia solară pierde componente din spectrul vizibil prin absorbţie şi prin difuzie. Suma dintre radiaţia solară directă şi radiaţia difuză, într-un anumit loc, reprezintă radiaţia globală sau totală în acel loc. Absorbind o parte din energia solară, pământul se încălzeşte şi emite, la rândul său, o radiaţie numită radiaţie terestră. Absorbind atât radiaţia solară cât şi cea terestră, atmosfera se încălzeşte şi emite, la rândul său radiaţia atmosferică. Această radiaţie se propagă în toate direcţiile; componenta îndreptată spre pământ constituie contraradiaţia atmosferei Diferenţa dintre radiaţia terestră şi contraradiaţia atmosferei se numeşte radiaţie efectivă. Prin bilanţ radiativ al suprafeţei terestre se înţelege diferenţa între radiaţia primită şi cea pierdutăde suprafaţa terestră Bibliografie 1. Ahrens,C.D., 1991 - Meteorology today. An introd. to weather, climate and the environment, IVth Ed., West Publ.Co., St,Paul-N.Y. 2. P o p, Gh., 1988 - Introducere în meteorologie şi climatologie, Ed.Şt.Encicl., Bucuresti.

71

Unitatea de învăţare 7. (U.I.7) TEMPERATURA SOLULUI ŞI A AERULUI

CUPRINS (U.I.7) Pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.7) 71 Instrucţiuni (U.I.7) 71 7.1. Temperatura solului 71 7.1.1. Măsurarea temperaturii solului. 72 7.1.2. Factori care influenţează regimul termic al solului 72 7.1.3. Propagarea căldurii în sol. 72 7.1.4. Variaţia diurnă şi anuală a temperaturii solului. 73 7.2. Temperatura aerului. 7.2.1. Măsurarea temperaturii aerului. 73 7.2.2. Transferul de căldură în atmosferă 74 7.2.3. Prelucrarea datelor termice. 74 7.2.4. Variaţia zilnică şi anuală a temperaturii aerului. 75 Teste de autoevaluare (1) 75 Lucrări de verificare (1) 75 Rezumat (U.I.7) 76 Bibliografie (U.I.7)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.7) Regimul termic descris cu ajutorul temperaturii aerului si solului prezinta interes pentru toti specialistii din agricultura. Cunostintele dobandite din studiul acestei UI va permite studentului sa urmareasca in timp real evolutia regimului termic de pe o plantatie/cultura in paralel cu cerintele termice optime ale plantei cultivate. In functie de situatie acesta va putea sa recurga la masuri agrotehnice potrivite cu regimul termic determinat in acest mod. Pe langa aceasta, prelucrarea datelor termice prezentata este aceeasi si pentru ceilalti factori meteorologici. Instruc ţiuni (U.I.7) Informatiile prezentate au un grad ridicat de generalitate. Ca exemplu ma voi referi la legile propagarii caldurii in sol: aceste legi reprezinta medierea unui numar mare de rezltate experimentale, pe tipuri diferite de soluri, in conditii diferite ; asta inseamna ca pentru un singur tip de sol, in conditii determinate, vom constata abateri de la afirmatiile legilor. In ceea ce priveste transferul de caldura in atmosfera, chiar daca procesele sunt schematizate, este important faptul ca toate tipurile de transfer au loc simultan; asta face ca in conditii aparent identice evolutiile regimului termic sa fie diferite datorita contributiilor diferite ale tuturor acestor fenomene. Timp estimativ de studiu este de 2 ore. La sfârşitul U.I.1 se afla un set de 10 întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi 3 teme pentru autoevaluare.

7.1. TEMPERATURA SOLULUI (TS)

Radiaţia solară este absorbită în proporţie de 80% de suprafaţa Pământului; din această cauză, suprafaţa solului se încălzeşte şi, la rândul ei, transmite căldură straturilor de aer de deasupra sa, şi straturilor de sol din adâncime. Transmisia căldurii în sol se face în special prin conducţie, pe când cea spre atmosferă, prin convecţie şi radiaţie. Suprafaţa terestră este o suprafaţă activă.

72

7.1.1. Măsurarea temperaturii solului. In SM se măsoară două categorii de temperaturi la sol: (i) temperatura la

suprafaţa solului şi (ii) temperaturile la diferite adâncimi. Măsurătorile se efectuează pe un teren bine expus la RS amenajat, în partea sudică a platformei meteorologice, sub forma unui strat (solul săpat, bine mărunţit şi nivelat).

La suprafaţa solului se măsoară: temperatura la orele de observaţie - cu termometrul ordinar, temperaturile maximă şi minimă în 24 ore - cu termometrul de maximă, respectiv, de minimă. Termometrele se instalează orizontal pe suprafaţa amenajată a solului, în aşa fel încât rezervoarele lor să fie pe jumătate îngropate în sol.

In adâncime, temperatura se măsoară cu termometrul cu tragere verticală (termometru cu inerţie termică mare, cu tija de diferite lungimi, protejate de o teacă metalică), la adâncimi de 5, 10, 15, 20 cm.

7.1.2. Factori care influenţează regimul termic al solurilor

� Umezeala solului şi gradul lor de tasare. Variaţiile termice sunt mai mici în solurile umede, comparativ cu solurile uscate. Diferite lucrări agrotehnice au ca scop modificarea porozităţii solului, deci a capacităţii de umezire şi aerisire, din care decurge apoi şi modificarea proprietăţilor termice. Reducerea amplitudinilor termice (A=Tmax -Tmin), a diferenţelor mari de temperatură de la strat la strat - caracteristice solurilor uscate – avantajează dezvoltarea plantelor cultivate.

� Culoarea, prin albedo-ul solurilor, influenţează gradul lor de încălzire. � Regimul termic al solului mai este influenţat şi de expoziţia versanţilor,

covorul vegetal şi stratul de zăpadă. In emisfera nordică, pe versanţii cu expoziţie sudică şi sud-vestică, solurile se încălzesc cel mai intens.

� Covorul vegetal împiedică încălzirea solului în timpul zilei. Noaptea, covorul vegetal reduce răcirea solului. In acest mod, amplitudinea termică diurnăa solului scade, iar temperatura medie diurnă rămâne mai coborâtă decâ în cazul solului dezgolit. Stratul de zăpadă are o influenţă asemănătoare, în timpul iernii, datorită proprietăţilor sale termoizolatoare. In zona temperată, acţiunea sezonieră combinată a covorului vegetal şi a stratului de zăpadă reduce amplitudinea termică anuală a temperaturii de la suprafaţa şi din straturile superficiale ale solului. In cazul semănăturilor de toamnă, îngheţul solului nu pătrunde adânc, dezgheţul de primăvară este accelerat, iar stratul de zăpadă, prin topire, asigură un plus de umiditate plantelor.

� 7.1.3. Propagarea căldurii în sol Căldura de la suprafaţa solului se transmite parţial, prin conductivitate, în straturile mai adânci. Cantităţile de căldură transmise scad proporţional cu adâncimea, astfel că valorile temperaturilor medii, maxime şi minime, se reduc pe măsură ce adâncimea creşte. Propagarea căldurii în profunzime se produce respectand câteva legi stabilite experimental de către J.Fourier. • 1. Perioadele oscilaţiilor termice sunt aceleaşi la toate adâncimile (de o zi şi de un an). • 2. Cand adâncimea creşte în progresie aritmetică, amplitudinea oscilaţiilor termice scade în progresie geometrică. Deci, în sol există la anumite adâncimi straturi cu temperatura diurnă şi, respectiv, anuală invariabilă (constantă). • 3. Momentele producerii temperaturilor maxime şi minime întârzie proporţional

73

cu adâncimea. • 4. Adâncimile la care se amortizează oscilaţiile de temperatură (adică la care A=0) cu perioade diferite sunt proporţionale cu rădăcinile pătrate ale perioadelor oscilaţiilor respective. Notăm cu h adâncimea la care se amortizează oscilaţia termică cu perioada de o zi şi cu h’ cea la care se amortizează oscilaţia anuală; se poate scrie:

hh

∝ =1365

1191,

Prin urmare, adâncimea la care se sting oscilaţiile termice anuale este de 19,1 ori mai mare decât adâncimea la care se amortizează cele diurne. Deci, oscilaţiile termice anuale se propagă la adâncimi mult mai mari decât cele diurne. In condiţii reale, apar abateri de la legile lui Fourier determinate de neomogenitatea compoziţiei şi structurii solurilor. 7.1.4. Variaţia diurnă şi anuală a temperaturii solului.

Temperatura solului are o variaţie diurnă oscilatorie, cu o maximă în jurul orei 13 şi o minimă înainte de răsăritul soarelui (la latitudinea ţării noastre, acesta este regimul zilelor senine de vară). Amplitudinea termică diurnă (A=Tmax-Tmin) depinde de proprietăţile termice ale solului, de culoarea solului, de mersul vremii în cursul anului, de nebulozitate, de precipitaţii, de covorul vegetal, de stratul de zăpadă şi de expoziţia versanţilor. Nebulozitatea reduce insolaţia, micşorează răcirea nocturnă, prin mărirea intensităţii contraradiaţiei, şi, implicit, amplitudinea oscilaţiilor termice diurne de la suprafaţa solului; pe timp senin amplitudinea creşte mult. La suprafaţa solului în zona temperată din emisfera nordică, variaţia anuală a temperaturii solului este o oscilaţie cu o maximă vara şi o minimă iarna. La latitudini mijlocii, amplitudinea anuală atinge valori de 25-30°C. In zona temperată, acţiunea sezonieră combinată a covorului vegetal şi a stratului de zăpadă reduce amplitudinea termică anuală de la suprafaţa şi din straturile superficiale ale solului. Fenomenele de îngheţ şi dezgheţ modifică proprietăţile fizice ale solului. Efecte pozitive: afânarea solului, ceea ce îi măreşte porozitatea şi capacitatea de înmagazinare a apei; sub stratul îngheţat, umezeala solului creşte datorită condensării vaporilor de apă proveniţi din straturile mai adânci şi mai calde. 7.2. TEMPERATURA AERULUI (TA)

7.2.1. Măsurarea temperaturii aerului

In staţiile meteorologice din reţeaua natională se măsoară zilnic:

• TA la orele de observaţie: la orele 1, 7, 13, 19 – observaţiile climatologice, din oră în oră – observaţiile sinoptice. Măsurătorile se efectuează cu termometrul obişnuit. Staţiile automate măsoară temperatura aerului, bineînţeles, cu un traductor electric şi transmit datele către centrele sinoptice la fiecare jumătate de oră. • temperatura maximă şi temperatura minimă în 24 ore, cu, respectiv, termometrul de maximă şi de minimă. • temperatura termometrului uscat şi a termometrului umed, la orele de observaţie, cu termometrele psihrometrice, pentru determinarea umezelii aerului.

Toate măsurătorile se fac cu termometrele instalate în adăpost la cca. 2 m deasupra solului inierbat ! • Variaţia continuă a TA şi a umezelii relative a aerului sunt înregistrate cu

74

termohigrograful sau pe suportul magnetic specific al unui PC, sub formă de fişiere de date. "Temperatura adevărată" a aerului reprezintă temperatura măsurată cu termometrul ordinar în adăpostul meteorologic perfect ventilat, cu rezervorul termometrului la circa 2 m de la sol. 7.2.2. Transferul de căldur ă în atmosferă Aerul absoarbe doar o mică parte a radiaţiilor solare. De aceea el se încălzeşte prin intermediul suprafeţei subadiacente, care îi transmite o parte din căldura acumulată de aceasta. Transferul de căldură de la suprafaţa terestră către atmosferă se realizează prin: -conducţie termică, moleculară. Datorită conductivităţii mici a aerului transmiterea căldurii prin acest proces este slabă; -radiaţie; Pământul încălzit emite radiaţia terestră cu lungimi de undă mari care sunt absorbite de aer, mai ales când este încărcat cu vapori de apă; -convecţie termică, realizată datorită curenţilor ascendenţi şi descendenţi, care permite o transmitere a căldurii la înălţime -turbulenţă atmosferică, o mişcare haotică a diferitelor volume de aer, ce determină amestecarea aerului, şi contribuie într-o mare măsură la schimbul de căldură între sol şi atmosferă. -căldura latentă de vaporizare favorizează încălzirea şi răcirea atmosferei. Căldura este preluată de apa de la suprafaţa Pământului când se transformă în vapori şi este restituită atmosferei atunci când aceştia, ajungând la straturi mai reci, condensează formând norii sau ceţurile. Căldura poate fi transmisă pe suprafaţa Pământului prin deplasarea orizontală a unei mase de aer, deplasare numită advecţie. Convecţia realizează transferul de căldură pe verticală iar advecţia, pe orizontală. 7.2.3. Prelucrarea datelor termice

Pentru caracterizarea timpului din punct de vedere termic se calculează:

• Mediile aritmetice diurnă, decadică, lunară şi anuală, mediile extremelor; temperatura medie diurnă tmd a aerului se calculează cel mai comod ca media aritmetică a extremelor tmd = (tmax + tmin) / 2, dar se mai folosesc şi alte metode (postate pe platforma Moodle). Celelalte medii sunt aritmetice şi se calculează plecând de la tmd. Se consideră că o lună are trei decade: primele două (I, II) de câte zece zile şi a III-a de lungime variabilă. • Temperatura medie multianuală reprezintă media aritmetică calculată pe o perioadă mare de timp (cel puţin 30 de ani); media multianuală decadică, lunară şi anuală, mediile multianuale ale extremelor, sunt valori de referinţă: abaterile de la aceste valori în perioada analizată sunt cele care caracterizează “timpul” din zona de interes. • Amplitudinea termică diurnă A = tmax-tmin şi mediile decadice, lunare şi anuale ale acesteia. Obs. Amplitudinea termică anuală se calculează ca diferenţa între temperatura medie a lunii cele mai calde şi cea a lunii celei mai reci a anului. Tot pentru caracterizarea timpului din punct de vedere termic, în SM se mai notează numărul de zile în care temperaturile medii diurne, maxime diurne, minime diurne, sunt mai mari sau mai mici decât nişte valori de referinţă.

75

Obs. De fapt, aceleaşi valori medii se calculează şi pentru celelalte elemente meteorologice: umezeala relativă, nebulozitatea, durata efectivăa insolaţiei, sumele decadice, lunare şi anuale ale cantităţii de precipitaţii... 7.2.4. Variaţia zilnică şi anuală a temperaturii aerului

Variaţia (mersul) TA este asemănătoare celei a solului; variaţiile sunt mai mari în straturile din apropierea solului şi scad cu înălţimea. Perioadele oscilaţiilor rămân neschimbate la toate înălţimile şi momentele producerii minimelor şi maximelor întârzie cu creşterea înălţimii. Variaţia zilnică a temperaturii aerului este o oscilaţie, cu un maxim între orele 14-15 (cu 1-2 ore mai târziu decât la suprafaţa solului) şi un minim înainte de răsăritul soarelui. Amplitudinea termică diurnă (ATD) depinde de latitudine, altitudine, anotimpuri, nebulozitate, vânt, relief. Pe uscat, ATD depinde şi de caracteristicile suprafeţei active. La latitudini mijlocii (ţara noastră) ATD este mai mare vara (8-12°C) şi mai mică iarna (2-4°C), în funcţie de înălţimea Soarelui la amiază. In condiţiile unui relief fragmentat, ATD a aerului este mai mare pe formele de relief negative (relief concav = văi, depresiuni) şi mai mică pe formele pozitive, convexe (dealuri, munţi, orice forme de relief mai proeminente). Amestecul turbulent provocat de vântul puternic reduce ATD prin omogenizare. Variaţia anuală a temperaturii aerului depinde de aceeaşi factori care influenţează şi mersul zilnic, iar în cazul ţării noastre (zona temperată) se caracterizează printr-un maxim după solstiţiul de vară (în luna iulie) şi un minim după solstiţiul de iarnă (în luna ianuarie). Variaţia anuală depinde de latitudine şi prezintăo mare asemănare cu variaţia energiei solare, între ele existând un decalaj de o lună de zile. Teste de autoevaluare (7)

1. Una dintre următoarele afirmaţii NU reprezintă o lege a propagării căldurii în sol: A. Perioadele oscilaţiilor termice sunt aceleaşi la toate adâncimile (de o zi şi de un an); B. Adâncimile la care se amortizează oscilaţiile de temperatură (adică la care A=0) cu perioade diferite sunt proporţionale cu pătratele perioadelor oscilaţiilor respective. C. Cand adâncimea creşte în progresie aritmetică, amplitudinea oscilaţiilor termice scade în progresie geometrică; D. Momentele producerii temperaturilor maxime şi minime întârzie proporţional cu adâncimea

2. Pe suprafaţa solului amplitudinea termică diurnă este A0= 28ºC iar la adâncimea h1= 12cm este A1= 14ºC. Ce valoare are amplitudinea termică diurnă la adâncimea h3= 36cm?

3. Adâncimea în sol la care se amortizează oscilaţiile de temperatură cu perioada de o zi este hai= 1,5 m; la ce adâncime han se amortizează oscilaţiile de temperatură cu perioada de un an ?

Lucrare de verificare (7)

Masurarea temperaturii aerului si solului. Variatia zilnica si anuala a temperaturii aerului si solululi.

76

REZUMAT In SM se măsoară două categorii de temperaturi la sol: (i) temperatura la suprafaţa solului şi (ii) temperaturile la diferite adâncimi. Factori care influenţează regimul termic al solurilor: umezeala solului şi gradul lor de tasare, culoarea (prin albedo), expoziţia versanţilor, covorul vegetal şi stratul de zăpadă. Legile propagării căldurii în sol: - Perioadele oscilaţiilor termice sunt aceleaşi la toate adâncimile (de o zi şi de un an). - Cand adâncimea creşte în progresie aritmetică, amplitudinea oscilaţiilor termice scade în progresie geometrică. - Momentele producerii temperaturilor maxime şi minime întârzie proporţional cu adâncimea. - Adâncimile la care se amortizează oscilaţiile de temperatură cu perioade diferite sunt proporţionale cu rădăcinile pătrate ale perioadelor oscilaţiilor respective. Temperatura solului are variaţii diurne si anuale oscilatorii. In staţiile meteorologice din reţeaua natională se măsoară zilnic: temperatura aerului la orele de observaţie, cu termometrul obişnuit; temperatura maximă şi temperatura minimă în 24 ore, cu, respectiv, termometrul de maximă şi de minimă; temperatura termometrului uscat şi a termometrului umed, la orele de observaţie, cu termometrele psihrometrice, pentru determinarea umezelii aerului, variaţia continuă. Toate măsurătorile se fac cu termometrele instalate în adăpost la cca. 2 m deasupra solului inierbat !

Pentru caracterizarea timpului din punct de vedere termic se calculează

mediile aritmetice diurnă, decadică, lunară şi anuală, multianuale, mediile

extremelor, amplitudinile termice pentru taceleasi intervale de timp.

Variaţia temperaturii aerului este asemănătoare celei a solului; variaţiile sunt mai mari în straturile din apropierea solului şi scad cu înălţimea. Perioadele oscilaţiilor rămân neschimbate la toate înălţimile şi momentele producerii minimelor şi maximelor întârzie cu creşterea înălţimii. Variaţia zilnică ca si cea anuala a temperaturii aerului este o oscilaţie. Bibliografie 1. Cojocaru, N., Oancea, Servilia, 2014 - Biofizica si Agrometeorologie, Suport curs pe platforma Moodle a USAMV Iasi 2. Erhan E., 1999 - Meteorologie şi climatologie practică, Ed. Univ. “Al.I.Cuza”, Iaşi. 3. * * *, 1995 - Instrucţiuni pentru staţiile meteorologice. Efectuarea observaţiilor meteorologice şi prelucrarea lor în scopuri climatologice, I.N.M.H. Buc.

