Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

133
1 PARTEA I-A B I O F I Z I C A

description

Curs studenti anul I - USAMV Iasi

Transcript of Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

Page 1: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

1

PARTEA I-A

B I O F I Z I C A

Page 2: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

2

I. MĂRIMI, UNITĂŢI, MĂSURĂTORI ŞI ERORI

Descrierea cantitativă a unui sistem presupune existenţa unor mărimi,

caracteristice sistemului, măsurabile. Dar, o măsurare fizică ridică imediat două

probleme:

- alegerea unui sistem de unităţi coerent;

- fiabilitatea măsurătorii.

1.1. MĂRIMI MĂSURABILE

O mărime este măsurabilă atunci când se poate defini egalitatea şi

raportul (sau suma) a două mărimi de acelaşi fel. Numărul care măsoară o

mărime este raportul acestei mărimi şi al unei mărimi de acelaşi fel aleasă ca

unitate.

Exemplu: lungimea este o mărime măsurabilă; având două fire, ştim să definim

egalitatea lor, dacă fiind întinse rectiliniu capetele lor se suprapun; ştim să le

definim suma punându-le capăt la capăt. Alegând o unitate “etalon”, metrul

(simbol m), orice lungime se va pune sub forma: L = l m.

Dacă m este numărul care măsoară mărimea M cu unitatea UM: M = mUM; M are

dimensiunea lui UM.

Constante fizice “universale”. Nu trebuie confundate noţiunea de

constantă “matematică”, a cărei valoare fără dimensiune este fixă, (exemplu:

=3,1416...) şi cea de constantă fizică dimensională, a cărei valoare este fixă

pentru o anumită alegere a unităţilor. Exemple:

-viteza luminii în vid c=2,9979... x 108 ms

-1

-constanta atracţiei universale G=6,6720... x 10-11

m3kg

-1s

-2.

1.2. SISTEME DE UNITĂŢI: SISTEMUL INTERNAŢIONAL (SI)

1.2.1. Unităţi fundamentale

Sistemul internaţional are şapte unităţi fundamentale (tabelul următor).

Mărimea Denumirea

Unităţii

Simbolul

Lungime

Masă

Timp

Intensitate curentului electric

Temperatură termodinamică

Intensitate luminoasă

Cantitate de substanţă

Metru

Kilogram

Secundă

Amper

Kelvin

Candelă

Mol

m

kg

s

A

K

cd

mol

OBSERVAŢIE. Acestor unităţi fundamentale trebuie să li se adauge două unităţi

numite “suplimentare”:

Unghi plan

Unghi solid

Radian

Steradian

rad

sr

1.2.2. OMOGENITATEA FORMULELOR Relaţiile care descriu legile fizicii trebuie să fie omogene: aceasta impune

ca cei doi membri să posede aceeaşi unitate de măsură.

O relaţie care nu este omogenă este în mod necesar falsă şi este de dorit ca

întotdeauna să se verifice calculele literale printr-un bilanţ al omogenităţii.

Omogenitatea poate servi, în anumite cazuri, la determinarea formei unei

relaţii (analiză dimensională): expresie de tip monom g = k x y z .

Page 3: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

3

Fie m masa unui corp. Se scrie” [m] =M” şi se citeşte “dimensiunea

masei este masa (mărime fundamentală în SI)

Exemplu:

Viteza unui corp este spaţiul parcurs în unitatea de timp, v = Δs/Δt. Ecuaţia

dimensională a unei viteze se scrie [v]=[Δs]/[Δt] = L/T = LT-1

. Se citeşte

“dimensiunea vitezei este dimensiunea unui spaţiu supra dimensiunea unui

interval de timp, egală, mai departe, cu lungime (dimensiunea unui spaţiu) supra

timp (dimensiunea unui interval de timp, egal cu lungime supra timp, sau lungime

x timp la puterea minus unu. De aici, unitatea de măsură pentru viteză rezultă că

trebuie să fie unitatea de lungime supra unitatea de timp, adică 1m/s sau 1 ms-1

.

Acceleraţia este variaţia vitezei corpului în unitatea de timp, a = Δv/Δv. [a] =

[Δv]/[Δt] =LT-1

/T = LT-2

. Unitatea de măsură în SI pentru acceleraţie este, deci,

1m/s2 sau 1 ms

-2.

O relaţie de definiţie pentru forţă este cea dintre forţa rezultantă care acţionează

asupra unui corp de masă m şi acceleraţia imprimată F=ma. [F]=[m][a] = MLT-2

.

Unitatea de măsură pentru forţă rezultă 1 kg.m.s-2

(denumită “Newton”).

1.2.3. UNITĂŢI CARE NU APARŢIN SI Uneori, unitatea SI a unei mărimi este foarte mare (sau foarte mică), şi neadaptată

pentru descrierea unui domeniu al ştiinţelor fizice. Se folosesc atunci unităţi din

afara sistemului.

Lungime Angström: Å

Fermi: F

1Å = 10-10

m

1 F = 10-15

m

Masă Unitate de masă

atomică: u

1 u = (10-3

)/NA

Energie Electron-volt: Ev 1 eV = 1,6 10-19

J

Uneori, se utilizează în continuare unităţi din afara sistemului; de exemplu:

Energie Caloria: cal 1 cal = 4,184 J

Presiune bar: bar

atmosferă normală: atm

milimetru coloană de mercur

(torr): mmHg

1 bar = 105 Pa

1 atm = 1,01325 105 Pa

1 mm Hg = 133,322 Pa

(760 mm Hg = 1 atm)

1.2.4. Măsurătoare fizică O mărime fizică M este caracterizată printr-un număr rezultant dintr-o

măsurătoare şi printr-o unitate (mărime de referinţă cu care se compară M)

M = m UM

Valoarea numerică m este legată în mod direct de precizia măsurătorii: astfel, o

masă va fi determinată cu precizia cea mai mare permisă de balanţa utilizată.

O egalitate fizică nu reflectă, deci, o cunoaştere “perfectă” sau “absolută” a

mărimii: M este cunoscută cu precizia maximă permisă de erorile experimentale.

1.2.6. Legi fizice

Atunci când se studiază evoluţia unui sistem fizic, ansamblul rezultatelor

experimentale relativ la diverse mărimi M1, M2, ..., permite stabilirea unor legi

f(M1, M2, ...) = 0. Aceste legi sunt considerate ca exacte din momentul în care ele

sunt verificate cu precizia permisă de măsurătorile care se efectuează. Plecând de

la aceste legi empirice, o metodă “deductivă” permite stabilirea unui ansamblu de

consecinţe, supuse la rândul lor verificării experimentale.

Mai mult, legi simple nu descriu întotdeauna fenomenele naturale ci alege

“modele”, corespunzând unui comportament “ideal”, pentru care există legi

simple. Abaterile de la aceste legi, atunci când ele sunt măsurabile, permit

aprofundarea fenomenului complex.

Page 4: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

4

1.3. TIPURI DE ERORI DE MĂSURARE

Rezultatul oricărei măsurători este afectat de erori ale căror cauze sunt foarte

diferite. Totuşi, se poate afirma că principalele surse de erori sunt:

- mijloacele de măsurare (erori instrumentale);

- metodele de măsurare (erori de metodă);

- influenţa mediului înconjurător: temperatura, presiunea atmosferică, umezeala

aerului, câmpurile electrice şi magnetice, vibraţiile etc. (erori datorate mediului

înconjurător);

- influenţa experimentatorului: atenţia, acuitatea vizuală, capacitatea de

acomodare, experienţa etc. (erori personale);

- modelului asociat obiectului măsurat (eroare de model);

- influenţa mijloacelor de măsurare şi influenţa acţiunii experimentatorului asupra

obiectului măsurat (erori de interacţiune).

1.3.1. Clasificarea erorilor. La efectuarea unor măsurători fizice, se constată că

erorile care însoţesc măsurătorile au caracter diferit: unele erori se menţin

constante, altele variază de la o măsurare la alta, iar altele sunt foarte mari,

depăşind erorile tolerate ale mijloacelor de măsurare utilizate. Această constatare

a condus la posibilitatea clasificării erorilor de măsurare după “caracterul” lor în

trei mari categorii:

a) Eroarea sistematică reprezintă eroarea care rămâne constantă atât ca

valoare absolută cât şi ca semn, atunci când se măsoară repetat aceeaşi mărime

fizică, în condiţii practic identice, sau care variază după o lege cunoscută, atunci

când se modifică condiţiile de măsurare.

Influenţa erorilor sistematice asupra rezultatelor măsurătorilor poate fi, în

cele mai multe cazuri, cunoscută şi eliminată prin corecţii sau prin utilizarea unor

mijloace speciale de măsurare. Erorile sistematice care nu pot fi eliminate, şi care

sunt mai mici decât erorile tolerate de mijloacelor de măsurare utilizate, se

numesc erori sistematice reziduale şi se includ în grupa erorilor întâmplătoare.

b) Eroarea întâmplătoare (accidentală, aleatoare) este eroarea

involuntară care variază imprevizibil atât ca valoare absolută cât şi ca semn, când

se măsoară repetat aceeaşi mărime, în condiţii practic identice.

Să considerăm, de exemplu, măsurarea cu un cronometru a timpului de

scurgere al unui volum V de lichid printr-un tub capilar vertical. Efectuând

măsurarea de mai multe ori, se poate greşi atât la pornirea cât şi la oprirea

cronometrulul. Acest fapt va conduce la o dispersie (împrăştiere) a rezultatelor

măsurătorilor: unele măsurători vor da rezultate cu valori mai mari, iar altele cu

valori mai mici, pentru durata de scurgere t. Cum abaterile de la valoarea reală

(adevărată) a duratei de scurgere t sunt întâmplătoare, rezultatele măsurătorilor

pot fi privite ca fenomene aleatorii. Erorile aleatorii nu pot fi eliminate cu ajutorul

unor corecţii, ele se supun legilor probabilităţilor şi este posibil să se deducă,

atunci când numărul determinărilor este suficient de mare, valoarea cea mai

probabilă a mărimii de măsurat.

c) Eroarea grosolană (greşeala) reprezintă eroarea care depăşeşte

considerabil erorile cele mai probabile; astfel de erori pot apărea dacă se utilizează

mijloace de măsurare defecte sau dacă se utilizează defectuos un mijloc de

măsurare, neatenţiei experimentatorului, sau variaţiei mari a unor factori exteriori.

Rezultatele afectate de erori grosolane trebuie identificate şi eliminate din şirul

rezultatelor obţinute.

1.3.2. Erori întâmplătoare. Dacă se efectuează n măsurători directe, repetate în condiţii practic identice

(utilizând aceeaşi metodă, acelaşi instrument de măsură şi păstrând acelaşi

Page 5: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

5

experimentator) ale unei mărimi fizice, cu mijloace de măsurare şi metode de

măsurare adecvate, se obţin rezultatele individuale având valorile x1, x2, ..., xi,...,

xn. Vom considera că valorile individuale au fost corectate de erori

sistematice şi s-au eliminat cele afectate de erori grosolane (greşeli).

Erorile întâmplătoare influenţează rezultatele măsurătorilor succesive, în

condiţii practic identice, ale aceleiaşi mărimi fizice, când într-un sens, când într-

altul, ceea ce conduce la faptul că valorile individuale vor fi când mai mici, când

mai mari decât valoarea adevărată x0 a mărimii măsurate. Dacă, prin repetarea

măsurătorilor, se obţin riguros aceleaşi valori individuale, înseamnă că metoda de

măsurare utilizată nu este suficient de sensibilă.

Presupunând erorile sistematice nule, valorile individuale obţinute pentru

mărimea măsurată se grupează în jurul valorii adevărate x0 după aşa-numita curbă

a lui Gauss (riguros - densitatea de repartiţie Gauss sau densitatea de repartiţie

normală - clopotul lui Gauss), cu abateri pozitive sau negative de la valoarea

adevărată, abaterile mai mici fiind cele ce apar mai des, iar cele mai mari mai rar,

probabilitatea fiind egală pentru ambele semne ale abaterii.

Fiecare valoare individuală xi este afectată de eroarea absolută

întâmplătoare

i ix x0

în care x0 este valoarea adevărată a mărimii măsurate.

Proprietăţile erorilor întâmplătoare. S-a constatat, din practica

măsurărilor, că erorile întâmplătoare absolute i au următoarele proprietăţi:

a) Erorile i mici, în valoare absolută, sunt mai frecvente decât erorile i mai mari,

în valoare absolută; cu alte cuvinte, cazurile în care erorile întâmplătoare sunt mai

mici sunt mai frecvente decât cazurile în care erorile întâmplătoare sunt mari;

b) Toate erorile întâmplătoare sunt mai mici decât o anumită limită care ar

corespunde erorii datorate tuturor surselor de erori;

c) Dacă numărul n al măsurătorilor este suficient de mare, se constată că numărul

erorilor negative este egal cu numărul erorilor pozitive, iar suma algebrică a

erorilor întâmplătoare este foarte mică;

d) Probabilitatea de a avea o anumită eroare întâmplătoare, prin efectuarea unei

măsurători, depinde numai de valoarea absolută a erorii.

Estimarea valorii adevărate. Pe baza setului de valori individuale

x x x xi n1 2, ,..., ,..., trebuie să se găsească valoarea convenţional adevărată a

mărimii măsurate care să difere neglijabil de valoarea adevărată x0. Din condiţia

i

i

n2

1

minim

rezultă (prin calcul matematic) că, valoarea convenţional adevărată (sau valoarea

cea mai probabilă) a mărimii măsurate este media aritmetică ( x sau xm) a setului

de valori individuale ale rezultatelor măsurătorilor

xx x x

n nxn

i

i

n1 2

1

1...

Prin eroare absolută aparentă ( xi ) a unei măsurători individuale se

înţelege diferenţa între rezultatul măsurătorii individuale dintr-o serie de

măsurători succesive în condiţii practic identice şi media aritmetică x a

ansamblului rezultatelor din seria respectivă:

x x xi i

Page 6: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

6

Eroarea standard (DEVIATIA STANDARD) (S) este indicatorul

statistic care caracterizează dispersia rezultatelor obţinute într-o serie de n

măsurători efectuate asupra aceleiasi mărimi.

Sn

xn

x xi

i

n

i

i

n1

1

1

1

2

1

2

1

( )

Eroarea standard a mediei aritmetice (S x ) este un indicator statistic ce

caracterizează dispersia mediei aritmetice obţinute pe baza rezultatelor unei serii

de măsurători efectuate asupra aceleiasi mărimi

SS

n n nx x

x ii

n1

12

1( )( )

Nivel de încredere, interval de încredere. Prin nivel de încredere al

măsurării (sau nivel de confidenţă) P se înţelege probabilitatea cu care se poate

afirma că, într-o serie de măsurători, o anumită eroare aparentă nu va depăşi

eroarea care însoţeste rezultatul indicat al măsurării.

