Tema 10. Climatología aplicada
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Tema 10. Climatología aplicada 1 Introducción Ninguna ciencia puede quedarse al margen de las necesidades de la sociedad, por ello la climatología ha tenido siempre, y cada vez más una importante vertiente aplicada. En esta linea se han desarrollado diversas lineas de trabajo de las que pueden destacarse 5: 1. Agroclimatología 2. Climatología urbana 3. Clima y contaminación atmosférica 4. Clima y confortabilidad humana 5. Clima e hidrogeomorfología 2 Agroclimatología Algunos de estos elementos climáticos forman parte de lo que, desde el punto devista de la ecología o la agronomía, se denominan recursos y condiciones ambientales cuya variación en el espacio y el tiempo condiciona la distribucióngeográfica de las distintas especies animales y vegetales. Por condiciones ambientales se entiende los factores abióticos que varían en el espacio y el tiempo, y al que los organismos responden de modos distintos. Toda 1 condición ambiental exhibe un rango de valores dentro del que una especie encuentra su nivel óptimo y niveles extremos en los que su rendimiento varía pudiendo llegar a verse afectada su supervivencia. Los recursos incluyen las materias de que están constituidos sus cuerpos, la energía que interviene en sus actividades y los lugares o espacios en los que pasan sus ciclos vitales. Se diferencias de las condiciones ambientales en que son consumidos. El crecimiento de una planta resulta de la acción combinada de dos procesos: Fotosíntesis que tiene lugar durante el día y Respiración que tiene lugar durante la noche: F: C02 = C + O2 R: C + O2 = CO2 tanto las condiciones ambientales como los recursos van a afectar a este balance. 2.1 Temperatura Todos los organismos intercambian calor con su entorno en la dirección del gradiente térmico. Por otro lado la variedad de regímenes térmicos sobre la Tierra implica que unas plantas deberán especializarse en disipar calor y otras en limitar las pérdidas. Las plantas han adaptado sus ciclos vitales a los ciclos térmicos, es decir a la variabilidad cíclica de la temperatura, sin embargo la aparición de valores extremos puede afectarlas Las temperaturas elevadas pueden llevar a la desnaturalización de los enzimas de las plantas, desequilibrio metabólico o deshidratación pudiendo ser letales en función del tiempo de exposición. Los umbrales de temperatura elevada varían mucho de unas especies a otras aunque en general son tan sólo un poco más altos que el óptimo metabólico. Los umbrales inferiores que resultan letales son más homogeneos. Muchas especies mueren si la temperatura es inferiores a -1 grados centígrados. Por otro lado a una temperatura suficientemente baja (aún sin llegar a 0grados centígrados) hay un descenso de la actividad metabólica que puede no ser perjudicial a corto plazo pero debilita el organismo a largo plazo. Incluso una temperatura ligeramente inferior al óptimo va a dar lugar a un letargo del organismo. Sin embargo 2 muchas plantas tienen la capacidad de adaptarse y resistir temporalmente a las bajas temperaturas. Este fenómeno, llamado endurecimiento, varía en relación a la fase de desarrollo en que se encuentre la planta. La temperatura afecta también a los ciclos de Fotosíntesis y Respiración. La fotosíntesis se realiza por la absorción de CO2 por parte de los estomas y posterior asimilación del mismo. Esta asimilación depende de la temperatura siendo nula a 0grados centígrados y aumentando progresivamente hasta un límite que depende del contenido de CO2 en la atmósfera. La respiración aumenta también con la temperatura pero sin que exista un máximo 2.2 Humedad atmosférica La materia viva depende enteramente del agua, el funcionamiento bioquímico yfisiológico de todos los organismos ocurre dentro del agua de sus órganos, tejidos y células. Los organismos terrestres viven en el aire, cuya concentración de agua es menor, por ello pierden agua por transpiración y otros procesos. La humedad relativa, como uno de los determinantes de la tasa de pérdida de agua por evapotranspiración, es una condición ambiental importante para las plantas terrestres. Los efectos de la humedad relativa resultan a menudo difíciles de