La microclimatología es definida en el enlace mentado como la rama de la meteorología aplicada que estudia el influjo que ejercen, el crecimiento de las plantas y la constitución del suelo, en el clima de la región. Se trata de una definición entre otras muchas, y con la que realmente discrepo en varios aspectos aunque nos puede servir para comenzar. Hemos hablado en diversos post del agua (ver categorías sobre Componentes, Estructuras y Procesos y “Zona Crítica Terrestre” junto con la Hidroedafología) y de la atmósfera del suelo. ¿Pero que decir de la temperatura? Veamos que puedo comentaros, comenzando por que las variaciones diarias y estacionales de la temperatura del suelo, respecto a la que existe sobre él, se amortiguan rápidamente con la profundidad, de tal modo que el medio edáfico actúa como tampón frente a la variabilidad de la temperatura atmosférica del lugar. Me sorprende que se encuentre una abundante información sobre la temperatura de la superficie del suelo y muy poca conforme descendemos a lo largo del perfil. Esta variable es enormemente importante a la hora de explicar la vida en el suelo, así como una plétora de reacciones biogeoquímicas que ocurren en su seno, por cuanto junto con la humedad y oxigenación, ejercen una notable influencia sobre aquellas. Sin embargo, desde otro punto de vista, resultan chocantes las declaraciones de muchos “expertos” sobre cambio climático acerca de las repercusiones del calentamiento climático en el medio edáfico. La bibliografía actual comienza a estar repleta de barbaridades en esta materia. Conforme descendemos en profundidad, y salvando algunas excepciones que luego comentaremos, las fluctuaciones diarias y estacionales de la temperatura del suelo se reducen rápidamente hasta que a un metro o dos de profundidad, suelen ser desdeñables. Recordemos que a esa distancia de la superficie aun viven muchos microorganismos, tienen lugar numerosas reacciones biogeoquímicas y se desarrollan profusamente los sistemas radicales de las plantas ¿Qué significa tal hecho? Simplemente que el suelo es un medio muy refractario a las fluctuaciones de temperatura, por lo que su ambiente térmico resulta ser extremadamente regular y estable para el desarrollo de la vida y el metabolismo edáfico. En este post hablaremos por tanto de la temperatura del perfil edáfico, tocando de refilón la microclimatología. Se trata de un post para jóvenes estudiantes, aunque no vendría mal que lo leyeran algunos colegas que trabajan en cambio climático (esperemos que se les “refresquen las ideas”).
Cambio de la temperatura del suelo con la profundidad
Si realmente deseara abordar el tema de la temperatura del suelo desde un punto de vista agronómico no existiría mayor problema para escribir un post. Pero cuando pretendo hablaros de los perfiles de temperatura conforme profundizamos en un suelo, así como de sus repercusiones sobre la biota, la cosa se pone mucho más fea. He buscado en Internet durante muchas horas y no he logrado encontrar casi nada. Es cierto que se nos habla de calor latente, sensible, y otras variables relevantes. Pero entraríamos a escribir un post muy técnico, mientras lo que yo deseaba era algo sencillo para los estudiantes. El tema tiene más enjundia por cuanto durante un año colaboré con un microclimatólogo, recuerdo aquellos datos, pero no encuentro ni este ni otro material por ningún lado. Años después pasé un verano midiendo temperaturas hasta un metro de profundidad. Sin embargo no atesoro personalmente los resultados. Se los di a aquél climatólogo (que me había cedido el instrumental) y jamás volví a saber nada de ellos.
La cobertura vegetal afecta notablemente a la temperatura superficial del suelo, por cuanto disminuye por la acción directa de los rayos solares, como puede observarse en las dos figuras de abajo (suelo con vegetación y denudo).
Fluctuaciones superficiales en suelo con vegetación
Fluctuaciones superficiales en suelo desnudo
Obviamente, con la temperatura ocurre lo contrario que con la hidrología de los suelos: la primera es bastante estable salvo en los centímetros superficiales, mientras que la segunda varía ampliamente, por lo general (aunque también se producen excepciones, como en los suelos permanentemente encharcados, o en los ambientes hiperáridos, habitualmente secos durante varios años consecutivos).
Además de la profundidad, la composición de los materiales del suelo resulta tener una notable influencia, por cuanto según su naturaleza difieren a la hora de trasmitir el calor. El agua o humedad del sistema edáfico, en un momento dado, como veremos es otro elemento a tener en cuenta debido a que posee sus propias peculiaridades a la hora de conducir el calor. Como describen Jaume Porta y colaboradores. En su libro “Edafología”:
“El calor puede ser transmitido de un compartimento al otro del suelo o intercambiado con la atmósfera, por diversos procesos, los más importantes son, la conducción, la convección, la radiación, la evaporación y la condensación de agua (….). el flujo de calor tiene lugar por distintos mecanismos en simultáneo y además suele ir asociado al flujo de agua (…) El estudio del comportamiento térmico de un suelo requiere introducir las propiedades térmicas que intervienen en él, que son las de sus componentes, variando además con el contenido de agua, la granulometría de los materiales y la forma en la que se agreguen (…) La capacidad calorífica o capacidad del suelo para almacenar calor por unidad de volumen o de masa y unidad de temperatura puede expresarse como: (…) Los componentes sólidos del suelo tienen calores específicos muy semejantes entre ellos, y difieren considerablemente de la materia orgánica y del agua, siendo despreciable el del aire.
Digamos en este sentido que, la capacidad calórica C de cualquier sustancia se define como la cantidad de energía calórica que se requiere para elevar la temperatura de la sustancia en un grado Celsius.