77

Unitatea de învăţare 8. VAPORII DE APĂ ÎN ATMOSFERĂ ŞI PRECIPITA ŢIILE

CUPRINS (U.I.8) Pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.8) 77 Instrucţiuni (U.I.8) 77 8.1. Umiditatea aerului. 78 8.1.1. Mărimi ce caracterizează umiditatea aerului. 78 8.1.2. Măsurarea umidităţii aerului. 78 8.2. Condensarea vaporilor de apă din atmosferă. 79 8.2.1. Condiţiile condensării vaporilor de apă. 79 8.2.2. Consensarea vaporilor de apă pe suprafaţa terestră 79 8.2.3. Condensarea vaporilor de apă în stratul inferior al atmosferei. 79 8.2.4. Condensarea vaporilor de apă în atmosfera liberă. 79 8.3. Precipitaţiile atmosferice. 81 8.3.1. Măsurarea cantitaţii de precipitaţii. 81 8.3.2. Clasificări ale precipitaţiilor. 81 8.4. Evaporarea şi evapotranspiraţia. 82 8.4.1. Evaporarea. 82 8.4.2. Măsurarea apei evaporate. 83 8.4.3. Evapotranspiraţia. 84 Teste de autoevaluare (1) Lucrări de verificare (1) Rezumat (U.I.8) Bibliografie (U.I.8)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.8) Dupa studiul acestei unitaţi de învăţare, studentul va avea competenţe să: - descrie umiditatea aerului prin utilizarea unei marimi potrivite cu scopul sau; - identifice conditiile care determina condensarea vaporilor de apa pe suprafata solului, utile in special pentru prognoza pericolului producerii brumelor tarzii de primavara si timpurii de toamna; - identifice principalele tipuri de nori, a caror cunoastere este utila pentru prognoze locale de scurta durata; - dezvolte metode proprii, simple, pentru dterminarea cantitatii de precipitatii si a evaporarii. Instrucţiuni (U.I.8) Aceasta unitate de învăţare cuprinde descrierea mai multor marimi care pot sa descrie umiditatea aerului. Dintre toate as remarca umiditatea relativa a aerului, marime usor de monitorizat cu termohigrograful, care depinde si de masa vaporilor de apa din unitatea de volum de aer (umiditatea absoluta), dar si de temperatura aerului. Aceasta dependenta explica de ce umiditatea relativa a aerului poate sa creasca (sau sa scada) chiar daca masa vaporilor de apa din unitatea de volum de aer ramane constanta! Numai datorita scaderii (sau cresterii temperaturii! Timp estimativ de studiu este de 2 ore. La sfârşitul U.I.8 se afla un set de întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi teme pentru autoevaluare.

78

8.1. UMIDITATEA AERULUI

8.1.1. Mărimi ce caracterizează umiditatea aerului Prin umiditatea (umezeala) aerului se înţelege conţinutul aerului în vapori de apă. Umiditatea aerului se poate caracteriza cu ajutorul următoarelor mărimi: • Umiditatea absolută (q): masa vaporilor de apă existenţi în unitatea de volum de aer; cînd aerul este saturat cu vapori, umiditatea absolută devine maximă (qmax = Q). Unitatea de măsură: kg/m3. • Tensiunea (actuală a) vaporilor de apă (f) reprezintă presiunea parţială exercitată de vaporii de apă existenţi, la un moment dat, într-un anumit loc, în atmosferă. Se exprimă, în milibari (mb) sau torr. 1 mb = 100 N/m2 = 100 Pa = 1 hPa = (3 / 4) mmHg = (3 / 4) torr 1 mmHg = 1 torr = (4/3) mb Tensiunea vaporilor poate să crească până la valoarea maximă (fmax = F) ce corespunde saturaţiei, valoare care depinde de temperatură. • Umiditatea specifică (s) reprezintă masa vaporilor aflaţi în unitatea de masăde aer. Dacă atmosfera este saturată cu vapori de apă, umiditatea specifică devine maximă (smax=S). Unitatea de măsură utilizată: g vapori de apă/g aer. • Umiditatea relativă (U) este raportul exprimat în procente dintre tensiunea actuală a vaporilor de apă şi tensiunea maximă corespunzătoare temperaturii aerului din acel moment. U = (f/F) x 100 % Umiditatea relativă indică procentul de vapori existenţi la un moment dat în atmosferă, faţă de cantitatea necesară pentru ca aerul să fie saturat. • Fracţia de saturaţie (rs) este raportul dintre tensiunea actuală şi tensiunea maximă a vaporilor de apă: rs = f/F • Deficitul de saturaţie (ds) reprezintă diferenţa între tensiunea maximă şi tensiunea la un moment dat a vaporilor, ds = (F - f) • Gradul de uscăciune al aerului este diferenţa 100 - U şi constituie încă o indicaţie asupra umidităţii aerului. • Punctul de rouă (τ) este temperatura la care trebuie răcit aerul la presiune constantă, pentru ca vaporii ce-i conţine să-l satureze. 8.1.2. Măsurarea umidităţii aerului Pentru măsurarea umidităţii cel mai comod şi mai ieftin aparat este termohigrograful care, pe jumătatea superioară a diagramei înregistrează variaţia continuă a umidităţii relative; traductorul său de umezeală este un mănunchi de fire de păr blond, degresat, dar precizia sa este mică. Se pot utiliza diagrame de o zi, o săptămână, o lună sau de 62 zile, după perioada de rotaţie a tamburului-suport cu mecanism de ceas mecanic. Cele mai precise determinări se fac în SM cu psihrometrul de aspiraţie: acesta permite măsurarea temperaturii unui termometru uscat şi a temperaturii unui termometru umed identic (rezervorul este “îmbrăcat” cu un săculeţ de tifon umezit) în curenţi identici de aer realizaţi prin ventilaţie forţată sau naturală; prin calcul sau cu ajutorul unor tabele/nomograme de poate găsi tensiunea vaporilor de apă, şi umiditatea relativă.

Staţiile automate monitorizează continuu şi umiditatea aerului.

79

8.2. CONDENSAREA VAPORILOR DE APĂ DIN ATMOSFERĂ

8.2.1. Condiţiile condensării vaporilor de apă

Dacă atmosfera conţine vapori de apă (VA), pentru condensarea acestora este necesar să fie îndeplinite două condiţii: a) scăderea temperaturii aerului până la, cel puţin, temperatura punctului de rouă; b) prezenţa în aer a nucleelor de condensare. Dacă aceste condiţii sunt realizate VA condensează sau se depun producând produse primare de condensare: picături foarte fine de apă sau ace foarte fine de gheaţă; acumularea produselor primare de condensare conduce la producerea fenomenelor atmosferice observabile care vor fi prezentate în cele ce urmează. Intrucât în natură aerul se poate răci prin radiaţie, advecţie, amestec sau prin procese adiabatice, condensarea VA din atmosferă se poate realiza tot în aceste patru moduri. 8.2.2. Condensarea vaporilor de apă pe suprafaţa terestră Fenomenul de condensare a VA din aer poate avea loc la nivelul suprafeţelor de contact aer-sol, pe diferite obiecte şi pe vegetaţie. Suprafeţele respective trebuie să atingă o temperatură egală sau mai mică decât temperatura punctului de rouă corespunzătoare conţinutului în VA al acestui strat. Produsele primare de condensare lichide şi solide se vor forma direct pe suprafeţele răcite; acumularea lor duce la producerea fenomenelor de rouă, brumă, chiciură sau depuneri lichide şi solide. Roua se formează atunci când suprafeţa de depunere se răceşte sub temperatura punctului de rouă, care rămâne însă pozitivă. Aerul trebuie să fie umed iar mişcarea turbulentă slabă. Fenomenul de rouă depusă pe vegetaţie aduce, la latitudinea ţării noastre, un aport de apă redus (1-3 mm), dar poate împiedica ofilirea plantelor în perioadele lipsite de precipitaţii. Bruma este rezultatul acumulării produselor de depunere a VA şi este alcătuită din cristale foarte fine de gheaţă depuse sub forma unui strat albicios, cu aspect catifelat, pe suprafaţa solului sau pe diferite obiecte de pe sol, a căror temperatură t < τ < 0°C. Condiţiile de formare a brumei sunt similare cu cele de producere a fenomenului de rouă: umezeală suficientă, nopţi senine, calme dar reci (-2°C - 3°C), radiaţie nocturnă intensă, vânt slab, covor vegetal. Depunerea de brumă constituie un pericol pentru plante, dar efectul acesteia depinde mai mult de intensitatea şi de durata răcirii şi nu de bruma propriuzisă. Chiciura reprezintă o masă cristalină, albă, sfărâmicioasă, cu aspect de zăpadă, cu o structură foarte fină; ea se formează direct pe plante şi pe diferite obiecte din natură, sub forma unui manşon sau strat alcătuit din ace fine de gheaţă, dispuse perpendicular pe suprafeţe, care se scutură uşor. Depunerile lichide şi solide se formează cu ocazia invaziilor de aer mai cald şi umed ce se deplasează peste regiuni în care vremea a fost rece în prealabil. Poleiul este un strat compact de gheaţă densă, transparentă sau opacă, care se depune, uneori, în anotimpul rece, pe sol, arbori, alte obiecte; fenomenul se produce prin îngheţarea picăturilor de ploaie suprarăcite care cad pe suprafeţe cu temperatura cuprinsă între +0,1°C şi -1°C. 8.2.3. Condensarea vaporilor de apă în stratul inferior al atmosferei

Acumularea picăturilor de apă şi a microcristalelor de gheaţă, rezultate din condensarea şi depunerea VA, în stratul de aer din imediata apropiere a suprafeţei terestre sau a unei suprafeţe acvatice micşorează transparenţa aerului şi vizibilitatea: - dacă vizibilitatea, în direcţie orizontală, este sub 1 km, fenomenul poartă numele de ceaţă;

80

- dacă vizibilitatea, în direcţie orizontală, este sub 10 km dar peste 1 km, fenomenul poartă numele de aer ceţos; - dacă vizibilitatea, în direcţie orizontală, este mai mare de 1 km dar mai mică de 10 km datorită acumulării de impurităţi solide, fenomenul poartă numele de pâclă. Ceaţa este alcătuită din picături foarte fine de apă sau din microcristale de gheaţă sau din ambele, funcţie de temperatura din timpul condensării, care plutesc în aer; cantitatăţile de apă conţinute de ceţuri sunt foarte mici (0,02 - 1 kg/m3) şi cresc cu temperatura. După încălzirea solului ceaţa se transformă în nor stratus. 8.2.4. Condensarea vaporilor de apă în atmosfera liberă. Norii.

Atunci când condensarea VA se produce la înălţime, în atmosfera liberă, acumularea produselor primare de condensare duce la formarea norilor. Norul reprezintăun volum din atmosferă în care sunt întrunite condiţiile de condensare a VA. Din punct de vedere constitutiv, nu este nici o deosebire între ceaţă şi nor. Clasificarea internaţionalăa norilor Conform acestei clasificări, formele principale de nori sunt grupate în patru familii, fiecare cuprinzând un anumit număr de genuri (indicate şi prin simboluri); fiecare gen, la rândul său cuprinde mai multe specii şi varietăţi de nori. A. Familia norilor superiori care cuprinde norii cu baza situată la peste 6000 m înălţime, cu genurile: I. Cirrus (Ci) II. Cirrocumulus (Cc) III. Cirrostratus (Cs) B. Familia norilor mijlocii cu baza situată între 2000 m şi 7000 m, cu genurile: IV. Altocumulus (Ac) V. Altostratus (As) C. Familia norilor inferiori cu baza sub 2000 m cu genurile: VI. Stratocumulus (Sc) VII.Stratus (St) VIII.Nimbostratus (Ns) D. Familia norilor cu dezvoltare verticală, cu baza de la 1000 m pânăla înălţimea norilor superiori. Genuri: IX.Cumulus (Cs) X. Cumulonimbus (Cb) Fiecare gen sau tip fundamental se subdivide în specii şi varietăţi.

Nebulozitatea. Mersul zilnic şi anual al nebulozităţii. Gradul de acoperire al cerului cu nori poartă numele de nebulozitate. Ea se stabileşte vizual şi se exprimă în zecimi de cer acoperit, din totalul de zece zecimi cît reprezintă întreaga suprafaţă a bolţii cereşti, până la orizont; altă unitate de apreciere este optimea. Mersul zilnic al nebulozităţii depinde de tipurile de nori şi de evoluţia lor, iar mersul anual de condiţiile climatice zonale şi regionale.

81

8.3. PRECIPITAŢIILE ATMOSFERICE (P)

Totalitatea particulelor de apă, lichidă sau solidă, care cad din nori izolaţi sau din sisteme noroase şi ating suprafaţa terestră formează precipitaţiile. Cantitatea de precipitaţii (CDP) se măsoară în mm. Un mm cantitate de precipitaţii reprezintă cantitatea de apă, provenită din precipitaţii, care, dacă nu s-ar infiltra în sol, nu s-ar scurge pe pantă şi nu s-ar evapora, ar forma pe o suprafaţă plană orizontală cu aria de 1 m2 un strat cu grosimea de 1 mm. Asadar, 1 mm cantitate de precipitaţii este echivalent cu 1 l/m2. 8.3.1. Măsurarea cantităţii de precipitaţii In SM se înregistrează suma zilnică a CDP şi se calculează sumele decadice, lunare şi anuale; se mai notează numărul de zile cu P ≥1mm şi cantitatea 0,0 mm (sub limita de precizie a măsurătorilor). Măsurătorile de fac cu pluviometrul. Acesta este un dispozitiv extrem de simplu, uşor de confecţionat din tablă zincată: o suprafaţă receptoare (aria sa este singura “caracteristică tehnică”) care se termină, în partea inferioară, în formăde pâlnie, colectează apa din precipitaţii într-un vas colector având orificiul colector de diametru mic; apa este apoi transvazată într-o eprubetă pluviometrică gradată direct în l/m2. Practic, este de ajuns să se determine câţi litri de apă V s-au strâns de pe o suprafaţă colectoare cu aria S în m2; împărţind V (litri) la S (m2) se obţine un număr de litri/m2, adică CDP.

Staţiile automate înregistrează CDP cu ajutorul unei cupe colectoare care basculează atunci când a colectat 0,1 mm (sau 0,2 mm), “numărând” electronic de fapt câte goliri s-au produs pe durata precipitaţiei.

In afară de sumele diurne ale CDP, mai prezintă interes sumele decadice, lunare, sezonale, anuale, precum şi mediile multianuale corespunzătoare.

8.3.2. Clasificarea precipitaţiilor După starea de agregare, precipitaţiile pot fi: lichide (ploaie), solide (zăpada, măzărichea, grindina) sau mixte (lapoviţa). Roua, bruma, chiciura nu sunt precipitaţii propriuzise; ele sunt numite precipitaţii orizontale.

82

Ploaia este alcătuită din picături de apăcu diametrul de 0,5 ÷ 5 mm. Cade din norii nimbostratus, cumulus şi altostratus. Zăpada este o precipitaţie solidă alcătuită din cristale fine de gheaţă, ramificate stelar sau uneori neramificate, cu simetrie hexagonală şi cu mărimi diferite. La temperaturi mai mici de 0°C, nu prea joase, cristalele se pot suda şi aglutinarea lor prin coalescenţă duce la formarea fulgilor de zăpadă. Lapoviţa este o cădere concomitentăde fulgi de zăpadăşi de picături de ploaie. La latitudini mijlocii şi superioare, lapoviţa constituie o fază intermediară în procesul de genezăa ploii (zăpada iniţială, pe durata căderii, se topeşte). Măzărichea moale este o precipitaţie solidăsub formăde granule mate, sferice, uneori conice, afânate, sfărâmicioase, cu aspect de zăpadă, cu diametrul de 1 - 5 mm. Atunci când diametrul granulelor este sub 1 mm, ea se transformăîn zăpadăgrăunţoasă. Cade iarna din norii stratiformi în loc de burniţăşi are aspectul granulelor de griş. Măzărichea tare cade sub formăde grăunţe de gheaţăsferice sau neuniforme, uneori conice, parţial transparente, având un miez albicios opac; sunt dure şi sar atunci când ating suprafaţa solului. Ploaia îngheţată se produce prin îngheţarea, înainte de a atinge solul, picăturilor de ploaie ce străbat un strat atmosferic inferior cu temperatura negativăşi este compusădin granule sferice de gheaţătransparentă, cu diametrul de 1 - 3 mm. Grindina este alcătuitădin sfere sau fragmente de gheaţă, de diferite forme, cristalizate sau amorfe, cuprinse între 5 şi 50 mm, uneori chiar mai mari (excepţional, peste 300 g). Grindina cade din norii Cumulonimbus numai în sezonul cald, însoţind aversele de ploaie. Acele de gheaţă sunt cristale de gheaţă foarte mici, neramificate, în formă de solzi sau bastonaşe hexagonale, care se formează iarna; la temperaturi joase ele se menţin timp îndelungat în stare de plutire în aer. Din punct de vedere al duratei şi al intensităţii se pot deosebi trei categorii de precipitaţii: precipitaţii continue, averse şi burniţe. Precipitaţiile continue cad din norii sistemelor noroase frontale, îndeosebi ale fronturilor calde şi sunt extinse pe suprafeţe de ordinul sutelor de mii de km2. Sunt precipitaţii de intensitate moderată, uniforme şi de lungă durată, alcătuite din picături de ploaie sau fulgi de zăpadăde mărime mijlocie. Cea mai mare parte a precipitaţiilor care cad la latitudini mijlocii sunt de acest tip. Aversele sunt precipitaţii de durată mai scurtă, de obicei de mare intensitate (peste 1 mm/min), care cad din nori convectivi (Cb). Se declanşeazăşi se opresc brusc, cu variaţii mari şi repezi de intensitate. Burni ţa este alcătuită din picături extrem de mici de apă, dese, care cad din norii Stratus, mai rar Stratocumulus şi din ceţuri. Viteza foarte micăde cădere a picăturilor dăimpresia plutirii acestora în aer.

8.4. EVAPORAREA ŞI EVAPOTRANSPIRA ŢIA 8.4.1.Evaporarea. Mărimea evaporarii (evaporaţiei) este influenţată de factori extrem de diferiţi: formula lui Dalton arată principalii factori meteorologici de care depinde evaporarea apei conţinută într-un vas descoperit:

v = K S (F-f) /p în care: v=cantitatea de apă evaporată în unitatea de timp; (F-f)=deficitul de saturaţie, care creşte odată cu temperatura; p= presiunea atmosferică; K=un factor care depinde de starea de agitaţie a aerului; S= suprafaţa liberă a apei.

