EVAPORACION Y EVAPOTRANSPIRACION CLIMATOLOGIA
Conceptos y Métodos usados para realizar estudios de Evaporación Evapotranspiración, como una parte de los estudios climatológicos.
RENEE M. CONDORI APAZA , JULIO E. VALDIVIA SILVA , EVELYN K. PAREDES PAREDES, LENIN ORIHUELA ORDOÑEZ.
y
1
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………………..…………...03 ANTECEDENTES GENERALES…………………………………………………………………………………………….….………06 1.1
EVAPORACION…………………………………….………………………………………………………………………….07
1.2
EVAPORACION DESDE EL SUELO……………….……………………………………………………….…….……..07
1.3
EVAPORACION DESDE UNA SUPERFICIE DE AGUA…………………………………………..………....….09
1.4 MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA EVAPORACIÓN………………………………………..……………………..11 1.4.1 Método Balance de Energía……………………………………………………………..……………….……11 1.4.2Método Aerodinámico…………..………………………………………………………………………….…….15 1.4.3Método Combinado……………..……………………………………………………………………………......18 2.1
EVAPOTRANSPIRACIÓN......................................................................................................19 2.1.1
Factores Ambientales en la Evapotranspiración………………………………………………….21
2.2
LA EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL DEL CULTIVO DE REFERENCIA………………………..….22
2.3
LA EVAPOTRANSPIRACIÓN REAL……………………………………………………………………………………..23
2.4
EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL (PET)……………………………………………………………............23
2.5
METODOS PARA DETERMINAR LA EVAPOTRANSPIRACION POTENCIAL………………………….24 2.5.1
Métodos Directos..................................................................................................25
2.5.1.1 Método del lisímetro……………………………………….………………………………..………..…..…25 2.5.1.2 Evapotranspirómetro de Thornthwaite……………………………………….…………..………...26 2.5.1.3 Atmómetro de Livingstone…………………………………………………….…………..……………….27 2.5.1.4 Método gravimétrico………………………………………………………………………………………....27 2.5.2
Métodos Indirectos o Climatológicos....................................................................27
2.5.2.1 Método de Thornthwaite……………………………………………………………………….…………..28 2.5.2.2 Método de Turc……………………………………………………………………………………..……...…..29 2.5.2.3 Método de Blaney y Criddle………………………………………………………………………..……..30 2.5.2.4 Método racional utilizando la curva de Hansen………………………………….................34
2
2.5.2.5 Método de Grassi y Christensen……………………………………………………………….……....36 2.5.2.6 Método usando un tanque evaporímetro tipo “A”……………………………………..……..38 2.5.2.7 Método de Penman simplificado……………………………………………………….……...........39 2.5.2.8 Método de Hargreaves…………………………………………………………………………..………....41 2.5.2.9 Método de Jensen- Haise………………………………………………………………………..………...42 2.5.2.10
Método de Stephens-Stewar…………………………………….………………............43
2.5.2.11
Método de Linacre……………………………………………………………….……………..…44
2.5.2.12
Método de Makkink……………………………………………………….………..……………44
2.5.2.13
Método de Radiación…………………………..………………………..………………….....45
2.5.2.14
Método de Priestly-Taylor…………………………………………………..…………..….…45
2.6
Comparación de Métodos de Estimación para la Evapotranspiración……………..………..…….46
2.7
RADIACIÓN..........................................................................................................................48 2.7.1
Radiación Solar ......................................................................................................48
2.7.1.1 Emisión de Radiación Solar....................................................................................48 2.7.1.2 La Constante Solar.................................................................................................54 2.7.2
Distribución Espectral de la Radiación Solar Extraterrestre...................................56
3
INTRODUCCIÓN La evaporación (E) es el proceso por el cual el agua líquida se convierte en vapor de agua (vaporización) y se retira de la superficie evaporante (remoción de vapor).Para lo cual se cuenta con diferentes métodos aplicativos tanto instrumentales, como matemáticos aprobados por la FAO para obtener resultados de evaporación en diferentes lugares de nuestro planeta. La evapotranspiración (ET) es la combinación de dos procesos; Evaporaciónes el proceso físico mediante el cual el agua se convierte a su forma gaseosa, la evaporación del agua a la atmósfera ocurre en la superficie de ríos, lagos, suelos y vegetación. Y la transpiración es el proceso mediante el cual el agua fluye desde el suelo hacia la atmósfera a través del tejido de la planta. Por la necesidad de expandir la producción agrícola se han aumentado las áreas de cultivo bajo riego en las regiones áridas y sub-húmedas del mundo. La agricultura ha comenzado a competir por el agua con las industrias, municipios y otros sectores. Esta gran demanda junto al incremento en los costos del agua y de la energía ha hecho absolutamente necesario desarrollar tecnologías para el manejo apropiado del agua, Megh R. Goyal y A. González Fuentes (1990). La evaporación, la transpiración y la evapotranspiración son importantes para el riego, tipo de cultivo y en construcciones civiles. Para determinar estos requisitos es necesario estimar la ET por medidas directamente en el campo o utilizando datos meteorológicos. Las medidas directamente en el campo son muy costosas y se
utilizan
mayormente
para
calibrar
los
métodos
que
estiman
la
Evapotranspiración Potencial o de Referencia utilizando los datos de clima. Se han propuesto numerosas ecuaciones que requieren datos meteorológicos y varias de estas se usan comúnmente para estimar la ET para períodos de un día o más. Todas estas ecuaciones son en algún modo matemáticas. Los métodos más simples requieren solamente datos sobre la temperatura promedio del aire,
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largo del día y la cosecha. Otras ecuaciones requieren datos de radiación diaria, temperatura, presión de vapor y velocidad de viento. Es así que la Evapotranspiración se dan en unidades de medida usuales como son las de mm/día ó mm/mes (equivalentes a L/m 2 día -ó L/m2 mes-) y las de m3/ha día (se recuerda que para pasar de mm a m 3/ha se tiene que multiplicar por 10), Martinez Cob, A., J.M. Faci y A. Bercero (1998). La Evapotranspiración Potencial (ETP) fue definida por Thornthwaite (1948). Thornthwaite definió el concepto de evapotranspiración potencial como el máximo de evapotranspiración que depende únicamente del clima. Según Thornthwaite no hay ninguna restricción de agua en el suelo y su magnitud depende exclusivamente del clima, para su evaluación no se definió la superficie evaporante. Penman (1956) define la evapotranspiración potencial como la cantidad de agua transpirada por un cultivo corto de césped que cubre el suelo en su totalidad y sin ninguna falta de agua. Papadakis (1980) define la evapotranspiración potencial como la cantidad de agua que se necesita para obtener una vegetación o un rendimiento cercano al óptimo.
Método de
Hargreaves y Sammani (1985) fue desarrollado en la región árida al oeste de los Estados Unidos, para calcular la evapotranspiración durante un periodo dado. Autores que utilizan en sus formulaciones el concepto de evapotranspiración potencial ETP son: Thornthwaite, Penman, Papadakis, Turc. Entonces
el
efecto
invernadero
natural
de
la
tierra
es
producido
fundamentalmente por el vapor de agua presente en las nubes y los gases de efecto invernadero que conforman la atmósfera de la tierra; sin embargo la actividad antrópica se ha convertido en el principal factor contaminante del ambiente terrestre por la magnitud e intensidad de estos tipos de gases que se producen y se incorporan a la atmósfera, como consecuencia de la actividades desarrolladas por el hombre, Font Tullot, I. (1983), Kondratyev, K.Y., (1969). La radiación reflejada y absorbida por la Tierra, según el albedo de la Tierra (el brillo): su capacidad de reflejar la energía, es de alrededor de un 0.3. Esto significa que alrededor de un 30% de los 342 W/m2 que se reciben (es decir algo
5 más de 100 W/m2) son devueltos al espacio por la reflexión de la Tierra. Se calcula que alrededor de la mitad de este albedo es causado por las nubes, aunque este valor es, lógicamente, muy variable, dependiendo del lugar y de otros factores, Duffie, J.A; Bekman,W.A. (1980), Iqbal, M., (1983). El 70% de la energía que llega, es decir uno 240 W/m 2 es absorbido. La absorción es mayor en las zonas ecuatoriales que en los polos y es mayor en la superficie de la Tierra que en la parte alta de la atmósfera. Estas diferencias originan fenómenos de convección y se equilibran gracias a transportes decalor por las corrientes atmosféricas y a fenómenos de vaporación y condensación. En definitiva son responsables de la marcha del clima¸Fritz, S., (1958), Duffie, J.A; Bekman,W.A. (1980). Los diferentes gases y otros componentes de la atmósfera no absorben de igual forma los distintos tipos de radiaciones. Algunos gases, como el oxígeno y el nitrógeno son transparentes a casi todas las radiaciones, mientras que otros como el vapor de agua, dióxido de carbono, metano y óxidos de nitrógeno son transparentes a las radiaciones de corta longitud de onda (ultravioletas y visibles), mientras que absorben las radiaciones largas (infrarrojas). Esta diferencia es decisiva en la producción del efecto invernadero. Efecto invernadero natural, es el tipo de radiación que emite un cuerpo que depende de la temperatura a la que se encuentre. Apoyándose en este hecho físico las observaciones desde satélites de la radiación infrarroja emitida por el planeta indican que la temperatura de la Tierra debería ser de unos 18ºC. A esta temperatura se emiten unos 240 W/m2, que es justo la cantidad que equilibra la radiación solar absorbida, Castellvi, F., Perez, P.J., Villar, J.M. y Rosell, J. I. (1996), Iqbal, M., (1983). La realidad es que la temperatura media de la superficie de la Tierra es de 15ºC, a la que corresponde una emisión de 390 W/m 2. Los 150 W/m2de diferencia entre este valor y los 240 W/m2 realmente emitidos son los que son atrapados por los gases con efecto invernadero y por las nubes. Esta energía es la responsable de los 3ºC de diferencia., Iqbal, M., (1983), Kreith, A. and Kreider, F., (1978).