Dacă numărul de măsurători ar fi suficient de mare, rezultatul măsurării s-

ar putea scrie sub forma

x x Sx

cu P=68,3%; dacă rezultatul s-ar scrie

x x Sx

3

nivelul de confidenţă ar fi P=99,7%.

Intrucât, în practică, numărul n al măsurătorilor efectuate este relativ mic,

aceste afirmaţii nu sunt riguros exacte.

Intervalul de încredere al măsurării (sau intervalul de confidenţă)

reprezintă intervalul cuprins între valorile extreme ale rezultatului unui şir de

măsurători. Cu cât nivelul de încredere P este mai mare, cu atât şi intervalul de

încredere este mai mare.

INTREBARI

1. Ce semnificaţie are, din punct de vedere statistic, valoarea medie a

rezultatelor unor măsurători repetate în condiţii practic identice?

2. Ce semnificaţie are, din punct de vedere statistic, eroarea standard?

3. Rezultatul unui sir de măsurători ale coeficientului de tensiune superficială

pe probe din acelasi lichid, efectuate de trei persoane diferite, sunt date

astfel :

a) = 28,500 ± 0,002 N/m;

b) = 28,490 ± 0,02 N/m;

c) = 28,504 ± 0,01 N/m;

Care rezultat este cel mai precis? Care rezultat este scris incorect?

TEMA

Daţi exemple de mărimi fizice scalare şi vectoriale.

Găsiţi ecuaţiile dimensionale pentru marimile fizice pe care le cunoaşteţi .

REFERATE

Prelucrarea rezultatelor experimentale obţinute prin măsurători repetate în

condiţii practic identice experimentale o

Page 7: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

7

II. NOTIUNI DE BIOFIZICA FLUIDELOR

2.1. 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.

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 10-8

cm) 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 10

5 cm

-1. Pentru 10

5 < d < 10

3 cm

-1 sistemele

disperse formează suspensii (particulele dispersate solide) sau emulsii

(componenta dispersă lichidă).

Page 8: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

8

2.2.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).

2.2.1. 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 = l

unde coeficientul de proporţionalitate depinde de natura lichidului şi este

denumit coeficient de tensiune superficială.

De aici rezultă o relaţie de definiţie a coeficientului de tensiune superficială:

= F/l

Unitatea de măsură pentru 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

= 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 0

al solventului sunt posibile trei cazuri ( fiind coeficientul de tensiune

superficială al soluţiei):

- substanţa dizolvată nu modifică tensiunea superficială a solventului = 0 , ca

în cazul soluţiei de zahăr în apă de exemplu;

- solvitul măreşte tensiunea superficială a solventului > 0, ca în cazul soluţiilor

apoase de electroliţi;

- solvitul micăorează tensiunea superficială a solventului < 0 , 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.

Page 9: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

9

2.2.2. 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 acăionează 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

( ). 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 < < 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 < < π /2 (fig.b).

Este posibilă şi situaţia în care suprafaţa lichidului rămâne plană şi în vecinătatea

peretelui solid; în acest caz = 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

cos

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.

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

-, -HPO4

2-, 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

Page 10: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

10

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).

2.3. 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.

2.3.1. 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) substanţei care difuzează.

0 x

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.

Page 11: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

11

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

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

-5m

2/s la gaze şi 10

-10m

2/s la apă, la 20°C

şi 10-11

m2/spentru soluţii coloidale). Pentru particule coloidale de formă sferică,

coeficientul de difuzie este dat de formula lui Einstein

D = kT

6 r

unde h este coeficientul de vâscozitate dinamică al solventului, r este raza

particulei iar k - constanta lui Boltzmann.

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/dx

2): viteza de variaţie a

concentraţiei este proporţională cu variaţia spaţială a gradientului concentraţiei.

Expresia sa matematică este:

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,

Page 12: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

12

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 - c

b

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.

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),

Page 13: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

13

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

- ).

2.3.2. 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). Mambrana semipermeabilă este o membrană

care lasă să treacă prin ea moleculele solventului, dar este impermeabilă pentru

solvit (substanţa dizolvată).

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

Page 14: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

14

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

sau CRT

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

=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

i sau iCRT

unde i = 1- a(1+p)

Page 15: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

15

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 - 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: = (1 + t) = T0 0

unde p0 şi p sunt presiunile osmotice la 0 C şi respectiv la temperatura t C.

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

cu cealaltă), hipertonică (are mai mare decât cealaltă) sau hipotonică (are

mai mic decât cealaltă).

Din motivul menţionat anterior, două soluţii izoosmotice despărţite printr-o

membrană selectiv permeabilă nu sunt, de obicei, şi izotonice.

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.

MSP MSP

0,5M zaharoză 1M zaharoză 0,5Mzaharoză 0,5Mzaharoză

0,5M uree 0,5M uree

1 2 1 2

A) B)

Page 16: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

16

INTREBĂRI

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 afla cu ajutorul rezultatelor unor măsurători de presiune

osmotică?

TEME

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.

REFERATE

1) Tensiunea superficială a lichidelor biologice.

2) Capilaritatea.

3)Difuzia simplă.

4)Osmoza directă.

Page 17: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

17

III. TERMODINAMICĂ BIOLOGICĂ

3.1. 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:

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,

Page 18: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

18

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. Există 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.

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.

EXTERIOR

(θ0)

La ieşire La ieşire

senzaţie senzaţie

de “rece”. de “cald”.

θ2< θ0< θ1

CASĂ

ÎNCĂLZITĂ

(θ1)

PIVNIŢĂ

RECE

(θ2)

Page 19: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

19

3.2. 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

L A dai i

i

,

iar pentru un proces finit

L A dai iC

i

unde Ai = parametrii de forta, iar ai = parametrii de pozitie corespunzatori

contactelor i.

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.

Page 20: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

20

( )( )

( )

( )

( )

L A da dU U U Uad

i

i i12 1 2

1

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 (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.

3.3. 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,

Page 21: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

21

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-II-lea 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.

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:

dQ

T0 sau

dQ

T0 ((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:

Page 22: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

22

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 S2 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

- pentru o transformare ciclică ireversibilă S > 0.

Variaţia entropiei fiind întotdeauna pozitivă sau egală cu zero,

trensformarea reversibilă 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

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.

Page 23: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

23

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.

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

0lim0S

T

2) temperatura de zero Kelvin este inaccesibilă experimental

Temperaturi foarte joase toate substanţele (cu excepţia izotopului 3He) se

solidifică. Pentru corpurile perfect pure, răcite foarte lent, cristalul format este

ideal, având constituenţii perfect ordonaţi în reţeaua cristalină. Mişcarea de

oscilaţie termică a constituenţilor cristalului, ce constituie un factor perturbator al

ordinii, se reduce pe măsură ce temperatura scade. Stării macroscopice de ordine

totală îi corespunde o singură stare microscopică, ceea ce conduce direct la

consecinţa 1).

Din faptul că 0Slim0T

, rezultă anularea căldurilor molare şi a coeficienţilor

termodinamici, atunci când T 0.

Izoterma şi adiabata de zero Kelvin coincid.

La zero Kelvin, sistemul nu mai poate ceda căldură; energia sa este minimă.

3.5. Potenţiale termodinamice În marea majoritate a cazurilor practice, procesele termodinamice nu se produc în

condiţii adiabatice, astfel încât este utilă inecuaţia fundamentală a termodinamicii,

transcrisă pentru un gaz simplu, adică

Page 24: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

24

0TdSpdVdU

Dacă procesele au loc în condiţii în care V = const. şi T = const., această relaţie se

poate scrie sub forma

0dFTSUd

Mărimea F = U - TS se numeşte “energie liberă” sau “potenţialul lui

Helmholtz”. Deaoerece energia internă U, temperatura absolută T şi entropia S

sunt funcţii de stare, combinaţia acestora, precum şi semnul de egalitate

caracteristic proceselor reversibile, arată că şi potenţialul Helmholtz este o funcţie

de stare, a cărei valoare este constantă într-un proces reversibil şi scade până la un

minim, caracteristic stării finale de echilibru, într-un proces ireversibil. Dacă

procesele au loc în condiţiile de presiune constantă şi temperatură constantă,

relaţia ultimă devine

0TSpVUd

Introducând funcţiile

TSpVUG

pVUH

denumite “potenţialul lui Gibbs” şi respectiv “entalpie”, expresia (3.7l) devine

0dG

respectiv

0TSHd

S e poate arăta că, dacă asupra sistemului acţionează pe lângă presiunea

mecanică constantă şi forţe de natură nemecanică (de exemplu, electrice), variaţia

potenţialului lui Gibbs este egală şi de semn contrar cu lucrul mecanic al forţelor

nemecanice.

De asemenea, se poate arăta că în procese reversibile, la presiune

constantă, variaţia entalpiei H este egală cu căldura schimbată de sistem:

dTCQTdSdH pppp

Din acest motiv, entalpia se mai numeşte “funcţie de căldură” sau “conţinut

de căldură” .

Procesele naturale de temperatură şi presiune constante decurg în sensul

scăderii potenţialului Gibbs.

Pentru un sistem care nu schimbă masă cu exteriorul, dar a cărui

compoziţie chimică variază, se defineşte potenţialul chimic al unei substanţe i

prin relaţia

jjjjj VUipSipTiVTiVSi

i

ST

HGFU

,,,,,,,,,,

relaţie care arată variaţia energiei interne U, în raport cu variaţia cantităţii de

substanţă i, dacă se păstrează constante entropia, volumul şi toate celelalte

cantităţi de substanţă fizic sau chimic distincte din sistem.

3.6. 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.

Page 25: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

25

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?

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*-

Page 26: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

26

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.

INTREBĂRI

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?

10) Ce înţelegeţi prin procese cuplate?

TEME

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.

REFERATE

1) Principiile termodinamicii.

2) Termodinamica sistemelor biologice.

3) Entropie si ordine.

Page 27: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

27

IV. BIOENERGETICĂ

TRANSPORT PASIV SI ACTIV PRIN MEMBRANE 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 vm considera numai anumite proprietăţi transmembranare ale

membranei plasmatice, inorând multe alte roluri (de ex., de contact celular, etc.).

Membranele vii, acizii nucleici şi enzimele au rol central în sistemele vii,

dar pot fi privite ca obiecte de studiu capabile de existenţă şi de activitate

independent de vreo asociere cu substanţa vie. Acest lucru nu este posibil în cazul

membranei: 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!

Problema membranei este una dintre problemele centrale ale biofizicii.

Proprietăţile fundamentale ale membranei 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. Cea dintâi problemă constă

în încercarea de a determina efectivitatea acestei bariere faţă de trecerea

substanţelor diferite.

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

m

tconst

c

x. şi

c

tD

c

x

2

2

Deci, pentru a descrie difuzia este posibil fie să se determine 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.

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.

Trebuie spus că niciuna dintre aceste metode nu dă toate răspunsurile.

Aproximaţiile bazate pe ecuaţia Nernst-Planck sau pe ecuaţiile

termodinamicii proceselor ireversibile au în comun mărimi legate de forţele care

sunt prezente în sistem.

In aproximaţia Nernst-Planck, fluxul este dat de o expresie de forma

Fluxul = Mobilitatea x Concentraţia x Forţa

sau

J = cF

Page 28: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

28

unde este mobilitatea molară pe unitatea de forţă.

Deoarece orice forţă poate fi reprezentată ca gradientul ce semn negativ al

unui potenţial

F = - grad

este posibil sau să specificăm direct forţa sau să o descriem în termenii unui

gradient de potenţial corespunzător. Forţele implicate ar fi:

- o forţă datorată variaţiei potenţialului chimic prin membrană; intrucât multe

substanţe sunt presupuse libere să deplaseze în diferitele compartimente ale

celulei şI sunt prezente în concentraţii mici faţă de apă, această forţă corespunde

gradientului concentraţiei, dc/dx;

- o forţă corespunzătoare gradientului potenţialului electric, dV/dx;

- o forţă corespunzătoare gradientului presiunii, dp/dx.

După transformarea lor aşa încât toate cantităţile să se exprime în aceleaşi unităţi,

forţa totală ar fi:

RT

c

dc

dxv

dp

dxzN

dV

dxF

unde NF este numărul lui Faraday şi v volumul specific. Această suma se ia cu

semnul “-” şi se egalează cu gradientul negativ al unui potenţial introdus pentru a

reprezenta forţa netă şi numit potenţial electrochimic. Astfel:

J cRTc

dc

dx

v

RT

dp

dx

zN

RT

dV

dx

F1.

Evedent, prevederea valorii fluxului plecând de la această ecuaţie necesită

cunoaşterea efectivă a condiţiilor în care are loc transportul membranar.

Plecând de la această ecuaţie se poate obţine ecuaţia I-a a lui Fick (pentru

o subatanţă neutră electric, în absenţa unui gradient de presiune, concentraţia prin

membrană variind liniar).

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.

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 acolo 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.

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 înseşi, 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

Page 29: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

29

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.

ECHILIBRU 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

p pRT

vxII I

s

s

IIln

în care este presiunea osmotică, vs este volumul molar al solventului, xsII 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.

Echilibru 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:

II I

k

K

I

K

II

RT

z F

c

cln

sau

ext

k ext

RT

z F

c

cint

intln

in care reprezintă potenţialul electric.

Page 30: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

30

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 i

k

i

e

ln

Echilibru 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 de presiune asupra potenţialelor standard ale sării în cele două

compartimente, atunci rezultă

Page 31: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

31

c

c

c

crK

I

K

II

A

II

A

I

Raportul r este numit raport Donnan.

Legea neutralităţii electrice dictează că, în compartimentul I,

c cK

I

A

I

ţI in compartimentul II,

c c z cK

II

A

II

p p

Urmează că

rc

c

c

c z c

A

II

K

II

A

II

A

II

p 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 cK

I

K

II .

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

negativ

II I A

II

A

I

K

I

K

II

RT

F

c

c

RT

F

c

cln ln

pe direcţia transversală a membranei.

Conform definiţiei raportului Donnan,

II I RT

Frln

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

c

K

I

K

II

I zk/

,

în care indicele k se referă la speciile ionice k având sarcina zk. Ecuaţia este

aplicabilţ în cazul general.

MECANISME (MODELE) DE TRANSPORT Difuzia este, bineînţeles, implicată în transportul prin membraă; 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.

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

Page 32: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

32

decât termenul specific sugerat de permează; mecanismul cu purtător poate juca

un rol important în fenomenele de transport biologic.