83

Apa evaporată într-un timp dat, poate fi exprimată nu numai în grame, ci şi prin grosimea în milimetri a stratului de apă evaporată. Trecerea de la un fel de exprimare la altul se face ţinând seama că un strat de 1mm de apă evaporată corespunde la un litru pe metru patrat. 8.4.2. Măsurarea apei evaporate. Evaporarea apei la suprafaţa solului depinde de felul solului, structură, culoare, gradul de umezeală, dacă este acoperit sau nu cu vegetaţie, de natura vegetaţiei. Pe de altă parte, rezultatele depind şi de metoda, tipul instrumentului folosit precum şi de condiţiile de instalare a instrumentului. Determinarea cantităţii de apă evaporată se poate face pe două căi: A.- Prin calcul cu ajutorul unor formule empirice care ţin seama de factorii de care depinde evaporarea (temperatură, deficitul higrometric, etc.). B.- Prin măsurarea directă, cu ajutorul dispozitivelor numite evaporimetre. Eprubeta evaporimetrică (tip Piche) este o eprubetă de sticlă gradată în mm, prevăzută la partea superioară cu un inel pentru fixarea într-un suport cu gura în jos. Corpul evaporator este o bucată de hârtie, sugativă sau filtru, cu diametrul de 5 cm şi care este menţinută etanş la gura eprubetei prin intermediul unei garnituri metalice cu arc. Pentru determinarea evaporării se procedează astfel: se umple eprubeta cu apă distilată sau de ploaie şi se fixează la gura acesteia hârtia de filtru. Determinarea evaporării se reduce la măsurarea denivelării h1 (în mm) a apei din eprubetă între două momente succesive de observaţie. Această denivelare este proporţională cu volumul V al apei evaporate, adicăV=s1 h1 , s1 fiind suprafaţa interioară a eprubetei. Dar acelaşi volum s-a evaporat şi de pe suprafaţa s2 a sugativei: V = s2 h2, h2 este înălţimea stratului de apă evaporată în mm ce trebuie aflată. Deci: s1 h1 = s2 h2, de unde h2 = (s1 /s2 ) h1; s1 /s2 = factorul eprubetei. Evaporimetrul de sol este format din doi cilindri de tablă galvanizată care intră unul în celălalt. Cilindrul interior are baza făcută din plasă cu ochiurile de 1 mm2. Marginea este îndoită peste cilindrul exterior, împiedicând pătrunderea precipitaţiilor în acesta. La partea superioară cilindrul este prevăzut cu nişte urechi pentru scoaterea şi introducerea lui în cilindrul exterior. In acest cilindru se introduce un monolit din solul respectiv, fără să i se altereze structura, după care se introduce în cilindrul exterior. Cilindrul exterior, cu partea de jos compactă, se introduce în sol în aşa fel ca marginea lui superioară să corespundă exact cu nivelul solului. In cilindrul exterior se introduce vasul colector, iar apoi cilindrul interior cu monolitul de sol. Observaţiile cu evaporimetrul se fac prin cântărirea zilnică a cilindrului interior cu monolitul la ora 19. Cântărirea se face cu o precizie de până la 5 g, ceea ce corespunde unui strat de apă evaporată de 0,1 mm. Diferenţa de greutate a monolitului de pământ, cantitatea de precipitaţii măsurată cu pluviometrul şi cantitatea de apă înfiltrată din vasul colector, permit să se determine valoarea apei evaporate din evaporimetru. Dacă la evaporimetrul descris se adaugă un dispozitiv care măsoară şi apa ce se infiltrează în sol, în urma precipitaţiilor, se obţine un evapolizimetru. Determinarea cantităţii de apă evaporate se face astfel: se cântăreşte monolitul şi se găseşte masa m1. Se introduce monolitul în cilindrul exterior care se îngroapă apoi în sol şi se lasă un anumit timp (de ex. 24 ore). Se cântăreşte din nou monolitul şi se determină masa m2 şi se face diferenţa celor două valori. Se determinăde asemenea cantitatea de apă infiltrată din colector “i” obţinută din diferenţa apei din sol şi eventual cantitatea de precipitaţii “p” c ăzute în timpul considerat. Cantitatea de apă evaporată este: e = (p-i)-(m2-m1). Diferenţa (m2-m1)

84

este exprimată în grame, iar (p-i) în mm, se transformă masa din grame în mm, împărţind valoarea ei la 50. 8.4.3. Evapotranspiraţia. Apa care intră în compoziţia ţesuturilor vegetale reprezintă apa de constituţie. Apa absorbită de rădăcini care traversează planta şi este cedată atmosferei prin frunze, reprezintă apa de vegetaţie. Acestora li se adaugă apa evaporată din sol. Cantitatea totală de apă evaporată, în condiţii naturale, prin transpiraţia plantei şi prin evaporare de către sol, constituie evapotranspiraţia (ET). Evapotranspiraţia se exprimă în mm înălţime de apă în unitate de timp. Cantitatea de apă cedată atmosferei, teoretic, prin transpiraţia plantei şi prin evaporare din sol, de către o cultură vegetală abundentă, în plină creştere, care acoperă total un sol bine aprovizionat cu apă, reprezintă evaporaţia potenţială (Etp). ETp se calculează, plecând de la date meteorologice, după formule diferite, cele mai folosite fiind formula lui Turc (potrivită pentru zone mari) şi formula lui Bouchet (convenabilă pentru zone mici). • Formula lui Turc permite evaluarea ETp (în mm) lunare sau decadice plecând de la 2 măsurători, de temperatură şi de durată a insolaţiei:

ETp = α[ t / (t + 15)] ( Ig + 50) în care: α=0,40 pentru ETp lunarăşi α=0,13 pentru ETp decadică; t=temperatura medie a aerului, în adăpost, pentru o lună sau o decadă; Ig = valoarea medie, lunară sau decadică, a radiaţiei solare globale, în cal/cm2/zi. Aceasta depinde de latitudine şi de durata lunară a unei zile şi se obţine cu formula:

Ig = IgA [ 0,18 + 0,62 (h/H)] unde: IgA este intensitatea radiaţiei solare care ar atinge solul în absenţa atmosferei; H este durata totală a zilei, lunară sau decadală, în ore; h este durata insolaţiei, lunară sau decadală, în ore. Formula lui Bouchet are avantajul că permite calculul ETp (în mm) de pe o zi pe alta, plecând de la 2 măsurători, temperatura şi evaporarea:

ETp = β.λ.Em unde: Etp=evaporaţia potenţială în mm pentru o perioadă oarecare; Em= evaporarea măsurată în adăpost cu un evaporimetru, în mm, în perioada considerată; β=coeficient care depinde de aparatură şi de climat. In climat temperat, pentru un evaporimetru plasat în adăpost la 2 m de sol, pentru un vânt sub 5 m/s, β = 0,37; λ = factor de corecţie funcţie de temperatura medie. Formula lui Bouchet, ca şi formulele lui Brochet şi Gerbier, sunt expresii mai practice derivate din formula universal utilizată a lui Penman. Notăm cu ETpm valoarea măsuratăa Etp. Se poate scrie:

Etpm = Aportul prin ploi şi irigaţii - Drenajul măsurat Evapotranspiraţia reală în câmp. ETpc constituie mărimea utilizată pentru a cunoaşte pierderea teoretică de apă de ansamblul cultură-sol (ETp serveşte la calcularea bilanţului apei), dar aceasta nu reprezintă decât o valoare medie, realitatea dintr-un anumit câmp cultivat fiind diferită. Dacă solul este bine alimentat cu apă, ET nu depinde numai de condiţiile meteorologice ci şi de covorul vegetal. Influenţa acestuia este descrisă cantitativ printr-un coeficient K, valoarea acestuia fiind funcţie şi de condiţiile climatice locale. Se numeşte evaporaţie maximă(ETmax) sau reală-maximă(ETrmax ) cantitatea de apă evaporată de ansamblul sol-cultură într-o anumită fază de vegetaţie: ETmax = K.ETp. Coeficientul K<1 în primele faze ale culturii, dar poate deveni >1 atunci când aceasta ajunge la dezvoltare maximă.

85

Dacă evaporarea apei din sol scade, fie pentru că solul se usucă, fie pentru că la suprafaţa sa se formează un strat uscat care frânează pierderea de apă, evapotranspiraţia reală scade; ea devine evapotranspiraţie redusă(ETr ). Dar această reducere a ET poate să fie provocată chiar de către plantă dacă aerul devine cald şi uscat, altfel spus dacă ETp devine prea puternică: atunci plantele îşi limitează ele însele transpiraţia, deci circulaţia apei care le traversează, prin închiderea corespunzătoare a stomatelor. Acest mod de a se autoproteja are, însă, ca efect reducerea randamentului datorită lipsei de apă (vezi “perioadă critică” la “Seceta”). Intotdeauna ETr ≤ ETmax. Cantitatea de apă disponibilă. Pentru a satisface nevoile proprii, plantele pot dispune de 2 cantităţi de apă: - o parte provenind din ploile care se produc în perioada lor de vegetaţie, absorbită şi reţinută de stratul de sol accesibil rădăcinilor; - o parte provenind din umezeala acumulată în sol din iarnă. Această a doua cantitate reprezintă rezerva utilă (RU). Ea reprezintă cantitatea de apă conţinută în stratul de sol explorat de rădăcini, deci care poate fi furnizată plantei, între punctul de uscare şi punctul de ofilire permanentă. Dar, pe măsură ce umezeala se apropie de punctul de ofilire, planta extrage din ce în ce mai greu apa din sol, motiv pentru care s-a introdus noţiunea de rezervă uşor utilizabil ă (RUU); RUU reprezintă cantitatea de apă egală cu 1/2 sau 2/3 din RU, fie 1/4 ... 1/3 din umezeala echivalentă. RU şi RUU sunt cu atât mai ridicate: - cu cât solul are o textură fină şi un conţinut satisfăcător de humus; - cu cât solul este mai profund şi cu cât culturile au o înrădăcinare mai adâncă; - cu cât precipitaţiile din sezonul rece au fost mai abundente şi mai bine reţinute. RUU (în mm) se calculează uşor cu formula empirică:

RUU = 3 x Da x Ue x H unde: Da = densitatea aparentă a solului, Ue = umezeala echivalentă în % raportată la sol uscat, H = adâncimea stratului de pământ parcursă de rădăcini, în metri. Deficitul de apă. Deficitul pluviometric (Dp), pe o perioadă de o decadă, o lună, sau mai multe luni, reprezintă diferenţa între evaporaţia potenţială (ETp) şi cantitatea de apă provenită din precipitaţii (P):

Dp = ETp - P Pentru soluri încă puţin acoperite de vegetaţie şi uscate la suprafaţă, Dp se poate calcula plecând de la ETr:

Dp = ETr - P Dar, o parte din apa din sol, RUU, poate fi utilizată pentru a acoperi acest deficit, fără să mai fie nevoie de irigare. Pentru a ţine seama de acest fapt s-a introdus noţiunea de deficit agricol (Da), definit prin relaţia:

Da = ETp (sau ETr) - P - a · RUU Coeficientul a, cu valori între 0 şi 1, indică fracţiunea din RUU absorbită, care nu se doreşte să fie reconstituită. Dacă irigaţiile nu constituie o problemă, nici tehnică, nici financiară, se ia k=0, exprimând astfel faptul că se doreşte reconstituirea completă prin irigare a rezervei uşor utilizabile.

86

Teste de autoevaluare (8) 1. Prin comparaţie cu aerul uscat la 20 °C, aerul umed tot la 20 °C este:

A. A: mai dens; B. B: mai puţin dens; C. C: la fel de dens; D. D: fie mai dens, fie mai puţin dens, funcţie de alţi factori.

2. Sub un nor nimbostratus se observă următoarele:

A. A: grindină, ploaie torenţială şi/sau vânturi puternice; B. B: cer acoperit, întunecat, fără ploaie; C. C: nori, din care cad precipitaţii, acoperă parţial cerul; D. D: cer acoperit, întunecat şi precipitaţii.

3. Umiditatea relativă a aerului care se răceşte variază astfel:

A: mai întâi scade apoi creşte lent; B: scade; C: rămâne neschimbată atâta timp cât viteza vântului este mare; D: se modifică într-un sens care depinde de nivelul intensităţii contraradiaţiei atmosferei, care este presupus constant. 4. Aerul saturat în vapori de apă la 30 °C, comparat cu aerul saturat la 15 °C: A: conţine jumătate din vaporii de apă pe care îi conţine celălalt; B: conţine o cantitate mai mică de vapori de apă; C: conţine aceeaşi cantitate de vapori de apă; D: conţine o cantitate mai mare de vapori de apă 5. Care este factorul de care depinde tensiunea de vapori la saturaţie? A: presiunea atmosferică; B: temperatura aerului; C: viteza vântului; D: coeficientul de transparenţa al atmosferei. 6. Punctul de rouă este: A: locul geografical unde se produce mai întâi, seara, roua; B: nivelul la care aerul devine saturat la răcirea prin mişcare ascensională; C: temperatura la care aerul devine saturat la răcirea prin mişcare ascensională; D: temperatura la care aerul devine saturat când se răceşte local.

Lucrare de verificare (8) 1. Umiditatea aerului; mărimi care caracterizeazăumiditatea aerului. 2. Precipitaţii atmosferice: definiţie, unitatea de măsură pentru cantitatea de precipitaţii, măsurarea CDP în SM, clasificări, tipuri principale. 3. Ce este evaporarea, evapotranspiraţia, evapotranspiraţia potenţială?

4. Pe o vreme cu cer senin, care sunt urmările (efectele) creşterii cantităţii de vapori de apă din atmosferă (fără a fi atinsă valoarea de saturaţie, adică nu se produce ceaţă, nu se formează nori)?

5. Atunci când se formează un nor se eliberează căldură în atmosferă. Explicaţi de ce!

87

6. Intr-o zi, la o temperatură a aerului de +30ºC, s-a măsurat o umiditate relativă a aerului de 30%, iar în altă zi, la o temperatură a aerului de –10ºC, s-a măsurat o umiditate relativă tot de 30%. Ce puteţi afirma despre umiditatea absolută a aerului în cele două situaţii? Motivaţi!

7. După un front de ploi s-a inregistrat o cantitate de precipitaţii de mm. Câţi metri cubi pe hectar reprezintă această cantitate?

8. Primăvara când, după amiaza târziu, temperatura aerului scade vizibil către 0ºC, dar punctul de rouă se mentine pozitiv (>0ºC), probabilitatea producerii îngheţului nocturn este foarte mică sau nulă. Cum vă explicaţi acest fapt? (Punctul de rouă reprezintă temperatura la care trebuie răcit aerul pentru ca vaporii de apă pe care îi conţine să condenseze). 9. Intr-un depozit de produse agricole (fructe, cartofi,...) umezeala absolutăa aerului este aprox. constantă, ziua şi noapte, egalăcu 0,1 kg vapori de apă pe m3 de aer. Datorită livrărilor zilnice foarte frecvente, iarna în timpul zilei temperatura aerului în depozit scade destul de mult, iar noaptea, nefiind activitate, creşte la fel de mult. Ce se întâmplă cu umiditatea relativăa aerului? 10. Ce se poate spune despre evaporarea în condiţii de laborator analizând formula lui Dalton? REZUMAT Prin umiditatea (umezeala) aerului se înţelege conţinutul aerului în vapori de apă. Umiditatea aerului se poate caracteriza cu ajutorul mai multor mărimi. Pentru măsurarea umidităţii cel mai comod şi mai ieftin aparat este termohigrograful care, pe jumătatea superioară a diagramei înregistrează variaţia continuă a umidităţii relative a aerului. Pentru condensarea vaporilor de apă este necesar să fie îndeplinite două condiţii: scăderea temperaturii aerului până la, cel puţin, temperatura punctului de rouă şi prezenţa în aer a nucleelor de condensare. Acumularea produselor primare de condensare pe suprafaţa terestră duce la producerea fenomenelor de rouă, brumă, chiciură sau depuneri lichide şi solide. Acumularea picăturilor de apă şi a microcristalelor de gheaţă, rezultate din condensarea şi depunerea vaporilor de apă, în stratul de aer din imediata apropiere a suprafeţei terestre sau a unei suprafeţe acvatice micşorează transparenţa aerului şi vizibilitatea. Atunci când condensarea vaporilor de apă se produce la înălţime, în atmosfera liberă, acumularea produselor primare de condensare duce la formarea norilor. Clasificarea norilor. Totalitatea particulelor de apă, lichidă sau solidă, care cad din nori izolaţi sau din sisteme noroase şi ating suprafaţa terestră formează precipitaţiile. Cantitatea de precipitaţii se măsoară în mm. 1 mm cantitate de precipitaţii este echivalent cu 1 l/m2. Măsurarea cantităţii de precipitaţii şi clasificarea precipitaţiilor. Apa evaporată într-un timp dat, poate fi exprimată în grame, sau prin grosimea în milimetri a stratului de apă evaporată. Cantitatea totală de apă evaporată, în condiţii naturale, prin transpiraţia plantei şi prin evaporare de către sol, constituie evapotranspiraţia. Evapotranspiraţia se exprimă în mm înălţime de apă în unitate de timp. Cantitatea de apă cedată atmosferei, teoretic, prin transpiraţia plantei şi prin evaporare din sol, de către o cultură vegetală abundentă, în plină creştere, care acoperă total un sol bine aprovizionat cu apă, reprezintă evaporaţia potenţială

88

Se numeşte evaporaţie maximă(ETmax) sau reală-maximă(ETrmax) cantitatea de apă evaporată de ansamblul sol-cultură într-o anumită fază de vegetaţie Deficitul pluviometric, pe o perioadă de o decadă, o lună, sau mai multe luni, reprezintă diferenţa între evaporaţia potenţială şi cantitatea de apă provenită din precipitaţii. Alte notiuni rezerva utilă, rezervă uşor utilizabilă.

89

Unitatea de învăţare 9. CLIMA ROMANIEI

CUPRINS (U.I.9) Pag. Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.9) 89

Instrucţiuni (U.I.9) 89

9.1. Vremea şi mersul vremii. 90

9.1.1. Mase de aer. 90

9.1.1.1. Clasificarea maselor de aer. 90

9.1.1.2. Tipuri geografice de mase de aer. 91

9.1.2. Fronturi atmosferice. 91

9.1.2.1. Introducere şi clasificări. 91

9.1.2.2. Frontul cald. 92

9.1.2.3. Frontul rece. 93

9.1.2.4. Fronturile ocluse. 94

9.2. Clima Europei. 94

9.3. Circulaţia generală a atmosferei în România. 96

9.3.1. Circulaţia vestică. 97

9.3.2. Circulaţia polară. 97

9.3.3. Circulaţia tropicală. 97

9.3.4. Circulaţia de blocare. 97

9.3.5. Unităţi agroclimatice. 98

9.3.6. Unităţi fenologice. 100

Teste de autoevaluare (1) 100

Lucrări de verificare (1) 101

Rezumat (U.I.9) 101

Bibliografie (U.I.9)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.9) Obiectivul acestei unitati de invatare este insusirea unor notiuni principale de climatologie necesarea pentru intelegerea descrierii climei tarii noastre. Sunt definite, descrise si clasificate tipurile principale de mase de aer si de fronturi atmosferice ( fronturi termice). Pe baza acestor notiuni este descrisa clima Europei si clima Romaniei. Unitatea de invatare se incheie cu descrierea unitatilor agroclimatice si fenologice din tara noastra. Dupa studiul acestei unitaţi de învăţare, studentul va avea competenţe să identifice tipurile de mase de aer si de fronturi termice si sa poata recunoaste si descrie mersul vremii si astfel sa poata face prognoze locale de scurta durata. Instrucţiuni (U.I.9) Aceasta unitate de învăţare cuprinde descrierea maselor de aer si a fronturilor termice principale, notiuni care, impreuna cu sistemele barice descrise in U.I.6 ar trebui sa fie suficiente pentru ca studentul sa poata intelege clima tarii noastre pe baza circulatiei maselor de aer determinata de centrii barici ai atmosferei. Evident, si clima, si zonarile unitatilor agroclimatice sau ale celor fenologice sunt in continua evolutie sub actiunea factorilor astronomici, geografici si, nu in ultimul rand, antropici. Timp estimativ de studiu este de 4 ore. La sfârşitul U.I.9 se afla un set de întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi teme pentru autoevaluare.