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Prefacio Las necesidades hídricas de la materia viva para la existencia de vida y de los cultivos expresan la cantidad de agua que es necesario aplicar para compensar el déficit de humedad del suelo durante su período vegetativo. Las plantas absorben el agua desde el suelo mediante sus raíces. Ambos, suelo y planta, están sometidos a los efectos de la lluvia, el sol y viento, que generan un mayor o menor grado de evaporación desde el suelo y transpiración
de
las
plantas.
Este
proceso
se
conoce
como
evapotranspiración, De la Peña, Idelfonso (1987). Las necesidades de agua se evalúan estableciendo, para un determinado período, un balance entre las cantidades de agua requeridas para la evapotranspiración del cultivo y otros usos especiales, todo lo cual se contabiliza como pérdidas, y las aportaciones naturales efectivas, tales como la precipitación, la humedad precedente del suelo y cualquier otra contribución hídrica (inundaciones, agua subterránea). Los
parámetros
que
intervienen
en
el
balance
hídrico
son
la
evapotranspiración del cultivo (ETc), la precipitación efectiva (Pe) durante su período de permanencia en el terreno y el agua aportada por el suelo. La diferencia entre el primer parámetro citado y los dos últimos determinan las necesidades de agua netas de cada cultivo.
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1.1 Evaporación La evaporación es el proceso por el cual el agua líquida se convierte en vapor de agua(vaporización) y se retira de la superficie evaporante (remoción de vapor). El agua se evapora de una variedad de superficies, tales como lagos, ríos, caminos, suelos y lavegetación mojada. Para cambiar el estado de las moléculas del agua de líquido a vapor se requiereenergía. La radiación solar directa y, en menor grado, la temperatura ambiente del aire,proporcionan esta energía. La fuerza impulsora para retirar el vapor de agua de unasuperficie evaporante es la diferencia entre la presión del vapor de agua en la superficieevaporante y la presión de vapor de agua de la atmósfera circundante. A medida queocurre la evaporación, el aire circundante se satura gradualmente y el proceso se vuelve cada vez más lento hasta detenerse completamente si el aire mojado circundante nose transfiere a la atmósfera o en otras palabras no se retira de alrededor de la hoja. El reemplazo del aire saturado por un aire más seco depende grandemente de la velocidad del viento. Por lo tanto, la radiación, la temperatura del aire, la humedad atmosférica y la velocidad del viento son parámetros climatológicos a considerar al evaluar el proceso de la evaporación.
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Cuando la superficie evaporante es la superficie del suelo, el grado de cobertura del suelo por parte del cultivo y la cantidad de agua disponibles en la superficie evaporante son otros factores que afectan el proceso de la evaporación. Lluvias frecuentes, el riego y el ascenso capilar en un suelo con manto freático poco profundo, mantienen mojada la superficie del suelo. En zonas en las que el suelo es capaz de proveer agua con velocidad suficiente para satisfacer la demanda de la evaporación del suelo, este proceso está determinado solamente por las condiciones meteorológicas. Sin embargo, en casos enque el intervalo entre la lluvia y el riego es grande y la capacidad del suelo de conducirla humedad cerca de la superficie es reducida, el contenido en agua en los horizontes superiores disminuye y la superficie del suelo se seca. Bajo estas circunstancias, la disponibilidad limitada del agua ejerce un control sobre la evaporación del suelo. En ausencia de cualquier fuente de reabastecimiento de agua a la superficie del suelo, la evaporación disminuye rápidamente y puede cesar casi totalmente en un corto lapso de tiempo.
EV = C (ew – ea) C: Función que involucra el factor viento, la presión barométrica, etc. eW: Tensión de vapor de la película de aire saturado, contigua a la superficie evaporante. ea: Tensión de vapor del aire. La medición;se realiza por medio de evaporímetros, que no son más que recipientes que se llenan de agua; de esta forma, se observa la diferencia del nivel de H2O al cabo de un cierto intervalo de tiempo. Hay una gran variedad de ellos, el Servicio Meteorológico más utilizado es del tipo “A”.
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Normalmente, los evaporímetros, miden una evaporación mayor que la real, de ahí que se les aplique un coeficiente de reducción a las mediciones. Para el tipo “A”, utilizado por el S.M.N., es de 0,7.
1.2 Evaporación desde el Suelo El elemento más comúnmente usado para medir la evaporación desde el suelo es el Lisímetro. Hay varios tipos. El principio básico es:
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Por diferencia entre el agua precipitada y la colectada se deduce la evaporada. La tierra de la cámara debe estar saturada para que no haya pérdidas de almacenamiento. Este tipo de evaporación se produce en los suelos en una capa de 20 a 30 cm. de espesor debajo de la superficie.
1.3 Evaporación desde una Superficie de Agua La evaporación de una superficie de agua es la forma más simple que se da permanentemente del líquido libre de la superficie saturada.
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1.4 Métodos de Estimación de la Evaporación
1.4.1 Método Balance de Energía Cilindro Vertical (CV) contiene agua en fase líquida y vapor.
No hay flujo de agua líquida a través de CS
12 Continuidad – Fase Vapor .
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Ecuación de Energía.
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Ecuación de Energía para el Agua en Cilindro Vertical.
Hipótesis: 1. Temperatura constante de agua en CV 2. Cambio de calor es el cambio en la energía interna de agua evaporada
Recordemos:
Descuido razonable y flujos de calor del suelo:
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El Viento como un Factor en la Evaporación. El viento tiene un gran efecto sobre la evaporación, E El viento elimina aire cargado con vapor por convección Esto evita el límite de la delgada capa Mantiene una alta tasa de transferencia de agua de líquida a la fase de vapor. El viento tambien es turbulento
La difusión convectiva es de varias órdenes de magnitud mayor que la difusión molecular.
1.4.2 Método Aerodinámico
El método aerodinámico incluye la vía de transporte del vapor desde la superficie del agua como función de: Gradiente de Humedad sobre la superficie Velocidad del viento através de la superficie Flujo de Vapor Ascendente:
Flujo del Impulso hacia Arriba:
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Esta ecuación deriva de la unión o reemplazo entre la ecuación de Flujo de Vapor Ascendente y Flujo del Impulso hacia Arriba:
Perfil Logarítmico de Velocidad:
Flujo de Impulso:
Ecuación de Thornthwaite-Holzman
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Amenudo solamente disponible en elevación 1.
Simplificando:
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1.4.3 Método Combinado Consiste en calcular la Evaporación combinando los siguientes métodos: Método Aerodinámico El suministro de energía no es limitante
Método de Balance de Energía El transporte de vapor no es limitante
Normalmente, ambos son limitantes, entonces use un método de combinación:
Taylor y Priestly:
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2.1 Evapotranspiración La evapotranspiración (ET) es la combinación de dos procesos: Evaporación y transpiración. La evaporación es el proceso físico mediante el cual el agua se convierte a su forma gaseosa. La evaporación del agua a la atmósfera ocurre en la superficie de ríos, lagos, suelos y vegetación. La transpiración es el proceso mediante el cual el agua fluye desde el suelo hacia la atmósfera a través del tejido de la planta, Martinez Cob, A., J.M. Faci y A. Bercero (1998). Fig.1. Esquema del proceso de evapotranspiración
La transpiración es básicamente un proceso de evaporación. El agua se evapora dentro de las hojas y el vapor resultante se difunde hacia el exterior a través de las estomas. En esta evaporación del agua se produce un gradiente de energía el cual causa el movimiento del agua dentro y a través de las estomas de la planta. Las estomas de la mayor parte de las plantas verdes permanecen abiertas durante el día y cerradas en la noche. Si el suelo está muy seco las estomas permanecerán cerradas durante el día para que la pérdida del agua sea más lenta.
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Por la necesidad de expandir la producción agrícola se han aumentado las áreas de cultivo bajo riego en las regiones áridas y sub-húmedas del mundo. La agricultura ha comenzado a competir por el agua con las industrias, municipios y otros sectores. Esta gran demanda junto al incremento en los costos del agua y de la energía ha hecho absolutamente necesario desarrollar tecnologías para el manejo apropiado del agua, Megh R. Goyal y Eladio A. González Fuentes (1990). La evaporación, la transpiración y la evapotranspiración son importantes el estimar los requisitos de riego y al programar el riego. Para determinar los requisitos de riego es necesario estimar la ET por medidas directamente en el campo o utilizando datos meteorológicos. Las medidas directamente en el campo son muy costosas y se utilizan mayormente para calibrar los métodos que estiman la ET utilizando datos de clima, De la Peña, Ildefonso (1987). El término de evapotranspiración se utiliza para englobar tanto el proceso físico de pérdida de aguapor evaporación como el proceso de evaporación del agua absorbida por las plantas (transpiración). Las unidades usuales son las de mm/día o mm/mes (equivalentes a L/m 2 día o L/m2 mes-) y las dem3/ha día (se recuerda que para pasar de mm a m3/ha se tiene que multiplicar por 10), Martinez Cob, A., J.M. Faci y A. Bercero (1998). La importancia cuantitativa de este proceso es muy grande. Como promedio global, el 57% de la precipitación anual es devuelta a la atmósfera por evapotranspiración alcanzando del 90% y hasta del 100% en zonas áridas y desérticas. Las cantidades de agua que por este proceso vuelven a la atmósfera y la energía necesaria para ello, alcanzan cifras realmente notables. En un día cálido, es frecuente que en algunas zonas los valores de evapotranspiración oscilen entre 3-4 mm/día, lo que viene a equivaler a 30-40 Tm/Ha/día, requiriendo una energía del orden de 18-24M de Kcal, Jensen, M. E. (1980).
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2.1.1 Factores Ambientales en la Evapotranspiración La evapotranspiración se debe a los principales factores medio ambientales presentes en cada zona de estudio, Megh R. Goyal y A. González Fuentes (1990), Faci, J.M., A. Martinez Cob (1994), De la Peña, Idelfonso (1987): A. Radiación solar. Este término comprende la luz visible y otras formas de energía radiante (radiaciones infrarrojas y ultravioleta). El principal efecto de las radiaciones solares sobre la evapotranspiración proviene de la influencia de la luz sobre la apertura y cierre de los estomas, ya que en la mayoría de las especies vegetales, los estomas por lo común, permanecen cerrados cuando desaparece la luz. B. Humedad relativa. En general si otros factores permanecen constantes, cuando
la
presión
del
vapor
es
mayor,
será
más
lenta
la
evapotranspiración. Si los estomas están cubiertos, la difusión del vapor de agua de las hojas dependerá de la diferencia entre la presión de vapor de agua en los espacios intercelulares y la presión de vapor de la atmósfera exterior.