separar de los de la temperatura. Esto se debe simplemente a que un aumento de la temperatura conduce a un incremento de la tasa de evaporación y a una disminución de la humedad relativa. Cuanto más elevada es la humedad relativa menores serán las pérdidas por evapotranspiración. Las plantas reducen estas pérdidas mediante estrategias que limitan la transpiración y las contrarrestan por el agua obtenida a través de las raices. El punto esencial estriba en que los organismos difieren en sus capacidades para reducir y compensar estas pérdidas, por consiguiente, se diferencian en cuanto a la humedad relativa que pueden tolerar. La distribución global de los biomas principales (tundra, bosque de zonas temperadas, etc.) puede ser explicada por los efectos combinados de la temperatura y las precipitaciones anuales media, o por los efectos combinados de la temperatura y la humedad relativa. Además de estas diferencias globales existen variaciones microclimáticas por las que la temperatura y especialmente la humedad relativa pueden variar consider3 ablemente en espacios muy reducidos. No es raro, por ejemplo, que la humedad relativa sea casi del 100 nivel del suelo, entre la vegetación densa, mientras que el aire situado inmediatamente por encima de la vegetaci6n, a unos 40 cm, presente una humedad relativa de tan sólo el 50%. 2.3 Radiación La radiación solar es la única fuente de energía disponible para la actividad metabólica de las plantas verdes. La energía llega a la planta en forma de flujo o radiación procedente del Sol, de modo directo, tras haber sido difundida por la atmósfera o reflejada o transmitida por otros objetos. Las cantidades relativas de radiación directa y difusa que llegan hasta una hoja dependen de la cantidad de polvo existente en el aire y, particularmente, del grosor de la capa de aire dispersante que se encuentra entre el Sol y la planta (lo que depende de la latitud y la hora). El régimen de luz varía a lo largo del día y del año (variaciones sistemáticas), a ello se añade las variaciones producidas por otras hojas que modifican la calidad y la cantidad de luz recibida (variaciones no sistemáticas). Las formas en que un organismo o un órgano vegetal reaccionan ante variaciones en el abastecimiento sistemático (predecible) o no sistemático (impredecible) de un recurso refleja su fisiología actual y su evolución anterior. Los elementos sistemáticos de la variación de la intensidad luminosa son los ritmos diarios y anuales de la radiación, la planta pasa por períodos de exceso y defecto cada 24 horas y por estaciones de exceso y defecto a lo largo del año. La caída estacional de las hojas de los árboles caducifolios refleja estos ritmos, debido a ello una hoja perenne de una especie del sotobosque puede experimentar cambios sistemáticos ya que el ciclo estacional de producción de hojas en las capas altas del estrato arboreo modifica la cantidad de radiación que puede penetrar hasta el sotobosque. La luz que recibe una hoja está sometida a variaciones menos sistemáticas causadas por cambios en el tipo y posición de las hojas vecinas. La dependencia de la vegetación respecto a la radiación está en función de tres factores a tener en cuenta: • Intensidad, los cloroplastos trabajan más rápidamente cuando aumenta la intensidad de la luz hasta llegar a un nivel en el que la disponibilidad de CO2 se convierte en el factor limitante. 4 • Duración del dia, factor esencial en la producción de materia orgánica al reducir las diferencia entre fotosíntesis y respiración • Fotoperiodismo, algunas plantas responden a los cambios en la duración del día acelerando su floración cuando esta aumenta o disminuye. 