90

9.1. VREMEA SI MERSUL VREMII

Vremea şi mersul vremii sunt determinate de însuşirile maselor de aer şi de deplasarea acestora. 9.1.1. Mase de aer Masa de aer (MA) este un volum (o porţiune) extrem de mare din troposferă, cu o extindere orizontală comparabilă cu părţi mari ale continentelor şi oceanelor, caracterizat prin aproximativ aceleaşi valori ale elementelor meteorologice principale (temperatura, umezeala, gradul de trensparenţă) şi printr-o variaţie cvasiuniformă a acestora pe verticală. Caracteristicile meteorologice principale ale unei MA sunt dobândite în timpul formării sale, în contact, timp mai îndelungat, cu o suprafaţă activă omogenă (uscat, ocean). MA stagnează un timp mai îndelungat deasupra unor regiuni sau se deplasează şi se poate dezvolta orizontal pe distanţe de la câteva sute până la câteva mii de km; grosimea sa poate fi de la câţiva km până chiar la limita superioară a troposferei. Orice anticiclon mai extins, care staţionează timp mai îndelungat deasupra unei regiuni oarecare, poate favoriza dezvoltarea unei mase de aer, dar acestea mai pot lua naştere şi în cadrul minimelor barometrice persistente. Formaţiunile barometrice mari, cu caracter staţionar, în care se dezvoltă şi din care pornesc masele de aer spre diferite regiuni, se numesc centri de acţiune ai atmosferei (Anticiclonul siberian, Anticiclonul canadian de iarnă, Anticiclonul Azorelor, Minima islandică ş.a.) Masele de aer, cu caracteristicile dobândite în contact cu suprafaţa terestră activă din regiunea în care s-au format, aflate în deplasare vor influenţa caracteristicile vremii din regiunile deasupra cărora se deplasează. In interiorul aceleiaşi mase de aer instalate deasupra unei regiuni vremea este relativ uniformă. 9.1.1.1. Clasificarea maselor de aer După criteriul termic: mase de aer calde şi reci. O masă de aer caldă provine de la latitudini inferioare, se deplasează spre latitudini superioare şi ajunge în regiuni mai reci; ea determină încălzirea vremii. O mase de aer rece provine de la latitudini superioare şi pătrunde în regiuni mai calde, situate la latitudini mai joase; ea determină răcirea vremii. După natura suprafeţei terestre active deasupra căreia s-au format, deci după gradul lor de umezeală şi de impurificare, indiferent de latitudinea de origine şi de caracteristicile lor termice, masele de aer pot fi maritime şi continentale. După însuşirile lor termodinamice masele de aer se pot împărţi în stabile şi instabile. O masă de aer cald, ajunsă într-o regiune rece, în contact cu suprafaţa terestră, se răceşte de jos în sus. MA capătă o stratificaţie stabilă ceea ce nu favorizează dezvoltarea curenţilor de convecţie. In starturile inferioare răcite se produc condensări sub formă de ceaţă sau nori stratiformi care dau cel mult burnişe sau fulguieli slabe. Vremea este acoperită şi umedă. MA rece, în deplasare deasupra unei regiuni mai calde, se încălzeşte de jos şi startificaţia devine instabilă, instabilitate mult accentuată de umiditate în cazul maselor de aer maritime. Stratificaţia instabilă favorizează mişcarea convectivă, formarea norilor Cumulus şi Cumulonimbus, precipitaţiile sub formă de aversă şi manifestările electrice.

91

In timpul deplasării dintr-o regiune geografică într-alta, masele de aer suferă o continuă transformare, schimbându-şi însuşirile lor fizice originale în contact cu noile suprafeţe active peste care ajung şi prin acţiunile reciproce cu alte mase de aer. Procesele de transformare a maselor de aer sunt foarte obişnuite; în orice moment, proprietăţile unei mase de aer – deci şi caracteristicile vremii pe care le determină în timpul deplasării – depind de sensul şi de gradul ei de transformare. 9.1.1.2. Tipuri geografice principale de mase de aer In Europa, inclusiv în România, masele de aer cele mai frecvente sunt: aerul arctic, aerul polar şi aerul tropical. Aerul arctic (A) (continental arctic, maritim arctic) se formează în bazinul Oceanului Ingheţat de Nord; este cea mai rece masă de aer întâlnită în emisfera nordică şi este caracterizată prin temperaturi joase pe toată grosimea ei. Majoritatea “valurilor de ger” din timpul iernii din Europa, Asia şi America de Nord sunt consecinţa invaziilor acestei mase de aer. Aerul polar (P) (continental polar, maritim polar), sau temperat, se formează la latitudini mijlocii fie prin încălzirea aerului arctic, fie prin răcirea aerului tropical. Masele de aer polare au o mare capacitate de transformare şi sunt caracteristice, în special, zonei temperate. Aerul tropical (T) (continental tropical, maritim tropical) se formează în regiunile dominate de anticiclonii subtropicali pe Oceanul Atlantic şi pe continente. Este caracterizat prin temperaturi ridicate şi stabilitate mare. Aerul ecuatorial (E) este singurul tip de masă de aer care nu ajunge în zona temperată. 9.1.2. Fronturile atmosferice 9.1.2.1. Introducere si clasificari Schimbările neperiodice ale vremii pot fi determinate de intrarea în contact a două sau mai multe mase de aer cu proprietăţi diferite. Zona de tranziţie sau de separaţie dintre două sau mai multe mase de aer este denumită convenţional suprafaţă frontală sau front atmosferic. Fenomenele meteorologice care au loc în aceste fronturi se numesc fenomene frontale. Frontul atmosferic reprezintă un strat de tranziţie îngust – de ordinul sutelor de metri – ce poate fi redus doar în mod convenţional la o simplă suprafaţă. Intersecţia suprafeţei frontale cu suprafaţa orizontală terestră reprezintă linia frontului, sau, simplu, frontul.

Pentru un front este caracteristic faptul că, la trecerea dintr-o masă de aer într-alta, principalele elemente şi procese meteorologice se schimbă aproape brusc, cu consecinţe directe asupra mersului vremii.

92

Procesul de formare a fronturilor atmosferice se numeşte frontogeneză. Fronturile atmosferice principale sunt acelea care separă principalele tipuri geografice de mase de aer şi poartă numele uneia dintre masele separate. Se deosebesc

� frontul tropical (între aerul ecuatorial şi cel tropical), � frontul polar (între aerul tropical şi polar), � frontul arctic (sau antarctic) (între aerul polar şi arctic –sau antarctic).

Fronturile principale sunt formaţiuni instabile atât în timp cât şi în spaţiu; ele apar şi dispar odată cu transformările suferite de câmpul baric şi de curenţii de aer. După direcţia de deplasare a fronturilor se disting:

� fronturi calde, care se deplasează spre masa de aer rece şi � fronturi reci, care se deplasează spre masa de aer cald.

Ambele tipuri sunt fronturi simple deoarece separă două mase de aer; se pot forma şi fronturi complexe care separă trei sau mai multe mase de aer (fronturile ocluse sau mixte, de tip cald sau rece). După modul cum circulă aerul în zona frontului se deosebesc

� anafronturi, când aerul cald execută o mişcare de alunecare ascendentă pe deasupra suprafeţei frontale şi

� catafronturi, când aerul cald alunecă descendent pe suprafaţa frontală.

In general, fronturile se deplasează împreună cu masele de aer pe care le separă, în special paralel cu izobarele. 9.1.2.2. Frontul cald se formează atunci când o masă de aer rece staţionară este înlocuită cu o masă de aer cald; masa de aer cald (mai puţin dens) alunecă ascendent pe suprafaţa frontală (anafront), se răceşte astfel adiabatic cauzând condensarea vaporilor de apă. Ia naştere un sistem noros frontal caracteristic, de mare extensie, din care, în mod obişnuit, cad precipitaţii. Norii sistemului noros al frontului cald sunt de tip stratiform: partea anterioară este formată din nori cirrus izolaţi (Ci uncinus) urmaţi, mai jos, de cirrostratus, apoi la o altitudine mai mică de nori altostratus şi apoi nimbostratus. Din norii nimbostratus cad precipitaţii continue importante cantitativ. Lăţimea transversală a sistemului noros poate atinge 900-1000 km. Iarna, precipitaţiile cad sub formă de zăpadă sau de ploaie suprarăcită (care poate forma polei la sol). Caracterul precipitaţiilor este liniştit, continuu, de durată, cu variaţii slabe de intensitate şi importante cantitativ. Totuşi sunt cazuri când frontul cald nu dă precipitaţii la sol. La trecerea frontului cald peste o regiune oarecare, apariţia norilor cirrus prevesteşte apropierea frontului; după ei, cerul se acoperă treptat cu un strat continuu de nori cirrostratus, urmaţi de nori altostratus şi nimbostratus, din care cad apoi precipitaţii. In tot acest timp, presiunea scade lent şi uniform, scăderea maximă coincide cu zona precipitaţiilor. După trecerea liniei frontului presiunea scade mai puţin sau devine staţionară. Vântul are viteză redusă iar direcţia se roteşte treptat spre stânga, iar după trecerea liniei frontului se roteşte brusc spre dreapta şi slăbeşte în intensitate. In

93

paralel, temperatura înregistrează o creştere progresivă, mai ales iarna; în dreptul zonei de precipitaţii se produce însă o scădere a temperaturii, care revine după trecerea liniei frontului. După trecerea frontului, precipitaţiile încetează, cerul se înseninează, iar temperatura aerului rămâne ridicată. Caractersitica generală a fenomenelor meteorologice la trecerea unui front cald o constituie precipitaţiile lini ştite şi vânturile de slabă intensitate la sol; durata precipitaţiilor este, în medie, de 12-16 ore.

Frontul cald si frontul rece de ordinul I 9.1.2.3. Frontul rece se dezvoltă atunci când o masă de aer rece, care înaintează, înlocuieşte – mai mult sau mai puţin brusc – o masă de aer cald. Masa de aer rece fiind mai densă pătrunde rapid sub masa de aer cald, în formă de pană ascuţită, forţând aerul cald să se înalţe. Această pătrundere violentă a aerului este asemănată cu un “val de aer rece”. Frontul capătă un caracter de anafront numai în partea lui anterioară, în vreme ce în partea sa superioară poate avea şi caracter de catafront. Fenomenele meteorologice caracteristice frontului rece apar pe o zonă relativ îngustă, limitată la imediata vecinătate a liniei frontului. Fronturile reci care se deplasează cu o viteză mai mică prezintă, pe toată lăţimea, caracteristica unui anafront; ele se numesc fronturi reci de ordinul I. In cazul acestui front, pana de aer rece pătrunde din flanc sub aerul cald, care se deplasează aproape paralel cu linia frontului; aceasta din urmă intersectează izobarele sub un unghi ascuţit. Pe partea anterioară, abruptă a penei de aer rece, aerul cald este ridicat pe verticală într-o mişcare convectivă forţată.

94

Răcirea adiabatică puternică determină condensarea intensă a vaporilor şi formarea norilor cumulonimbus, din care cad precipitaţii sub formă de averse ce se declanşează chiar în faţa liniei frontului. După linia frontului, aerul cald este antrenat într-o mişcare de alunecare ascendentă mai lentă; sistemul noros devine stratiform şi se etalează urmărind înclinarea suprafeţei frontale. Iau naştere formaţiuni de nori nimbostratus şi altostratus de care se leagă o zonă de precipitaţii continue şi generalizate cu caracter mai liniştit. Sistemul noros este încheiat uneori de nori cirrostratus. Se constată că sistemul noros al frontului rece de ordinul I, exceptând norii cumulonimbus din partea lui anterioară, prezintă asemănări cu frontul cald; deosebirea constă numai în succesiunea inversă a tipurilor de nori şi situarea zonei de precipitaţii în spatele liniei frontului. Zona de precipitaţii este mai îngustă decât cea a frontului cald, 100-150 km, rareori 250-300 km. 9.1.2.4. Fronturile ocluse (separă mai mult de două mase de aer) se caracterizează printr-o structură complexă, care rezultă din contopirea unui front rece cu un front cald: atunci când un front rece – cu viteză de deplasare mai mare – ajunge din urmă un front cald, masa de aer cald, situată între acesta şi masa de aer rece din faţă, este determinată să se ridice de la sol. Acest proces se numeşte ocluzie. Pana de aer rece din spatele frontului rece face joncţiunea cu pana de aer rece aflată înaintea frontului cald. In acelaşi timp se contopesc şi sistemele noroase ale celor două fronturi: norii stratiformi şi precipitaţiile lini ştite ale frontului cald fuzionează cu norii convectivi şi aversle frontului rece.

Fronturi ocluse Lanţurile muntoase exercită o acţiune perturbatoare asupra fronturilor atmosferice în deplasare, deformându-le atât pe verticală, cât şi pe orizontală. 9.2. CLIMA EUROPEI Clima Europei este determinată de aşezarea sa, în cea mai mare parte, în zona temperată. Datorită întinderii Europei în latitudine şi a creşterii spre nord a oblicităţii razelor solare, cantitatea de caldură primită scade de la sud spre nord. Scăderea este atenuată de mărirea către poli a duratei zilei, precum şi de căldura transportată de curentul cald Gulf-Stream-ul. Alt factor de geneză al climei Europei îl constituie circulaţia atmosferică deasupra acestui continent. Europa se află sub influenta a trei centri de acţiune ai atmosferei:

� anticiclonul Azorelor, cu presiunea de 1021 mb � minima Islandei (ciclonul islandez) cu presiunea de 997 mb, � anticiclonului asiatic sau siberian, marea maxima barometrica de iarna, cu

centrul in Podisul Mongoliei - presiunea medie 1035 mb.

95

Al ţi factori de influenţa sunt Oceanul Atlantic, Marea Mediterană şi relieful acestui continent (Fig. 88)

Principalii centri de acţiune ai Europei în luna ianuarie

Zona temperată se caracterizează printr-o activitate ciclonică foarte intensă, ce se dezvoltă de-a lungul frontului polar arctic (a se vedea formarea ciclonilor din zona latitudinilor mijlocii), care determină marea variabilitate a vremii în cursul anului. Aceste fronturi se formează la întâlnirea maselor reci de aer arctic, cu cele de aer polar maritim mai calde, de deasupra Atlanticului, precum şi la întâlnirea aerului tropical cu cel polar. Deplasarea de la vest către est a ciclonilor provoacă intensificarea precipitaţiilor pe versanţii vestici, însă frecvenţa ciclonilor scade treptat către est. Această influenţă se resimte în special în Europa de Vest. Partea estică a Europei, mai ales in perioada rece a anului, se află sub dominaţia anticiclonului siberian, care determină formarea vânturilor reci şi uscate de nord-est. In Europa sudică, trecerea ciclonilor este mai frecventă iarna, când se înregistreaza şi maximul de precipitaţii. In cursul verii în această zonă predomină aerul tropical. Din aceasta cauză, conditiile climatice din timpul verii sunt apropiate de cele ale zonelor subtropicale, iar in cursul iernii, din cauza trecerii ciclonilor, condiţiile climatice corespund cu cele ale zonei temperate. Sub efectul încălzirii suprafeţei subadicente, sistemele barice care influenţează clima Europei se deplaseaza către nord în timpul verii şi spre sud, iarna. Aceste particularităţi condiţionează variaţiile temperaturii şi umidităţii aerului, precipitaţiile atmosferice, etc. Regimul temperaturii aerului, în special în anotimpul de iarnă, este puternic influenţat de vânturile de vest, care transportă mase de aer mai calde de deasupra Atlanticului (în special datorate Gulf-Stream-ului). Din aceasta cauză, direcţia izotermelor se aseamănă în această perioadă cu cea a meridianelor. Izoterma de 0oC a lunii ianuarie împarte continentul, din punct de vedere termic, în două regiuni: o parte, Europa de vest şi de sud, cu un climat mai cald, de nuanţă maritimă, în special iarna iar pe de altă parte, Europa de est şi de nord, cu o clima temperată continentală cu ierni friguroase. Aceasta izotermă, împreună cu cea de 100C a lunii ianuarie, care trece prin sudul peninsululei Iberice, Italice şi Balcanice, delimiteză regiunile calde ale Europei.

96

In timpul verii, Europa este mărginită la nord de izoterma de 100C a lunii iulie, care desparte regiunea de tundră de cea a pădurilor de conifere. Regimul precipitaţiilor este, de asemenea, condiţionat de circulaţia maselor de aer şi de relieful Europei. Ca efect al circulaţiei vestice, care deplasează mase de aer umed, cantităţile maxime de precipitaţii cad pe ţărmurile apusene ale Europei şi pe pantele vestice ale munţilor (aproximativ 1000-2000 mm pe an). Cele minime (în jur de 500 mm) se înregistrează în câmpiile din estul Europei, regiunile interioare ale Suediei şi Finlandei. Precipitaţiile de iarnă scad treptat de la vest către est, din cauza slăbirii activitaţii ciclonice şi a dezvoltării anticiclonilor în aceeaşi direcţie. Din punct de vedere al condiţiilor climatice determinate de caracterul circulaţiei generale a atmosferei, Europa poate fi împărţită în patru regiuni climatice: 1. Europa nordică (Islanda, Peninsula Scandinavică, Finlanda, precum şi nordul european al Rusiei) se află în cea mai mare parte sub influenţa aerului polar maritim de deasupra Oceanului Atlantic şi a frecventelor pătrunderi de aer arctic. In general, clima acestei regiuni este umedă şi relativ blandă în partea vestică, datorita influenţei curentului cald al Gulf-Stream-ului şi ceva mai aspră în est. Cu alte cuvinte, o clima maritimă (umedă şi cu variaţii de temperatură modeste). 2. Europa Vestică (Franţa, Belgia, Olanda, Danemarca, Anglia şi partea de sud a Norvegiei) se caracterizează printr-o climă mai dulce, cu iarna caldă (peste 00C) şi vara răcoroasă (între 15-180C). In cadrul acestei regiuni climatice este caracteristică variaţia anuală uniformă, atât a temperaturiii cât şi a precipitaţiilor. Este o clima continentală (uscată şi cu variaţii anuale de temperatură mari). 3. Europa Centrală. Intre regiunea de vest şi cea de est se formează un climat de tranziţie, în Europa centrală, în care verile sunt mai călduroase decât în clima temperată maritimă din vest, iar iernile sunt ceva mai calde decat în clima temperată continentală din est. Cu alte cuvinte, o clima intermediară între maritimă şi continentală. 4. Europa sudică aparţine din punct de vedere climatic zonei subtropicale. Ea este limitată la nord de lanturile muntoase ale munţilor Pirinei, Alpi şi Balcani, care opresc invaziile de aer rece din nord. In cursul verii, regiunea mediteraneană este expusă influenţei aerului tropical, astfel că perioadele de timp cald, senin şi uscat sunt destul de lungi, iar nebulozitatea foarte redusă. Acesta este clima mediteraneeana. După clasificarea Köppen cea mai mare parte a Europei are climatele Cfb, Csb sau Csa. Excepţii sunt climatele Dfc şi Dfb care apar în Scandinavia, estul Rusiei şi bineînţeles România.

9.3. CIRCULATIA GENERALA A ATMOSFEREI IN ROMANIA .

Patru forme principale ale circulaţiei aerului în stratele inferioare ale atmosferei au implicaţii directe asupra vremii şi climei româniei (n. Topor, c. Stoica, 1965):

� circulaţia vestică,

� circulaţia polară,

� circulaţia tropicală si

� circulaţia de blocare.