MECANISMUL DE TRANSPORT PRIN “TRANSPORTOR”

(“PURTĂTOR”)

Asocierea chimică

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.

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

Page 33: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

33

conformaţională. Este 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.

Procese de transformare a energiei (energy transduction) 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

molecdulelor 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 ΔF este cea care

dirijează metabolismul; de la început până la produs ΔF este negativă şi obişnuit

mare. O valoare mare pentru ΔF 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 facre energia disponibilă; această energie este

necesară pentru procese de la deplasarea ionilor şi moleculelor în transportul

activ, până la contracţia musculară.

Energia este deasemenea stocată în forma unor compuşi insolubili, ca

amidonul şi glicogenul, compuşi care trebuie să fie prelucraţi înainte ca energia să

Page 34: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

34

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 + ΔG ΔG=-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

ΔG=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 + ΔG

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.

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

C6H12O6 + 6O2→6CO2 + 6H2O + ΔH=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 + ΔH=672 kcal/mol

Page 35: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

35

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 esenţiaql “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)h

C6H12O6 + 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 + 12H2Oh

C6H12O6 + 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

ΔG = 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

ΔG = 41 kcal

Şi la maximul de absorbţie în albastru (υ ≈670 nm)

ΔG = 65 kcal.

Al treilea singlet

excitat

Al doilea singlet

excitat

Page 36: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

36

Proces Fluorescenţă

Fotochimic

Fosforescenţă

Excitaţie Starea fundamentală

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 ~10-15

secunde.

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%.

Primul singlet

excitat Primul

triplet

excitat

Page 37: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

37

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 RuDiCO

2TP

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.

INTREBĂRI

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”)?

TEME

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!)

REFERATE

1. Respiraţia celulară.

2. Fotosinteza

Page 38: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

38

V. RADIAŢII ŞI RADIOACTIVITATE

5.1. 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 (r.n.) sunt radiaţiile care provin din nucleul atomic.

Particulele cu m0 = 0 în mişcare constituie radiaţiile electromagnetice sau

radiaţii fotonice (radiaţii gama, X).

Particulele cu m0 # 0, în mişcare, poartă numele de radiaţii corpusculare

(radiaţii alfa, beta plus, beta minus, deuteroni, protoni, neutroni).

5.2. PROPRIETĂŢI GENERALE ALE RADIAŢIILOR NUCLEARE

Radiaţiile nucleare, indiferent de tip, posedă următoarele proprietăţi generale

caracteristice:

- r.n. corpusculare sunt deviate de câmpuri electrice şi magnetice;

- ionizează gazele;

- impresionează materialele fotosensibile;

- 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.

5.3. 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.

5.4. 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 (sau viteza de

dezintegrare)

N Nt

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

(dez/s=s-1

), numită Becquerel (Bq) şi reprezintă activitatea unei surse radioactive

Page 39: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

39

în care are loc o dezintegrare într-o secundă, indiferent de numărul tranziţiilor

nucleare.

In practica este folosit un multiplu denumit Curie (Ci)

1Ci = 3,7 1010

dez/s = 3,7 1010

Bq.

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).

5.5. MARIMI SI UNITATI PENTRU MASURAREA EFECTELOR

RADIAŢIILOR 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

XQ

m

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

100Gy

Doza biologică, B, reprezintă produsul între doza absorbită D şi un factor

numit Factor de Calitate (FC sau )

B D

Unitatea de măsură în SI este Sievert-ul (1 Sv); unitatea tolerată utilizată în

practică, este numită rem

1 1100

rem Sv

Câteva valori aproximative ale factorului de calitate:

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

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 B

t

5.6. PROPRIETATILE RADIATIILOR alfa, beta şi gama

Radiatiile (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.

Page 40: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

40

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 (beta) sunt fascicule de electroni ( ) sau pozitroni ( ),

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 (W max), caracteristică nucleului beta-emiţător; nu există două nuclee

emiţătoare de radiaţii beta care să posede aceeaşi valoare pentru W max.

Ca şi radiaţiile alfa, şi radiaţiile beta suferă o atenuare cu parcurs.

Radiaţiile (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.

INTREBĂRI

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?

5) Ce este doza biologică

TEME

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.

REFERATE

Proprietăţile radiaţiilor nucleare (numai alfa, beta şi gama).

Page 41: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

41

PARTEA A II-A: AGROMETEOROLOGIE

Page 42: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

42

I. INTRODUCERE

1. DEFINIŢII

1.1. Meteorologia. Vremea şi clima.

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 se împarte în două domenii:

In primul caz, M se ocupă de 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 M 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 M. dinamice este M sinoptică,

ramură ce are ca obiect prevederea evoluţiei timpului la suprafaţa Pământului.

“Buletinul meteo” pentru public constituie obiectul M previzionale.

In al doilea caz, M se ocupă de 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

Page 43: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

43

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.

1.2. Agricultura în sensul larg al FAO

Organizaţia Naţiunilor Unite pentru Alimentaţie şi Agricultură (FAO)

acordă un sens larg termenului “agricultură” specificând în Actul său constitutiv

(Anexa 1) “...In prezentul Act, termenul agricultură înglobează pescuitul,

produsele mării, pădurile şi produsele brute ale exploataţiei forestiere”. In

conformitate cu această extensie de sens, agricultura poate fi definită după cum

urmează.

Agricultura este ansamblul activităţilor pe care le organizează oamenii în

vederea:

producerii de către plante şi animale a materiilor necesare nevoilor lor şi, mai

întâi, a nevoilor lor alimentare,

asigurării rentabilităţii acestei producţii prin obţinerea unei producţii maxime

pentru eforturi minime cheltuite sau energie utilizată.

1.3. Agrometeorologia. Etimologia sugerează o primă definiţie directă şi

simplă: agrometeorologia este aplicarea meteorologiei în agricultură.

E.A.Bernard (1992) dă o definiţie care subliniază mai bine importanţa sa practică

şi marele său impact socioecologic.

2. CONŢINUTUL AGROMETEOROLOGIEI

2.1. Probleme agrometeorologice ale producţiei agricole

Page 44: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

44

Furnizarea de avize regulate agricultorilor asupra activităţilor agricole şi a

aspectelor economice, după oportunitatea situaţiei meteorologice şi după evoluţia

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.

2.2. 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

Page 45: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

45

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.

3. OBSERVAŢIILE METEOROLOGICE

3.1. Reţeaua meteorologică naţională

Metoda de lucru în meteorologie este observaţia vizuală şi instrumentală.

Pentru efectuarea observaţiilor, în fiecare ţară există o reţea meteorologică de stat.

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.

Reţeaua de observaţii şi măsurători meteorologice este compusă din 180 staţii

meteo, 306 posturi pluviometrice, 15 staţii meteorologice automate (martie 2002),

precum şi 7 centre radar, grupate în cele 7 Centre Meteorologice Regionale.

Dintre aceste staţii, următoarele au un regim deosebit:

- Staţia meteorologică Bucureşti Afumaţi măsoară şi temperatura solului,

vizibilitatea orizontală, înalţimea bazei norilor şi radiaţia solară.

- Staţiile meteorologice Predeal, Constanţa şi Mangalia măsoară şi radiaţia

solară globală.

Staţiile meteo automate sunt programate să transmită mesaje sinoptice (24

mesaje/zi) şi mesaje de avertizare privind producerea unor fenomene

meteorologice periculoase.

Implementarea 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.

Reteaua nationala de radare meteorologice cuprinde 7 radare din care 2

Doppler (achiziţionate în anul 2000) complet automatizate. Sunt disponibile,

folosind pachetul de software EDGE, toate produsele radar standard, precum si o

serie de caracteristici optionale (probabilitate de grindina, integrare a

Page 46: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

46

precipitatiilor pe subbazine, produs de urmarire a celulelor convective, metode de

prognoza pe foarte scurta durata a campului de precipitatii).

Organul unic de coordonare pe plan mondial al activităţii tuturor

instituţiilor centrale meteorologice este Organizaţia Meteorologică Mondială

(OMM).

3.2. Staţia şi platforma meteorologică

Locul unde se efectuează majoritatea observaţiilor meteorologice este staţia

meteorologică (SM) (sau postul meteorologic).

În sens genera1, 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. Prin altitudinea staţiei se înţelege

înălţimea platfomei meteorologice deasupra nivelului mării, stabilită la baza unuia

din picioarele adăpostului meteorologic. 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.

Sub aspect funcţional, organizatoric şi economic, staţia meteorologică reprezintă o

unitate tehnico-ştiinţifică de bază aparţinând Ministerului Apelor, Pădurilor şi

Protecţiei Mediului - Regiei "Apele Române" respectiv, Institutului Naţional de

Meteorologje şi Hidrologie. Ea este încadrată cu personal de specialitate şi dotată

cu insta1aţiile şi aparatura necesară efectuării observaţiilor şi transmiterii lor,

Page 47: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

47

precum şi cu mijloace fixe (teren, clădire etc) şi adrninistrativ-gospodăreşti de

funcţionare. Activitatea staţiei meteorologice este condusă de şeful responsabilul

staţiei şi se desfăşoară după un program de activitate stabilit de serviciul

meteorologic, caruia îi aparţine şi aprobat de InstitutuI Naţional de Meteorologie

şi Hidrologie.

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

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.

3.3. 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.

Page 48: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

48

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 omo]ogare 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

Page 49: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

49

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.

Page 50: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

50

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 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.

Page 51: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

51

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. a) Platforma meteorologică standard; b) Platforma meteorologică cu

instalaţii radiometrice.

Page 52: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

52

Întreţinerea 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.

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.

Page 53: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

53

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.

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.

Page 54: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

54

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.

Ca bază pentru măsurarea timpului serveşte mişcarea aparentă diurnă a

Soarelui. Momentul când Soarele se găseşte exact la sud, adică la meridianul

locului respectiv, se numeşte “amiaza adevărată”. Intervalul de timp dintre două

amieze adevărate consecutive se numeşte “zi solară adevărată”.

Datorită neuniformităţii mişcării aparente a Soarelui în cursul anului,

durata zilelor solare adevărate nu este egală, de aceea, în meteorologie, se

foloseşte noţiunea de timp 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 ziIeIe 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. Pentru aceasta s-a convenit ca

întreguI glob pământesc să fie împărţit în secţiuni meridiane, respectiv în 24 de

fuse egale, fiecare de câte 15 grade de longitudine. Fusele se numerotează de la 0

la XXIII. MeridianuI central al fusuIui 0 este meridianul care trece prin localitatea

Greenwich, iar limitele acestui fus sunt meridianele 7º30’ longitudine vestică şi

7º30’ longitudine estică faţă de Greenwich. Pentru fusul I, meridianul central este

meridianuI dc 15º longitudine estică, iar limitele acestui f'us sunt meridianele de

7º30’ şi 22°30’ longitudine estică etc.

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.

Page 55: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

55

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;

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,

Page 56: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

56

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. Dacă nu se cunoaşte exact momentul de început sau de încetare a

fenomenului, se poate nota astfel:

dm = dimineaţa m = amiază sr = seara

am = antemeridian pm = postmeridian n = noaptea

i= intermitent

Intensitatea fenomenelor se noteazăprin cifrele

0 = intensitate mică 2 = intensitate mare

scrise sub formă de exponent (la dreapta simbolului, sus); dacă fenomenul este

moderat, se notează numai semnul fără exponent, considerându-se exponentul 1.

Exemplu:

2

- brumă groasă =

Durata fenomenelor se notează la dreapta simbolului, jos, ca indice.

Exemplu: ceaţă, produsăde la ora 5 la ora 10 se va nota:

4. 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.

4.1. 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;

5-10

Page 57: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

57

- îngheţ, dezgheţ.

4.2. 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;

- 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.

4.3. Observaţii pe platforme suplimentare

Pe platformele suplimentare se notează:

- faza de vegetaţie;

- numărul de frunze;

- starea de vegetaţie;

- coloritul lanului;

- îmburuienarea;

Page 58: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

58

- 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.

REZUMAT

Meteorologia şi ramurile sale principale.

Organizarea observaţiilor meteorologice: staţia meteorologică din reţeaua

naţională, post de observaţii meteo pentru agricultură.

Agrometeorologia: definiţii, domenii de activitate, obiective.

Organizarea observaţiilor agrometeorologice

INTREBARI

Ce este vremea şi ce este clima?

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

Descrieţi platforma meteorologicăa unei SM din reţeaua naţională?

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

Care ar fi dotarea minimăa 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?

REZUMAT

CAPITOLUL

I

Page 59: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

59

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.

IDEILE IMPORTANTE

Compoziţia atmosferei nu este fixată ci s-a schimbat prin interacţiuni

geologice şi biologice cu Pământul pe durata evoluţiei sale.

Compoziţia 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 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)

1.1. Compoziţia atmosferei

Atmosfera terestră este destul de eterogenă, masa sa principală fiind dată de

amestecul de gaze. Particulele solide 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.

ATMOSFERA ŞI RADIAŢIA CAPITOLUL

II

Page 60: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

60

1.2. 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.

2. RADIATIA SOLARA (RS)

2.1. Introducere

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.

IDEI IMPORTANTE Aerosolii din aer şi din nori împrăştie (difuzează) radiaţia solară, mărind

absorbţia şi deflexia 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

Page 61: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

61

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.

2.2. Compoziţia spectrală a radiaţiei solare (RS)

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

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.

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 infraroşii (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

Page 62: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

62

absorbite de ionosferă şi de stratul de ozon; la fel şi cele cu lungimi de undă egale

sau mai mari de 4000 nm.

2.3. 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/m

2 şi are valoarea I0 = 1,381 W/m

2 = 1,98 cal/ (cm

2. min).

RSD care cade pe o suprafaţă orizontală reprezintă insolaţia pe suprafaţa

respectivă. Intensitatea insolaţiei se exprimă tot în W/m2 (sau cal / (cm

2. 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

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).

2.4. 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

Page 63: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

63

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.

2.5. 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:

100R

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.

3. Radiaţia terestră şi atmosferică

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 m). 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 -

Page 64: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

64

90 şi 50 C domeniul lungimilor de undă ale radiaţiei atmosferice este cuprins între 3

- 100 m. 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”.

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.

4. Bilanţul radiativ-caloric la suprafaţa 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.

Atmosfera terestră şi troposfera.

Structura verticală a troposferei.

Domenii principale în spectrul radiaţiei solare.

Radiaţia solară directă, difuză; reflexia radiaţiei solare.

Radiaţia terestră şi contraradiaţia atmosferei.

Bilanţul radiativ (termic) la suprafaţa terestră (solului).