2.4 Precipitación y ET Durante la fotosíntesis los estomas pierden agua por transpiración, por tanto necesitan un suministro continuo de agua para reemplazarla y tomar nutrientes del suelo debido al efecto de bomba hidraúlica. La cantidad de agua empleada en la fotosístesis es muy reducida, en comparación con la cantidad de agua que pasa a través de la planta durante el proceso. Ningún organismo ha desarrollado unas membranas que permitan el paso del CO2 impidiendo al mismo tiempo el paso del vapor de agua, ya que la molécula de H2 O es más pequea. Por consiguiente, cualquier organismo terrestre que obtiene CO2 de la atmósfera pierde, al mismo tiempo, H2 O La hidratación es necesaria para que se produzcan las reacciones metabólicas del organismo. Ningún organismo es hermético al agua, y por ello su contenido debe ser renovado continuamente. Para las plantas terrestres, los compromisos impuestos por los problemas de la economía hídrica son complicados no sólo porque el agua puede salir de la planta cada vez que penetra en ella el CO2 , sino también por el hecho de que las plantas están enraizadas y no pueden desplazarse en búsqueda de agua. Si hay un desequilibrio entre absorción y transpiración se produce el marchitamiento de la planta que puede llegar a morir si se traspasan ciertos límites. En caso de sequía, el cierre de los estomas para reducir la pérdida de agua por transpiración, impide la fotosíntesis lo que disminuye la productividad de la planta y puede llegar a afectar su viabilidad. Por encima del suelo, la economía del agua y CO2 están estrechamente asociadas, pero por debajo de la superficie el CO2 carece de importancia como recurso. Las plantas terrestres tienen un acceso directo al agua, interceptando la lluvia o condensando el rocío, y absorbiendo luego el agua a través de la superficie foliar; pero este proceso tiene probablemente una importancia menor. El principal recurso de agua para las plantas terrestres se encuentra en el suelo, que sirve de reserva. El 5 agua penetra en esta reserva en forma de lluvia o de nieve fundida, y atraviesa los poros del suelo. 2.5 Indices fitoclimáticos y agroclimáticos Estos índices pueden definirse como las relaciones numéricas entre los diferentes elementos del clima con el objeto de cuantificar la influencia de este sobre las comunidades vegetales. Un buen ejemplo es el índice de potencialidad productiva de Paterson I= V fPG 12A (1) donde • V es la temperatura media del mes más cálido, • f un factor de insolación calculado como 2500/(n+1000) • P es la precipitación anual media • A es la amplitud media anual como diferencia entre máximas medias y mínimas medias • G la duración del período vegetativo considerando como mes activo aquel en el que P > 2t y t > 6o C. Gandullo y Serrada establecen una relación entre este índice y la productividad forestal como: Y = (5.3logI) − 7.4 (2) Donde Y es la productividad en m3 /(Ha año) en la especie más productiva. La aplicación a España de este índice dio errores inferiores al m3 /Haao. Otros ejemplos son el diagrama bioclimático de Montero de Burgos y Gonzáles Rebollar y la clasificación climática de Papadakis. 6 3 Climatología urbana La ciudad es el mayor ejemplo de alteración humana sobre el medio natural, incluso en aspectos relacionados con la composición del aire y los elementos climáticos (temperatura, precipitaciones, vientos). La influencia de las ciudades sobre el clima está además muy en relación con los problemas de contaminación atmosférica que se tratarán posteriormente. Las alteraciones del clima de las ciudades son también importantes por su inmediata infiuencia en el bienestar físico y psicológico de sus habitantes y en sus actividades. en esa modificación actúa de manera decisiva la morfología de la ciudad, por lo cual su consideración: v en la edificadeberia ser imprescindible en el planeamiento urbano. Por todo ello el clima urbano ha despeertado el interés de diversas ciencias en los últimos años estableciéndose observatorios especiales, que en las grandes urbes forman redes densas, de medición de variables físico-químicas de la atmósfera. Tales estudios se iniciaron hace poco en España aunque han experimentado un importante desarrollo en los últimos años. Las investigaciones sistemáticas comenzaron en la década de los 80 aunque sólo en un número muy limitado de ciudades y con diferente amplitud. Las diferencias entre el clima urbano y el clima de la región en que se sitúa la ciudad se deben a una serie de factores geográficos que actúan a escala de esta. Estos se superponen los factores (astronómicos, atmosféricos y geográficos) del clima regional. • Cambios en la composición del aire por contaminación. Las consecuencias son un aumento de la capacidad de absorción y difusión de la radiación solar y un aumento de la absorción de la radiación terrestre. • Aumento de la rugosidad. Tiene como consecuencia la reducción de la velocidad del viento y un aumento de la turbulencia • Superficies impermeables y drenaje urbano. Disminuyen la evaporación incrementando la temperatura. • Tráfico y focos de calor que aumentan la temperatura. 