C. Temperatura. Influye en la velocidad en que se difunde el vapor de agua de
las hojas a través de las estomas, en general cuanto más alta es la
temperatura para un gradiente dado, más alta es la velocidad de difusión.
D. Viento. El efecto del viento sobre la evapotranspiración dependerá de las condiciones ambientales. Un aumento en la velocidad del viento, dentro de ciertos límites significa una mayor evapotranspiración, sin embargo, puede decirse que la evapotranspiración aumenta relativamente más, por los efectos de una brisa suave (0 a 3 km/hora), que por vientos de gran velocidad. Se ha observado que estos últimos ejercen más bien un efecto retardante sobre la evapotranspiración, probablemente debido al cierre delas estomas en tales condiciones. El efecto del viento puede ser indirecto sobre la evapotranspiración a través de la influencia que ejercen en la temperatura de las hojas.
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2.2 La evapotranspiración potencial del cultivo de referencia (ETo). La evapotranspiración potencial de un cultivo de referencia (ETo) en mm/día, fue definida por Doorembos y Pruit (FAO, 1975) como: “La tasa de evaporación en mm/día de una extensasuperficie de pasto (grama) verde de 8 a 15 cm de altura, en crecimiento activo, que sombreacompletamente la superficie del suelo y que no sufre de escasez de agua”. 2.3 La evapotranspiración real (ETR) En la práctica, los cultivos se desarrollan en condiciones de humedad muy lejanas de lasóptimas. Por este motivo para calcular por ejemplo la demanda de riego se ha de basar en laevapotranspiración real (ETR), la cual toma en consideración al agua disponible en el suelo y lascondiciones ambientales en las cuales se desarrolla un cultivo determinado. Siempre y cuando el cultivo en consideración disponga de agua en abundancia (después de unriego o de una lluvia intensa) y en condiciones de buena aireación del suelo, ETR equivale a ET. La ETR nunca será mayor que ET. Al aumentar la tensión del agua en el suelo, disminuye lacapacidad de las plantas para obtener el volumen de agua requerido al ritmo impuesto por lascondiciones del ambiente. Bajo estas condiciones disminuye la transpiración del cultivo por lotanto ETR es inferior a ET y también inferior a ETo,De la Peña, Idelfonso (1987). La evapotranspiración real de un cultivo, en cierto momento de su ciclo vegetativo, puedeexpresarse como:
(1) Donde: k : Coeficiente que corrige por la fase vegetativa del cultivo y por el nivel de humedad en elsuelo.
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En un suelo sin limitación alguna para la producción, en lo que respecta a condiciones físicas,fertilidad y salinidad, k puede discriminarse así:
(2) Donde: kc : Coeficiente de cultivo kh : coeficiente de humedad del suelo
El coeficiente de cultivo kc, depende de las características anatomorfológicas y fisiológicas dela especie y expresa la variación de su capacidad para extraer agua del suelo durante el ciclovegetativo. La especie vegetal y el tamaño de la planta representada por su volumen foliar yradical, gobierna el coeficiente kc. El coeficiente de humedad, kh es una expresión del mecanismo de transporte de agua a laatmósfera a través del suelo y de la planta, que depende del grado de disponibilidad de agua,del gradiente de potencial hídrico entre el suelo y la atmósfera circundante y de la capacidad dedicho sistema para conducir agua. Cuando el suelo se va secando, se incrementa la resistenciaa la difusión a través de las estomas de la vegetación y del espacio poroso del suelo. 2.4 Evapotranspiración Potencial (PET) La evapotranspiración potencial es la pérdida de agua de una superficie cubierta completamente de vegetación. La evapotranspiración de una cosecha es determinada por los procesos meteorológicos. El cierre de las estomas y la reducción en transpiración usualmente son importantes sólo bajo condiciones de escasez de agua o condiciones de estrés de la planta, De la Peña, Idelfonso (1987), Goyal, M. R. (1988). La cubierta vegetal afecta la Evapotranspiración de varias formas. Afecta la capacidad de reflejar la luz de la superficie. La vegetación cambia la cantidad de energía absorbida por el suelo. Las propiedades del suelo, incluyendo el
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contenido de agua, también afectan la cantidad de energía que fluye en el suelo. La altura y la densidad de la vegetación influyen sobre la eficiencia del intercambio turbulento del calor y vapor de agua del follaje. Este concepto clásico de evapotranspiración potencial (ETP) ha sido criticado por diversos autores,especialmente en las zonas semiáridas y áridas. Así Perrier (1984) propone abandonar el conceptode ETP y propone como alternativa el concepto de evaporación potencial EP, que define la evaporación cuando toda la superficie está saturada de agua, de manera que no haya ninguna restricción de humedad. El concepto de evapotranspiración potencial fue definido por Thornthwaite (1948). Thornthwaite definió el concepto de evapotranspiración potencial como el máximo de evapotranspiración que depende únicamente del clima. Según Thornthwaite no hay ninguna restricción de agua en el suelo y su magnitud depende exclusivamente del clima, para su evaluación no se definió la superficie evaporante. Penman (1956) define la evapotranspiración potencial como la cantidad de agua transpirada por un cultivo corto de césped que cubre el suelo en su totalidad y sin ninguna falta deagua. Papadakis (1980) define la evapotranspiración potencial como la cantidad de agua que senecesita para obtener una vegetación o un rendimiento cercano al óptimo. Autores que utilizan en sus formulaciones el concepto de evapotranspiración potencial ETP son: Thornthwaite, Penman, Papadakis, Turc. 2.5 Métodos para determinar la evapotranspiración potencial Los métodos pueden clasificarse en métodosdirectose indirectos. Los primeros proporcionan directamente el consumo total del agua requerida, utilizando para ello aparatos e instrumentos para su determinación. Los segundos en forma directa y bajo la utilización de fórmulas matemáticas, obtienen los consumos de agua a través de todo el ciclo vegetativo de la planta, De la Peña, Idelfonso (1987).
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2.5.1 Métodos Directos Miden directamente los consumos por evaporación y requieren para su determinación la instalación de aparatos, el cuidado de ellos y seguir la metodología específica en cada paso. Son aplicables para zonas donde se tiene una agricultura establecida, ya que proporcionan valores mucho más apegados a la realidad y sirven a la vez para ajustar los parámetros de los métodos empíricos. Los métodos más utilizados son: el del lisímetro, del evapotranspirómetro
de
Thornthwaite,
los
atmómetros
y
el
método
gravimétrico.
2.5.1.1 Método del lisímetro Determina la evapotranspiración potencial y consiste en un recipiente de lámina galvanizada formado por un tanque cilíndrico de más o menos 6 m de diámetro por 95 cm de alto, en el que se coloca el suelo y el cultivo en estudio. El consumo de agua por evapotranspiración se determina pesando diariamente el conjunto del suelo, plantas, agua y aparato, y por diferencia de pesadas se obtiene la humedad consumida. La reposición de agua se efectúa por medio de tanques de alimentación en forma automática. Puede mencionarse como ventaja la facilidad de las mediciones y de la aplicación del agua; pero a su vez estos aparatos aunque fáciles de manejar, son más caros. Entre las desventajas se encuentran sus altos costos, que pueden alterar las condiciones normales del suelo afectando la medición, provocan un desarrollo anormal de las raíces que se concentran hacia el tubo de aplicación del agua, por haber más humedad en el fondo o base del recipiente y no se pueden aplicar a plantas que tengan un sistema radicular mayor que las dimensiones del tanque que contiene el suelo.
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2.5.1.2 Evapotranspirómetro de Thornthwaite Consta de las siguientes partes: a) Tanque evapotranspirador de fierro galvanizado, con área rectangular de 4 m2 y 90 cm de
profundidad. Este tanque va hundido hasta el
nivel del suelo. Se llena de tierra y se siembran las plantas. En el fondo tiene un lecho de grava que ayuda a eliminar el exceso de agua. b) Tubería subterránea ramificada y perforada para conducir el agua al suelo. c) Tanque alimentador en donde se mide y agrega diariamente el agua consumida d) Tanque regulador en donde se mide y agrega diariamente el agua consumida. e) Tanque de excedentes, que recoge los excesos de agua, generalmente provocados por lluvias. f) Junto a los tanques de excedentes y de alimentación se colocan higrómetros que permiten tener las medidas exactas del agua. g) Tubería que conecta a todo el sistema. La cantidad de agua consumida (Uc) será la que se agrega al tanque alimentador (va) más la lluvia (vll), menos la cantidad medida en el tanque de excedentes (ve). Uc = va + vll – ve (3) Para el buen funcionamiento del aparato se recomienda que los tanques alimentador, regulador y de excedentes, estén bajo una caseta, para disminuirlos
efectos
de
evaporación,
además
alrededor
del
tanque
evapotranspirador, deberá estar sembrado el cultivo que está en estudio. Las dificultades que presenta la operación del equipo, el hecho de no poder aplicarse a más de un solo cultivo, hacen que su utilización sea altamente costosa.
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2.5.1.3 Atmómetro de Livingstone Está formado por una esfera de cerámica porosa, que tiene un vástago barnizado del mismo material que se introduce dentro de un recipiente graduado que contiene agua; la esfera se encuentra pintada de blanco o de negro. Al recibir energía de la atmósfera, se produce una evaporación en la superficie de la esfera que se traduce en una succión en el depósito graduado, el cual mide la cantidad de agua evaporada. Se ha visto que existe mayor correlación entre la evapotranspiración y las lecturas de los atmómetros si se utilizan dos, uno negro y otro blanco. El valor se obtiene con la diferencia de lecturas.