INTREBARI

REZUMAT

CAPITOLUL

II

Page 65: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

65

1. Care radiaţii solare sunt active fotosintetic?

2. Ce este radiaţia globală (totală)?

3. Ce este albedo-ul unei suprafeţe?

4. Ce este radiaţia efectivă?

5. Analizaţi, pentru diferite situaţii cunoscute (zi, noapte, cer senin, cer complet

acoperit de nori) bilanţul radiaţiv al suprafeţei solului.

Page 66: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

1

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.

1. TEMPERATURA SOLULUI (TS)

1.1. Măsurători în staţia meteorologică

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.

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, adicăalbedo-ul solurilor, influenţează gradul lor de încălzire.

TEMPERATURA SOLULUI ŞI A

AERULUI

CAPITOLUL

III

Page 67: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

2

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.

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 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:

h

h

1

365

1

191,

Page 68: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

3

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.

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 temperatădin 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.

2. TEMPERATURA AERULUI (TA)

Aerul absoarbe e doar o mică parte a radiaţiilor solare. De aceea el se

încălzeşte prin intermediul suprafeţei subiacente care îi transmite o parte din

căldura acumulata de ea.

2.1. Transferul de căldură în atmosferă

Transferul de căldură de la suprafaţa terestră către atmosferă se realizează

prin:

Page 69: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

4

-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.

2.2. Măsurarea TA în staţiile meteo

In staţiile meteorologice 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

termohigrograful sau pe suportul magnetic specific al unui PC, sub formă de

fişiere de date.

Page 70: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

5

"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.

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. 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.

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...

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,

Page 71: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

6

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.

REZUMAT

Factori care influenţează regimul termic al solurilor.

Legile propagării căldurii în sol (Fourier).

Transportul căldurii în atmosferă.

Temperatura “adevărată” a aerului în meteorologie.

Temperaturi măsurate în SM şi instrumentele de măsurare.

Prelucrarea datelor termice.

Variaţia diurnăşi anuală a temperaturii aerului.

INTREBĂRI

1. Care sunt perioadele oscilaţiilor termice ale temperaturii aerului şi solului?

2. Care sunt cele 4 legi ale propagării căldurii în sol (în adâncime)?

3. Ce este stratul cu temperaturăinvariabilă?

4. Ce reprezintă“temperatura adevărată” (în meteorologie) a aerului?

5. Ce instrumente sunt utilizate pentru măsurarea temperaturilor în SM?

6. Câte decade are, în meteorologie, o lună?

7. Cum variazătimp de o zi şi timp de un an temperatura aerului şi a solului? Este

vre-o legătură(corelaţie) între ele?

REZUMAT

CAPITOLUL

III

Page 72: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

7

1. VAPORII DE APĂ ÎN ATMOSFERĂ

1.1. UMIDITATEA AERULUI

Prin umiditatea aerului se înţelege conţinutul aerului în vapori de apă.

Umiditatea aerului se poate determina 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

VAPORII DE APĂ ŞI

PRECIPITAŢIILE

CAPITOLUL IV

Page 73: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

8

indicaţie asupra umidităţii aerului.

Punctul de rouă ( ) este temperatura la care trebuie răcit aerul la presiune

constantă, pentru ca vaporii ce-i conţine să-l satureze.

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.

2. CONDENSAREA VAPORILOR DE APĂ DIN ATMOSFERĂ

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.

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

Page 74: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

9

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 < < 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.

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;

Page 75: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

10

- 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.

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:

Page 76: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

11

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.

Page 77: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

12

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.

Page 78: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

13

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.

1 mm de precipitaţii este echivalent cu 1 l/m2.

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 (m

2) se obţine un număr de litri/m

2, adică

CDP.

Staţiile automate înregistrează CDP cu ajutorul unui traductor 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.

Clasificări

Dupăstarea 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.

Ploaia este alcătuitădin picături de apăcu diametrul de 0,5 5 mm. Cade

din norii nimbostratus, cumulus şi altostratus.

Zăpada este o precipitaţie solidăalcătuitădin 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.

Page 79: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

14

Lapoviţa este o cădere concomitentăde fulgi de zăpadăşi de picături de

ploaie. La latitudini mijlocii şi superioare, lapoviţa constituie o fazăintermediarăîn

procesul de genezăa ploii (zăpadăiniţială, 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 îngheţatăse 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 gheaţăsunt cristale de gheaţăfoarte mici, neramificate, în

formăde solzi sau bastonaşe hexagonale, care se formeazăiarna; 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 lungădurată,

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 duratămai 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.

Burniţa este alcătuitădin 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.

Page 80: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

15

REZUMAT

Umiditatea aerului; mărimi care caracterizeazăumiditatea aerului.

Determinarea umidităţii aerului în SM.

Condiţiile condensării vaporilor de apă(VA) din atmosferă.

Condensarea VA din atmosferăpe sol.

Condensarea VA din atmosferăîn stratul inferior al atmosferei.

Condensarea VA în atmosfera liberă; clasificarea internaţionalăa norilor.

Precipitaţii atmosferice: definiţie, unitatea de măsurăpentru cantitatea de

precipitaţii, măsurarea CDP în SM, clasificări, tipuri principale.

EXERCIŢII

1. Intr-un depozit de produse agricole (fructe, cartofi,...) umezeala absolutăa

aerului este aprox. constantă, ziua şi noapte, egalăcu 0,1 kg vapori de apăpe 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 întâmplăcu umiditatea relativăa aerului?

REZUMAT

CAPITOLUL

IV

Page 81: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

1

EVAPORAREA

Fenomenul de vaporizare este întâlnit la transformarea de fază, la trece din

faza lichidă în faza gazoasă. Într-o incintă limitată, un lichid se vaporizează cât

timp vaporii săi nu au atins starea de saturaţie. Într-o atmosferă nelimitată, în care

starea de saturarea nu se poate atinge, cele mai multe lichide se vaporizează

treptat până dispar complet.

Vaporizarea unui lichid prin suprafaţa sa liberă, într-o atmosferă

nelimitată, se numeşte evaporare. Aceasta are loc în imediata vecinătate a

suprafeţei lichidului unde se găsesc vaporii amestecaţi cu aer. În mod inevitabil

vapori de lichid migrează mai sus, trecând continuu în straturile mai înalte, iar în

locul lor pătrunde aer care nu conţine vapori. Deasupra lichidului presiunea scade

cea ce face ca lichidul să se evaporare neîncetat pentru a menţine presiunea de

vapori la valoarea maximă a presiunii vaporilor saturaţi.

Evaporaţiei este influentata de factori extrem de diferiţi: formula lui

Dalton arată principalii factori meteorologici de care depinde evaporarea apei

conţinută într-un vas descoperit:

în care: v - cantitatea de apă evaporată în unitatea de timp (viteza de evaporare);

(F-f) - deficitul de saturaţie, care creşte odată cu temperatura; p - presiunea

atmosferică; K - un factor care depinde de temperatura şi de viteza relativă a

aerului faţă de lichid; S - suprafaţa liberă a apei.

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 apă evaporată

corespunde la un litru pe m.p. (metru patrat).

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.

EVAPORAREA ŞI

EVAPOTRANSPIRAŢIA

CAPITOLUL

V

Page 82: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

2

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.

B.- Eprubeta evaporimetrică (tip Piche) este o eprubetă de sticlă gradată

în mm, începând de la partea superioară este prevăzută cu un inel, pentru fixarea

în suportul respectiv 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 o hârtie sugativă. 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, adică V=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: s1h1 = s2h2, 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

Page 83: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

3

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

determină de asemenea cantitatea de apă infiltrată din colector “i” obţinută din

diferenţa apei din sol şi eventual cantitatea de precipitaţii “p” căzute în timpul

considerat. Cantitatea de apă evaporată este: e = (p-i)-(m2-m1). Diferenţa (m2-m1)

este exprimată în grame, iar (p-i) în mm, se transformă masa din grame în mm,

împărţind valoarea ei la 50.

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 = t / (t + 15) ( Ig + 50)

în care: =0,40 pentru ETp lunarăşi =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)

Page 84: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

4

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 = . .Em

unde: Etp=evaporaţia potenţială în mm pentru o perioadă oarecare; Em=

evaporarea măsurată în adăpost cu un evaporimetru, în mm, în perioada

considerată; =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, = 0,37; = 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.

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,

Page 85: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

5

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 utilizabilă

(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

Page 86: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

6

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.

REZUMAT

Evaporarea în condiţii de laborator (formula lui Dalton).

Măsurarea evaporării: evaporimetrul PICHE, evaporimetrul de sol.

Evapotranspiraţia, evapotranspiraţia potenţială, calculul ETp.

Evapotranspiraţia potenţială măsurată (Etpm), evapotranspiraţia maximă Etmax.

Cantitatea de apă disponibilă. Deficitul de apă: pluviometric şi agricol.

INTREB|RI

1. Ce se poate spune despre evaporarea în condiţii de laborator analizând formula lui

Dalton?

2. Ce este evaporarea, evapotranspiraţia, evapotranspiraţia potenţială?

REZUMAT

CAPITOLUL

V

Page 87: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

1

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

PaPascalm

N 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).

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).

Page 88: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

2

Variaţia pe orizontală

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 îmbunătăţeşte 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.

Page 89: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

3

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 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.

Presiunea atmosferică a fost pusă în evidenţă şi măsurată pentru prima

data de către Toricelli în 1643. El a efectuat o experienţă care în prezent stă la

baza construcţiei barometrelor cu mercur. Un tub de sticlă cu lungimea de 1 m,

închis la un capăt, care este umplut cu mercur, se cufundă într-un vas cu mercur.

Se observă că mercurul din tub coboară şi după câteva oscilaţii, se fixează la o

înălţime de aproximativ 76 cm deasupra nivelului din vas. Acest lucru se explică

astfel: presiunea hidrostatică p exercitată de coloana de mercur din tub se

transmite integral în tot mercurul şi, sub acţiunea sa, nivelul mercurului din vas ar

trebui să crească. Însă asupra mercurului din vas se exercită presiunea atmosferică

p0, sub acţiunea căreia nivelul mercurului din vas ar trebui să coboare. Când cele

două presiuni sunt egale, se stabileşte echilibrul, şi nivelul mercurului din tub

rămăne constant.

Prin urmare, presiunea atmosferică este egală cu presiunea exercitată de o

coloană de mercur cu înălţimea h.

p0 = p = gh

Inlocuind valorile mărimilor = 13,6 x 10-3

kg/m3, g = 9,81 m/s

2 şi h = 0,76 m,

se obţine valoarea

p = 1,013 x 105 N/m

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.

Page 90: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

4

Descreşterea presiunii cu înălţimea se poate determina şi prin calcul.

Astfel, pentru înălţimea până la circa 500m se foloseşte formula lui Babinet:

h tm

p p

p p16000 1 2 1

0 1( )

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 tm

p

p18400 1 0( ) log

Sisteme barice

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

Page 91: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

5

anticiclonică şi şaua barometrică).

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 anticiclonică este o formaţiune barică alungită, de presiune

Page 92: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

6

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 barometrică 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 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).

REZUMAT

Presiunea exercitată de aer depinde de atracţia gravitaţională , de masa şi de

energia cinetică a moleculelor gazelor care compun aerul atmosferic.

Presiunea atmosferică şi densitatea aerului scad foarte rapid cu altitudinea, dar

Page 93: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

7

atmosfera nu are o limită superioară definită clar.

Diferenţele între caracteristicile maselor de aer determină diferenţe de la un

loc la altul între valorile presiunii atmosferice la suprafaţă (reduse la nivelul

mediu al mării). Modificări ale temperaturii sau ale concentraţiei vaporilor de apă

sau ale ambelor afectează densitatea aerului şi presiunea atmosferică.

Modificări relativ mici ale presiunii atmosferice la suprafaţă pot fi însoţite de

modificări importante ale vremii.

Vremea şi mersul vremii sunt determinate de însuşirile maselor de aer şi

de deplasarea acestora.

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

DINAMICA ATMOSFEREI

Page 94: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

8

este relativ uniformă.

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.

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.

Tipuri geografice principale de mase de aer

In Europa, 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.

Page 95: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

9

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.

Fronturile atmosferice

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

orizontaţă 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.

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

Page 96: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

10

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 curenţi.

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.

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.

Aer

Aer

Cald Aer Rece

cald Aer Rece

Anafront

Catafront

Page 97: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

11

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 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 liniştite şi vânturile de slabă intensitate la sol;

durata precipitaţiilor este, în medie, de 12-16 ore.

Page 98: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

12

Frontul cald

Front rece de ordinul I

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. Răcirea

Page 99: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

13

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.

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 liniştite ale frontului cald

fuzionează cu norii convectivi şi aversle frontului rece.

Page 100: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

14

Fronturi ocluse

Lanţurile muntoase exercită o acţiune perturbatoare asupra fronturilor

atmosferice în deplasare, deformându-le atât pe verticală, cât şi pe orizontală.

Page 101: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

1

I. TEMPERATURA

A - ACTIUNEA TEMPERATURII ASUPRA DEZVOLTARII

1.Termoperiodismul anual reprezintăsensibilitatea 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 primavarăşi al unor

graminee, care înfloresc chiar semănate după trecerea iernii.

Altele, dimpotrivă, au nevoie absolutăde frig. Este cazul sfeclei de zahăr şi

al altor plante bianuale care nu pot săînfloreascăîn primul an.

Pentru alte specii, în sfârşit, frigul nu produce decât o accelerare a

începutului înfloririi. Este cazul majorităţii cerealelor de iarnă.

2.Vernalizarea desemneazăorice tratament prin frig, al seminţelor sau al

plantelor. Distrugerea frecventăa semănăturilor de cereale, datorităfrigului din

timpul iernii, a facut ca ruşii săse intereseze de tratamentul prin frig al cerealelor

de iarnăpentru a le face sălege rapid în cazul semănăturilor de primavară.

Semănate primăvara, cerealele de toamnănecesitau un timp prea îndelungat pentru

a lega, ceea ce le expunea la pălire la sfârşitul primăverii sau la începutul verii.

Procedeul, numit "iarovizare", constăîn umezirea semiţelor, ceea ce antreneazăun

foarte uşor demaraj al germinării, şi apoi în supunerea, pe o anumitădurată, la frig.

Normele variazămult dupătipul grâului şi, mai ales, dupăvarietăţi. Iarovizarea

este o vernalizare.

Alte exemple de vernalizare: forţajul lalelelor şi conservarea în camerărece a

plantelor de căpşuni.

B - ACŢIUNEA TEMPERATURII ASUPRA CREŞTERII

1. Termoperiodismul zilnic. O plantăsupusăla aceeaşi temperaturănoaptea şi ziua

creşte mai puţin bine decât dacătemperatura nocturnăeste mai coborâta decât cea

de zi.