7 Las consecuencias que tienen todas estas alteraciones son: • Incremento en altitud de la capa límite planetaria debido a la altura de los tejados y al recalentamiento del aire urbano que incrementa la altura que alcanzan los movimientos convectivos y la turbulencia que originan. • Disminución de la radiación solar directa y la iluminación debido a la polución y a las sombras • Incremento de la temperatura, especialmente de la temperatura nocturna ya que no se pierde calor por evaporación durante el día y además disminuyen las pérdidas por irradiación durante la noche. Este fenómeno se denomina de Isla de calor • Aumento de la precipitación y disminución de la nivosidad. En realidad resulta problemático separar las caractersticas climáticas que se debe a la presencia de las ciudades de las que se deben a los emplazamientos. 4 Clima y contaminación atmosférica La concentración de contaminantes sobre las áreas urbanas e industriales es muy variable debido a las condiciones meteorológicas reinantes que actúan como difusoras. La dispersión de los contaminantes puede ser: • Vertical determinada por la estabilidad o inestabilidad de la atmósfera. • Horizontal, relacionada con la dirección y la velocidad de los vientos. Difusión vertical.Los gases emitidos por los diferentes focos emisores tienden a elevarse debido a la acción de las corrientes turbulentas y por las diferencias de densidad de los gases con el aire que les rodea. Aparece así una capa de mezcla, cuya extensión vertical varía desde unas decenas de metros, en condiciones de estabilidad, hasta varios kilómetros, en una situación de inestabilidad. Tres son las situaciones que podemos encontrar: 8 1. Estratificación neutra: la curva de estado coincide con la adiabática seca, es decir, el gradiente térmico vertical es igual a 0.98o C/Km. En estas condiciones, los gases expelidos por una chimenea o por los distintos focos emisores se elevarán como consecuencia de su mayor temperatura y de la baja densidad de los gases. Este movimiento ascendente se mantendrá hasta alcanzar una zona de la atmósfera en la que el aire tenga la misma densidad y temperatura, momento en que se produce el equilibrio entre los gases y el aire que le rodea. 2. Condiciones subadiabáticas: la curva de estado se sitúa a la derecha de la adiabática seca. En estas condiciones los gases de salida no pueden ascender, las capas más densas permanecen próximas a la superficie y actúan a modo de techo que impide la dispersión vertical de los contaminantes. Son estas condiciones las que desencadenan los episodios más graves de contaminación. El caso más grave sería aquel en que se produce una inversión térmica. La situación desaparece cuando se rompe la capa de inversión. 3. Condiciones superadiabáticas: la curva de estado se sitúa a la izquierda de la adiabática seca. El ascenso de los contaminantes es muy rápido y el equilibrio con el aire que le rodea se alcanza a considerable altura, puesto que el ritmo de enfriamiento adiabático es menor que el del aire que los envuelve. Estas condiciones coinciden con situaciones sinópticas inestables, borrascas dinámicas y también con recalentamiento del aire en contacto con el suelo. La difusión horizontal está en función de la dirección y velocidad de los vientos pudiendo alcanzar grandes distancias. La elaboración de rosas de contaminación, es un indicativo de la procedencia de los contaminantes y un parámetro muy útil a la hora de determinar la localización de las industrias u otras actividades contaminantes. La dispersión horizontal y vertical están íntimamente relacionadas, de tal manera que: • Con estratificación estable o subadiabáticas, los movimientos verticales están notablemente limitados, la difusión vertical es prácticamente imposible y sólo se produce difusión horizontal a la altura en la que los contaminantes son emitidos a la atmósfera. 