2.5.1.4 Método gravimétrico Se basa en la determinación en los diferentes valores de humedad registrados en una serie de pesadas que se efectúan a través del ciclo vegetativo, en muestras de suelo, obtenidas a una profundidad igual a la que tienen las raíces de las plantas del cultivo considerado. En función de estas diferencias y de las características del suelo, se obtienen las láminas de agua consumidas por evaporación, en un periodo de tiempo determinado. La suma total de las láminas consumidas en los intervalos entre riegos, es igual a la “lámina total consumida” o “uso consuntivo” del cultivo estudiado.
2.5.2 Métodos Climatológicos También conocido como métodos climáticos; para lo cual se han propuesto numerosas ecuaciones que requieren datos meteorológicos. Además, se han hecho numerosas modificaciones a las fórmulas que sean aplicables a diferentes
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regiones, Mohawesh, O.E. (2011). Por tanto los métodos más comunes para estimar la evapotranspiración son: 1. Thornthwaite 2. Turc 3. Blaney y Criddle 4. Racional utilizando la curva de Hansen 5. Grassi y Christensen 6. Tanque evaporímetro tipo A 7. Penman simplificado 8. Hargreaves y Samani 9. Jensen - Haise
La mayor parte de ellos son demasiado teóricos ya que han sido deducidos bajo condiciones definidas entre regiones y su aplicación precisa de una serie de datos que generalmente no se tienen a la disposición. El método de Thornthwaite calcula la evapotranspiración potencial mediante los datos existentes de las temperaturas medias mensuales, el de Turc utiliza la precipitación y temperatura medias de una cuenca, y los de Blaney y Criddle y Grassi y Christensen hacen uso de la radiación solar. 2.5.2.1 Método de Thornthwaite La fórmula se basa en la temperatura y en la latitud determinando que esta última constituye un buen índice de la energía en un lugar específico. Sirve para estimar la evapotranspiración potencial y tiene la ventaja de que la fórmula usa datos climatológicos accesibles. Se obtienen buenos resultados en zonas húmedas con vegetación abundante. Su expresión general es: 10T Et 1.6 I
a
(4) Donde: Et = evaporación potencial no ajustada para meses de 30 días de 12 horas luz (mm)
29
T = temperatura media mensual (°C) I = suma de (i) para todos los meses del año o semana anual de calor a = constante que depende del lugar y que es función del índice de eficiencia anual de temperatura, cuyo valor es: a = 0.000000675 I3 - 0.0000771 I2 + 0.017925 I + 0.49239 i = eficiencia de la temperatura I = índice anual de calor (o temperatura). Es la suma de las eficiencias mensuales de Temperatura. 1
I i 12
T I 5
1.514
(5)
La evapotranspiración potencial no ajustada se corrige por la duración real del día en horas y los días del mes y se obtiene la evapotranspiración potencial ajustada.
Las críticas que pueden hacerse a este método son: 1. La temperatura no es buena indicadora de la energía disponible para la evapotranspiración. 2. La temperatura del aire respecto a la temperatura de radiación puede ser diferente. 3. La evaporación puede cesar cuando la temperatura promedio desciende de cero grados centígrados, lo cual es falso. 4. El viento puede ser un factor importante en algunas áreas requiriéndose en ocasiones para ello, un factor de corrección. 5. La fórmula no toma en cuenta el efecto de calentamiento o enfriamiento del aire por advección. Se obtienen resultados aceptables en zonas húmedas con vegetación abundante, pero los errores aumentan en zonas áridas o semiáridas.
30
2.5.2.2 Método de Turc Turc desarrolló la fórmula siguiente la cual se basa en estudios estadísticos de 254 cuencas alrededor del mundo; relaciona evapotranspiración, precipitación y temperatura. También, desarrolló otra fórmula mucho más complicada para periodos más pequeños (10 días); en esta fórmula trata de tomar en cuenta el efecto de la humedad del suelo para diferentes plantas.
ETreal
P
0.9 P / I
2 1/ 2
T
(6)
Donde: ETreal
= evapotranspiración anual (mm)
P
= precipitación anual (mm)
IT
= 300 + 25 T + 0.05 T3
T
= temperatura media del aire (°C)
2.5.2.3 Método de Blaney y Criddle Harry F. Blaney y Wayne D. Criddle lograron perfeccionar su fórmula en el oeste de los Estados Unidos, donde haciendo intervenir la temperatura media mensual y el porcentaje de horas-luz, así como un coeficiente que depende del cultivo se puede estimar el uso consuntivo. U. C. = K F(7) Donde: U. C. = uso consuntivo o evapotranspiración real (cm) K
= coeficiente de ajuste que depende de varios factores entre ellos, el tipo de
cultivo, de la humedad a que está sujeta al suelo n
F f l
T 17.8 f p 21.8
(8) Donde: n
= número de meses que cubre el ciclo vegetativo del cultivo
31
f
= factor climático
T
= temperatura media mensual (°C)
p
= porcentaje de horas-luz del mes, con respecto al total anual.
La fórmula propuesta relaciona la temperatura media de un lugar con la luminosidad y la evapotranspiración, eliminando la humedad relativa; determinando los coeficientes globales del cultivo. Coeficiente de corrección “KT” La fórmula reporta valores en algunos casos no específicos, por haber sido deducida en una región desértica, Penman introdujo una corrección por temperatura “KT”, que se calcula como sigue: KT = 0.031144 T + 0.2396 T
(9)
= temperatura media mensual (°C)
Nota: esta corrección se lleva a efecto solamente en zonas desérticas.
La expresión general de Blaney y Criddle, permite obtener valores del uso consuntivo en periodos no menores de 30 días, en virtud de que “K” es una constante que varía en función del desarrollo que permita obtener valores de U. C. en el periodo que se desee, por lo cual el factor “K” se transforma en “KD”; y por lo tanto la expresión final de la fórmula tal como se usa actualmente es la siguiente:
U. C. = KD x KT x f
(10)
Donde: KD = coeficiente de desarrollo
Para poder aplicar esta fórmula es necesario tener las curvas que proporcionan los valores del coeficiente de desarrollo “KD”, de cada cultivo, las cuales deben obtenerse en cada lugar y para cada cultivo o bien usar las obtenidas en lugares similares.
32 En la Tabla 1 se presentan una serie de valores de “KG”, coeficientes globales de uso consuntivo, tomados de la tabla publicada en el boletín del Departamento de Conservación de Suelos de los Estados Unidos de América. Tabla 1. Coeficientes globales usados en la fórmula de Blaney y Criddle CULTIVO
REGION HUMEDA
REGION ARIDA
Maíz
0.75
0.85
Trigo
0.75
0.75
Algodón
0.60
0.65
Sorgo
0.70
0.70
Cártamo
0.57
0.57
Soya
0.80
0.80
Arroz
1.00
1.20
Ajonjolí
0.70
0.75
Garbanzo
0.60
0.70
Cebada
0.75
0.75
Jitomate (vara)
0.70
0.70
Vid
0.70
0.65
Al aplicarse la fórmula general el valor obtenido corresponde al uso consuntivo de todo el ciclo, sin que con esto se obtengan los diferentes valores parciales útiles para programar las láminas de agua y los intervalos de tiempo entre riegos. Et = F K
(11)
T 17.8 F = sumatoria de los valores obtenidos multiplicando el factor 21.8 de la
Tabla 2 por "p", obtenido de la Tabla 3 de latitud y mes del año.
33 T 17.8 Tabla 2. Valores de la expresión 21.8 en relación con temperaturas medias (°C)
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
0 1.690 1.736 1.782 1.826 1.877 1.920 1.966 2.012 2.058 2.104 2.150 2.196 2.242 2.288 2.334 2.380 2.426
1 1.695 1.741 1.787 1.833 1.879 1.925 1.971 2.017 2.063 2.109 2.155 2.201 2.247 2.293 2.339 2.385 2.431
2 1.699 1.745 1.791 1.837 1.883 1.929 1.975 2.021 2.067 2.113 2.159 2.205 2.251 2.297 2.343 2.389 2.431
3 1.704 1.750 1.796 1.842 1.888 1.934 1.980 2.026 2.072 2.118 2.164 2.210 2.256 2.302 2.348 2.394 2.436
4 1.708 1.754 1.800 1.846 1.892 1.938 1.984 2.030 2.076 2.122 2.168 2.214 2.260 2.306 2.352 2.398 2.440
5 1.713 1.759 1.805 1.851 1.897 1.943 1.989 2.035 2.081 2.127 2.173 2.219 2.265 2.311 2.357 2.403 2.445
6 1.718 1.764 1.810 1.856 1.902 1.948 1.994 2.040 2.086 2.132 2.178 2.224 2.270 2.316 2.362 2.408 2.450
7 1.722 1.768 1.814 1.860 1.906 1.952 1.998 2.044 2.090 2.136 2.182 2.228 2.274 2.320 2.366 2.412 2.424
8 1.727 1.773 1.819 1.865 1.911 1.957 2.003 2.049 2.095 2.141 2.187 2.233 2.279 2.325 2.371 2.417 2.459
9 1.731 1.777 1.823 1.869 1.915 1.961 2.007 2.053 2.099 2.145 2.191 2.237 2.283 2.329 2.375 2.421 2.463
Tabla 3. Valor de “p” según la latitud y el mes Lat. Ene. Feb. Mar. Norte 20° 7.74 7.26 8.41 21° 7.71 7.24 8.40 22° 7.66 7.21 8.40 23° 7.62 7.19 8.40 24° 7.58 7.17 8.40 25° 7.53 7.13 8.30 26° 7.49 7.12 8.40 27° 7.43 7.09 8.38 28° 7.40 7.07 8.30 29° 7.35 7.04 8.37 30° 7.30 7.03 8.38 31° 7.25 7.00 8.36 32° 7.20 6.97 8.37
Abr. May. Jun.
Jul.
Ago. Sep.
Oct.
Nov.
Dic.