2. Temperatura actioneaza asupra vitezei de crestere. Douăplante puse în

aceleaşi condiţii de umezealăşi de hrană, dar supuse la temperaturi diferite, vor

atinge aceeaşi talie şi acelaşi randament, dar cea care va beneficia de o

temperaturămai ridicatăva atinge aceastătalie mai repede. Temperatura

INFLUENŢA FACTORILOR CLIMATICI

ASUPRA CREŞTERII ŞI DEZVOLTĂRII

PLANTELOR

CAPITOLUL

VI

Page 102: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

2

acţioneazăasupra vitezei de creştere, altfel spus, asupra timpului necesar pentru a

realiza aceastătalie.

3. Creşterea se opreşte sub un prag - zero-ul de vegetaţie, şi deasupra unui

plafon. Creşterea este slabăsau nulăatâta 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, pânăla un

plafon peste care creşterea este stopatăde reacţia plantei la excesul de căldură:

25-30 C pentru culturile din zona temperată, cu diferenţe între specii şi soiuri.

4. Suma temperaturilor : măsurăa creşterii şi a dezvoltării.

Intre acest prag şi plafon, creşterea este proporţionalăcu temperatura. Pentru a

urmări creşterea şi dezvoltarea culturilor, se adunătemperaturile medii diurne, mai

mari decât zero-ul de vegetaţie, pe o anumităperioadă, rezultatul fiind numit suma

temperaturilor pentru perioada respectivă; perioadele de interes pot fi diferitele

fenofaze ale culturii sau chiar întreaga perioadăde vegetaţie.

Se pot astfel aprecia: exigenţele totale de căldurăale unei anumite culturi sau ale

unei anumite varietăţi; starea de avansare a culturii în curs, în raport cu necesarul

său total de căldură.

II. LUMINA

A. ACTIUNEA LUMINII ASUPRA DEZVOLTARII:

FOTOPERIODISMUL

Se numeşte fotoperiodism, sensibilitatea plantelor la duratele variabile

ale zilelor şi ale nopţilor. Aceste durate influenţeazăasupra 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.

1. Plante de zile scurte. Se ştie căplantele de crizantemănu 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 sumăa

temperaturilor de patru ori mai mică! Crizantema este deci o planta tipicăde zile

de scurtădurată, adicăa cărei înflorire este indusăde reducerea iluminatului.

Page 103: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

3

2. Plante de zile lungi. Grâul de toamnăeste tipul de plantăde zile lungi:

înflorirea sa este favorizatăde creşterea duratei zilei. Din acest motiv, limita de

nord a acestei culturi urcăfoarte sus. Intr-adevar, cu cât urcăm către nord, cu atât

este disponibilăo cantitate mai micăde caldură, dar cu atât creşte durata zilei, ceea

ce accelereazăînflorirea şi deci creeazăposibilitatea de a fi cultivat.

Măslinul este deasemenea o plantăde 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 egalăcu cea a nopţii.

Fotoperiodismul explicăde ce sunt dificil de cultivat anumite culturi la alte

latitudini decât cele de unde sunt ele originare. Porumbul, de ex., plantăde

origine tropicală, deci de zile scurte, a trebuit sa sufere o lungăselecţie pentru a

putea cultiva la latitudini mai mari. Acelaşi efort se face şi pentru soia.

4 - Efectul combinat temperatura - durata a zilei. Pentru anumite culturi,

cerinţele fotoperiodice se adaugănevoilor de vernalizare. Este cazul grâului de

toamnăcare 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 sensibilădecât o varietate tardivă, fie la creşterea duratei zilei, fie la cea a

temperaturii.

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

La graminee, inducţia floralăse deruleazăîn doi timpi: inducţia primară, mai ales

datoratăfrigului, fărăîndoialăşi zilelor scurte; inducţia secundarădatoratăcreşterii

lungimii zilelor. Aceastăsuccesiune explicăde ce toţi lăstarii din acelaşi picior de

graminee vor urca în acelaşi timp, deşi unii, mult mai tineri, au o duratăa inducţiei

primare foarte scurtă. Inducţia secundarădatoratăzilelor lungi asigurăgruparea

lăstarilor primăvara.

B - ACTIUNEA LUMINII ASUPRA CREŞTERII :

FOTOSINTEZA

Influenţa factorilor climatici asupra intensitaţii fotosintezei.

1. Influenţa conjugatăa conţinutului de CO2 din aer şi a intensităţii

luminoase. O mărire a conţinutului de CO2 permite creşterea intensităţii

Page 104: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

4

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.

2. Randamentul fotosintezei. RS din domeniul vizibil, singura susceptibilăde a

avea rol în fotosinteză, reprezintă45%. Aproape 80% din aceste radiaţii, adică35%

din radiaţia globalăce ajunge la sol, sunt absorbite de către frunzăşi utilizabile

pentru fotosinteză. Cloroplastele absorb aceste radiaţii mai ales în domeniile

culorilor albastru şi roşu. Fotosinteza cuprinde douăfaze: o reacţie de luminăsau

fotochimica, a cărei intensitate depinde de energia luminoasăprimită, şi nu de

temperatură; o 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 evolueazăastfel:

a) Randamentul luminii absorbite de celula clorofilianăeste în medie de 20%

(10-40%). Altfel spus, 20%, în medie, din energia luminoasăvizibilăabsorbităde

frunzăeste transformatăîn energie chimică. Dar, dacăeste raportat la întreaga

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

mult mai mic.

b) Randamentul energetic la scara frunzei devine 35% x 20% = 7%.

Aceastăvaloare medie poate varia de la 2-3% pânăla 12-15% în cazurile

următoare:

- La intensităţi luminoase foarte slabe (2000 lux), energia fixatăîn raport cu

energia primităde frunzăpoate atinge cifre ridicate: 12-15%, cu o

aprovizionare perfectăcu apă, dioxid de carbon, elemente minerale.

- Pe masurăce intensitatea luminii creşte, aceastăaprovizionare poate sănu fie

suficient de rapidăşi coeficientul de conversie energeticăscade (cu toatăcreşterea

importantăîn valoare absolutăa fotosintezei): pentru multe plante din zonele

temperate (grâu, trifoi alb, trifoi violet...) frunza atinge punctul său de saturaţie în

luminăla cca. 20-30000 lux, în timp ce într-o zi însorităde varăintensitatea

luminoasăpoate 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…, continuăsă-şi

măreascăactivitatea lor fotosinteticăpânăla 60 000 lux, şi pot săatingăla

aceastăiluminare coeficienţi de conversie de 5-6% din energia primită.

Page 105: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

5

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 întâmplăşi din cauza aprovizionării insuficiente cu apă.

c) 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.

d) Randamentul energetic al fotosintezei la scara unei culturi. O

culturăreprezintăo superpoziţie de frunze a căror suprafaţătotalăeste

superioarăcelei 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, procentul de

energie incidentăabsorbităde cultură. Dar, în acelaşi timp în care frunzele se

întreţes, ele se acoperă, îşi fac umbră, sunt mai puţin luminate, ceea ce, făcând

săscadăintensitatea luminoasăprimită, creşte randamentul fotosintezei; pânăla un

prag sub care, din lipsăde lumină, randamentul fotosintezei scade din nou. Dacă,

de ex., o frunzăizolatăîn plinăluminănu converteşte energia primitădecât cu un

coeficient de 3%, frunzele mai puţin expuse fac conversia cu un coeficient de 5-

6%. Totuşi, ceea ce face săscadăcel mai mult randamentul fotosintezei pe unitatea

de suprafaţăcultivată, este perioada de întrerupere a culturii; din acest motiv,

conversia de energie luminoasăpe cultură, redusăla unitatea de suprafaţă, va

scădea la 1-2% şi chiar sub 1%.

3. Creşterea randamentului conversiei energiei solare de către plantele

cultivate se poate realiza 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.

Page 106: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

6

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 săse 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 aceastăconstatare, ar fi de preferat o politică de “punere în

vegetaţie” într-o opticăproductivăşi ecologică:

culturi alimentare, utilizabile de către om în mod direct sau dupătransformare

industrială.

culturi furajere celulozice care trebuie sătreacă, 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.

III. APA. ACţIUNEA LIPSEI SAU EXCESULUI DE APĂ

A - APA ŞI DEZVOLTAREA PLANTELOR

1. În câteva cazuri o anumită“nevoie de uscăciune” favorizeazăînceputul

înfloririi. Este cazul, de ex., lucernei, al arborior fructiferi: seceta

favorizeazăinducţia florală. Un exces de apăîn perioada de înflorire se traduce şi

printr-o pierdere de polen, sau prin proasta fecundare a florilor.

2) Adesea, lipsa de apăacţioneazădefavorabil 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“perioadăcritică”. Ea este mai

Page 107: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

7

scurtădacăplanta nu emite decât o singurăinflorescenţăsau spic (cazul porumbului)

şi, cu atât mai lungă, cu cât înflorirea este mai etajată(sorg, soia…).

Incidenţa secetei este în mod evident mai gravăîn primul caz decât în al

doilea: o plantăcu o singurăinflorescenţăsau spic nu poate prinde fecundarea sa

dacăeste perturbatăde secetă, în timp ce o plantăcu înflorire etalatăpoate beneficia

de o perioadămai umedăcare săsucceadăsecetei pentru a emite şi fecunda noi flori,

şi a compensa astfel (mai mult sau mai puţin) efectul secetei.

B - APA ŞI CREŞTEREA

1. Coeficientul de transpiraţie sau eficienţa apei

Datele experimentale conduc la douăconstatări importante:

* anumite culturi exportămai multăapădecât altele;

* acest export se repartizezăpe perioade foarte diferite, dupăcum este vorba de

culturi cu sezon de vegetaţie scurt sau lung. Cantitatea de apă pe care o

evaporăplanta pentru a sintetiza 1 g de SU este variabilăcu cultura şi este

denumităcoeficient de transpiraţie. Valoarea sa, întotdeauna importantă,

oscileazăîntre 300 şi 700 g de apă/g de SU formată.

Aceastăcantitate depinde de specie dar şi de:

-abundenţa apei în sol: planta face un “consum de lux” dacăsolul este foarte

umed. Drenajul micşoreazăconsiderabil coeficientul de transpiraţie.

-bogăţia solului şi fertilizarea: îngrăşământul micşoreazăcoeficientul de

transpiraţie.

Coeficientul de transpiraţie mai este numit “EFICIENŢA APEI”.

Eficienţa apei este cu atât mai puternicăcu cât cererea este mai slabă. Altfel

spus:

-când cererea este slabă(iarna), datorităunei evapotranspiraţii slabe, creşterea

ierbii este, în general, slabădin lipsăde căldurăşi de lumină. Dar greutatea de SU

formatăîn raport cu apa consumatăeste mare: eficienţa apei este ridicată;

-atunci când cererea este medie (primăvara), eficienţa apei este medie, şi cum

aprovizionarea cu apăşi factorii de producţie, ca temperatura şi iluminarea sunt

buni, producţia de SU este, în general, la maximul său.

2 - Plantele răspund în mod diferit la lipsa de apă

Datele experimentale aratăîn creşterea unei plante intervin douăstadii:

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

Page 108: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

8

-apoi o creştere foarte activăa organelor reproducătoare, florile, apoi

seminţele sau fructele.

Dar efectul lipsei apei asupra creşterii totale a plantei, şi în definitiv asupra

randamentului său, se repercuteazăîn mod diferit, dupăfelul culturilor:

-unele, am văzut, au posibilităţi slabe de a-şi redobândi randamentul dacăo

perioadăumedăsuccede 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 recolteazănu boabele ci

organele vegetative. Este cazul sfeclelor de zahăr sau furajere şi al plantelor din

fânaţuri. Oprirea vegetaţiei, legatăde secetă, poate fi urmatăde o bunăreluare

odatăcu reântoarcerea ploilor. De unde cea mai mare regularitate a randamentuli

sfeclelor faţăde porumb.

Dar consecinţele lipsei de apădepind de asemenea şi de aptitudinea culturii

de a utiliza apa din sol, de unde importanţa înrădăcinării:

-plantele cu înrădăcinare puternicărezistămult mai bine la secetădecât cele cu

înrădăcinare mai slabăşi care se reînnoieşte în fiecare vară;

-floarea soarelui, prin înrădăcinarea sa puternică, cerealele de toamnăcare au

mai mult timp decât cerealele de primăvarăpentru a-şi coborâ profund rădăcinile,

rezistămai bine la secetă.

O înrădăcinare care depinde şi de lucrările solului: lucrările care

limiteazăînrădăcinarea, măresc sensibilitatea culturilor la secetă.

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

anumităsecetăşi de asemenea aceste rădăcini sunt mai hrănitoare în anii secetoşi.

Totuşi, şi apa poate ameliora cantitatea de zahăr.

b) Creşterea excesivăa celulelor fructelor dăuneazăgustului şi procesului

de conservare; din acest motiv se încearcăsăse obţinăfructe a căror mărime

sădepindămai mult de diviziunea celularădecât de creşterea acestora.

Page 109: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

9

Aceastăcreştere excesivăeste determinatămai ales de irigaţii efectuate cu întârziere

şi de potasiu (potasiul dilatăcelulele), de unde necesitatea găsirii, pentru fiecare

specie, perioadelor celor mai favorabile pentru irigare, a dozelor optime, a unor

tehnici care economisesc apa.

c) In viticulturăpare admis faptul căexistăun raport invers între aportul de

apăşi calitatea vinului. Cu toate acestea, existăunele soiuri nobile pentru care

conţinutul în zahăr al mustului (sau gradele alcoolice probabile) creşte moderat cu

cantitatea de apăutilizatăde plantă; invers existăalte 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, dacăacest aport mai

creşte, îl face săscadă.

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.

IV. VANTUL

La viteze moderate, efectul său este benefic; el favorizezăschimburile 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

nefavorabilădacăse considerădiseminarea posibilăa sporilor de ciuperci, a

insectelor parazite şi a eventualilor poluanţi atmosferici.

Atunci când vântul atinge o anumităforţă, el exercită3 categorii de efecte

dăunătoare:

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;

Page 110: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

10

-pagube datorate stropilor cu săruri marine aduşi de furtunile din zona

litorală(pânăla mai mult de 20 km);

-pagube produse clădirilor: magazii, sere şi solarii acoperite cu folii din

materiale plastice, tunelelor de zarzavaturi....

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.

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.

REZUMAT

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.

INTREBĂRI

1. Ce este zero-ul de vegetaţie?

2. Ce este fotoperiodismul?

3. Ce se înţelege prin eficienţa apei?

4. Care sunt efectele importante, mai frecvente, produse de vânturi cu frecvenţe şi

viteze mari?