97

�

9.3.1. Circulaţia vestică are o frecvenţă de 45% din totalul cazurilor şi reprezintă elementul preponderent în transformările atmosferice care au loc deasupra continentului. Aceasta are o mare persistenţă, atât în perioada caldă, cât şi în cea rece a anului şi poate dura mai multe zile în şir. Ea are loc în condiţiile existenţei unui câmp de mare presiune atmosferică deasupra părţii de sud a continentului şi a unei zone depresionare în regiunile nordice. Pentru teritoriul României, circulaţia vestică determină ierni blânde, în cursul cărora predomină precipitaţii sub formă de ploaie, iar vara, determină o mare variabilitate în aspectul vremii şi un grad accentuat de instabilitate, mai ales în regiunile nordice ale ţării.

9.3.2. Circulaţia polară reprezintă 30% din cazuri, fiind generată, de obicei, de dezvoltarea şi extinderea către Islanda a anticiclonului Azorelor. Deplasările maselor de aer şi ale perturbaţiilor atmosferice sunt orientate, în general, dinspre nord-vest spre sud-est. Această circulaţie antrenează, spre Europa centrală şi de sud-est, mase de aer de origine oceanică, de la latitudinile polare, care determină scăderea temperaturii, creşterea nebulozităţii şi căderea precipitaţiilor, mai ales sub formă de averse. Uneori pot să apară cazuri în care dorsala acestui anticiclon se uneşte cu anticiclonul situat în mările polare nordice, sau cu cel staţionat deasupra platourilor înalte ale Groenlandei sau deasupra peninsulei scandinave, ceea ce face ca peste Europa centrală să pătrundă, dinspre nord, din bazinul polar, mase de aer care pot produce o scădere pronunţată a temperaturii. Pentru România, acest tip de circulaţie provoacă răcirile de primăvară-vară şi toamnă (Milea ş.a., 1971), iar iarna, temperaturi foarte coborâte (îndeosebi în depresiunile intracarpatice) şi, uneori, căderi abundente de zăpadă, însoţite de viteze foarte mari ale vântului (100-150 km/h) care viscoleşte zăpada. 9.3.3. Circulaţia tropicală reprezintă 15% din cazuri. Aceasta se manifestă fie pe direcţia sud-vest, când aerul tropical trece pe deasupra mării mediterane, aducând o cantitate mare de vapori de apă, fie pe direcţia sud-est, când trece peste Asia Mică, ajungând deasupra României sub forma unui aer mai cald sau fierbinte, sărac în precipitaţii. În perioada rece a anului, transportul aerului cald din nordul Africii peste mediterana determină apariţia în ţară a iernilor blânde şi, de cele mai multe ori, contribuie la căderea unor mari cantităţi de precipitaţii. Vara, transportul unor mase de aer fierbinte din sud-est determină vreme frumoasă şi deosebit de călduroasă şi secetoasă, iar cel de aer maritim tropical din sud-vest, vreme instabilă, cu averse şi descărcări electrice.

9.3.4. Circulaţia de blocare are loc când deasupra continentului european se instalează un regim de presiune ridicată care deviază perturbaţiile ciclonice care apar în oceanul atlantic către nordul şi nord-estul europei, blocând direcţia de deplasare spre partea centrală şi spre sud-est a acesteia. În aceste situaţii în regiunile centrale şi de sud-est ale continentului vremea este frumoasă, cu cer mai mult senin, călduroasă şi secetoasă, vara închisă şi umedă, dar cu precipitaţii neinsemnate, iarna.

98

Fiecare dintre aceste patru tipuri principale ale circulaţiei aerului are, la rândul său, mai multe variante, în funcţie de poziţia şi de intensitatea principalelor sisteme barice (cicloni şi anticicloni), care le generează şi le influenţează permanent. Printre acestea menţionăm: anticiclonul azoric, ciclonul islandez, anticiclonul ruso-siberian, ciclonii mediteraneeni, cu frecvenţă mai mare, şi anticiclonul groenlandez, anticiclonul scandinav, anticiclonul nord-african şi ciclonul arab, cu frecvenţă mai mică. Influenţă importantă asupra României au numai câţiva dintre aceştia: anticiclonul azoric, ciclonul islandez, anticiclonul siberian (ruso-siberian sau asiatic) şi ciclonii mediteraneeni.

9.3.5. Unitati agroclimatice.

Plecând de la cerinţele plantelor de cultură faţă de condiţiile climatice s-a efectuat, la nivelul ţării, o delimitare a unor zone relativ omogene din punct de vedere agroproductiv.

� Câmpia Banato-Crişană, caracterizată prin: - contraste termice şi pluviometrice mai puţin pronunţate; - regim termic şi de umezeală mai uniform repartizate în timp şi în spaţiu. Potenţialul termic este relativ ridicat atât iarna (temperatura medie în ianuarie este puţin mai mică de -2°C în vest şi puţin mai mare în est), cât şi vara (suma temperaturilor medii zilnice mai mari de 10°C este de peste 3500°C în sud şi de peste 3500 °C în nord). Trecerea de la iarnă la vară şi invers se face lent, primăverile fiind mai timpurii, iar iarna de scurtă durată. Resursele agroclimatice sunt dintre cele mai prielnice pentru marea majoritate a culturilor. � Câmpia Română şi Podişul Dobrogei. Aceste regiuni sunt caracterizate prin: - contraste termice pronunţate între vară şi iarnă şi între est şi vest; - bilanţ radiativ ridicat ( de peste 126 kcal/cm2), frecvenţă mare a timpului senin şi semisenin, ceea ce determină un potenţial termic sporit (suma temperaturilor medii diurne mai mari de 10°C este de circa 3750 °C în sud şi de 3300°C în nord). Alte caracteristici: precipitaţii sub 500 mm în est şi 500-600 mm în vest, cu mari fluctuaţii în timp; strat de zăpadă depus neuniform, datorită spulberării în est unde şi iarna este mai grea şi mai frecventă; în vest zilele de iarnă cu temperatura mai mare ca 0°C sunt mai numeroase, primăvara este mai timpurie, iar perioada propice vegetaţiei este mai lungă. Din păcate, oscilaţiile mari de temperatură şi de umezeală determină variaţii mari de recoltă de la an la an. Cu toate acestea, potenţialul agricol este aproximativ ridicat şi chiar foarte ridicat în Bărăgan şi Dobrogea, unde clima are caracter arid, fapt ce se explică prin proprietăţile higrofizice superioare ale solurilor. Resursele agroclimatice sunt favorabile pentru porumb, grâu, floarea soarelui, lucernă, tutun şi mai puţin favorabile pentru cartof, fasole, cânepă, in şi alte plante sensibile la uscăciune şi secetă; în condiţii de irigaţii se pot obţine şi două recolte pe an.

� Litoralul Mării Negre, cuprinzând zona aflată la 25-30 km de ţărm, este caracterizat prin contraste termice atenuate între vară şi iarnă, primăveri mai întârziate, toamne prelungite până în decembrie şi perioada de vegetaţie cea mai

99

lungă din ţară. Deşi precipitaţiile sunt puţine (sub 400 mm anual) şi cu foarte mari variaţii neperiodice, umezeala mare (U > 80%) face ca plantele să sufere mai puţin de uscăciune. Această unitate agroclimatică se pretează la aceleaşi culturi ca şi precedenta.

� Dealurile Banatului şi ale Crişanei au un regim termic mai moderat, cu inversiuni de temperatură, iarna, pe văi şi în depresiuni, fapt ce determină temperaturi mai mari pe versanţii superiori; nebulozitatea (peste 5,5 zecimi), umezeala (peste 80%) şi precipitaţiile (700-850 mm). Resursele climatice sunt mai bogate decât cele ale solurilor şi permit culturi de grâu, porumb, secară, orz etc. Datorită solurilor mai puţin fertile, potenţialul agroproductiv scade de la est spre vest.

� Depresiunea Transilvaniei are resurse climatice mai constante în timp, dar repartizate neuniform datorită fragmentării reliefului şi altitudinii. Resursele termice sunt mai bogate în sud-vest unde se acumulează şi efectele de föhn, iar cele de umezeală în est şi nord-est.

Condiţiile agroclimatice cele mai prielnice pentru majoritatea culturilor (grâu de toamnă, orz de toamnă, mazăre, fasole, soia, cânepă, tutun, sfeclă de zahăr) se găsesc pe terenurile plane sau uşor ondulate din câmpia transilvaniei sub 400 m altitudine, gradul de favorabilitate scăzând din sud-vest spre nord-est. Inul şi cânepa găsesc condiţii prielnice în regiunile depresionare periferice.

In general, potenţialul agroproductiv este inferior celui din vest, dar poate fi ridicat prin lucrări agrotehnice alese corespunzător.

� Podişul şi Subcarpaţii Moldovei constituie o unitate cu resurse agroclimatice cu mari variaţii în timp şi spaţiu (climat continental cu influenţe excesive). Invaziile de aer rece, iarna, şi foarte cald, vara, pătrund pe văi, ceea ce determină contraste termice mai pronunţate pe fundul acestora, dar mai reduse pe versanţi. Resursele de umezeală sunt diminuate, iar fenomenele de uscăciune, de secetă şi cele din sezonul rece (îngheţ, brumă, polei etc.) Sunt mai frecvente decât în celelalte regiuni deluroase. Resursele climatice sunt mai puţin favorabile culturilor agricole, cu excepţia câmpiei moldovei, unde cerealele şi floarea soarelui găsesc condiţii la fel de favorabile ca în sud, iar leguminoasele condiţii superioare.

� Podişul Getic, Subcarpaţii Getici, Subcarpaţii de la Curbură reprezintă o unitate cu resurse agroclimatice bogate, favorizate de cantitatea de căldură şi de lumină mai mare şi de adăpostul carpaţilor, fiind ferite de geruri mari, viscole şi vânturi reci. Resursele de precipitaţii bogate (500 - 700 mm/an) şi drenajul defectuos al solurilor de slabă calitate fac ca în lunci şi terase să fie prezent excesul de umezeală.

Regiunile acestea se pretează mai puţin la grâu, porumb, orz, cartofi etc, dar mai mult la pomi fructiferi şi mai ales la cultivarea viţei de vie ( mai ales unde au loc efecte de föhn).

100

9.3.6.Unitati fenologice

Principalele unităţi teritoriale relativ omogene din punct de vedere al momentului de producere a aceleiaşi fenofaze, în ordinea întârzierii acesteia, sunt:

� fenofaze foarte timpurii: câmpia de terase a Dunării, partea de vest a Câmpiei Banatului;

� fenofaze timpurii: jumătatea sudică a Câmpiei Române, sud-vestul Dobrogei, câmpia înaltă Banato-Crişană, culoarul Mureşului în aval de confluenţa cu Arieşul (până la circa 200 m altitudine);

� fenofaze mai puţin timpurii: jumătatea de nord a Câmpiei Române, Dobrogea şi litoralul, Dealurile Banatului şi ale Crişanei (până la 300-500 m altitudine);

� fenofaze normale: podişul getic, câmpia înaltă a Piteştiului, câmpia submontană de la curbură, câmpia Siretului inferior, dealurile Covurluiului, Dealurile Banatului şi Crişanei, dealurile din estul Muntilor Apuseni (300-500 m altitudine);

� fenofaze mai puţin întârziate: subcarpaţii de la curbură, Podişul Central Moldovenesc şi Câmpia Moldovei (300-500 m altitudine);

� fenofaze târzii: subcarpaţii getici, munceii Argeşului, subcarpaţii de curbură (500-800 m altitudine);

� fenofaze foarte târzii: subcarpaţii Moldovei, subcarpaţii Transilvaniei, depresiunea Braşov (500-800 m altitudine).

Teste de autoevaluare (9) 1. După natura suprafeţei terestre active deasupra căreia s-au format, masele de aer pot fi: A. ecuatoriale, subtropicale si tropicale. B. maritime şi continentale. C. muntoase şi deşertice. D. nordice şi sudice. 2. După însuşirile lor termodinamice masele de aer se pot împărţi în: A. calde şi reci. B. uscate şi umede. C. stabile şi instabile. D. izoterme şi adiabatice. 3. O masă de aer cald, ajunsă într-o regiune rece, în contact cu suprafaţa terestră: A. îşi păstrează temperatura neschimbată pentru că aerul este prost conducător de căldură. B. se răceşte de sus în jos. C. se răceşte de jos în sus. D. se încălzeşte datorită frecării puternice cu suprafaţa terestră. 4. Unul dintre fronturile atmosferice de mai jos nu exista in realitate. Care? A. frontul ecuatorial B. rontul tropical C. frontul polar D. frontul arctic E. frontul antarctic

101

5. Caractersitica generală a fenomenelor meteorologice la trecerea unui front cald o constituie: A. precipitaţiile sub forma de averse şi vânturile puternice la sol B. precipitaţiile lini ştite şi vânturile de slabă intensitate la sol C. precipitaţiile sub forma de averse şi vânturile de slabă intensitate la sol D. precipitaţiile lini ştite şi vânturile puternice la sol

Lucrare de verificare (9)

1. Unitati agroclimatice în România.

2. Unitati fenologice în România.

REZUMAT

Vremea şi mersul vremii sunt strâns legate de masele de aer şi de deplasarea acestora. Masa de aer este un volum extrem de mare din troposferă, cu o extindere orizontală comparabilă cu părţi mari ale continentelor şi oceanelor, caracterizat prin aproximativ aceleaşi valori ale elementelor meteorologice principale şi printr-o variaţie aproximativ unifornă a acestora pe verticală. Orice anticiclon sau ciclon mai extins, care staţionează timp mai îndelungat deasupra unei regiuni oarecare, poate favoriza dezvoltarea unei mase de aer. Formaţiunile barometrice mari, cu caracter staţionar, în care se dezvoltă şi din care pornesc masele de aer spre diferite regiuni, se numesc centri de acţiune ai atmosferei. In Europa, inclusiv în România, masele de aer cele mai frecvente sunt: aerul arctic, aerul polar şi aerul tropical. Frontul atmosferic reprezintă un strat de tranziţie îngust – de ordinul sutelor de metri – ce poate fi redus doar în mod convenţional la o simplă suprafaţă. Intersecţia suprafeţei frontale cu suprafaţa orizontală terestră reprezintă linia frontului, sau, simplu, frontul. Fronturile atmosferice principale sunt acelea care separă principalele tipuri geografice de mase de aer şi poartă numele uneia dintre masele separate. In general, fronturile se deplasează împreună cu masele de aer pe care le separă, în special paralel cu izobarele. Frontul cald se formează atunci când o masă de aer rece staţionară este înlocuită cu o masă de aer cald. Frontul rece se dezvoltă atunci când o masă de aer rece, care înaintează, înlocuieşte – mai mult sau mai puţin brusc – o masă de aer cald. Fronturile ocluse (separă mai mult de două mase de aer) se caracterizează printr-o structură complexă, care rezultă din contopirea unui front rece cu un front cald. Europa se află sub influenta a trei centri de acţiune ai atmosferei: anticiclonul Azorelor, minima Islandei (ciclonul islandez), anticiclonului siberian, de iarna, cu centrul in Podisul Mongoliei. Alţi factori de influenţa sunt Oceanul Atlantic, Marea Mediterană şi relieful acestui continent. Europa poate fi împărţită în patru regiuni climatice: - Europa nordică (Islanda, Peninsula Scandinavică, Finlanda, nordul european al Rusiei); - Europa Vestică (Franţa, Belgia, Olanda, Danemarca, Anglia, partea de sud a Norvegiei); - Europa Centrală, între regiunea de vest şi cea de est;

102

- Europa sudică limitată la nord de lanturile muntoase ale munţilor Pirinei, Alpi şi Balcani. După clasificarea Köppen (vezi materialul de pe platforma Moodle) cea mai mare parte a Europei are climatele Cfb, Csb sau Csa. Excepţii sunt climatele Dfc şi Dfb care apar în Scandinavia, estul Rusiei şi România. In România au implicaţii directe asupra vremii şi climei patru forme principale ale circulaţiei aerului în stratele inferioare ale atmosferei (n. Topor, c. Stoica, 1965): circulaţia vestică (frecvenţă de 45% din totalul cazurilor), circulaţia polară (30% din cazuri), circulaţia tropicală (15% din cazuri) şi circulaţia de blocare. Fiecare dintre aceste patru tipuri principale ale circulaţiei aerului are mai multe variante, în funcţie de poziţia şi de intensitatea principalelor sisteme barice (cicloni şi anticicloni), care le generează şi le influenţează permanent.

Unitatile agroclimatice reprezintă o delimitare a unor zone relativ omogene din punct de vedere agroproductiv plecând de la cerinţele plantelor de cultură faţă de condiţiile climatice. Acestea ar fi:

- Câmpia Banato-Crişană,

- Câmpia Română şi Podişul Dobrogei,

- Litoralul Mării Negre,

- Dealurile Banatului şi ale Crişanei,

- Depresiunea Transilvaniei,

- Podişul şi Subcarpaţii Moldovei,

- Podişul Getic,

- Subcarpaţii Getici, Subcarpaţii de la Curbură.

Unităţile fenologice reprezintă altă delimitare în unităţi teritoriale principale relativ omogene din punct de vedere al momentului de producere a aceleiaşi fenofaze. Ele sunt prezentate aici, chiar inaintea testelor de evaluare, în ordinea întârzierii acesteia.

Bibliografie

Administraţia Naţională de Meteorologie, 2008 – Clima României, Edit.. Academiei Române, Bucureşti,.

103

Unitatea de învăţare 10. INFLUENŢA FACTORILOR CLIMATICI ASUPRA CREŞTERII ŞI DEZVOLT ĂRII PLANTELOR

CUPRINS (U.I.10) Pag.

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.10) 103 Instrucţiuni (U.I.10) 103 10.1. Temperatura. 104 10.1.1. Acţiunea temperaturii asupra dezvoltării plantelor. 104 10.1.2. Acţiunea temperaturii asupra creşterrii plantelor. 104 10.2. Lumina. 105 10.2.1. Acţiunea luminii asupra dezvoltării plantelor. Fotoperiodismul. 105 10.2.2. Acţiunea luminii asupra creşterrii plantelor. Fotosinteza. 106 10.3. Apa. 109 10.3.1. Apa şi dezvoltarea plantelor. 109 10.3.2. Apa şi creşterea plantelor. 109 10.3.3. Apa şi calitatea producţiei vegetale. 110 10.4. Vântul 111 10.4.1. Efecte mecanice. 111 10.4.2. Efecte termice. 111 10.4.3. Efecte fiziologice. 111 Teste de autoevaluare (1) 112 Lucrări de verificare (1) 112 Rezumat (U.I.10) 112 Bibliografie (U.I.10)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.10) Această unitate de învăţare descrie modul în care temperatura, radiaţia vizibilă, apa si vântul influenteaza cresterea si dezvoltarea plantelor. Dupa studiul acestei unitaţi de învăţare, studentul va avea competenţe să: - identifice modul in care culturile sale pot sa creasca si sa se dezvolte in zona in care se afla plantatia agricola; - sa poata intocmi planuri operative de interventii tehnologice in concordanta cu evolutiile factorilor climatici; - sa ia masuri agrotehnice pentru a obtine productii si profituri maxime; - sa poata utiliza modul in care un anumit factor climatic influenteaza evolutia plantelor in scopuri productive si pentru a scoate pe piata produse in momentele in care cererea este mare si oferta mica. Instrucţiuni (U.I.10) Aceasta unitate de învăţare cuprinde descrierea cu multe exemple a influentei temperaturii, a luminii, a apei si a vantului asupra cresterii si dezvoltariiunor plante cultivate. Timp estimativ de studiu este de 4 ore. La sfârşitul U.I.10 se afla un set de întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi teme pentru autoevaluare.

104

10.1. TEMPERATURA 10.1.1. Acţiunea temperaturii asupra dezvoltării

a) Termoperiodismul anual reprezintă sensibilitatea plantelor la alternanţa între o perioadă rece şi o perioadă caldă.