8.53 8.54 8.56 8.57 8.60 8.61 8.64 8.65 9.68 8.70 8.72 8.73 8.75
9.23 9.29 9.33 9.35 9.41 9.43 9.49 9.52 9.58 9.61 9.67 9.72 9.77
8.95 8.98 9.00 9.02 9.05 9.08 9.10 9.13 9.16 9.19 9.22 9.24 9.28
8.17 8.15 8.13 8.11 8.09 8.08 8.06 8.03 8.02 8.00 7.99 7.95 7.95
7.59 7.54 7.50 7.47 7.43 7.40 7.36 7.36 7.22 7.24 7.19 7.15 7.11
7.66 7.62 7.55 7.50 7.46 7.41 7.35 7.31 7.27 7.20 7.14 7.09 7.05
9.14 9.18 9.92 9.24 9.30 9.32 9.38 9.40 9.46 9.49 9.53 9.57 9.63
9.00 9.05 9.09 9.12 9.20 9.22 9.30 9.32 9.38 9.43 9.49 9.54 9.60
8.29 8.29 8.30 8.30 8.31 8.30 8.31 8.32 8.32 8.32 8.34 8.33 8.34
Mientras no se cuente con gráficas de la región, el cálculo de los valores parciales se hace con las gráficas elaboradas por el Departamento de Conservación de Suelos de los Estados Unidos de América, en la región del centro de California, que permiten obtener los coeficientes, en función del
34
desarrollo de las plantas, dividiendo en porcentajes el tiempo del ciclo total desde el nacimiento de las mismas, hasta la cosecha. Se sugiere la siguiente metodología para el cálculo de la evapotranspiración real utilizando los coeficientes de desarrollo, determinados de las gráficas específicas del cultivo considerado: a) Obtener en cada uno de los meses el factor “f” de Blaney y Criddle, que es el producto de los factores “p”, porciento teórico de horas-luz en función de la latitud y el mes, por el valor de la expresión: T 17.8 21.8
(12)
b) Determinar y calcular los valores de Kc o sea, los coeficientes de la etapa de desarrollo en la gráfica de cultivo, para lo cual es necesario seleccionar el tramo de curva que comprenda al periodo vegetativo y dividirlo entre el número de meses que dura el ciclo del cultivo. Calcular para cada mes una ordenada media de la curva (por medio de 3 o 4 ordenadas del intervalo), la cual representa el valor mensual de Kc. Coeficiente de ajuste “J” Aunque el método de Blaney y Criddle y sus coeficientes por cultivo han sido usados en diferentes partes del mundo con relativa aproximación, estos valores deben estar ajustados cada vez que se tengan referencias experimentales confiables. J = Kg / Kc
(13)
2.5.2.4 Método racional utilizando la curva de Hansen Todas las plantas cultivadas presentan etapas de crecimiento, floración y fructificación. Este método se basa en que las exigencias de humedad a través del ciclo vegetativo se conjugan en una sola curva determinada como promedio
35
de todas las demás. Las etapas de crecimiento están relacionadas con las demandas de agua aún más estrechamente, que la edad misma de los cultivos. Este método tiene las siguientes ventajas: a) Reúne en una sola curva la información sobre las exigencias relativas de humedad de un cultivo a través de un ciclo vegetativo, eliminando así la necesidad de usar diferentes curvas para calcular los usos consuntivos. b) El factor climático “f” puede ser utilizado ventajosamente por el dato de evaporación de cada distrito afinando dicho coeficiente con los estudios de control gravimétrico de humedad. c) El coeficiente de requerimiento de humedad puede ser mejor adaptado a las condiciones de cada distrito afinando dicho coeficiente con los estudios de control gravimétrico de humedad del suelo, que se hayan realizado en las parcelas de prueba para diferentes cultivos y determinando en cada caso, los porcientos de hora- luz de cada distrito o área por regar. El procedimiento de cálculo exige usar el siguiente camino: 1. Obténgase para cada mes el factor "f" de Blaney y Criddle. 2. Defínase el punto que limita el desarrollo de longitud de la curva según el cultivo propuesto por Hansen. 3. Precise en décimas el tramo de la curva sobre el eje de las abscisas, el cual se divide en el número de meses que forman el ciclo vegetativo. 4. Determínese el coeficiente de la etapa de desarrollo del cultivo (Kc) de la curva única de Hansen.
5. El valor de la coordenada media se obtiene en igual forma que en el método anterior.
36
Formación de la curva de los consumos acumulados y frecuencias de los riegos
Obtenidas las láminas que se consumirán mensualmente se procede a la formación de la curva de consumos acumulados y se determinan las frecuencias con que deben aplicarse los diferentes riegos, mediante el siguiente proceso:
1. Trace un sistema de ejes coordenados y coloque en el eje de las ordenadas una escala en centímetros que represente las láminas de agua acumuladas en cm, y en el eje de las abscisas el tiempo en días que dura el ciclo vegetativo del cultivo. 2. Fije en la gráfica los valores de los consumos mensuales en forma acumulativa. 3. Las “láminas de agua de riego” requeridas para reponer la humedad consumida entre riegos, en el espesor del suelo considerado para alojar el sistema radicular, deberá ser del mismo valor. 4. Fije en la curva los valores de las diferentes láminas de agua de consumos acumulados y en cada uno de los puntos donde intersecta a la curva, se trazan paralelas al eje de las ordenadas hasta cortar el eje de las abscisas para fijar los diferentes intervalos en que deberán aplicarse los riegos.
2.5.2.5 Método de Grassi y Christensen
Este método calcula el uso consuntivo de igual forma que lo hacen Blaney y Criddle. Se determinan los factores evaporantes (f), se multiplican por los coeficientes periódicos (km) que se obtienen de una gráfica con los valores propuestos por Grassi y Christensen, de la manera siguiente:
1. Se determina el coeficiente global (Kg) el cual dependerá del cultivo y de las características climáticas del lugar, ya que los valores para zonas húmedas y semi-húmedas son más bajos que para las zonas áridas y semi-áridas, según los valores de coeficientes globales propuestos por Blaney y Criddle (Tabla 1).
37
2. Una vez obtenido este valor, se va a la Tabla 4 con los coeficientes propuestos por Grassi y Christensen, y se toman los valores de los diferentes tantos por ciento del ciclo vegetativo correspondiente para el coeficiente global elegido. 3. Se elabora una gráfica tomando como abscisas los valores del porciento del ciclo vegetativo y en las ordenadas los valores de los coeficientes periódicos (Km) de la Tabla 4. 4. Una vez construida la gráfica, se divide en partes iguales la distancia que comprende todo el ciclo vegetativo, como meses dure el cultivo desde la siembra a la cosecha. 5. Se levanta en cada división de la separación de meses en las abscisas, líneas perpendiculares hasta la curva. Las áreas delimitadas en la curva deberán ser igual al número de meses en que se haya dividido el ciclo vegetativo del cultivo. 6. Se localizan los centros de gravedad de estas áreas y se trazan por ellos paralelas al eje de las abscisas obteniéndose en el eje de las ordenadas el valor de Km para cada mes. 7. Finalmente el valor determinado se multiplica por los valores de los (f) mensuales correspondientes para obtener el valor del uso consuntivo de cada uno de ellos. Tabla 4. Coeficientes periódicos de uso consuntivo en función del ciclo vegetativo CICLO Kg = Kg = Kg = Kg = Kg = Kg = Kg = 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 VEGETATIVO (%) K K K K K K K 10 0.158 0.181 0.204 0.226 0.249 0.272 0.294 20 0.255 0.292 0.328 0.365 0.401 0.438 0.474 30 0.333 0.380 0.428 0.425 0.523 0.571 0.618 40 0.391 0.447 0.503 0.559 0.615 0.671 0.727 50 0.430 0.492 0.553 0.615 0.676 0.738 0.799 60 0.450 0.514 0.578 0.643 0.707 0.771 0.836 70 0.450 0.515 0.579 0.643 0.708 0.772 0.837 80 0.431 0.493 0.555 0.616 0.678 0.740 0.801 90 0.393 0.450 0.406 0.562 0.618 0.674 0.731 100 0.336 0.384 0.432 0.480 0.528 0.576 0.624 CICLO
Kg = 0.70
Kg = 0.75
Kg = 0.80
Kg = 0.85
Kg = 0.90
Kg = 0.95
38
VEGETATIVO (%) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
K 0.317 0.511 0.666 0.783 0.861 0.900 0.901 0.863 0.787 0.672
K 0.340 0.547 0.713 0.839 0.922 0.964 0.965 0.925 0.843 0.720
K 0.362 0.584 0.761 0.895 0.984 1.028 1.030 0.986 0.899 0.768
K 0.385 0.620 0.809 0.951 1.045 1.093 1.094 1.048 0.956 0.816
K 0.407 0.657 0.856 1.006 1.107 1.157 1.158 1.109 1.012 0.864
K 0.430 0.693 0.904 1.063 1.168 1.221 1.222 1.171 1.068 0.912
Fuente: De la Peña (1987). "Manual del uso y manejo del agua de riego". 186 p.
2.5.2.6 Método usando un tanque evaporímetro tipo “A”
Se basa en la consideración propuesta por Grassi en la que estipula que las medidas de evaporación en una superficie de agua en un tanque evaporímetro integra los efectos de los diferentes factores meteorológicos que influyen en la evaporación.
Basado en esto, se puede estimar con cierta precisión la evapotranspiración de un cultivo utilizando la siguiente expresión:
ETR = ETP * KC
(14)
Si consideramos que ETP = C * EV tenemos:
ETR = C * EV * KC
(15)
Donde: ETR = evapotranspiración real ETP = evapotranspiración potencial C
= coeficiente de ajuste de la evaporación por la posición del tanque, la intensidad del
viento y por el porciento de la humedad relativa mensual sobre el tanque EV = evaporación media en tanque tipo A KC = coeficiente de ajuste en función del desarrollo vegetativo del cultivo
39 El tanque tipo “A”, es el más utilizado por el Servicio Meteorológico Mundial y estipula que las tinas tengan un diámetro de 1.22 m por 0.26 m de altura.
Su colocación está condicionada a ciertas normas que cubren la altura sobre el suelo fijándola a 0.50 m sobre la superficie del terreno sobre tablones de 4” x 4” cuyo tanque de aluminio deber ser pintado de color generalmente blanco, recomendándose no utilizar colores obscuros o negros.