ACCIDENTE CLIMATICE

(FENOMENE METEOROLOGICE

DĂUNĂTOARE AGRICULTURII)

CAPITOLUL

VII

REZUMAT

CAPITOLUL

VI

Page 111: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

11

Prin accidente climatice se înţeleg accidentele produse vegetaţiei şi/sau

mediului de către condiţii climatice extreme. Ele pot fi provocate de temperatură,

vânt şi precipitaţii şi produc, ocazional, scăderi importante ale producţiei agricole;

ele sunt denumite calamităţi agricole.

I. ÎNGHEŢURILE

1. ÎNGHEŢUL DE IARNĂ

Îngheţurile de iarnăse produc datorităsosirii unei mase de aer rece care

invadeazăculturile şi antreneazăo răcire importantă. Ele sunt denumite advective

sau îngheţuri negre (datorităaspectului luat de vegetale dupăîngheţ). Brutalitatea

apariţiei şi amploarea scăderii temperaturii determinăimportanţa pierderilor

ocazionale de recoltă, în zona temperată, la cerealele de toamnă.

Prezenţa unui strat de zăpadăizoleazăsolul şi protejeazăvegetaţia joasă.

Acesta limiteazăpierderile termice ale solului şi atenueazărăcirea.

Factorii climatici locali (topografia, starea solului, prezenţa pădurilor,

etc….) creeazăcondiţii microclimatice particulare care modificăcirculaţia aerului

rece. Între douăparcele destul de apropiate, diferenţele de temperaturăpot

săatingămai multe grade Celsius. Unele parcele sunt astfel mai expuse pericolului

răcirilor. Pierderile ocazionale de recoltăîn cazul acestora sunt întotdeauna mai

importante.

Acţiunea îngheţului asupra celulelor determinăproducerea unor efecte

mecanice şi biochimice.

- În ţesuturi se formeazăcristale de gheaţă: dacăîngheţul este progresiv, acestea

se formeazăîn spaţiile intercelulare. Celulele pierd o parte din apăpentru formarea

cristalelor ele deshidratându-se. Ţesuturile rezistăla aceastăpierdere de apăşi la

prezenţa cristalelor. La dezgheţ, apa intercelularăeste reabsorbităde către celule.

Dacăîngheţul este brutal, cristalele, mici şi numeroase, se formeazăchiar în celule,

care pot astfel sămoară.

- 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 datorităîngheţului cerealelor sunt pagube foliare, în

Page 112: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

12

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

dacăîncănu s-a format thallus-ul.

Rezistenţa la frig (RF) a cerealelor de toamnădepinde de plantăşi 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, dupăo perioadăcălduţă, şi este însoţit de vânt, cu atât gerul

este mai periculos. Călirea plantei printr-o perioadăde îngheţ progresiv, absenţa

vântului, stratul de zăpadă, permit cerealelor săreziste 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 modeleazăsuprafaţa.

2. ÎNGHEŢUL DE PRIMĂVARĂ

Îngheţurile de primăvarăsunt determinate de răciri nocturne ale solului şi

culturilor, cu atât mai grave cu cât vegetaţia este mai avansată. Ele mai sunt

numite îngheţuri albe, datorităformării frecvente a cristalelor de gheaţăla

suprafaţa solului şi a plantelor.

Mecanismul îngheţurilor de primăvară. Răcirea nocturnăse produce

datorităpierderilor de căldurăprin următoarele trei fenomene fizice şi climatice:

-Radiaţia terestrănocturnă. Unele condiţii meteorologice, pedologice şi

culturale, ca şi topografice, accentueazăpierderile. Aceste pierderi termice sunt cu

atât mai intense noaptea cu cât cerul este mai senin: norii şi ceţurile formeazăun

ecran care trimite înapoi către sol o parte din aceastăradiaţie.

-Pierderi prin evaporare: trecerea apei lichide în fazăgazoasă, accentuatăatunci

când aerul este uscat, consumăcăldură, evaporarea determinând răcirea solului, a

vegetalelor şi a atmosferei.

-Pierderi prin convecţie sau advecţie: dacăo masăde aer rece se găseşte

deasupra unei mase de aer cald, aerul rece are tendinţa de a înlocui aerul cald prin

Page 113: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

13

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.

Condiţii care favorizeazăsau limiteazărăcirea nocturnă.

a) Factori meteorologici:

- Absenţa norilor favorizeazăradiaţia terestră, deci răcirea;

-Umezeala ridicatăsau uscăciunea aerului: cu cât aerul este mai uscat, cu atât el

lasăsăscape radiaţia terestră. Cu cât aerul este mai umed, dimpotrivă, cu atât el se

opune mai mult răcirii. In plus, aerul umed favorizeazăproducerea fenomenului de

rouăcare furnizeazăcăldurăsolului şi plantelor. O diferenţămare 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, favorizeazărăcirea. 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 săse acumuleze în zonele joase, a căror

temperaturăva 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. Dacăsolul este în pantă,

dimpotrivă, acest aer rece se scurge lent şi se acumuleazăîn vale.

- Obstacolele. Perdelele de arbori (mai ales cele pe taluz) şi boschetele pot

contribui în bine sau înrău la drenarea sau la retenţia aerului rece. Ideal ar fi săse

poatăproteja livezile sau viile în amonte, cu perdele care săreţinăaerul rece sau să-l

canalizeze în afara zonei cu culturi sensibile şi săse evite, dimpotrivă, reţinerea

aerului rece în aval. Ceea ce nu este întotdeauna uşor în practică.

- Starea solului. Pierderea de căldurăa plantelor trebuie săfie compensată, cât mai

mult posibil, de radiaţia termicăa solului. Pentru ca aceasta săpoatăurca din

straturile profunde ale solului şi săradieze, sunt necesare: (i) o suprafaţădegajatăde

iarbăsau de paie; (ii) un contact cât mai perfect posibil între stratul superficial al

solului şi cel din profunzime.

Page 114: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

14

- Umezeala solului. Ca şi tasarea, aceasta favorizeazăacumularea de căldurăîn

timpul zilei şi cedarea sa noaptea. Dar se ştie că, în caz de vânt, răcirea solurilor

umede poate fi superioarădin cauza evaporării.

- Culturile vecine. Din cauza deplasării posibile a aerului rece, culturile vecine

influienţeazădestul de mult asupra tendinţei de îngheţ a livezilor şi viilor.

Terenurile înţelenite (pârloagele), păşunile întinse se comportăca surse de frig în

raport cu solul gol.

- Cultura vegetalăîn cauză. Consecinţele răcirii depind chiar de cultura însăşi: de

varietate şi, mai ales, de stadiul vegetativ.

Lupta contra îngheţurilor de primăvară.

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,

adicărespectarea vocaţiei naturale a fiecărei zone. Pentru determinare acestora este

indispensabilăcunoaşterea 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

parcelăsensibilăla 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 dacăaceasta se face în

amonte, deoarece va asigura o protecţie foarte bunăcontra aerului rece.

- Evitarea speciilor şi a varietăţilor cu înmugurire precoce în zonele cele mai

predispuse la îngheţ.

- Menţinerea în stare goalăşi tasatăa solului din livezi şi vii. Aceastăcerinţăeste

de multe ori greu de împăcat cu interesul agronomic.

b) Prevederea şi avertizarea îngheţurilor de primăvară.

- 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.

Page 115: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

15

- Urmărirea evoluţiei riscului de îngheţ nocturn prin cunoaşterea în timp real a

datelor măsurate de staţia meteorologicălocală. Se poate prevedea riscul de îngheţ

pentru noaptea care urmeazăşi plecând de la observaţii şi măsurători efectuate la

fermă. O indicaţie teoreticăasupra riscului de îngheţ este datăde diferenţa între

temperaturile termometrului uscat şi umed, măsurate cât mai târziu posibil seara:

cu cât diferenţa dintre aceste douămăsurători este mai mare (deci aerul mai uscat),

cu atât este mai mare riscul de îngheţ nocturn. Dar aceasta nu este decât o

indicaţie sumarăpentru căsituaţia poate evolua foarte rapid în timpul nopţii: cerul

senin, seara, poate deveni acoperit în timpul nopţii, sau dacăcerul 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

indicăaşa-numitul “indice actinotermic”), care sădeclanşeze un semnalizator

sonor atunci când este atinsăo temperaturăcritică. In acest caz, se poate declanşa

în timp util dispozitivul de luptăcontra îngheţului, dacăacesta existăbineânţeles..

Mijloacele de luptăactivăcontra îngheţurilor de primăvară.

- Crearea de ceţuri artificiale sau fumigaţie.

- Incălzirea, practic inabordabilădin cauza preţului combustibilului petrolier.

- Aspersiune - acolo unde existăreţea de irigaţii.

Mijloacele de luptăcurative: tratamentul cu Ghiberelină.

II. GRINDINA

1. Mecanismul formării.

Căderile de grindinăsunt produse de norii Cumulonimbus. Picăturile de

apăşi cristalele de gheaţăcarea constituie norul sunt repartizate astfel:

- între bazăşi izoterma de 0°C, picături de apă;

- între nivelul de 0°C şi cel de -40°C, picături de apălichidăşi câteva

cristale de gheaţă;

- între nivelul -40°C şi limita superioară, cristale de gheaţă.

Cristalele de gheaţăcresc şi formeazăgrăunţi de gheaţăde talie mică(de

ordinul a 1 mm) care sunt denumiţi măzăriche (grindinămăruntă) (sau

embrioni de boabe de grindină). Dacănu le reţine nimic, aceste grăunţe de

gheaţăcad, se topesc în timpul căderii sub nivelul de 0°C şi ajung pe sol sub

Page 116: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

16

formăde ploaie. Dar în norul cumulonimbus pot interveni condiţiile dinamice

deosebite: purtaţi de curenţii ascendenţi, embrionii boabelor de grindinăpot

continua săcreascăcolectând alte picături: se formeazăgrindina şi mărimea

boabelor creşte. Curenţi de 100 km/h pot astfel săsusţinăboabe de grindinăde

pânăla 40 mm în diametru.

2. PAGUBELE PRODUSE DE GRINDINĂ.

Pagubele produse de grindinăse caracterizeazăprintr-o mare variabilitate în

timp şi în spaţiu. In România, toate regiunile pot fi atinse de grindină, dar în grade

diferite. La scarălocală, se observădeasemenea o mare variabilitate între zone,

comune, ferme şi chiar grupe de parcele, fărăca cineva săpoatăexplica

aceastăvariabilitate.

Căderile de grindinăsunt 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 dăo medie multianualăde 0,7 zile pe an. La nivelul

ţării, anul 1997 a fost însăun an cu multe cazuri de grindină.

In ceea ce priveşte pagubele produse culturilor, există, pentru fiecare

culturăşi funcţie de stadiul său de vegetaţie, o energie cineticăa căderii de

grindinăsub care nu existăpagube (prag 0%) şi un alt prag peste care are loc

distrugerea totalăa recoltei (prag 100%).Măsura relaţiilor între parametrii fizici ai

grindinii şi pagubele produse nu sunt încăcunoscute.

Grindina fiind foarte localizatăîn spaţiu, dar adesea gravăprin efecte,

fenomenul poate ruina un agricultor, deşi la scara unei colectivităţi este deseori

mai puţin distrugătoare decât pagubele produse din alte cauze.

3. LUPTA ÎMPOTRIVA GRINDINII.

Pânăîn prezent în nici o ţarădin lume lupta împotriva grindinii nu şi-a

dovedit eficacitatea, nici măcar parţială.

Lupta pasivă.

In unele ţări dezvoltate, se utilizau plase din materiale plastice suspendate

pe stâlpi deasupra culturii, singurul mijloc de luptăeficace şi în prezent; astăzi

acestea practic nu se mai utilizeazădecât pe unele livezi deosebite datorităpreţului

ridicat al petrolului din care se fabricămasele plastice.

Lupta activă.

Page 117: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

17

a) Principiul modificării. Datăfiind energiile considerabile puse în joc de

furtuni, nu este de imaginat săse încerce modificarea dinamicii norilor. Rămâne de

încercat săse acţioneze asupra structurii lor microfizice, ajutând picăturile de

apăsăse transforme în cristale mici de ghiaţăsau în embrioni de grindină.

b) Tunuri antigrindinăşi rachete explozive. La sfârşitul secolului XIX şi

începutul secolului XX au fost în vogătunurile verticale antigrindină;

abandonate pe la 1914, se pare căacestea îşi găsesc noi partizani.

Intre 1936 şi 1950, locul tunurilor a fost luat de rachete

paragrindinăexplozive. Cu acestea se produceau explozii mai aproape de baza

norilor; rachetele produceau, ca urmare a exploziei, pe lângăunda 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.

c) Insămânţarea norilor cu iodurăde argint. Introducerea de nuclee

artificiale de îngheţ suplimentare ar trebui săfavorizeze formarea mult mai multor

grăunţi de grindină, şi mult mai mici, care săse topeascăîn cădere. Ca sursăastfel

de nuclee, cea mai utilizatăeste iodura de argint (AgI).

Practica actualădin unele ţări (de ex., Franţa) cuprinde trei tehnici: (i)

lansarea unor rachete de joasăaltitudine (1200...1900 m) care elibereazăfoarte

local şi în locuri imprecise 16...18 g de AgI; (ii) însămânţarea din avion, care

plaseazăsubstanţa 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 dificilăde justificat atâta timp cât rezultatele nu pot fi

garantate; (iii) emisia de AgI de pe suprafaţa solului, metodăcare constăîn

emisia masivăîn stratele joase de nuclee pentru a mări concentraţia în alimentarea

norului, dar care nu garanteazăînsămânţarea în interiorul norului Cumulonimbus.

In tot cazul, indiferent de rezultatele experimentelor şi de metodele

folosite, singura posibilitate practicăeste de a compensa parţial pierderile prin

asigurarea recoltelor şi prin subvenţii de la stat!

III. SECETA

1. Definiţie, clasificare.

Prin secetăse înţelege existenţa unui deficit hidric în raport cu o stare

normală sau maximală.

Page 118: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

18

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 apăabsorbităşi cea cedată; fenomenul se acutizeazădacăacest

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 umezealăîn 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, pedologicăşi mixtă.

Seceta atmosferică este determinatăde lipsa totalăa precipitaţiilor în

perioade îndelungate de timp sau prezenţa lor în cantităţi insuficiente, însoţită de

creşterea temperaturii aerului. Dacăseceta atmosfericăeste de lungăduratăsolul se

usucăşi apare seceta pedologică. Când seceta pedologicăeste asociatăcu cea

atmosfericăse produce seceta mixtă.

La noi în ţară, perioadele de secetăse pot produce în toate anotimpurile

anului. Astfel secetele de primăvarăse dezvoltăpe fondul unei umidităţi scăzute

din cauza precipitaţiilor reduse din perioada rece. Atunci vegetaţia culturilor este

mult îngreunatăşi chiar dacăulterior revin ploile, efectele secetei nu pot fi

înlăturate.