Unele specii sunt indiferente, sau puţin sensibile, la această nevoie de frig. Ele sunt numite alternative. Este cazul grâului, al orzului de primavară şi al unor graminee, care înfloresc chiar semănate după trecerea iernii.

Altele, dimpotrivă, au nevoie absolută de frig. Este cazul sfeclei de zahăr şi al altor plante bianuale care nu pot să înflorească în primul an.

Pentru alte specii, în sfârşit, frigul nu produce decât o accelerare a începutului înfloririi. Este cazul majorităţii cerealelor de iarnă.

b) Vernalizarea desemnează orice tratament prin frig, al seminţelor sau al plantelor. Distrugerea frecventăa semănăturilor de cereale, datorită frigului din timpul iernii, a facut ca ruşii să se intereseze de tratamentul prin frig al cerealelor de iarnăpentru a le face să lege rapid în cazul semănăturilor de primavară. Semănate primăvara, cerealele de toamnă necesitau un timp prea îndelungat pentru a lega, ceea ce le expunea la pălire la sfârşitul primăverii sau la începutul verii. Procedeul, numit "iarovizare", constă în umezirea semiţelor, ceea ce antrenează un foarte uşor demaraj al germinării, şi apoi în supunerea, pe o anumită durată, la frig. Normele variază mult după tipul grâului şi, mai ales, după varietăţi. Iarovizarea este o vernalizare.

Alte exemple de vernalizare: forţajul lalelelor şi conservarea în cameră rece a plantelor de căpşuni.

10.1.2. Acţiunea temperaturii asupra creşterii

a) Termoperiodismul zilnic. O plantă supusă la aceeaşi temperatură noaptea şi ziua creşte mai puţin bine decât dacă temperatura nocturnă este mai coborâta decât cea de zi.

b) Temperatura actioneaza asupra vitezei de crestere. Două plante puse în aceleaşi condiţii de umezeală şi de hrană, dar supuse la temperaturi diferite, vor atinge aceeaşi talie şi acelaşi randament, dar cea care va beneficia de o temperatură mai ridicată va atinge această talie mai repede. Temperatura acţionează asupra vitezei de creştere, altfel spus, asupra timpului necesar pentru a realiza această talie.

c) Creşterea se opreşte sub un prag - zero-ul de vegetaţie, şi deasupra unui plafon. Creşterea este slabă sau nulă atâta timp cât temperatura nu atinge un prag numit zero de vegetaţie. Acest prag este în jur de: 0°C - pentru grâu şi alte cereale de toamnnă; 5°C pentru cerealele de primăvară; 6, 9 sau chiar 10°C pentru porumb, 10°C pentru sorg; 14°C pentru bumbac, etc....Deasupra acestui prag, planta creşte cu atât mai repede cu cât temperatura este mai mare, până la un plafon peste care creşterea este stopată de reacţia plantei la excesul de căldură: 25-30°C pentru culturile din zona temperată, cu diferenţe între specii şi soiuri.

d) Suma temperaturilor : măsură a creşterii şi a dezvoltării.

Intre acest prag şi plafon, creşterea este proporţională cu temperatura. Pentru a urmări creşterea şi dezvoltarea culturilor, se adună temperaturile medii diurne mai

105

mari decât zero-ul de vegetaţie, pe o anumită perioadă, rezultatul fiind numit suma temperaturilor pentru perioada respectivă; perioadele de interes pot fi diferitele fenofaze ale culturii sau chiar întreaga perioadă de vegetaţie.

Se pot astfel aprecia: exigenţele totale de căldură ale unei anumite culturi sau ale unei anumite varietăţi; starea de avansare a culturii în curs, în raport cu necesarul său total de căldură.

10.2. LUMINA

10.2.1. Actiunea luminii asupra dezvoltarii: fotoperiodismul

Se numeşte fotoperiodism, sensibilitatea plantelor la duratele variabile ale zilelor şi ale nopţilor. Aceste durate influenţează asupra dezvoltării diverselor organe: dormanţa sau ecloziunea mugurilor, tuberizarea, căderea frunzelor şi, mai ales, înflorirea. Din punctul de vedere al fotoperiodismului, se pot distinge plante de zile scurte, plante de zile lungi si plante indiferente.

a) Plante de zile scurte. Se ştie că plantele de crizantemă nu înfloresc pâna la aprox. 1 noiembrie. Dar, daca se reduce în mod artificial durata zilei la 8 ore începand de la repicarea acestor plante, ele infloresc în iulie, cu o sumă a temperaturilor de patru ori mai mică! Crizantema este deci o planta tipică de zile de scurtă durată, adică a cărei înflorire este indusă de reducerea iluminatului.

b) Plante de zile lungi. Grâul de toamnă este tipul de plantă de zile lungi: înflorirea sa este favorizată de creşterea duratei zilei. Din acest motiv, limita de nord a acestei culturi urcă foarte sus. Intr-adevar, cu cât urcăm către nord, cu atât este disponibilă o cantitate mai mică de caldură, dar cu atât creşte durata zilei, ceea ce accelerează înflorirea şi deci creează posibilitatea de a fi cultivat.

Măslinul este, deasemenea, o plantă de zile relativ lungi. Dar arealul său nord este limitat de cerinţele de căldură. Incercările de cultivare a măslinului mai la sud de regiunea mediteraneană, în zona tropicală, au fost infructuoase: arborele creşte dar produce puţine flori şi fructe, căci cu cât ne apropiem mai mult de ecuator, cu atât durata zilei scade şi devine egală cu cea a nopţii.

Fotoperiodismul explică de ce sunt dificil de cultivat anumite culturi la alte latitudini decât cele de unde sunt ele originare. Porumbul, de ex., plantă de origine tropicală, deci de zile scurte, a trebuit sa sufere o lungă selecţie pentru a putea fi cultivat la latitudini mai mari. Acelaşi efort se face şi pentru soia.

c) Efectul combinat temperatura - durata a zilei. Pentru anumite culturi, cerinţele fotoperiodice se adaugă nevoilor de vernalizare. Este cazul grâului de toamnă care cere pentru a înflori repede mai întâi acţiunea frigului, apoi creşterea duratei zilei, şi, în acelaşi timp, creşterea temperaturii. Influenţa creşterii duratei zilei şi a celei a temperaturii depind de varietate: o varietate precoce de grâu este mai sensibilă decât o varietate tardivă, fie la creşterea duratei zilei, fie la cea a temperaturii.

Aceeaşi cerinţa a succesiunii frig-zile lungi se observă la gramineele furajere:

La graminee, inducţia florală se derulează în doi timpi: inducţia primară, mai ales datorată frigului, fără îndoială şi zilelor scurte; inducţia secundară datorată creşterii lungimii zilelor. Această succesiune explică de ce toţi lăstarii din acelaşi picior de graminee vor urca în acelaşi timp, deşi unii, mult mai tineri, au o durată a inducţiei

106

primare foarte scurtă. Inducţia secundară datorată zilelor lungi asigură gruparea lăstarilor primăvara.

10.2.2. Actiunea luminii asupra creşterii : fotosinteza

10.2.2.1. Influenţa factorilor climatici asupra intensitaţii fotosintezei.

a) Influenţa conjugată a conţinutului de CO2 din aer şi a intensităţii

luminoase.

O mărire a conţinutului de CO2 permite creşterea intensităţii fotosintezei.

Este unul dintre efectele favorabile ale serelor, care menţin la dispoziţia plantelor

dioxidul de carbon emis de sol şi prin respiraţia plantelor. In anumite cazuri

conţinutul de CO2 este mărit în mod artificial.

b) Randamentul fotosintezei. Radiatia solara din domeniul vizibil, singura

susceptibilă de a avea rol în fotosinteză, reprezintă 45%. Aproape 80% din aceste

radiaţii, adică 35% din radiaţia globală ce ajunge la sol, sunt absorbite de către

frunză şi utilizabile pentru fotosinteză.

Cloroplastele absorb aceste radiaţii mai ales în domeniile culorilor albastru şi

roşu.

Fotosinteza cuprinde două faze:

� reacţie de lumină sau fotochimica, a cărei intensitate depinde de energia

luminoasă primită, şi nu de temperatură;

� reacţie de întuneric sau enzimatică, care depinde de intensitatea fazei

fotochimice, de aportul de dioxid de carbon, de temperaturăşi de starea de

turgescenţăa celulelor.

In cursul acestor faze randamentul energetic al fotosintezei evoluează astfel:

• randamentul luminii absorbite de celula clorofiliană este în medie de 20%

(10-40%). Altfel spus, 20%, în medie, din energia luminoasă vizibilă absorbită de

frunză este transformată în energie chimică. Dar, dacă este raportat la întreaga

frunză, la suprafaţa cultivată, sau la suprafaţa terestră, acest randament devine mult

mai mic.

• randamentul energetic la scara frunzei devine 35% x 20% = 7%.

Această valoare medie poate varia de la 2-3% până la 12-15% în cazurile

următoare:

107

- La iluminari foarte slabe (2000 lux), energia fixată în raport cu energia primită de

frunză poate atinge cifre ridicate: 12-15%, cu o aprovizionare perfectă cu apă, dioxid

de carbon, elemente minerale.

- Pe masură ce iluminarea creşte, această aprovizionare poate să nu fie suficient de

rapidă şi coeficientul de conversie energetică scade (cu toată creşterea importantă în

valoare absolută a fotosintezei): pentru multe plante din zonele temperate (grâu,

trifoi alb, trifoi violet...) frunza atinge punctul său de saturaţie în lumină la cca. 20-

30000 lux, în timp ce într-o zi însorită de vară intensitatea luminoasă poate atinge

90000 lux. Randamentul energetic al fotosintezei scade atunci la 2-3 % din energia

primită. Dimpotrivă, gramineele de origine subtropicală, porumbul, sfecla de zahăr,

sorgul…, continuă să-şi mărească activitatea lor fotosintetică pânăla 60 000 lux, şi

pot să atingă la această iluminare coeficienţi de conversie de 5-6% din energia

primită.

Acest coeficient de conversie este un caracter genetic care poate fi ameliorat

prin selecţie. Dar, în mod evident, acest coeficient depinde mai ales de satisfacerea

cerinţelor plantei, care se pot comporta ca factori limitanţi (apa, CO2, elemente

minerale): în acelaşi timp cu creşterea intensităţii luminoase, creşte temperatura zilei

şi adesea vântul. Închiderea stomatelor, reacţie de apărare a plantei la uscăciune,

închide şi aprovizionarea frunzei cu CO2, de unde scăderea fotosintezei. La fel se

întâmplă şi din cauza aprovizionării insuficiente cu apă.

• Fotosinteza netă este diferenţa SINTEZĂ CLOROFILIANĂ - PIERDERI

PRIN RESPIRAŢIE (noaptea). Aceste pierderi sunt estimate în 24 ore la 1/3 din

energia fixată, ceea ce este considerabil dar inevitabil.

• Randamentul energetic al fotosintezei la scara unei culturi. O cultură

reprezintă o superpoziţie de frunze a căror suprafaţă totală este superioară celei a

câmpului cultivat. Se numeşte indice foliar raportul dintre suprafaţa totalăa frunzelor

şi suprafaţa terenului ocupat. Pe durata ciclului de vegetaţie, acest indice creşte

începând de la 0. In acelaşi timp, creşte procentul de energie incidentă absorbită de

cultură. Dar, în acelaşi timp în care frunzele se întreţes, ele se acoperă, îşi fac umbră,

sunt mai puţin luminate, ceea ce, făcând să scadă iluminarea acestora, creşte

randamentul fotosintezei; până la un prag sub care, din lipsă de lumină, randamentul

108

fotosintezei scade din nou. Dacă, de ex., o frunză izolată în plină lumină nu

converteşte energia primită decât cu un coeficient de 3%, frunzele mai puţin expuse

fac conversia cu un coeficient de 5-6%. Totuşi, ceea ce face să scadă cel mai mult

randamentul fotosintezei pe unitatea de suprafaţă cultivată, este perioada de

întrerupere a culturii; din acest motiv, conversia de energie luminoasă pe cultură,

redusăla unitatea de suprafaţă, va scădea la 1-2% şi chiar sub 1%.

10.2.2.2. Creşterea randamentului conversiei energiei solare.

Se poate realiza o creştere a randamentului conversiei energiei solare de către plantele cultivate prin:

a) Ameliorarea randamentului fotosintezei, ce se poate realiza:

• printr-o expunere mai bunăa învelişului foliar la radiaţia solară:

-anumite varietăţi au un port care expune cu mai multăregularitate frunzele la soare.

• prin asigurarea unei aprovizionări optime a culturii vegetale cu apăşi elemente minerale. Dar trebuie ca şi costul energetic al acestor aporturi (îngrăşăminte şi irigaţii) săfie inferior randamentului energetic obţinut.

• prin protecţia culturilor vegetale contra închiderii premature a stomatelor sub efectul căldurii şi al vânturilor uscate (perdelele de protecţie).

b) Mărirea duratei fotosintezei în câmp. Altfel spus, a mări în timp fotosinteza şi pentru aceasta a căuta menţinerea pe câmpuri a unui covor vegetal:

• de culturi ascunse sau chiar succesiunea de 2 culturi pe an;

• de culturi permanente, ca păşunile din zona temperată (pajiştile, fâneţele).

c) Mărirea întinderii fotosintezei. Altfel spus, mărirea în spaţiu. Trebuie să se considere agricultura sub toate formele (inclusiv împăduririle) ca unul dintre mijloacele cele mai eficace pentru a asigura simultan:

• fixarea energiei solare;

• epurarea aerului, prin absorbţia CO2 şi eliberarea oxigenului;

• conservarea solurilor şi regularizarea regimului apelor şi chiar, parţial, a climatului, în anumite condiţii,.

Plecând de la această constatare, ar fi de preferat o politică de “punere în vegetaţie” într-o optică productivă şi ecologică:

• culturi alimentare, utilizabile de către om în mod direct sau după transformare industrială.

• culturi furajere celulozice care trebuie să treacă, cu tot randamentul redus care rezultă, prin tubul digestiv al ierbivorelor;

• culturi industriale, în sensul propriu al termenului: surse de materii prime şi de energie.

109

10.3. APA. ACŢIUNEA LIPSEI SAU EXCESULUI DE AP Ă 10.3.1. Apa şi dezvoltarea plantelor

a) În câteva cazuri o anumită “nevoie de uscăciune” favorizează începutul înfloririi. Este cazul, de ex., lucernei, al arborior fructiferi: seceta favorizează inducţia florală. Un exces de apă în perioada de înflorire se traduce şi printr-o pierdere de polen, sau prin proasta fecundare a florilor.

b) Adesea, lipsa de apă acţionează defavorabil asupra începutului înfloririi, limitând numărul de buchete florale formate, sau numărul de flori fecundate.

Perioada în care seceta poate perturba cel mai mult începutul înfloririi, fecundarea, deci randamentul, este numită “perioadă critică”. Ea este mai scurtă dacă planta nu emite decât o singură inflorescenţă sau spic (cazul porumbului) şi, cu atât mai lungă, cu cât înflorirea este mai etajată (sorg, soia…).

Incidenţa secetei este în mod evident mai gravă în primul caz decât în al doilea: o plantă cu o singură inflorescenţă sau spic nu poate prinde fecundarea sa dacă este perturbată de secetă, în timp ce o plantă cu înflorire etalată poate beneficia de o perioadă mai umedă care să succeadă secetei pentru a emite şi fecunda noi flori, şi a compensa astfel (mai mult sau mai puţin) efectul secetei.

10.3.2. Apa şi creşterea

a) Coeficientul de transpiraţie sau eficienţa apei

Datele experimentale conduc la două constatări importante:

* anumite culturi exportă mai multă apă decât altele;

* acest export se repartizeză pe perioade foarte diferite, după cum este vorba de culturi cu sezon de vegetaţie scurt sau lung. Cantitatea de apă pe care o evaporă planta pentru a sintetiza 1 g de SU este variabilă cu cultura şi este denumită coeficient de transpiraţie. Valoarea sa, întotdeauna importantă, oscilează între 300 şi 700 g de apă/g de SU formată.

Această cantitate depinde de specie dar şi de:

-abundenţa apei în sol: planta face un “consum de lux” dacă solul este foarte umed. Drenajul micşorează considerabil coeficientul de transpiraţie.

-bogăţia solului şi fertilizarea: îngrăşământul micşorează coeficientul de transpiraţie.

Coeficientul de transpiraţie mai este numit “EFICIENŢA APEI”. Eficienţa apei este cu atât mai puternică cu cât cererea este mai slabă. Altfel spus:

-când cererea este slabă (iarna), datorită unei evapotranspiraţii slabe, creşterea ierbii este, în general, slabă din lipsă de căldură şi de lumină. Dar greutatea de SU formată în raport cu apa consumată este mare: eficienţa apei este ridicată;

-atunci când cererea este medie (primăvara), eficienţa apei este medie, şi cum aprovizionarea cu apă şi factorii de producţie, ca temperatura şi iluminarea sunt buni, producţia de SU este, în general, la maximul său.

b) Plantele răspund în mod diferit la lipsa de apă

Datele experimentale arată că în creşterea unei plante intervin două stadii:

- întâi o creştere foarte activă a organelor vegetative: rădăcini, tije, frunze…;

110

-apoi o creştere foarte activă a organelor reproducătoare, florile, apoi seminţele sau fructele.

Dar efectul lipsei apei asupra creşterii totale a plantei, şi în definitiv asupra randamentului său, se repercutează în mod diferit, după felul culturilor:

� unele, am văzut, au posibilităţi slabe de a-şi redobândi randamentul dacă o perioadă umedă succede unei secete ce atinge planta în “perioada critică”, căci seceta a perturbat atunci nu numai creşterea dar şi dezvoltarea însăşi a organelor florale. Este cazul tipic al porumbului, incapabil să-şi recâştige ca urmare a ploilor din septembrie o secetădin iulie şi august;

� altele au posibilităţi mai bune de recâştigare a randamentului: acestea sunt fie cele care au o înflorire etajată, fie cele de la care se recoltează nu boabele ci organele vegetative. Este cazul sfeclelor de zahăr sau furajere şi al plantelor din fânaţuri. Oprirea vegetaţiei, legată de secetă, poate fi urmată de o bună reluare odată cu reântoarcerea ploilor. De unde cea mai mare regularitate a randamentuli sfeclelor faţă de porumb.

Dar consecinţele lipsei de apă depind de asemenea şi de aptitudinea culturii de a utiliza apa din sol, de unde importanţa înrădăcinării:

� plantele cu înrădăcinare puternică rezistă mult mai bine la secetă decât cele cu înrădăcinare mai slabă şi care se reînnoieşte în fiecare vară;

� floarea soarelui, prin înrădăcinarea sa puternică, cerealele de toamnă care au mai mult timp decât cerealele de primăvară pentru a-şi coborâ profund rădăcinile, rezistă mai bine la secetă.

O înrădăcinare care depinde şi de lucrările solului: lucrările care limitează înrădăcinarea, măresc sensibilitatea culturilor la secetă.