Puede estar rodeado de pasto o en tierra seca. El nivel del agua dentro de la tina se debe conservar de 15 a 20 cm y teniendo cuidado de que no se formen en la superficie capas de nata que modifiquen el valor de la evaporación.
2.5.2.7 Método de Penman simplificado
Con este método puede obtenerse fácilmente la evaporación potencial diaria en mm/día, mediante el uso de un nomograma y tablas formadas en función de la radiación extraterrestre, la temperatura media del aire y el porcentaje de brillo solar. Para este porcentaje se calcula un valor esperado en la zona o se determina por medio de un piroheliógrafo (quemador de papel).
Metodología para obtener la evapotranspiración potencial 1. Se obtiene el valor de la radiación extraterrestre expresada en evaporación
equivalente en mm/día de cada mes en atención a la latitud del lugar (Tabla 5). Fuente: “Guidelines for predicting crop water requirements” por J. Doorenbos y W. O. Pruit FAO, Roma.
40
Tabla 5. Radiación (Latitud Norte) Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
20 11.2 12.7 14.4 15.6 16.3 16.4 16.3 15.9 14.8 13.3 11.6 10.7
22 10.7 12.3 14.2 15.5 16.3 16.4 16.4 15.8 14.6 13.0 11.1 10.2
24 10.2 11.9 13.9 15.4 16.4 16.6 16.5 15.8 14.6 12.6 10.7 9.7
26 9.8 11.5 13.7 15.3 16.4 16.7 16.6 15.7 14.3 12.3 10.3 9.3
28 9.3 11.1 13.4 15.3 16.5 16.8 16.7 15.7 14.1 12.0 9.9 8.8
30 8.8 10.7 13.1 15.2 16.5 17.0 16.8 15.7 13.9 11.6 9.9 8.3
32 8.3 10.2 12.8 15.0 16.5 17.0 16.8 15.6 13.6 11.2 9.0 7.8
34 7.9 9.8 12.4 14.8 16.5 17.1 16.8 15.5 13.4 10.8 8.5 7.2
2. Se calcula el porcentaje de brillo solar del lugar mediante la relación del vapor del brillo solar, según el reporte medio mensual obtenido en el piroheliógrafo instalado y el valor del brillo solar esperado en cada uno de los meses dados en la Tabla 6. Tabla 6. Porcentaje de brillo solar (Latitud Norte) Mes 20 25 30 35 Enero 11.0 10.7 10.4 10.1 Febrero 11.5 11.3 11.1 11.0 Marzo 12.0 12.0 12.0 11.9 Abril 12.6 12.7 12.9 13.1 Mayo 13.1 13.3 13.6 14.0 Junio 13.3 13.7 14.0 14.5 Julio 13.2 13.5 13.9 14.3 Agosto 12.8 13.0 13.2 13.5 Septiembre 2.3 12.3 12.4 12.4 Octubre 1.8 11.6 11.5 11.2 Noviembre 1.2 10.9 10.6 10.3 Diciembre 10.9 10.6 10.2 9.8 Fuente: “Guidelines for predicting crop water requirements” por J. Doorenbos y W. O. Pruit FAO Roma,
3. Para encontrar el valor de la evapotranspiración potencial en el nomograma, se traza una línea que una el punto que representa al valor de la radiación extraterrestre expresada en evaporación equivalente en mm/día con el punto de la escala donde está el valor del porcentaje de brillo solar, prolongándola hasta la escala pivote, cuyo cruce determinará el siguiente trazo.
41
4. Del punto base de la escala pivote, se traza una línea que una el valor obtenido en la línea pivote con el valor de la temperatura media mensual expresada en °C, la cual deberá prolongarse hasta encontrar la escala en que están los valores de la evapotranspiración potencial dada en mm/día. El cruce de dicha línea y la escala encontrada, fija el valor de la evaporación potencial diaria en mm/día. 5. El valor de la evapotranspiración potencial en mm/día se multiplica por el número de días que tiene el mes y/o por los días que cubre el cultivo y se tiene el valor de evapotranspiración mensual en mm/día y/o en mm/ciclo.
2.5.2.8 Método de Hargreaves
La siguiente fórmula fue desarrollada por Hargreaves (Hargreaves G.L, Hargreaves G.H &RileyJ.P, 1985) y (Hargreaves G.H. &Samani Z.A, 1991), a base de mediciones realizadas enlisímetros (Universidad de California).
ETo = 0.0023 * Ra * (Tm + 17.8) * TD
(16)
Donde: ETo: Evapotranspiración del cultivo de referencia (mm/día) Ra: Radiación extraterrestre (mm/día) (Tablas) Tm: Temperatura media diaria en °C. TD: Diferencia de temperatura promedio diaria en el periodo considerado (°C). TD = Temperatura máxima media (°C) – Temperatura mínima media (°C)
Finalmente, la Evapotranspiración para el cultivo dado se calculará mediante la ecuación: ETo = ETo * Kc
(17)
Donde Kc: Coeficiente del cultivo de Hargreaves (según Tablas).
42
2.5.2.9 Método de Jensen- Haise
La ecuación de Jensen-Haise; es el resultado de la revisión de unas 3,000 medidas de ET hechas en el oeste de los Estados Unidos por un período de 35 años. La ecuación es la siguiente:
PET = R (0.025T + 0.08) s
(18)
Donde: PET = Evapotranspiración potencial, mm/día. Rs = Radiación solar total diaria, mm de agua. T = Temperatura promedio del aire, °C.
Esta temperatura subestima seriamente la ET bajo condiciones de alto movimiento de masas de aire atmosférico, pero da buenos resultados en atmósferas tranquilas. Cuadro 1. Por ciento promedio de horas de día diario (p) en base de horas de día anuales para diferentes latitudes.
43
* Las latitudes del sur tienen seis meses de diferencia como se muestra en el cuadro 1.
2.5.2.10 Método de Stephens-Stewart Stephens-Stewart propusieron un método utilizando datos de radiación solar que es similar al método original de Jensen-Haise. La ecuación es como sigue: PET = 0.01476 (T + 4.905) MR / b
(19)
s
Donde: PET = Evapotranspiración potencial mensual, mm. T = Temperatura promedio mensual, °C. 2
MR = Radiación solar mensual, cal/cm . s 2
b = Energía latente de vaporización de agua, [59.59 – 0.055 T ], cal/ cm -mm. m
44
2.5.2.11 Método de Linacre La ecuación propuesta por Linacre es como sigue: PET = (700 Tm [100 – La] + 15 [Ta- Td]) (80 – Ta)
(20)
Donde: PET = Evapotranspiración potencial, mm. Tm = Ta + 0.006z z = Elevación, m. Ta = Temperatura media, °C. La = Latitud, grados. Td = Temperatura media de punto de rocío, °C.
Los valores obtenidos mediante esta fórmula difieren en 0.3 mm/ día en base anual y en 1.7 mm/ día en base diaria.
2.5.2.12 Método de Makkink Makkink desarrolló la siguiente ecuación tipo regresión para estimar PET de medidas de radiación. PET = Rs {S/(S + b)} + 0.12
(21)
Donde: PET = Evapotranspiración potencial, mm/día. Rs = Radiación solar total diaria. b = Constante psicrométrica. S = Pendiente de la curva de presión de vapor saturado a la temperatura promedio del aire.
Esta fórmula da buenos resultados en climas húmedos y fríos, pero no en regiones áridas.
45
2.5.2.13 Método de Radiación
La ecuación de radiación presentada por Doorenbos y Pruitt(1977) es esencialmente una adaptación de la fórmula de Makkink. La relación se expresa como: PET = c x (W · Rs)
(22)
Donde: PET = Evapotranspiración potencial en mm/ día, para el período considerado. Rs = Radiación solar, mm/ día. W = Factor relacionado a temperatura y a elevación. c = Factor de ajuste el cual depende de la humedad promedio y velocidad promedio del viento.
Este método es confiable en la zona del ecuador, en islas pequeñas y a altas latitudes. Los mapas de radiación solar proveen los datos necesarios para la fórmula.
2.5.2.14 Método de Priestly-Taylor
Priestly y Taylor(1972); mostraron que en la ausencia de movimiento de masas de aire atmosférico, la PET está directamente relacionada al equilibrio de evaporación:
PET = A [S/(S + B)] * (R + S) n
(23)
Donde: PET = Evapotranspiración potencial en mm/ día, para el período considerado. Rn = Radiación neta. A = Constante empírica que relaciona ETP/ETeq. S = Flujo de calor en el suelo, (KJ m-2 s-1).
B= Constante psicométrica, (KPa ᵒC-1).