2. Efecte asupra plantelor.

Conceptul de secetă (sau uscăciune) implicăcel 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 viaţăîncetinită;

pentru boabele uscate coeficientul de hidratare coboarăsub 10%. In cursul

vegetaţiei, la un deficit important şi prelungit ţesuturile vegetale pot sămoară.

Efectul secetei depinde de durata şi de intensitatea sa, adicăde

condiţiile climatice, dar şi de rezerva de apădin sol şi de natura şi de stadiul de

dezvoltare al plantei.

Page 119: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

19

Secetele de varădin timpul înfloritului determinămicşorarea numărului de

boabe, sterilitatea spicului de grâu, iar în cazul pomilor şi viilor, influenţeazăşi

recolta anului viitor datorităslabei dezvoltări a mugurilor. Seceta de

toamnăafecteazăcerealele de toamnăîn perioada germinării, încolţirea decurge

lent şi plantele intrăîn iarnăinsuficient dezvoltate.

IV. 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. Efextele sale pot lua mai multe forme:

A. 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 infiltreazăuşor, degradarea este minimă; numai

atunci când solul este obturat şi când saturarea se prelungeşte coloizii se umflăşi

fisurile care separăagregatele dispar şi structura redevine compactă, aceasta se

degradează. In perioada umedă, tasarea accelereazăaceastădegradare zdrobind

agregatele devenite plastice.

Ingheţul solului saturat de apă, îl fac mai compact făcând săurce cantităţi mari de

apăcare, la dezgheţ, rămân mult timp la suprafaţă.

Excesul de apădiminueazăstabilitatea structuralăa solului prin dispersarea

coloizilor şi prin împiedicarea activităţii biologice.

Diminuează aerarea solurilor şi le fac mai reci. Apa de saturaţie

ocupăansamblul spaţiilor în mod normale ocupate de aer; deoarece este nevoie de

o cantitate de căldurămai 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 apăaccelereazădecalcifierea 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 disperseazăuşor, făcând structura mai instabilă, mai compactăşi mai

impermeabilă.

Excesul de apăface 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.

Page 120: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

20

Dăuneazăproprietăţilor 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.

B. Consecinţele excesului de apă

Creşterea costului lucrărilor, din cel puţin douămotive:

- dificultăţi de propulsie: aderenţa scade şi creşte patinarea roţilor tractoarelor şi

maşinilor agricole; durata lucrărilor creşte, şi odatăcu aceasta cheltuielilor cu

carburanţi şi manoperă;

- dificultăţi de efectuarea a lucrărilor: peste o anumităvaloare a umezelii, scade

coeziune şi creşte adeziunea, efortul de tracţiune se măreşte, şi bulgării, în loc săse

spargă, se deformeazăşi se comprimă.

Din aceste motive, perioadele favorabile pentru lucrăriloe solului sunt mai scurte

decât pentru un sol sănătos şi agricultorul este silit săse 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

lungădatoritătemperaturii 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; aceastăpiedicăeste cu atât mai gravăcu cât,

aceste soluri, mai mult decât altele, au nevoie de aceste lucrări.

c) prin creşterea necorespunzătoare a plantelor: sensibilitatea la excesul de

apăeste 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 apăhivernal decât

păioasele;

- mărul şi piersicul suferămai mult de asfixiere decât părul.

Page 121: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

21

d) prin imposibilitatea practicării unor culturi mai bănoase.

- Crearea de piedici în creşterea animalelor:

a) Parazitismul intern găseşte un mediu favorabil, iar acesta perturbăgrav

creşterea şi impune cheltuieli mari pentru tratamente multiple.

b) Perioadele de păşunat sunt scurtate, în favoarea stabulaţiei - mai costisitoare

şi mai puţin sănătoasă- din douămotive: evitarea, începând din vară, contaminării

animalelor tinere şi limitarea degradării solurilor.

REZUMAT

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.

INTREBĂRI

1. Care sunt efectele produse de îngheţ asupra celulelor vegetale?

2. Care sunt factorii principali care determină rezistenţa la frig a cerealelor de

toamnă?

3. Cum se produc îngheţurile târzii de primăvară? Care sunt factorii care

favorizeazăşi care sunt cei care limitează răcirea nocturnă?

4. Ce este indicele actinometric?

5. Care dintre mijloacele de luptă împotriva grindinii prezentate vi se pare cel mai

fundamentat ştiinţific?

REZUMAT

CAPITOLUL

VII

II3

Page 122: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

22

EXEMPLU DE

BULETIN AGROMETEOROLOGIC

EMIS DE

I.N.M.H. BUCUREŞTI

Page 123: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

23

Caracteristici meteorologice

Pe ansamblu vremea a fost calda si chiar caniculara, instabilitatea atmosferica

semnalandu-se indeosebi spre sfarsitul intervalului in cea mai mare parte a regiunilor agricole.

Ploile sub forma de aversa si torentiale, insotite de descarcari electice si intensificari temporare

ale vantului au fost insemnate cantitativ pe areale extinse din sudul, estul si centrul tarii.

Pe unele suprafete din Moldova (jud. Neamt, Vrancea, Galati), Oltenia (jud. Dolj,

Valcea), Dobrogea (jud. Constanta) si Muntenia (jud. Arges, Calarasi, Giurgiu, Teleorman si

Dambovita) s-a inregistrat grindina cu diametrul cuprins intre 3-30 mm care a produs daune (10-

100%) la culturile de camp si pomi-viticole. Local, in Oltenia si Transilvania, vantul cu aspect de

vijelie asociat cu grindina de dimensiuni 3-5 mm a afectat partial aparatul foliar la culturile

prasitoare, precum si lastarii si rodul format (rupere, frangere, cadere) la speciile pomi-viticole.

De asemenea, in judetul Galati/Tecuci, ploile abundente au provocat inundarea unor terenuri

agricole in special in zonele de lunca, iar in sudul si centrul Transilvaniei, precipitatiile torentiale

au determinat descoperirea semanaturilor si excese temporare de apa la suprafata solului.

Regimul termic al aerului:

temperaturile medii diurne: 17...25 C, mai ridicate cu 1…9 C fata de valorile medii

multianuale, in majoritatea zonelor de cultura;

temperaturile minime: 8...19 C la nivelul intregii tari;

temperaturile maxime: 21…31 C in cea mai mare parte a regiunilor agricole, atingand

chiar 32…34 C in cele sudice, estice si vestice.

Regimul termic al solului la data de 1 Iunie:

temperaturile minime la suprafata solului: 8...20 C in toata tara.

temperaturile maxime la suprafata solului: 19…64 C la nivelul intregului teritoriu

agricol.

temperatura medie diurna a solului la adancimea de 10 cm:

20…23 C, in sud-estul si nord-vestul Transilvaniei, sud-estul Banatului si al

Baraganului, nord-vestul Moldovei, estul Crisanei, sud-vestul Dobrogei, precum si

local in nordul Munteniei;

24…26 C, in Maramures, cea mai mare parte a Transilvaniei, Crisanei, Banatului,

Olteniei, Munteniei, vestul si nord-estul Moldovei, nordul si sud-estul Dobrogei;

27…29 C, in sud-estul Moldovei, centrul Dobrogei, nord-estul si nord-vestul

Munteniei, sud-vestul Olteniei. Fig. 1.

Regimul termic mediu diurn al solului a favorizat intensificarea proceselor de crestere si

dezvoltare la culturile de primavara aflate in fazele de rasarire, formare si dezvoltare a aparatului

foliar.

DIAGNOZA

26 Mai – 1 Iunie 2005

Page 124: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

24

Regimul pluviometric

Precipitatii in intervalul 25-31 Mai:

reduse cantitativ si chiar absente, 0-10 l/mp, in Maramures, cea mai mare parte a

Banatului si Dobrogei, nord-vestul Transilvaniei, nord-estul si sud-vestul Crisanei,

nord-vestul Olteniei, pe suprafete extinse din jumatatea de nord a Moldovei, izolat in

vestul si estul Munteniei;

semnificative, 11-25 l/mp, in cea mai mare parte a Transilvaniei, Crisanei, sudul si estul

Banatului, centrul si nord-vestul Olteniei, nordul si nord-estul Munteniei, nordul si sud-

vestul Dobrogei, sud-estul, centrul si nord-estul Moldovei;

insemnate cantitativ, 26-50 l/mp, in nord-vestul si sud-vestul Moldovei, sud-estul

Transilvaniei, estul Olteniei, centrul si sud-estul Munteniei, izolat in nord-vestul

Dobrogei;

abundente, 51-103 l/mp, in sudul Munteniei. Fig. 2.

Page 125: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

25

Precipitatii in intervalul 1-31 Mai:

reduse cantitativ, 17-25 l/mp, izolat in nord-estul Dobrogei;

semnificative, 26-50 l/mp, in cea mai mare parte a Dobrogei, local in nord-vestul

Transilvaniei si sud-vestul Banatului;

normale, 51-100 l/mp, in Maramures, cea mai mare parte a Crisanei si Banatului, areale

extinse din jumatatea de vest a Transilvaniei, nord-vestul si sud-estul Olteniei, centrul,

estul si sud-vestul Munteniei, nord-vestul si sud-vestul Dobrogei, centrul si sud-estul

Moldovei;

excedentare, 101-191 l/mp, in cea mai mare parte a Moldovei si Munteniei, jumatatea

estica a Transilvaniei, centrul si nord-estul Olteniei, sud-estul Banatului, local in estul

Crisanei. Fig. 3.

Precipitatii in intervalul 1 Septembrie 2004-31 Mai 2005:

cantitati deficitare, 185-400 l/mp, in raport cu cerintele optime ale culturilor agricole, in

cea mai mare parte a Dobrogei, nord-estul si sud-estul Munteniei, centrul si sud-estul

Page 126: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

26

Mpldovei, sud-estul Olteniei;

satisfacatoare, 401-500 l/mp, in cea mai mare parte a Moldovei, Transilvaniei si

Munteniei, nordul Crisanei, sudul Olteniei, extremitatea vestica a Dobrogei;

optime, 501-700 l/mp, in Maramures, cea mai mare parte a Banatului, sudul Crisanei,

nordul si sud-estul Transilvaniei, suprafete extinse din nordul Olteniei si al Munteniei;

excedentare, 701-870/mp, in sud-estul Banatului si al Crisanei, nord-vestul Olteniei.

Fig. 4.

De mentionat ca pe parcursul celor 9 luni din acest an agricol, regimul pluviometric a

inregistrat deja valori satisfacatoare si optime pe aproape intreg teritoriul agricol si chiar

excedentare in zonele sud-vestice, ceea ce semnifica caracterul de an ploios pentru aceste areale.

Caracteristici agrometeorologice

In aceste conditii, in cultura graului de toamna aflata in faze cu cerinte maxime fata de apa

(inspicare, inflorire, formarea si umplerea bobului), rezerva de umiditate pe profilul 0-100 cm, se

situeaza in limite apropiate de optim si optime in majoritatea zonelor de cultura.

Continutul de umiditate, pe adancimea 0-20 cm, in cultura de porumb, se mentine la valori

optime si apropiate de optim pe aproape intreg teritoriul agricol, iar pe suprafete extinse din sudul

si centrul tarii se semnaleaza excese de umiditate.

Pe unele suprafete din Banat, Dobrogea, vestul Moldovei si estul Crisanei, in prezent solul

este uscat la suprafata, cu crusta compacta si crapaturi usoare si umed in restul teritoriului.

Rezerva de umiditate accesibila plantelor de grau de toamna in stratul de sol 0-100 cm, la data

de 1 Iunie:

apropiata de optim si optima, 1250-2025 mc/ha, in Oltenia, Banat, Crisana, Maramures,

cea mai mare parte a Transilvaniei, Munteniei si Moldovei, extremitatea de vest a

Dobrogei;

satisfacatoare, 900-1250 mc/ha, in cea mai mare parte a Dobrogei, local in sud-estul

si nord-vestul Moldovei, nord-vestul Transilvaniei, izolat in vestul si nord-estul

Munteniei. Fig. 5.

Page 127: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

27

Rezerva de umiditate accesibila plantelor de porumb in stratul de sol 0-20 cm, la data de 1

Iunie:

excedentara, 550-700 mc/ha (cu 2-20% peste CAu), in cea mai mare parte a Munteniei,

estul si sudul Olteniei, sud-estul Transilvaniei, local in nord-vestul si sud-vestul

Moldovei;

apropiata de optim si optima, 300-550 mc/ha, in Banat, Crisana, Maramures, cea mai

mare parte a Moldovei, Dobrogei, Olteniei si Transilvaniei, estul, nord-estul si nord-

vestul Munteniei;

satisfacatoare, 240-300 mc/ha, doar in sud-estul Dobrogei. Fig. 6.

Page 128: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

28

Starea de vegetatie a culturilor agricole

Ritmurile de crestere si dezvoltare la culturile agricole au fost accelerate ca urmare a

regimului termic din aer si sol deosebit de ridicat pe fondul resurselor de apa din sol situate in

limite apropiate de optim si optime in majoritatea zonelor agricole.

Orzul de toamna din zonele sud-estice se afla in faza de maturitate lapte (40-

100%), iar nord-vestul Transilvaniei parcurge inspicarea (90-100%) si inceputul infloririi (10-

20%), starea de vegetatie mentinandu-se pe ansamblu buna si foarte buna in culturile semanate in

epoca optima. Uniformitatea si vigurozitatea plantelor se prezinta medie si buna, aparatul foliar

este format dintr-un numar total de 12-14 frunze, talia plantelor variaza intre 55-90 cm, densitatea

intre 450-500 plante/mp, iar numarul de spiculete intre 16-24/spic.

In functie de data semanatului, la graul de toamna se semnaleaza fazele de burduf (60-

75%), inspicare (95-100%), inflorire (10-100%) in cea mai mare parte a zonelor de cultura, iar

local in sudul Munteniei si al Dobrogei s-a inregistrat formarea si umplerea bobului (10-80%).

Starea de vegetatie se mentine buna si foarte buna indeosebi in culturile efectuate in epoca optima

si fertilizate din jumatatea de sud a tarii, iar in restul teritoriului, aceasta este medie si buna.

Plantele prezinta un numar de 15-21 spiculete/spic, bine

dezvoltate, iar densitatea oscileaza intre 450-510 plante/mp si talia intre 80-115 cm. In

semanaturile tardive, vigurozitatea este medie si slaba, densitatea variaza intre 300-400

plante/mp, iar lanurile prezinta neuniformitati in dezvoltare (50-80 cm inaltime) si culoare (verde-

galbui). Pe unele suprafetele se semnaleaza atac slab si moderat cu diferiti agenti patogeni (fainare,

rugina) si daunatori (plosnita cerealelor), iar gradul de imburuienare este mediu.

