Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru
-
Upload
andrei-ovidiu -
Category
Documents
-
view
183 -
download
8
description
Transcript of Biofizica Agrometeorologie Curs Prof Cojocaru
1
PARTEA I-A
B I O F I Z I C A
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 .
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.
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
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
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
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).
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.
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
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.
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,
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),
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
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)
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)
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.
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,
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)
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.
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,
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:
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.
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
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.
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*-
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.
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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).
41
PARTEA A II-A: AGROMETEOROLOGIE
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
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
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
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
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,
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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,
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
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;
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
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
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
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
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
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 -
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
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.
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
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,
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:
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.
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,
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
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
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
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;
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:
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.
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.
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.
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.
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
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
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
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)
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,
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
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
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).
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.
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.
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
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
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
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
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.
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
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
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.
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
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.
14
Fronturi ocluse
Lanţurile muntoase exercită o acţiune perturbatoare asupra fronturilor
atmosferice în deplasare, deformându-le atât pe verticală, cât şi pe orizontală.
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
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.
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
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.
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.
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
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…;
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.
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;
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
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
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
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
22
EXEMPLU DE
BULETIN AGROMETEOROLOGIC
EMIS DE
I.N.M.H. BUCUREŞTI
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
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.
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
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.
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.
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
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
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
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.
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.
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/