46
Este método es confiable en la zona del ecuador, en islas pequeñas y a altas latitudes. Los mapas de radiación solar proveen los datos necesarios para la fórmula. 2.6
Comparación de métodos de Estimación para la Evapotranspiración
A continuación en el siguiente cuadro se tiene la comparación de diferentes métodos de estimación de la evapotranspiración según ASCE-1989. Tabla 7: Comparación de diferentes métodos de estimación de laevapotranspiracióncon datos obtenidos con medidas directas a partir de lisímetros. Fuente ASCE, 1989
Zonas áridas Método 1. Penman-Monteith
(r ) (0,99)
Zonas húmedas Método 1. Penman-Monteith
2. Kimberly-Penman 1982
(0,99)
2.Turc
3. FAO-24 Radiation
(0,98)
3. Penman 1963
(0,94)
4. Penman 1963 VPD-3
(0,97)
4. FAO-17 Penman
(0,93)
5. FAO-17 Penman
(0,97)
5. Priestley-Taylor
(0,88)
6. FAO-24 Penman
(0,97)
6 .Penman 1963 VPD 3
(0,94)
7. Penman 1963
(0,98) 7 .Kimberly-Penman 1982
(0,93)
8. Kimberley-Penman 1972
(0,96) 8 .Kimberley-Penman 1972
(0,89)
9. FAO 24 Blaney-Criddle
(0,97)
9 .FAO 24 Blaney-Criddle
(0,91)
10. FAO 24 Penman corregido (0,97)
10. Hargreaves 1985
(0,92)
11.Businger-Van Bavel
(0,93)
11. FAO-24 Radiation
(0,93)
12. Jensen-Haise
(0,96)
12 .Jensen-Haise
(0,84)
13. Hargreaves 1985
(0,96)
13. Thornthwaite
(0,77)
14. FAO 24 Pan
(0,94)
14 .FAO-24 Penman
(0,90)
15. SCS Balney-Criddle
(0,89)
15. SCS Balney-Criddle
(0,80)
16.Cristiansen pan
(0,93)
16 .Businger-Van Bavel
(0,87)
17. Pan evaporation
(0,94)
17 FAO 24 pan
(0,67)
18.Turc
(0,93)
18 .Cristiansen pan
(0,64)
19. Priestley-Taylor
(0,94)
19. FAO 24 Penman corregido (0,92)
20. Thornthwaite
(0,76)
20 Pan evaporation
(r ) (0,97) (0,93)
(0,70)
47
En general, emplearemos en las estimaciones de las evapotranspiraciones en regadío los métodos de Penman (recomendamos Penman-Monteith-FAO 56) y de Hargreaves (Hargreaves y Samani, 1985), para el caso de observatorios no completos en los que no se dispone de todos los datos. Señalamos, por otro lado, como en planificación hidrológica y para balances hídricos climáticos en cuencas se sigue usando mucho el método de Thornthwaite. La evapotranspiración de referencia de Hargreaves es el método empleado para el módulo CDBm del sistema integrado MICROLEIS de evaluación, De la Rosa (1996). El método ha dado buenos resultados en el área mediterránea, y en particular en el Valle del Guadalquivir (Orgaz et al., 1996). También, el método ha dado muy buenos resultados en su aplicación en la España peninsular (Hontoria, 1995). El método de Penman-Monteith es el método que mejor resultado ha dado en el estudio de ASCE, 1989, además es el método adoptado en FAO 56, Mohawesh, O.E. (2011).
2.7
RADIACIÓN
La radiación es definida como la emisión, propagación y absorción de la energía en forma de ondas electromagnéticas. El proceso de radiación se diferencia de las otras formas de energía, como convección y conducción, por el hecho de que estas siempre necesitan un medio de transmisión, ya sea sólido, líquido o gaseoso, mientras que la radiación de energía se puede presentar además en el vacío. La radiación que llega del sol a la tierra es la fuente principal de energía para la generación de los fenómenos en la atmósfera, en los océanos y, en general, para la vida en la tierra. Conforme el espectro total de radiación solar (ultravioleta, UV, visible e infrarrojo, IR) penetra la atmósfera, se va modificando, de tal manera que gran parte de la radiación UV e IR son absorbidas, mientras que principalmente es la radiación visible la que llega a la superficie terrestre. La atmósfera tiene un papel muy importante en el mantenimiento del balance entre la radiación solar que entra al sistema terrestre y la radiación que sale de la tierra, manteniendo un promedio global de temperatura superficial del orden de 15°C. Si
48
la tierra no tuviera una atmósfera para absorber y distribuir el calor que nos llega del sol, entonces gran parte de esa energía solar sería reflejada inmediatamente y la temperatura media sobre la superficie terrestre estaría por abajo de los 0°C. Cuando la radiación solar llega a la superficie de la tierra, es transformada en calor y en radiación infrarroja. Esta energía es absorbida por la atmósfera y emitida de nuevo al espacio. En el término de un año y a primera aproximación, el sistema terrestre devuelve exactamente la misma cantidad de energía que llega del sol, pues de otra manera la tierra se calentaría (o se enfriaría) ilimitadamente, por lo que difícilmente se podría mantener la vida tal y como la conocemos actualmente, Kreith, A. and Kreider, F., (1978), Kondratyev, K.Y., (1969). Las diferencias, en tiempo y espacio, del campo de radiación (solar y terrestre) y las características de la superficie terrestre originan lo que se conoce como el clima. Aunado a esto, los distintos procesos dinámicos y termodinámicos entre la atmósfera, el océano y la tierra, finalmente darán origen a lo que se conoce como el estado del tiempo o estado meteorológico. Distintos factores, tales como la altitud, la latitud, la proximidad a los océanos, a los continentes, y otros, tienen un efecto importante en el balance de radiación y en el control del clima y de la meteorología en cada región del mundo, Linacre, E. (1992). 2.7.1 Radiación Solar La principal fuente de calor que recibe la atmósfera proviene del sol, el cual está continuamente radiando energía en forma de ondas electromagnéticas. La cantidad total de energía solar que llega a la tierra depende de cuatro factores principales: Emisión de radiación solar; distancia entre el sol y la tierra; altitud del sol y longitud del día, Rabl, A., (1976), Kondratyev, K.Y., (1969). 2.7.1.1 Emisión de Radiación Solar La temperatura en la fotosfera del sol, TS, es de aproximadamente 5785 °K; por lo que si se considera al sol como un cuerpo negro, este emitirá radiación electromagnética de acuerdo a la ley de Stefan-Boltzmann, derivada por los físicos austriacos Josef Stefan (1835 - 1893) y Ludwig Boltzmann (1844 - 1906),
49
la cual establece que la radiación total emitida por un cuerpo, E, es proporcional a la temperatura, T, elevada a la cuarta potencia:
(24) Donde: -8
-2
-4
σ = 5.669 x 10 Wm °K es la constante de Stefan-Boltzmann. ε = es la emisividad (para un cuerpo negro, ε = 1, pero en general ε ≤ 1); entonces, dada 7
-2
la temperatura de la fotosfera solar, E será 6.35 x 10 Wm . Esta radiación es emitida perpendicularmente a la superficie del sol. Ya que el radio medio del sol, R es de 6.959 S,
8
2
18
2
x 10 m, con un área total (AS = 4πRS ) de 6.1 x 10 m ; entonces se tendrá que el sol 26
emite aproximadamente una cantidad total de radiación (ES = EAS) de 3.873 x 10 W. Aunque el valor de ES da el total de energía radiativa emitida por el sol, es interesante y necesario conocer la distribución espectral de esta radiación en función de la longitud de onda, λ, para lo cual se utiliza la Ley de Planck, derivada por el físico alemán Max Planck (1858 - 1947), que establece que el poder emisivo espectral, Eλ, de un cuerpo negro a cualquier longitud de onda y temperatura, está dado por la relación.
(25) Donde: -2
-1
8
4
-2
4
Eλ está dada en unidades de Wm μm ; C1 = 3.7427 x 10 Wμm m ; C2 = 1.4388 x 10 μm°K; λ está dada en (μm) y T es la temperatura del cuerpo negro (°K).
50
Fig.2. Espectro Electromagnético de la Energía radiada
Espectro electromagnético solar en el tope de la atmósfera. La línea punteada se derivó de la Ley de Planck, suponiendo una temperatura del sol de 5785 °K; la línea continua se derivó de observaciones hechas con instrumentación a bordo de cohetes y satélites, fuera del sistema terrestre. Las unidades en el eje vertical son -2
-1
Wm μm y en el eje horizontal son μm (Adaptado de Iqbal, 1983). En la Figura 2; se muestra el espectro electromagnético de la energía radiada por un cuerpo negro a la temperatura de 5785 °K, derivada de la Ley de Planck. También se muestra el valor promedio de la radiación solar medida en el tope superior de la atmósfera terrestre, Iqbal, M., (1983). La radiación electromagnética puede ser clasificada en términos de la longitud de onda, de la frecuencia o del número de onda. La frecuencia, ν, se puede definir como:
(26) Donde: 8
-1
C=es la velocidad de propagación de la radiación electromagnética (c = 2.998 x 10 ms , en el vacío). El número de onda, η, es el número de ondas por longitud unitaria, se define como:
51
(27) Las unidades comunes de longitud de onda, usadas para el estudio de la -6
radiación, son: el micrómetro (1 μm = 10 m) y el Angstrom (1 Å = 10
-10
m). El
-6
espectro electromagnético puede ser dividido en rayos γ (λ < 2.4 x 10 μm), rayos -6
X (2.4 x 10 - 0.001 μm), Ultravioleta (0.001 - 0.39 μm), Visible (0.39 - 0.77 μm), Infrarrojo (0.77 - 1000 μm) y las ondas de Radio (λ > 1000 μm). La radiación solar tiene un espectro de energía comprendido entre 0.1 y 4 μm; es decir, solo comprende el visible y parte del ultravioleta y del infrarrojo. El espectro Ultravioleta puede ser subdividido en 3 bandas: Cuadro 2. Espectro Ultravioleta (0.001 - 0.2 μm) (0.2 - 0.3 μm) (0.3 - 0.39 μm)
UV máximo UV lejano UV cercano
El espectro Visible puede ser subdividido en 6 colores: Cuadro 3. Espectro Visible violeta azul verde amarillo naranja rojo
(0.39 - 0.455 μm) (0.455- 0.492 μm) (0.492 - 0.577 μm) (0.577 - 0.597 μm) (0.597 - 0.622 μm) (0.622 - 0.77 μm)
Y el espectro Infrarrojo se puede subdividir en: Cuadro 4. Espectro Infrarrojo IR cercano IR lejano
(0.77 - 25 μm) (25 - 1000 μm)
Nótese que en el espectro electromagnético de los rayos γ rayos X, se están considerando radiaciones extra-solares, así como en el espectro del Infrarrojo se está considerando una banda mucho más amplia, en la que se incluye no
52
solamente radiación solar, sino también radiación terrestre. De la radiación solar, aproximadamente el 8% es ultravioleta (UV), 46 % es visible (VIS) y 46 % es infrarroja (IR). Fig.3. Espectro Electromagnético de Radiación
Fig. 3; Espectro electromagnético de radiación en el rango de λ < 10-3 μm (rayos γ y rayos X) hasta λ > 103 μm (microondas y ondas de radio). En este esquema se indica el rango de radiación térmica, el cual indica la región del espectro electromagnético que está relacionado con el calentamiento de la atmósfera, asociado al efecto de invernadero.