9 • Con estratificación inestable o condiciones superadiabáticas, los movimientos verticales se ven muy favorecidos y la dispersión será tanto vertical como horizontal hasta los niveles que alcance la inestabilidad. • Con estratificación neutra o adiabática, los residuos alcanzan las capas altas con mayor facilidad que en caso de estabilidad y , por tanto, la dispersión es mayor. Este es el estado más frecuente en días de viento y sobre zonas rugosas oacci dentadas: la turbulencia crea y soporta grandes torbellinos de eje horizontal que trasladan constantemente hacia arriba y hacia abajo un elevado porcentaje de masa aérea en movimiento, con desplazamientos casi adiabáticos. 4.1 Influencia de las situaciones estables a escala local o regional Con situaciones anticiclónicas los movimientos ascendentes están limitados por la inversión de subsidencia, situada en las capas intermedias de la troposfera con un espesor de varios kilómetros. Por debajo de esta capa de inversión se produce un ciclo diario de la altura de la capa de mezcla en relación a los procesos de calentamiento intenso durante el día y enfriamiento nocturno acusado (Figura 13.4): • Durante la noche, el aire en contacto con el suelo se enfría más rápidamente que el situado a unos cientos de metros por encima de la superfice. El gradiente vertical se nvierte, la temperatura aumenta con la altura, apareciendo una inversión térmica, y los movimientos ascendentes del aire quedan limitado al cspesor de la capa de inversión. La dispersión de los contaminantes procedentes de los focos superficiales es muy reducida, debido a la escasa ventilación vertical y horizontal. Tales situaciones son frecuentes en invierno, con largas noches y vientos muy débiles; es cuando estas inversiones tienen un débil espesor, inferior a 100 metros o, en casos excepcionales, entre 200 y 300 m. Por ello son estos periodos en los que se alcanzan las máximas concentraciones de contaminantes en superficie. • Durante el día, se produce un fuerte recalentamiento de las capas de aire pr6ximas a la superficie, los movimientos ascendentes son muy acusados en esta capa de inestabilidad y los contaminantes se mezclan en una porci6n atmosférica más espesa. La capa de mezcla puede alcanzar los 3 km sobre los 10 desiertos o sólo 100 o 200 metros sobre los bosques o lagos, dependiendo de la intensidad del calentamiento superficial. El límite superior de la zona de mezcla activa o altura de mezcla coincide con la inversi6n de subsidencia y por tanto recubre la capa de mezcla superficial. 4.2 Influencia de los factores locales Los factores locales, como la topografía del terreno y las edificaciones, introducen modificaciones importantes en los procesos que acabamos de mencionar. Hay que distinguir entre el termino campestre llano, el terreno urbano y los valles: • En terreno campestre llano y abierto, con tiempo estable se produce un ciclo diario característico: la altura de la mezcla es cero durante la noche, comienza a ascender poco después de la salida del sol y alcanza su valor máximo a media tarde. La ruptura matutina de la inversi6n determina que se formen fuertes burbujas convectivas, que ascienden hasta alcanzar los gases de las chimeneas que han permanecido arriba durante la noche. Los penachos se mezclan y descienden hasta el nivel del suelo produciéndose lo que se conoce como fumigación. • En la ciudad, la isla de calor favorece la formación contaminación, cuya altura puede alcanzar varios cientos de metros, campo la inversión se sitúe a ras del suelo y, por tanto, la capa límite sea cero. • En los valles estas situaciones tienen una especial incidencia por la formación de vientos fríos nocturnos descendentes. En los muy cerrados y de paredes abruptas, se observa una inversión neta sobre el valle o, en el mejor de los casos, una zona baja de débil gradiente vertical y otra más alta de isotermia o inversión. La dispersión horizontal está limitada por las propias paredes del valle y las concentraciones pueden alcanzar niveles muy altos, especialmente de madrugada, cuando se integran las inmisiones de toda la noche. Con las primeras radiaciones diurnas, las capas bajas se calientan, por lo que se produce una intensa fumigación hasta que desaparezca la inversión. 11