La porumb predomina infrunzirea (50-100%) in majoritatea zonelor de cultura, iar in cele

centrale si nordice, precum si pe suprafetele reinsamantate din estul si vestul tarii, rasarirea (40-

100%). Starea de vegetatie este in general buna si medie, aparatul foliar totalizeaza 4-10 frunze,

inaltimea plantelor atinge 20-30 cm, iar densitatea variaza intre 40.000-51.000 plante/ha. In

culturile semanate pe parcursul lunii mai, gradul de rasarire este diferentiat (30-100%),

vigurozitatea si dezvoltarea plantelor este neuniforma in talie (8-20 cm) si culoare (verde si

galben), iar densitatea mai redusa, 31.000-36.000 plante/ha.

Floarea soarelui a inregistrat un ritm viguros de infrunzire (12-16 frunze), culturile

prezentand o densitate de 48.000-52.000 plante/ha si o stare de vegetatie pe ansamblu buna si

foarte buna in semanaturile efectuate in epoca optima din jumatatea de sud a tarii. In culturile

Page 129: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

29

infiintate la inceputul lunii mai predomina fazele de rasarire (70-80%) si aparitia primelor perechi

de frunze adevarate (60-100%), vigurozitatea si uniformitatea plantelor fiind medie si buna.

La ambele culturi, pe unele suprafete din estul si sud-estul tarii se inregistreaza atac de

ratisoara (Tanymecus dilaticollis).

In Moldova si Transilvania, cultura de cartof si-a continuat rasarirea (10-100%), formarea

si cresterea lastarilor laterali (10-80%), butonizarea (40-50%) si chiar inflorirea (10-20%) la

soiurile timpurii. Densitatea se situeaza intre 8-17 plante/5 m liniari, lungimea lastarilor este de 15-

50 cm, iar starea de vegetatie, in general buna. Totodata, se semnaleaza atacul gandacului de

Colorado.

Sfecla de zahar din centrul tarii parcurge infrunzirea (6-11 frunze), uniformitatea si

vigurozitatea plantelor este buna, iar densitatea de 73.150 plante/ha.

La speciile samburoase (cais, piersic) predomina fazele de crestere a fructelor (60-90%)

si lastarilor (14-23 cm), precum si infrunzirea (12-13 frunze), iar la soiurile extratimpurii si

timpurii de cires din sudul Moldovei si al Olteniei s-a continuat coacerea in parga si chiar a inceput

recoltarea. Cele semintoase (mar, par) se afla in fazele de formare si dezvoltare a rodului (70-

90%), cresterea lastarilor (8-12 cm) si infrunzirea (5-8 frunze).

In majoritatea podgoriilor, la vita de vie s-a continuat infrunzirea (7-13 frunze), cresterea

lastarilor (15-70 cm), iar la soiurile timpurii din Banat, Transilvania si sudul Moldovei, inflorirea

(15-25%). De asemenea, local se semnaleaza atac de daunatori (omizi defoliatoare si paianjeni) si

agenti patogeni (mana, fainare).

La orzoaica de primavara din Dobrogea a inceput faza de burduf (10-20%),

plantele prezinta 9-10 frunze in total, din care 1-2 bazale sunt uscate, iar talia variaza intre 40-45

cm.

Lucrarile agricole (prasile mecanice si manuale, tratamente fitosanitare) s-au

desfasurat intens in majoritatea zonelor, indeosebi pe suprafetele unde umiditatea solului a permis

intrarea utilajelor in camp.

PROGNOZA

2 – 8 Iunie 2005

Page 130: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

30

Caracteristici meteorologice

In general vremea se va mentine calda si instabila in cea mai mare parte a zonelor de

cultura.

Temperatura medie diurna a aerului va oscila intre 15…23 C, mai ridicata cu 1…3 C

fata de mediile multianuale, in majoritatea regiunilor agricole.

Temperatura maxima a aerului va fi cuprinsa intre 19…31 C, la nivelul intregii tari,

atingand local pragul biologic critic (32 C) al plantelor agricole.

Temperatura minima a aerului se va situa intre 6…18 C, in toata tara.

Temperatura medie diurna a solului la adancimea de 10 cm se va incadra intre

22…29 C, la nivelul teritoriului agricol, limite favorabile pentru continuarea proceselor de

crestere si dezvoltare a aparatului foliar la culturile prasitoare.

Se intrevad precipitatii sub forma de averse, insotite de descarcari electrice si intensificari

temporare ale vantului. In prima parte a intervalului ploile vor fi mai frecvente in jumatatea de

vest, dupa care aria acestora se va extinde in majoritatea regiunilor agricole.

Caracteristici agrometeorologice

In aceste conditii, rezerva de umiditate in stratul de sol 0-100 cm, in cultura graului de

toamna va inregistra valori optime si apropiate de optim in majoritatea regiunilor agricole, ceea ce

va asigura necesarul de apa al plantelor aflate in fazele de consum maxim (inspicare, inflorire,

formarea si umplerea bobului).

Aprovizionarea cu apa a solului pe adancimea 0-20 cm, in cultura de porumb, se va situa

in limite optime si apropiate de optim pe aproape intreg teritoriul agricol, procesele de crestere si

dezvoltare a aparatului foliar desfasurandu-se in conditii hidrice optime. Izolat, pe terenurile de

lunca si cu drenaj defectuos din sudul si centrul tarii vor mai fi posibile baltiri de apa la suprafata

solului.

Starea de vegetatie a culturilor agricole

In majoritatea zonelor, regimul termic din aer si sol asociat cu o stare de aprovizionare cu

apa a solurilor apropiata de optim si optima va asigura ritmuri de vegetatie intense la toate culturile

agricole.

Orzul de toamna din zonele sud-estice isi va continua faza de coacere lapte (60-

100%), sporadic chiar inceputul maturitatii ceara (10-15%), iar in nord-vestul Transilvaniei,

inflorirea (30-50%), starea de vegetatie mentinandu-se in general buna si foarte buna in special in

semanaturile efectuate in epoca optima.

La graul de toamna vor predomina fazele de burduf (80-100%), inspicare (50-

100%), inflorire (30-100%) in majoritatea regiunilor, iar local in sudul Munteniei si al Dobrogei se

va continua formarea si umplerea bobului (30-100%). In culturile efectuate in epoca optima starea

de vegetatie se va mentine buna si foarte buna, indeosebi pe suprafetele fertilizate din jumatatea de

sud a tarii, iar in restul teritoriului, medie si buna. In semanaturile tardive, vigurozitatea va fi pe

ansamblu medie si slaba, lanurile prezentand neuniformitati in dezvoltarea aparatului foliar si

culoare. Umiditatea ridicata din culturi va determina cresterea gradului de atac al agentilor

patogeni, indeosebi fainare si rugina, precum si daunatori la spic (plosnita cerealelor/Eurygaster

sp.).

Porumbul se va afla in faza de infrunzire (70-100%) in cea mai mare parte a teritoriului,

iar in zonele centrale si nordice, precum si pe suprafetele reinsamantate, rasarirea (65-100%).

Starea de vegetatie se va mentine in general buna si medie, vigurozitatea plantelor si starea fito-

sanitara fiind buna. In culturile semanate pe parcursul lunii mai se va continua de asemenea

Page 131: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

31

rasarirea (55-100%), dezvoltarea aparatului foliar fiind neuniforma in talie si culoare, iar gradul de

imburuienare ridicat ca urmare a precipitatiilor inregistrate.

In jumatatea de sud a tarii, la floarea soarelui infrunzirea se va desfasura in conditii

normale (14-18 frunze), culturile prezentand o stare de vegetatie pe ansamblu buna si foarte buna

in semanaturile efectuate in epoca optima. In culturile tardive se va finaliza rasarirea si dezvoltarea

primelor perechi de frunze adevarate (80-100%), vigurozitatea si uniformitatea plantelor fiind in

general medie si buna.

In bazinele estice si centrale, cartoful isi va continua rasarirea, formarea si

cresterea lastarilor laterali (30-100%), butonizarea (60-70%) si inflorirea (30-40%) la soiurile

timpurii, starea de vegetatie mentinandu-se in general buna.

Sfecla de zahar din Transilvania va parcurge infrunzirea (8-13 frunze), uniformitatea si

vigurozitatea plantelor fiind buna si medie.

La speciile samburoase (cais, piersic) vor predomina fazele de crestere a rodului

(80-100%) si lastarilor (16-25 cm), precum si infrunzirea (14-15 frunze), iar la soiurile

extratimpurii si timpurii de cires din sudul Moldovei si Olteniei se va continua maturitatea

tehnologica si recoltarea. Speciile semintoase (mar, par) se vor afla in fazele de crestere si

dezvoltare a rodului (80-100%), cresterea lastarilor (10-14 cm) si infrunzirea (7-10 frunze).

La vita de vie se va semnala in continuare infrunzirea (9-15 frunze), cresterea lastarilor

(17-74 cm), iar la soiurile timpurii din Banat, Transilvania si sudul Moldovei, inflorirea (25-35%).

Izolat, se va mentine pericolul extinderii atacului de daunatori (omizi defoliatoare si paianjeni) si

agenti patogeni (mana, fainare).

La orzoaica de primavara din Dobrogea se va continua faza de burduf (30-50%), starea de

vegetatie fiind pe ansamblu buna si foarte buna, functie de agrotehnica aplicata.

Lucrarile agricole de sezon (prasile mecanice si manuale, tratamente fitosanitare,

erbicidari) vor fi temporar intrerupte in special pe suprafetele unde starea hidrica a solului nu va

permite intrarea in camp.

Continuarea aplicarii tratamentelor fito-sanitare in culturile de camp si pomi-

viticole;

Combaterea buruienilor (erbicidari, prasile manuale si mecanice) in culturile

prasitoare.

Page 132: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

32

CUPRINS

PARTEA I-A: BIOFIZICA

CAP.I. MĂRIMI, UNITĂŢI, MĂSURĂTORI ŞI ERORI . . . . . pag. 2

CAP.II. NOTIUNI DE BIOFIZICA FLUIDELOR . . . . . . . . . . . . . . . 6

CAP. III. TERMODINAMICĂ BIOLOGICĂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

CAP. IV. BIOENERGETICĂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

PARTEA A II-A: AGROMETEOROLOGIE

CAP.I. I. INTRODUCERE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 CAP. II. ATMOSFERA ŞI RADIAŢIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

CAP.III. TEMPERATURA SOLULUI ŞI A AERULUI . . . . . . . . . . 65

CAP.IV. VAPORII DE APĂ ŞI PRECIPITAŢIILE . . . . . . . . . . . . . 71

CAP.V. EVAPORAREA ŞI EVAPOTRANSPIRAŢIA . . . . . . . . . . . 79

CAP.VI. INFLUENŢA FACTORILOR CLIMATICI

ASUPRA CREŞTERII ŞI DEZVOLTĂRII PLANTELOR . . . . . . . 84

CAP.VII. ACCIDENTE CLIMATICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

BULETIN AGROMETEOROLOGIC . . . . . . . . . . . . . . . 106

BIBLIOGRAFIE

BIOFIZICĂ

1. H u g h e s, W. - Aspects of biophysics, J.Wiley & Sons, 1979, N.York.

2. I s a c, M. - Biofizică, Univ."Al.I.Cuza" , Iaşi., 1992.

3. I s a c, M. ş.a. - Biofizica. De la Big-Bang la ecosisteme, Ed.Tehnică, Buc., 1996.

Page 133: Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru

33

4. M ă r g i n e a n, D-G - Energetica lumii vii, Ed. Edimpex-Speran]a, Buc., 1992.

5. Stanciu C. – Teoria biochimic-ionică a excitabilităţii, Ed.Şt. Buc., 1996.

6. S t a n f o r d jr., A.L. - Foundations of biophysics, Academic .Press., N.York,

1975.

7. S y b e s m a, C. - An introduction to biophysics, Academic Press, N.York, 1989.

8. P o p e s c u, A. - Fundamentele biofizicii medicale, vol.I, Ed.All, Buc., 1994.

9. V o l k e n s t e i n, M. -Biophysique, Ed. Mir, Moscou, 1985.

AGROMETEOROLOGIE 1. Administraţia Naţională de Meteorologie – Clima României, Edit.. Academiei

Române, Bucureşti, 2008.

2. Ahrens,C.D. - Meteorology today. An introd. to weather, climate and the

environment, IVth

Ed., West Publ.Co., St,Paul-N.Y., 1991.

3. Cojocaru, N. - Fizică şi Agrometeorologie, Ed. HELIOS, Iasi, 2000.

4. Erhan E. - Meteorologie şi climatologie practică, Ed. Univ. “Al.I.Cuza”, Iaşi,

1999.

5. Linacre Edw., Geerts B. - Climates & Weather Explained ROUTLEDGE,

London-New York, 1997.

6. Mihailovič Dr., Mircov Vl., Lalič Br., Arsenič Il. - Bazele observaţiilor

meteorologice şi a prelucrării datelor, Ed. Eurostampa, Timişoara, 2000.

7. Moran,J.M., Morgan,M.D. - Meteorology. The atmosphere and the science of

weather, Burgess Publ., Edina (USA), 1986 .

8. P o p, Gh.- Introducere în meteorologie şi climatologie, Ed.Şt.Encicl., Bucu.,

1988.

9. Rusu,Fl., Pricop,Tr., Matei,Varvara, Cojocaru,N. - Fizică şi

agrometeorologie, Caiet de lucrări practice, Inst.Agron.Iaşi, 1989.

10. S o l t n e r, D. - Les bases de la production végétale, T.II: Le climat.

Météorologie-Pédologie-Bioclimatologie, Ed., Collection Sci. et Techniques

Agricoles, Paris, 1992.

11. Watts A. – The Weather Handbook, 2nd

ed., Waterline Books, Shrewsbury,

England.

12. * * * - Global Climate Change and Agricultural Production, F.Bazzaz,

W.Sombroek Eds., FAO of UN and J.Wiley&Sons, 1996.

13. * * * - Instrucţiuni pentru staţiile meteorologice. Efectuarea observaţiilor

meteorologice şi prelucrarea lor în scopuri climatologice, I.N.M.H. Buc., 1995.

14. * * * - INDRUMAR agrometeorologic, I.N.M.H. Buc., 1982.

15. Pagina de web a Organizaţiei Meteorologice Mondiale http://www.wmo.int/

16. Pagina de web a Administraţiei Naţionale de Meteorologie

http://www.meteoromania.ro/