De acuerdo a la Ley de desplazamiento de Wien, derivada por el físico alemán Wilhelm Wien (1864 - 1928), la longitud de onda de la emisión de radiación máxima, λmax, es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del cuerpo radiante
(28) Con α = 2897 (μm°K). Para una temperatura, T, de 5785 °K, la longitud de onda de máxima radiación solar será aproximadamente igual a 0.5 μm; es decir, dentro del visible, en la banda del color verde. En la Fig. 3; se presenta un esquema del espectro electromagnético, indicando la región del espectro de radiación termal,
53
que se refiere a la región del espectro electromagnético relacionado con el calentamiento de la atmósfera, derivado del efecto de invernadero. La radiación solar que llega a la tierra depende de varios factores, tales como la distancia al sol, los movimientos de la tierra de traslación y rotación, y la dirección en que incide la radiación. Debido a que la temperatura de emisión solar es del orden de 5785 °K, casi todo el espectro electromagnético solar, de importancia para el calentamiento terrestre, se encuentra en la región de onda corta (ultravioleta y visible); mientras que la tierra, al encontrarse a una temperatura efectiva del orden de 255 °K, tendrá un espectro de emisión en la región de onda larga (infrarrojo). Si la tierra no tuviese atmósfera, la temperatura promedio que se alcanzaría, en un equilibrio entre la radiación solar incidente y la radiación terrestre emitida, sería del orden de 255°K (- 18°C); sin embargo, gracias a la atmósfera y en particular a los gases de invernadero, la radiación emitida por la superficie terrestre logra ser retenida, retroalimentando a la misma atmósfera y a la superficie terrestre, para así tener una temperatura promedio global del orden de 288°K (+ 15°C). No toda la radiación solar que llega al tope de la atmósfera logra penetrar hasta la superficie de la tierra. Un 30% es reflejado directamente sin afectar la tierra, del 70% restante, aproximadamente un 20% es absorbido por la atmósfera (principalmente por el O2 y el O3). Del 50% restante, que es absorbido por la superficie terrestre, un 30% se transforma en movimiento de la atmósfera y de la hidrosfera, las cuales transportan el exceso de calor de los trópicos hacia los polos. El otro 20% es transformado en radiación de onda larga, la cual es emitida a la atmósfera, reteniéndola por el efecto de invernadero, para después re-emitirla a la superficie y al espacio exterior, manteniendo un balance radiativo en el sistema terrestre. Los principales gases de invernadero son: el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso y los clorofluorocarbonos, los cuales retienen un gran porcentaje de la radiación infrarroja terrestre.
54
2.7.1.2 La Constante Solar Desde el punto de vista energético, la masa solar que por segundo se irradia al espacio en forma de partículas de alta energía y de radiación electromagnética es aproximadamente de 5.6 x 1035GeV y de ella,la Tierra recibe en el exterior de su atmósfera un total de 1.73 x 1014kW, o sea 1353 kW/m2, que se conoce como constante solar y cuyo valor fluctúa en un ±3% debido a la variación periódica de la distancia entre la Tierra y el Sol, Duffie, J.A; Bekman,W.A. (1980).
La atmósfera y la superficie terrestre se encuentran a temperaturas medias distintas y, por lo tanto, también radian energía; así, la longitud de onda de la radiación solar está comprendida entre, 0.05 μmy 4 μm, mientras que la radiación terrestre lo está entre 3 μm y 80 μm, es decir, se trata de emisionesde onda larga. Los 1.73 x 1014 kW de energía solar que inciden sobre la Tierra, se reparten en la siguiente forma: Energía solar reflejada por la atmósfera hacia el espacio exterior: 30%, 0.52 x 1014 kW. Energía solar que se utiliza en calentar la atmósfera: 47%, 0.80 x 1014 kW. Energía solar que se utiliza en la evaporación de los océanos: 23%, 0.40 x 1014 kW. Energía solar que se utiliza en generar perturbaciones atmosféricas, como el viento: 0.0037 x 1014 kW. Energía solar utilizada en la fotosíntesis: 0.0004 x 1014 kW. De lo anterior se deduce, Fig. 4, que: El 47% de la energía solar incidente alcanza la superficie terrestre, de forma que el 31% lo hace directamente y el otro 16% después de ser difundida por el polvo, vapor de agua y moléculas de aire.
55
El resto de la energía solar, el 53%, no alcanza la superficie de la Tierra, ya que: Un 15% es absorbido por la troposfera, (agua, ozono y nubes). Un 23% es reflejado por las nubes. Un 7% es reflejado por el suelo. Un 2% es absorbido por la estratosfera, principalmente por el ozono. El 6% restante es la energía difundida por la atmósfera que se dirige hacia el cielo. Fig.4. Balance de radiación solar
56
Fig.5. Balance de Radiación Terrestre
2.7.2 Distribución Espectral de la Radiación Solar Extraterrestre El Sol se puede considerar como un gigantesco reactor de fusión nuclear, constituido por diferentesgases que se encuentran retenidos en el mismo por fuerzas gravitatorias. La energía en forma de radiaciónelectromagnética, resultado de las reacciones de fusión que tienen lugar en él, fundamentalmenteen el núcleo, debe ser transferida a la superficie exterior para, desde allí, ser radiada al espacio; en esteproceso de transferencia aparecen fenómenos convectivos y radiativos, así como sucesivas capas degases, dando lugar a un espectro de emisión continuo, Iqbal, M., (1983),. A pesar de la compleja estructura del Sol, para las aplicaciones de los procesos térmicos derivadosdel mismo, se puede adoptar un modelo mucho más simplificado. Así, se puede considerar al Sol como un cuerpo negro que radia energía a la temperatura de 5785°K, ya que la distribución de energía para cada longitud de onda aprovechable por los procesos térmicos y fototérmicos, es básicamente la misma quela de dicho cuerpo negro.
57
Para otros procesos que dependen de la longitud de onda, y en los que la distribución espectral es unfactor importante, por ejemplo en los procesos fotovoltaicos o fotoquímicos, pueden ser necesarias consideracionesmás detalladas. La Tierra, en su movimiento alrededor del Sol, describe una órbita elíptica, de escasa excentricidad,de forma que la distancia entre el Sol y la Tierra varía aproximadamente un ± 3%.
La distancia media Tierra-Sol es, d = 149 millones de Km
En el solsticio de verano, la Tierra está alejada una distancia del Sol máxima, dmáx = 1.017 d
En el solsticio de invierno, la Tierra se halla a la distancia mínima del Sol, dmin = 0.983 d
Con estos datos, un observador terrestre situado sobre un círculo en el cual el Sol ocupase el centro,vería a éste bajo un ángulo de 32 minutos.
La radiación emitida por el Sol y las relaciones espaciales con la Tierra, conducen al concepto de intensidadde radiación en el límite exterior de la atmósfera; su valor es prácticamente constante y se conocecomo constante solar, definiéndose como la energía solar por unidad de tiempo recibida sobre unasuperficie perpendicular a la radiación, de área unidad. Esta radiación al atravesar la atmósfera, es parcialmenteabsorbida y difundida por ciertos componentes de la misma; en las últimas décadas, al disponerde satélites artificiales, se han podido realizar mediciones directas de la intensidad solar, libres de lainfluencia de la atmósfera terrestre, habiéndose dado un valor estándar de la misma I0 propuesto por Thekaekara y Drummond en 1979, Fig. 6.
(ext)
58
Fig. 6. Curva Standard de la Radiación Solar Extraterrestre
Resulta importante conocer la distribución espectral de la radiación solar, ya que la interacción de lamisma con los distintos medios materiales es función de la longitud de onda de la radiación incidente; enla Fig.6; se presenta el espectro de la radiación extraterrestre correspondiente a la distribución de energíaque llegaría a la Tierra en ausencia de atmósfera.
La curva estándar de la distribución espectral de la radiación extraterrestre, está basada en medidas hechas en el espacio exterior a gran altitud, en la que el promedio de energía para una anchura debanda de longitud de onda media ƛ y la energía integrada para longitudes de onda inferiores a ƛ vienen dadas en la Tabla 8 (Thekaekara); en ella E(גּW/cm2μm) es el promedio de radiación solar comprendidosobre una pequeña banda del espectro centrada en la longitud de ondaƛ, siendo ∆ƛ el % de la constantesolar asociada a longitudes de onda menores queƛ.
59 Tabla 8. Radiación solar extraterrestre.- Cte Solar: I0 (ext) = 1.353 kW/m2
E גּes el promedio de radiación solar, centrada en la longitud de onda λ, en W/cm2μm. ∆ƛ es el porcentaje de la constante solar asociada con longitudes de onda inferiores a ƛ. Thekaekara(1974).
Tabla 9. Magnitudes de Radiación Ultravioleta
Si a partir de estos valores se quiere calcular la fracción de la radiación solar extraterrestre y lamagnitud de dicha radiación en el ultravioleta (λ < 0.38 μm), visible (0.38 μm< λ < 0.78 μm), e infrarrojo,(λ < 0.78 μm), obtendremos los valores de Δλ correspondientes a las longitudes de onda de 0.38 μm y0.78 μm, a partir de los cuales podremos determinar la energía de la banda para, I0 (ext)= 1.353 kW/m2.
60
La radiación emitida desde el núcleo del Sol está localizada en la zona del espectro de rayos gamma yrayos X, aumentando la longitud de onda a medida que la temperatura desciende al alejarnos del núcleosolar. El estudio de este espectro indica que:
El 7% de la energía, 95 W/m2, corresponde al intervalo de longitudes de onda inferiores a 0.038 μm
El 47,3%, 640 W/m2, corresponde a longitudes de onda comprendidas entre 0.38 y 0.78 μm
El 45,71% restante corresponde a longitudes de onda superiores a 0.78 μm
A partir de los cuales se puede determinar la energía de la banda para I 0 1.353 kW/m2
(ext)=
61
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ANEXOS
TABLA DE CONVERSIONES
67
DIAGRAMA DE EVAPOTRANSPIRACION EN EVAPORACION Y TRANSPIRACION
68
ESQUEMA DE UNA CURVA DE COEFICIENTE DE CULTIVO (Kc)
COEFICIENTE DE COSECHA (Kc) PARA DISTINTOS CULTIVOS
69 Daily extraterrestrial radiation (Ra) for different latitudes for the 15th day of the month.Fuente: FAO, Tablas Metereológicas.
(values in MJ m-2 day-1)