10.3.3. Apa şi calitatea producţiei vegetale

Calitatea majorităţii produselor vegetale depinde de existenţa, în anumite perioade ale dezvoltării plantelor, unui anumit grad de secetă. Dăm, în continuare, câteva exemple:

a) Conţinutul în zahăr al sfeclei de zahăr este înbunătăţit de o anumită secetă şi de asemenea aceste rădăcini sunt mai hrănitoare în anii secetoşi. Totuşi, şi apa poate ameliora cantitatea de zahăr.

b) Creşterea excesivă a celulelor fructelor dăunează gustului şi procesului de conservare; din acest motiv se încearcă să se obţină fructe a căror mărime să depindă mai mult de diviziunea celulară decât de creşterea acestora. Această creştere excesivă este determinată mai ales de irigaţii efectuate cu întârziere şi de potasiu (potasiul dilată celulele), de unde necesitatea găsirii, pentru fiecare specie, a perioadelor celor mai favorabile pentru irigare, a dozelor optime, a unor tehnici care economisesc apa.

c) In viticultură pare admis faptul că există un raport invers între aportul de apă şi calitatea vinului. Cu toate acestea, există unele soiuri nobile pentru care conţinutul în zahăr al mustului (sau gradele alcoolice probabile) creşte moderat cu cantitatea de apă utilizată de plantă; invers există alte soiuri tradiţionale pentru care conţinutul în zahăr scade atunci când creşte alimentarea cu apă. Pentru alte soiuri aportul de apă, mai întâi, măreşte coeficientul de zahăr, apoi, dacă acest aport mai creşte, îl face să scadă.

111

In realitate calitatea produselor vegetale depinde de interacţiunea a numeroşi factori: apa, soiul şi varietatea, solul, insolaţia şi temperatura, suprafaţa foliarăşi deci tehnicile de tăiere, etc.

10.4. VÂNTUL

La viteze moderate, efectul său este benefic; el favorizeză schimburile de vapori de apă, de gaze (CO2, O2) între organele vegetative şi mediul înconjurător; Consecinţele nefaste asupra vegetaţiei sau solului nu se produc decât începând din momentul în care frecvenţa şi viteza sa sunt ridicate; acţiunea sa devine mai nefavorabilă dacă se consideră diseminarea posibilă a sporilor de ciuperci, a insectelor parazite şi a eventualilor poluanţi atmosferici.

Atunci când vântul atinge o anumită forţă, el exercită trei categorii de efecte dăunătoare: efecte mecanice, efecte termice si efecte fiziologice.

10.4.1. Efecte mecanice:

� eroziunea solurilor uşoare în perioadele de secetă;

� ruperea (sfăşierea) frunzişului livezilor, căderea fructelor, tulburarea polenizării;

� deformarea arborilor sub acţiunea vântului dominant în livezile apropiate de litoral sau pe anumite văi;

� culcarea la pământ a cerealelor, porumbului, plantelor furajere;

� perturbarea irigaţiilor prin aspersiune atunci când viteza vântului depăşeşte 3...4 m/s;

� diseminarea sporilor producători de boli şi a seminţelor de buruieni;

� pagube datorate stropilor cu săruri marine aduşi de furtunile din zona litorală (până la mai mult de 20 km);

� pagube produse clădirilor: magazii, sere şi solarii acoperite cu folii din materiale plastice, tunelelor de zarzavaturi....

10.4.2. Efecte termice:

� răcirea solurilor ca efect al evaporării intense la suprafaţa sa;

� culturi mai puţin precoce ca efect al vânturilor reci;

� cheltuieli mai mari cu energia termicăîn construcţiile neprotejate de creşterea animalelor şi în clădirile de locuit.

10.4.3. Efecte fiziologice:

� uscarea excesivăa aerului agitat şi mărirea evaporaţiei, având drept consecinţăînchiderea prematurăa stomatelor şi blocarea fotosintezei;

� micşorarea umezelii aerului şi a temperaturii solului, având ca urmare întârzierea creşterii plantelor;

� tulburări de sănătate la animalele scoase la păşunat în zone expuse vânturilor reci.

In concluzie, atunci când frecvenţa şi viteza vântului sunt ridicate, acesta devine un element climatic de care trebuie ţinut cont.

112

Teste de autoevaluare (10) 1. Care dintre afirmaţiile următoare, referitoare la influenţa temperaturii asupra creşterii plantelor, NU este adevărată?

A. Temperatura influenţează viteza de creştere a plantelor. B. Temperatura la care plantele îngheaţă este numită zero de vegetaţie. C. Creşterea plantelor este slabă sau nulă atâta timp cât temperatura nu atinge o valoare de prag. D. Intre acest prag (valoare minimă) şi plafon (valoare maximă), creşterea este proporţională cu temperatura.

2. Referitor la rolul apei în dezvoltarea plantelor, perioada critică este: A. perioada în care seceta poate perturba cel mai mult începutul înfloririi, fecundarea; B. perioada în care planta moare dacă nu primeşte o cantitate minimă de apă; C. perioada în care planta are nevoie de cea mai mare cantitate de apă; D. perioada în care, indiferent dacă este secetă sau nu, planta moare.

3. Unul dintre fenomenele următoare NU reprezintă un efect mecanic dăunător al vântului:

A. eroziunea solurilor uşoare în perioadele de secetă; B. ruperea (sfâşierea) frunzişului livezilor, căderea fructelor, tulburarea polenizării; C. culturi mai puţin precoce ca efect al vânturilor reci. D. deformarea arborilor sub acţiunea vântului dominant în livezile apropiate de litoral sau pe anumite văi.

Lucrare de verificare (10) 1. Influenţa temperaturii si a luminii asupra creşterii şi dezvoltării unor plante cultivate. 2. Creşterea randamentului conversiei energiei solare în agricultură. 3. Ce este zero-ul de vegetaţie? 4. Ce este fotoperiodismul? 5. Ce se înţelege prin eficienţa apei? 6. Care sunt efectele importante, mai frecvente, produse de vânturi cu frecvenţe şi viteze mari? REZUMAT (10)

• Influenţa temperaturii asupra creşterii şi dezvoltării plantelor: termoperiodism anual, zero de vegetaţie, plafon. • Influenţa luminii: CO2 şi lumina, randamentul fotosintezei. • Influenţa lipsei şi excesului de apă: perioade critice, eficienţa apei. • Influenţa vântului: efecte mecanice, termice şi fiziologice.

BIBLIOGRAFIE (10) S o l t n e r, D., 1992 - Les bases de la production végétale, T.II: Le climat. Météorologie-Pédologie-Bioclimatologie, Ed., Collection Sci. et Techniques Agricoles, Paris.

113

Unitatea de învăţare 11. ACCIDENTE CLIMATICE

(FENOMENE METEOROLOGICE D ĂUNĂTOARE AGRICULTURII)

CUPRINS (U.I.11) Pag. Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.1) 113 Instrucţiuni (U.I.1) 113 11.1. Ingheţurile. 114 11.1.1. Ingheţul de iarnă. 114 11.1.2. Ingheţul de primăvară. 115 11.1.2.1. Mecanismul îngheţului de primăvară. 115 11.1.2.2. Lupta contra îngheţului de primăvară. 116 11.2. Grindina. 117 11.2.1. Mecanismul formării grindinii. 117 11.2.2. Pagubele produse de grindină. 117 11.2.3. Lupta împotriva grindinii. 118 11.3. Seceta. 119 11.3.1. Definiţii, clasificări. 119 11.3.2. Efecte asupra plantelor. 119 11.4. Excesul de umezeală. 120 11.4.1. Alterarea proprietăţilor fizice, chimice şi biologice ale solului. 120 11.4.2. Consecinţele tehnologice ale excesului de apă. 120 Teste de autoevaluare (1) 121 Lucrări de verificare (1) 122 Rezumat (U.I.1) 122 Bibliografie (U.I.1)

Obiectivele şi competenţele profesionale specifice (U.I.11) Dupa studiul acestei unitaţi de învăţare, studentul va avea competenţe să: - identifice cauzele climatice care pot produce pagube culturilor agricole; - intocmeasca instructiuni de supraveghere meteorologica locala in scopul avertizarii cresterii riscurilor de producere a fenomenelor meteorologice daunatoare. - sa aleaga pentru cultivare soiurile si varietatile cele mai potrivite cu conditiile climatice ale zonei in care se afla exploatatia agricola. - sa intocmeasca documentatiile necesare obtinerii de compensatii financiare pentru astfel de fenomene : subventii de la stat sau compensatii de la firmele de asigurari. Instrucţiuni (U.I.11) Aceasta unitate de învăţare cuprinde descrierea Ingheţurilor, a secetei si a excesului de umezeala si de apa, precum si a fenomenului de grindina. Timp estimativ de studiu este de 4 ore. La sfârşitul U.I.11 se afla un set de întrebări pentru verificarea cunoştinţelor şi teme pentru autoevaluare.

Introducere. Prin accidente climatice se înţeleg accidentele produse vegetaţiei şi/sau mediului de către condiţii climatice extreme. Acestea pot fi provocate de temperatură, vânt şi precipitaţii şi produc, ocazional, scăderi importante ale producţiei agricole; ele mai sunt denumite calamităţi agricole.

114

11.1. ÎNGHEŢURILE

11.1. Îngheţul de iarnă

Îngheţurile de iarnă se produc datorită sosirii unei mase de aer rece care invadează culturile şi antrenează o răcire importantă. Ele sunt denumite advective sau îngheţuri negre (datorită aspectului luat de vegetale după îngheţ). Brutalitatea apariţiei şi amploarea scăderii temperaturii determină importanţa pierderilor ocazionale de recoltă, în zona temperată, la cerealele de toamnă. Prezenţa unui strat de zăpadă izolează solul şi protejează vegetaţia joasă. Acesta limitează pierderile termice ale solului şi atenuează răcirea. Factorii climatici locali (topografia, starea solului, prezenţa pădurilor, etc….) creează condiţii microclimatice particulare care modifică circulaţia aerului rece. Între două parcele destul de apropiate, diferenţele de temperatură pot să atingă mai multe grade Celsius. Unele parcele sunt astfel mai expuse pericolului răcirilor. Pierderile ocazionale de recoltă în cazul acestora sunt întotdeauna mai importante. • Acţiunea îngheţului asupra celulelor determină producerea unor efecte mecanice şi biochimice. - În ţesuturi se formează cristale de gheaţă: dacă îngheţul este progresiv, acestea se formează în spaţiile intercelulare. Celulele pierd o parte din apă pentru formarea cristalelor, ele deshidratându-se. Ţesuturile rezistă la această pierdere de apă şi la prezenţa cristalelor. La dezgheţ, apa intercelulară este reabsorbită de către celule. Dacă îngheţul este brutal, cristalele, mici şi numeroase, se formează chiar în celule, care pot astfel să moară. - Funcţiile celulare sunt profund perturbate de îngheţ: intensitatea respiratorie scade, sucurile celulare, deshidratate, pot atinge o concentraţie toxică, în lipsa circulaţiei deşeurile, neputând fi eliminate, se acumulează, proteinele sunt modificate… • Pagubele ce apar datorită îngheţului cerealelor sunt pagube foliare, în general puţin grave, în afara cazului în care ele apar la coleoptil înainte de încolţire, şi pagube asupra organelor subterane, mult mai grave mai ales dacă încă nu s-a format thallus-ul. • Rezistenţa la frig (RF) a cerealelor de toamnă depinde de plantă şi de mediu: - RF depinde de specie şi de varietate; - RF depinde şi de stadiul vegetativ: maximul RF este atins la începutul formării thallus-ului, în stadiul de 4-5 frunze, cu un minim între germinare şi ieşirea coleoptilului; - RF depinde, în cele din urmă, de frigul însuşi. Cu cât frigul este mai brutal, se produce pe sol umed, după o perioadă călduţă, şi este însoţit de vânt, cu atât gerul este mai periculos. Călirea plantei printr-o perioadă de îngheţ progresiv, absenţa vântului, stratul de zăpadă, permit cerealelor să reziste mai bine la temperaturi foarte joase. • Pentru a limita riscurile îngheţului de iarnă la cereale: - se aleg varietăţi rezistente; - se evită semănatul târziu şi prea adânc; - se drenează solurile sau se modelează suprafaţa.

115

10.1.2. Îngheţul de primăvară Îngheţurile de primăvară sunt determinate de răciri nocturne ale solului şi culturilor, cu atât mai grave cu cât vegetaţia este mai avansată. Ele mai sunt numite îngheţuri albe, datorită formării frecvente a cristalelor de gheaţă la suprafaţa solului şi a plantelor. 10.1.2.1. Mecanismul îngheţurilor de prim ăvară. Răcirea nocturnă se produce datorită pierderilor de căldură prin următoarele trei fenomene fizice şi climatice: -Radiaţia terestră nocturnă. Unele condiţii meteorologice, pedologice şi culturale, ca şi topografice, accentuează pierderile. Aceste pierderi termice sunt cu atât mai intense noaptea cu cât cerul este mai senin: norii şi ceţurile formează un ecran care trimite înapoi către sol o parte din această radiaţie. -Pierderi prin evaporare: trecerea apei lichide în fază gazoasă, accentuată atunci când aerul este uscat, consumă căldură, evaporarea determinând răcirea solului, a vegetalelor şi a atmosferei. -Pierderi prin convecţie sau advecţie: dacă o masă de aer rece se găseşte deasupra unei mase de aer cald, aerul rece are tendinţa de a înlocui aerul cald prin amestec. Acest fenomen are loc: (i) fie în cazul sosirii unei mase de aer rece continental (generatoare de îngheţuri negre); (ii) fie local, în cazul, de ex., luptei împotriva îngheţului prin încălzire: aerul cald produs la nivelul livezii se ridicăşi aerul rece îl înlocuieşte începând de la margini. 10.1.2.2. Condiţii care favorizează sau limitează răcirea nocturnă. a) Factori meteorologici: � Absenţa norilor favorizează radiaţia terestră, deci răcirea; � Umezeala ridicată sau uscăciunea aerului: cu cât aerul este mai uscat, cu atât el lasă să scape radiaţia terestră. Cu cât aerul este mai umed, dimpotrivă, cu atât el se opune mai mult răcirii. In plus, aerul umed favorizează producerea fenomenului de rouă care furnizează căldură solului şi plantelor. O diferenţă mare între temperatura termometrului umed şi a celui uscat este un semn prevestitor al răcirii nocturne accentuate. � Vântul poate fi, fie un factor agravant, fie un obstacol în calea răcirii. In cazul sosirii unei mase de aer rece (îngheţ de advecţie), vântul, deplasând aerul temperat din vecinătatea solului şi înlocuindu-l cu aer rece, favorizează răcirea. Şi aceasta cu atât mai mult cu cât solul şi plantele sunt mai umede. Dimpotrivă, amestecarea aerului de către vânt, poate fi favorabilăîn caz de îngheţ de radiaţie: aerul rece are tendinţa să se acumuleze în zonele joase, a căror temperatură va coborâ cu atât mai mult cu cât aerul va fi mai calm. b) Caracteristici ale solului: � Relieful. Pe un sol plat aerul răcit rămâne pe loc. Dacă solul este în pantă, dimpotrivă, acest aer rece se scurge lent şi se acumulează în vale. � Obstacolele. Perdelele de arbori (mai ales cele pe taluz) şi boschetele pot contribui în bine sau în rău la drenarea sau la retenţia aerului rece. Ideal ar fi să se poată proteja livezile sau viile în amonte, cu perdele care să reţinăaerul rece sau să-l

116

canalizeze în afara zonei cu culturi sensibile şi să se evite, dimpotrivă, reţinerea aerului rece în aval. Ceea ce nu este întotdeauna uşor în practică. � Starea solului. Pierderea de căldură de catre plante trebuie să fie compensată, cât mai mult posibil, de radiaţia termică a solului. Pentru ca aceasta să poată urca din straturile profunde ale solului şi să radieze, sunt necesare: (i) o suprafaţă degajată de iarbă sau de paie; (ii) un contact cât mai perfect posibil între stratul superficial al solului şi cel din profunzime. � Umezeala solului. Ca şi tasarea, aceasta favorizează acumularea de căldură în timpul zilei şi cedarea sa noaptea. Dar se ştie că, în caz de vânt, răcirea solurilor umede poate fi superioară din cauza evaporării. � Culturile vecine. Din cauza deplasării posibile a aerului rece, culturile vecine influienţează destul de mult asupra tendinţei de îngheţ a livezilor şi viilor. Terenurile înţelenite (pârloagele), păşunile întinse se comportă ca surse de frig în raport cu solul gol. � Cultura vegetală în cauză. Consecinţele răcirii depind chiar de cultura însăşi: de varietate şi, mai ales, de stadiul vegetativ. 10.1.2.2. Lupta contra îngheţurilor de prim ăvară. a) Metodele pasive. Metodele prezentate în continuare sunt mai puţin costisitoare şi, în orice caz, cele mai indispensabile, motive pentru care trebuie luate în considerare cu prioritate. � Evitarea zonelor favorabile îngheţului pentru constituirea livezilor şi viilor, adică respectarea vocaţiei naturale a fiecărei zone. Pentru determinare acestora este indispensabilă cunoaşterea teritoriului, ca şi măsurătorile termometrice. � Controlarea scurgerii aerului rece pe pante prin plantarea de perdele de protecţie (cel mai bine, pe taluz) suficient de dense în amonte de o parcelă sensibilăla îngheţ şi, dimpotrivă, evitarea plantării perdelei în aval. Protejarea, deasemenea, a marginilor livezii prin para-vânturi pentru a limita sosirea aerului rece prin convecţie. � Reducerea surselor de aer rece, în special a terenurilor înţelenite (pârloage). Cel mai bun mijloc este, cel mai des, împădurirea, mai ales dacă aceasta se face în amonte, deoarece va asigura o protecţie foarte bună contra aerului rece. � Evitarea speciilor şi a varietăţilor cu înmugurire precoce în zonele cele mai predispuse la îngheţ. � Menţinerea în stare goală şi tasată a solului din livezi şi vii. Această cerinţăeste de multe ori greu de împăcat cu interesul agronomic. � b) Prevederea şi avertizarea îngheţurilor de prim ăvară. � Cunoaşterea riscului. Pentru aceasta este nevoie de experienţă, de cunoaşterea climatului local şi a zonelor predispuse la îngheţ din teritoriu. � Cunoaşterea rezistenţei posibile a culturilor, în funcţie de stadiul lor de vegetaţie. � Urmărirea evoluţiei riscului de îngheţ nocturn prin cunoaşterea în timp real a datelor măsurate de staţia meteorologică locală. Se poate prevedea riscul de îngheţ pentru noaptea care urmează şi plecând de la observaţii şi măsurători efectuate la fermă. O indicaţie teoretică asupra riscului de îngheţ este dată de diferenţa între temperaturile termometrului uscat şi umed, măsurate cât mai târziu posibil seara: cu cât diferenţa dintre aceste două măsurători este mai mare (deci aerul mai uscat), cu atât este mai mare riscul de îngheţ nocturn. Dar aceasta nu este decât o indicaţie sumară pentru că situaţia poate evolua foarte rapid în timpul nopţii: cerul senin,

117

seara, poate deveni acoperit în timpul nopţii, sau dacă cerul este acoperit şi aerul este umed, seara, se poate însenina şi poate deveni mai uscat în timpul nopţii. Singurul mijloc cu adevărat sigur de a urmări riscul de îngheţ este de a dispune de un termometru avertizor, plasat în aer liber la 30 sau 50 cm deasupra solului (el indică aşa-numitul “indice actinotermic”), care să declanşeze un semnalizator sonor atunci când este atinsă o temperatură critică. In acest caz, se poate declanşa în timp util dispozitivul de luptăcontra îngheţului, dacă acesta există, bineânţeles. c) Mijloacele de luptă activă. � Crearea de ceţuri artificiale sau fumigaţie. � Incălzirea, practic inabordabilă din cauza preţului combustibilului petrolier. � Aspersiune - acolo unde există reţea de irigaţii. � d) Mijloacele de luptă curative: tratamentul cu Ghiberelină. 11.2. GRINDINA Grindina reprezinta o precipitatie sub forma de graunti ( greloane) de gheata , transparente sau opace partial sau total. Forma este sferoidala, conica sau neregulata, cu diametre cuprinse intre 5 si 50 mm. 11.2.1. Mecanismul formării. Căderile de grindină sunt produse de norii Cumulonimbus in sezonul cald al anului si insotesc, de obicei, averse de ploate, oraje sau vant puternic. Picăturile de apă şi cristalele de gheaţă carea constituie norul sunt repartizate astfel: - între bază şi izoterma de 0°C, picături de apă; - între nivelul de 0°C şi cel de -40°C, picături de apă lichidă şi câteva cristale de gheaţă; - între nivelul -40°C şi limita superioară, cristale de gheaţă. Cristalele de gheaţă cresc şi formează grăunţi de gheaţă de talie mică (de ordinul a 1 mm) care sunt denumiţi măzăriche (grindină măruntă) (sau embrioni de boabe de grindină). Dacă nu le reţine nimic, aceste grăunţe de gheaţă cad, se topesc în timpul căderii sub nivelul de 0°C şi ajung pe sol sub formă de ploaie. Dar în norul cumulonimbus pot interveni condiţii dinamice deosebite: purtaţi de curenţii ascendenţi, embrionii boabelor de grindină pot continua să crească si să colecteze alte picături: se formează grindina şi mărimea boabelor creşte. Curenţi de 100 km/h pot astfel să susţină boabe de grindină de până la 40 mm în diametru. 11.2.2. Pagubele produse de grindină. Pagubele produse de grindină se caracterizează printr-o mare variabilitate în timp şi în spaţiu. In România, toate regiunile pot fi atinse de grindină, dar în grade diferite. La scară locală, se observă, deasemenea, o mare variabilitate între zone, comune, ferme şi chiar grupe de parcele, fără ca cineva să poată explica această variabilitate. In cursul zilei, grindina se produce, de regula, cu o frecventa maxima in dupa amiezile zilelor caniculare de vara. Căderile de grindină sunt variabile de la un an la altul; în România şi la Iaşi fenomenul este puţin frecvent şi de intensitate mică: în perioada 1945-1982 numărul mediu de zile cu grindinăa fost de 0,2 în mai, 0,2 în iunie, 0,1 în iulie, august şi septembrie, ceea ce dă o medie multianualăde 0,7 zile pe an. La Iasi, totusi, numarul maxim anual de zile cu grindina a fost 4 in anul 1994 (Clima Romaniei, ed. Acad.

118

Romane, 2009). La nivelul ţării, anul 1997 a fost însă un an cu multe cazuri de grindină. In ceea ce priveşte pagubele produse culturilor, există, pentru fiecare cultură şi funcţie de stadiul său de vegetaţie, o energie cinetică a căderii de grindină sub care nu există pagube (prag 0%) şi un alt prag peste care are loc distrugerea totală a recoltei (prag 100%). Relaţiile cantitative între parametrii fizici ai grindinii şi pagubele produse nu sunt încă cunoscute. Grindina fiind foarte localizată în spaţiu, dar adesea gravă prin efecte, fenomenul poate ruina un fermier, deşi la scara unei colectivităţi este deseori mai puţin distrugătoare decât pagubele produse din alte cauze. 11.2.3. Lupta împotriva grindinii. Până în prezent, în nici o ţară din lume lupta împotriva grindinii nu şi-a dovedit eficacitatea, nici măcar parţială. a) Lupta pasivă. In unele ţări dezvoltate, se utilizau plase din materiale plastice suspendate pe stâlpi deasupra culturii, singurul mijloc de luptă eficace şi în prezent; astăzi acestea practic nu se mai utilizează decât pe unele livezi deosebite datorită preţului ridicat al petrolului din care se fabrică masele plastice. b) Lupta activă. Principiul modific ării . Dată fiind energiile considerabile puse în joc de furtuni, nu este de imaginat să se încerce modificarea dinamicii norilor. Rămâne de încercat să se acţioneze asupra structurii lor microfizice, ajutând picăturile de apă să se transforme în cristale mici de ghiaţă sau în embrioni de grindină. Tunuri antigrindin ă şi rachete explozive. La sfârşitul secolului XIX şi începutul secolului XX au fost în vogă tunurile verticale antigrindină; abandonate pe la 1914, se pare că acestea îşi găsesc noi partizani. Intre 1936 şi 1950, locul tunurilor a fost luat de rachete paragrindină explozive. Cu acestea se produceau explozii mai aproape de baza norilor; rachetele produceau, ca urmare a exploziei, pe lângă unda de şoc, şi câteva săruri (KCl, ClO4K). Nu s-a demonstrat ştiinţific, niciodată, o acţiune oarecare a undei de şoc asupra mecanismului formării şi căderii grindinii. Insămânţarea norilor cu iodurăde argint. Introducerea de nuclee artificiale de îngheţ suplimentare ar trebui să favorizeze formarea mult mai multor grăunţi de grindină, şi mult mai mici, care să se topească în cădere. Ca sursă a unor astfel de nuclee, cea mai utilizată este iodura de argint (AgI). Practica actuală, din unele ţări (de ex., Franţa) si din Romania, cuprinde trei tehnici: (i) lansarea unor rachete de joasă altitudine (1200...1900 m) care eliberează foarte local şi în locuri imprecise 16...18 g de AgI; (ii) însămânţarea din avion, care plasează substanţa direct într-un loc bine definit al norului, dar utilizarea sa este foarte costisitoare pentru utilizatori (echipe de specialişti, radar de localizare, mai multe avioane...) şi dificil ăde justificat atâta timp cât rezultatele nu pot fi garantate; (iii) emisia de AgI de pe suprafaţa solului, metodă care constă în emisia masivă în

119

stratele joase de nuclee pentru a mări concentraţia în alimentarea norului, dar care nu garantează însămânţarea în interiorul norului Cumulonimbus. In tot cazul, indiferent de rezultatele experimentelor şi de metodele folosite, singura posibilitate practică este de a compensa parţial pierderile prin asigurarea recoltelor şi prin subvenţii de la stat! 11.3. SECETA 11.3.1. Definiţie, clasificare. Prin secetă se înţelege existenţa unui deficit hidric în raport cu o stare normală sau maximală. In perioadele fără precipitaţii, radiaţiile solare încalzesc puternic solul deoarece consumul de energie pentru evaporare este redus. Incălzirea aerului produce uscarea lui şi creşterea evaporaţiei. Se produce astfel un dezechilibru între cantitatea de apă absorbită şi cea cedată; fenomenul se acutizează dacă acest dezechilibru este însoţit de vânturi uscate şi fierbinţi. Seceta se poate referi la climat (deficitul sau lipsa precipitaţiilor, umiditate insuficientăîn aer, în raport cu valoarile “normale” pe durata unei perioade considerate), se poate referi la sol (deficit de umezeală în raport cu capacitatea câmpului, deci valori ridicate ale evaporaţiei potenţiale), sau se poate referi la plantă (deficit de saturaţie în raport cu conţinutul în apă, cu turgescenţa sau cu turgescenţa relativă). O altă clasificare, întâlnită în literatura românească, în funcţie de mediu, decelează trei tipuri de secetă: atmosferică, pedologică şi mixtă. Seceta atmosferică este determinatăde lipsa totală a precipitaţiilor în perioade îndelungate de timp sau prezenţa lor în cantităţi insuficiente, însoţită de creşterea temperaturii aerului. Dacă seceta atmosferică este de lungă durată solul se usucă şi apare seceta pedologică. Când seceta pedologică este asociată cu cea atmosferică se produce seceta mixtă. La noi în ţară, perioadele de secetăse pot produce în toate anotimpurile anului. Astfel secetele de primăvară se dezvoltă pe fondul unei umidităţi scăzute din cauza precipitaţiilor reduse din perioada rece. Atunci vegetaţia culturilor este mult îngreunată şi chiar dacă ulterior revin ploile, efectele secetei nu pot fi înlăturate. 11.3.2. Efecte asupra plantelor. Conceptul de secetă (sau uscăciune) implică cel mai des efecte mai mult sau mai puţin nefaste asupra fiinţelor vii deoarece activitatea metabolicănu are loc decât pentru un grad de hidratare suficient de ridicat al structurilor vii. Pentru un deficit de hidratare de 50% ţesuturile vegetale sunt în stare de viaţă încetinită; pentru boabele uscate coeficientul de hidratare coboarăsub 10%. In cursul vegetaţiei, la un deficit important şi prelungit ţesuturile vegetale pot să moară. Efectul secetei depinde de durata şi de intensitatea sa, adicăde condiţiile climatice, dar şi de rezerva de apă din sol şi de natura şi de stadiul de dezvoltare al plantei. Secetele de vară din timpul înfloritului determină micşorarea numărului de boabe, sterilitatea spicului de grâu, iar în cazul pomilor şi viilor, influenţează şi

120

recolta anului viitor datorită slabei dezvoltări a mugurilor. Seceta de toamnă afectează cerealele de toamnă în perioada germinării, încolţirea decurge lent şi plantele intră în iarnă insuficient dezvoltate. 11.4. EXCESUL DE UMEZEALĂ A SOLURILOR Excesul de apă reprezintă fenomenul care rezultă dintr-un bilanţ excedentar pe termen scurt sau pe termen lung între aporturile şi exporturile de apă dintr-un volum de sol dat. Efectele sale pot lua mai multe forme, descrise in continuare. 11.4..1.Alterarea proprietăţilor fizice, chimice şi biologice ale solului � Apa în exces favorizează degradarea structurii şi face solurile mai puţin stabile. Dar, atâta timp cât apa se infiltrează uşor, degradarea este minimă; numai atunci când solul este obturat şi când saturarea se prelungeşte coloizii se umflă şi fisurile care separă agregatele dispar şi structura redevine compactă, aceasta se degradează. In perioada umedă, tasarea accelerează această degradare zdrobind agregatele devenite plastice. Ingheţul solului saturat de apă, îl fac mai compact făcând să urce cantităţi mari de apă care, la dezgheţ, rămân mult timp la suprafaţă. Excesul de apă diminuează stabilitatea structurală a solului prin dispersarea coloizilor şi prin împiedicarea activităţii biologice. � Diminuează aerarea solurilor şi le fac mai reci. Apa de saturaţie ocupă ansamblul spaţiilor în mod normale ocupate de aer; deoarece este nevoie de o cantitate de căldură mai mare pentru a ridica temperatura apei decât pentru cea a solului uscat, un sol umed se încălzeşte lent, deci este un sol rece şi “tardiv”. � Dăunează proprietăţilor chimice. Excesul de apă accelerează decalcifierea şi acidificarea solului: într-un sol îmbibat cu apă, ionii de Ca++ părăsesc complexul argilo-humic, sunt spălaţi şi înlocuiţi de ioni de H+ . Astfel decalcifiat, complexul se dispersează uşor, făcând structura mai instabilă, mai compactă şi mai impermeabilă. Excesul de apă face solul “reducător”: absenţa oxigenului sileşte bacteriile aerobe să “reducă” oxizii ferici; din ruginii cum erau, aceşti oxizi capătă tenta gri-bleu apoi verzuie a oxizilor feroşi, apărând astfel petele caracteristice mediilor asfixiante. � Dăunează proprietăţilor biologice: � - Incetineşte descompunerea materiilor organice şi humificarea lor şi frâneazămineralizarea acestora; - Limiteazădezvoltarea şi nutriţia rădăcinilor şi provoacăasfixierea acestora; - Favorizeazăproliferarea unei flore şi a unei faune defavorabile culturilor şi creşterii animalelor. 11.4.2. Consecinţele tehnologice ale excesului de apă • Creşterea costului lucrărilor, din cel puţin două motive: - dificultăţi de propulsie: aderenţa scade şi creşte patinarea roţilor tractoarelor şi maşinilor agricole; durata lucrărilor creşte, şi odată cu aceasta cheltuielilor cu carburanţi şi manoperă;

121

- dificultăţi de efectuarea a lucrărilor: peste o anumită valoare a umezelii, scade coeziune şi creşte adeziunea, efortul de tracţiune se măreşte, şi bulgării, în loc să se spargă, se deformează şi se comprimă. Din aceste motive, perioadele favorabile pentru lucrăriloe solului sunt mai scurte decât pentru un sol sănătos şi fermierul este silit să se supraechipeze pentru a realiza mai repede aceste lucrări; deci, echipamentele şi materialel sale sunt mai costisitoare şi mai dificil de amortizat. • Micşorarea randamentului recoltelor: a) prin reducerea duratei de vegetaţie: - încolţirea seminţelor sau înălţarea plantelor este mai lungă datorită temperaturii scăzute din sol ajungându-se la atacarea sau distrugerea plantelor de ciuperci (cum ar fi fusarium); - reducerea perioadei de vegetaţie impune alegerea unor varietăţi mai precoce, în general, mai puţin productive decât varietăţile tardive. b) prin împiedicarea executării lucrărilor de întreţinere şi de tratament din cauza pericolului de a compacta solul; această piedică este cu atât mai gravă cu cât, aceste soluri, mai mult decât altele, au nevoie de aceste lucrări. c) prin creşterea necorespunzătoare a plantelor: sensibilitatea la excesul de apă este variabilă, în funcţie de specie: - orzul şi grâul sunt mult mai sensibile la asfixiere decât ovăsul şi secara; - lucerna, trifoiul violet sunt mai sensibile la excesul de apă hivernal decât păioasele; - mărul şi piersicul suferămai mult de asfixiere decât părul. d) prin imposibilitatea practicării unor culturi mai bănoase. e) Crearea de piedici în creşterea animalelor: - Parazitismul intern găseşte un mediu favorabil, iar acesta perturbă grav creşterea şi impune cheltuieli mari pentru tratamente multiple. - Perioadele de păşunat sunt scurtate, în favoarea stabulaţiei - mai costisitoare şi mai puţin sănătoasă- din două motive: evitarea, începând din vară, contaminării animalelor tinere şi limitarea degradării solurilor. Teste de autoevaluare (11)

1. Care afirmaţie de mai jos NU este corectă? A. Îngheţurile de iarnă se produc datorită sosirii unei mase de aer rece care invadează culturile; B. Îngheţurile de iarnă sunt denumite advective sau îngheţuri negre; C. Îngheţurile de primăvară mai sunt numite îngheţuri albe. D. Îngheţurile de primăvară sunt determinate de reîntoarcerea unei mase de aer foarte rece după prima zi de primăvară;

2. Care sunt efectele produse de îngheţ asupra celulelor vegetale? 3. Care sunt factorii principali care determină rezistenţa la frig a cerealelor de toamnă?

122

4. Cum se produc îngheţurile târzii de primăvară? Care sunt factorii care favorizeazăşi care sunt cei care limitează răcirea nocturnă? 5. Ce este indicele actinometric? Lucrare de verificare (11) Care dintre mijloacele de luptă împotriva grindinii prezentate vi se pare cel mai fundamentat ştiinţific? REZUMAT (11) • Ingheţul de iarnă: acţiunea asupra celulelor, pagube, rezistenţa la frig, limitarea riscurilor. • Ingheţul târziu de primăvară: mecanismul, lupta contra lor (metode pasive, prevedere şi avertizare, metode active). • Grindina: mecanismul formării, pagube produse, lupta împotriva producerii grindinii şi a efectelor sale. • Seceta: definiţii, clasificări, efecte asupra plantelor. • Excesul de apă în sol: definiţie, efecte asupra proprietăţilor solului, consecinţe. Bibliografie (11) 1. S o l t n e r, D., 1992 - Les bases de la production végétale, T.II: Le climat. Météorologie-Pédologie-Bioclimatologie, Ed., Collection Sci. et Techniques Agricoles, Paris.

123

BIBLIOGRAFIE

BIOFIZIC Ă Cojocaru, N., 2010, 2011, 2012, 2013, - Biofizica si Agrometeorologie,Suport curs pentru platforma Moodle a USAMV Iasi Cojocaru, N., Oancea Servilia, 2014 - Biofizica si Agrometeorologie,Suport curs pentru platforma Moodle a USAMV Iasi H u g h e s, W., 1979 - Aspects of biophysics, J.Wiley & Sons, N.York. I s a c, M., 1992 - Biofizică, Univ."Al.I.Cuza" , Iaşi. I s a c, M. ş.a., 1996 - Biofizica. De la Big-Bang la ecosisteme, Ed.Tehnică, Buc. M ă r g i n e a n, D-G, 1992 - Energetica lumii vii, Ed. Edimpex-Speranţa, Buc. Oancea, Servilia, 2008 - Biofizica, Ed. PIM, Iasi Rusu,Fl., Pricop,Tr., Matei,Varvara, Cojocaru,N., 1989 - Fizică şi agrometeorologie, Caiet de lucrări practice, Inst.Agron.Iaşi. Stanciu C., 1996 – Teoria biochimic-ionică a excitabilităţii , Ed.Şt. Bucuresti. S t a n f o r d jr., A.L., 1975 - Foundations of biophysics, Academic .Press., N.York. S y b e s m a, C., 1989 - An introduction to biophysics, Academic Press, N.York. P o p e s c u, A., 1994 - Fundamentele biofizicii medicale, vol.I, Ed.All, Buc. V o l k e n s t e i n, M., 1985 - Biophysique, Ed. Mir, Moscou. AGROMETEOROLOGIE 2. Administraţia Naţională de Meteorologie, 2008 – Clima României, Edit.. Academiei Române, Bucureşti, 2008. 3. Ahrens,C.D., 1991 - Meteorology today. An introd. to weather, climate and the environment, IVth Ed., West Publ.Co., St,Paul-N.Y. 4. Cojocaru, N., 2000 - Fizică şi Agrometeorologie, Ed. HELIOS, Iasi. 5. Cojocaru, N., 2010, 2011, 2012, 2013, - Biofizica si Agrometeorologie,Suport curs pentru platforma Moodle a USAMV Iasi 6. Cojocaru, N., Oancea Servilia, 2014 - Biofizica si Agrometeorologie,Suport curs pentru platforma Moodle a USAMV Iasi 7. Erhan E., 1999 - Meteorologie şi climatologie practică, Ed. Univ. “Al.I.Cuza”, Iaşi. 8. Mihailovič Dr., Mircov Vl., Lalič Br., Arsenič Il., 2000 - Bazele observaţiilor meteorologice şi a prelucrării datelor, Ed. Eurostampa, Timişoara. 9. Moran,J.M., Morgan,M.D., 1986 - Meteorology. The atmosphere and the science of weather, Burgess Publ., Edina (USA). 10. P o p, Gh., 1988 - Introducere în meteorologie şi climatologie, Ed.Şt.Encicl., Buc. 11. Rusu,Fl., Pricop,Tr., Matei,Varvara, Cojocaru,N., 1989 - Fizică şi agrometeorologie, Caiet de lucrări practice, Inst.Agron.Iaşi. 12. S o l t n e r, D., 1992 - Les bases de la production végétale, T.II: Le climat. Météorologie-Pédologie-Bioclimatologie, Ed., Collection Sci. et Techniques Agricoles, Paris. 13. Watts A., 1994 – The Weather Handbook, 2nd ed., Waterline Books, Shrewsbury, England. 14. * * * , 1996 - Global Climate Change and Agricultural Production, F.Bazzaz, W.Sombroek Eds., FAO of UN and J.Wiley&Sons. 15. * * *, 1995 - Instrucţiuni pentru staţiile meteorologice. Efectuarea observaţiilor meteorologice şi prelucrarea lor în scopuri climatologice, I.N.M.H. Bucuresti. 16. * * * , 1982 - INDRUMAR agrometeorologic, I.N.M.H. Bucuresti. 17. Pagina de web a Organizaţiei Meteorologice Mondiale http://www.wmo.int/ 18. Pagina de web a Admin. Naţ. de Meteorologie http://www.meteoromania.ro/