Luego Porta y coautores muestran como la capacidad calorífica de la arcilla y el cuarzo son prácticamente iguales, pero inferiores a la de los componentes orgánicos y estos que la del agua (aunque la del hielo es ligeramente inferior a la de cuarzo y arcillas). Los autores siguen a continuación exponiendo un material mucho más técnico, para continuar señalando que:
“La radiación solar calienta la superficie del suelo durante el día y esta se enfría a lo largo de la noche. Los datos experimentales han puesto de manifiesto que la variación de temperatura sigue un modelo sinusoidal. La amplitud no es constante, sino que existe un efecto de amortiguamiento en función de la profundidad. La profundidad máxima de penetración es aquella a la que la amplitud es 1/100 de la amplitud de la superficie del suelo. Por lo general, se considera que la parte del suelo situada a 50 cm o más solo se ve afectada por las oscilaciones estacionales de temperatura, pero no por los cambios a lo largo del día. Por ello se toma la profundidad de 50 cm como referencia para establecer el régimen de temperatura del suelo (…)
Porta y colegas nos hablan de los regimenes de temperatura considerados por la taxonomía americana de suelos. Tras un texto muy arduo, para los más jóvenes, Porta enfatiza un hecho de importancia. Debido a que las soluciones del suelo son salinas y estas alteran la conductividad eléctrica (aspecto que vimos en los post dedicados a suelos salinos, ya que este proceso es utilizado para estimar la salinidad), debe tenerse en cuenta tal hecho a la hora de estimar los flujos de calor dentro en el medo edáfico. Carlos Dorronsoro y sus colaboradores nos dicen entre otras cosas interesantes en su curso on-line sobre edafología (por lo tanto es mejor pinchar el enlace y analizar allí el texto completo y las gráficas que proporcionan):
El suelo recibe las radiaciones procedentes del Sol y se calienta. Su temperatura depende de como lleguen las radiaciones a la superficie (humedad atmosférica, transparencia, nubosidad, precipitaciones, vientos, topografía, cobertera vegetal, etc.) y de como el suelo las asimile (humedad, color, calor específico, conductividad, etc.) (figura).
La temperatura del suelo está directamente relacionada con la temperatura del aire atmosférico de las capas próximas al suelo. La temperatura del suelo, como la del aire, está sometida a cambios estacionales y diurnos. Estas oscilaciones se van amortiguando hacia los horizontes profundos. La distribución de la temperatura con la profundidad constituye el perfil térmico.
La temperatura del suelo es una medida de la que se dispone de muy pocos datos. Se acepta que la temperatura del suelo a 50 centímetros de profundidad es equivalente a la del aire atmosférico más 1 grado centígrado.
Si miráis las gráficas del su curso on-line sobre edafología de la Universidad de Granada comprenderéis hasta que punto el suelo amortigua las temperaturas de la atmósfera emergida, por lo que los organismos que viven a más de 50 cm de profundidad lo hacen bajo un clima (edafoclima) muy temperado (a no ser que se den circunstancias especiales como las que acaecen en las zonas subpolares, es decir un frío tan intenso y prolongado que da lugar a la génesis de los permafrost). Debemos también tender en cuenta que en los muchos tipos de suelos que presentan horizontes argílicos (por ejemplo), puede permanecer agua útil durante todo o casi todo el año. Pensar, como ya vimos en otros post que las raíces de las plantas penetran con creces hasta estas profundidades y más. Con todo ello en la cabeza, no debe extrañar que en ambientes estacionales contrastados (como lo es el mediterráneo), parte de su microfauna y microflora descienda pasivamente con el frente de humectación hacia horizontes no superficiales en los periodos más desfavorables del año, ya sea por frío intenso o por calor y sequedad extremas. Seguidamente, cuando el clima de la superficie sea más benigno tenderán a ascender a los horizontes superficiales, como Antonio Bello y María Arias (CCMA, CSIC) demostraron, para le perplejidad de los biólogos del suelo de la Europa templada.
Cambio de la temperatura del suelo con la profundidad
Veamos algunos aspectos que podemos extraer da la informativa página Web de Juan de Inzuzua, que también os recomiendo para los que busquéis información más técnica acarca de la meteorología, climatología y bioclimatología (Unidad 6 Biofísica 7):
El suelo no es un verdadero sólido, sino que consta de partículas individuales y agregados, junto con aire, agua o hielo. La conductividad de un bloque de suelo no es constante, sigue la secuencia: mineral > agua > aire, depende de varios factores como: a) la conductividad de las partículas del material del suelo; b) el tamaño de las partículas del suelo; c) la compactación de la mezcla, es decir la porosidad y el grado de contacto entre partículas; d) la humedad del suelo.
Si la superficie del suelo se calienta su temperatura aumenta y se transfiere calor hacia abajo por conducción. Como cada capa recibe calor, su temperatura aumenta, pero el punto hasta el cual aumenta depende de la capacidad de calor de la unidad de volumen del suelo, lo que a su vez depende del calor específico del material. El agua tiene el calor específico más alto de las sustancias comunes, por lo que el aumento de temperatura será menor que para igual volumen de cualquier otro material. Esto significa que el calor específico de un volumen de suelo aumenta con el contenido de agua. También varía con la densidad del suelo. El calor específico grande del agua es responsable de las temperaturas moderadas que se encuentran en regiones cercanas a grandes masas de agua. Por ejemplo, al descender la temperatura de la masa de aire en el invierno, se transfiere calor del agua al aire, el cual a su vez transporta calor hacia la tierra si los vientos son favorables.
En agricultura son los cambios de temperatura más que el flujo calórico los que tienen gran importancia para las partes subterráneas de las plantas, y esto se halla determinado por la difusividad térmica K:
Dentro del suelo pueden tener lugar la evaporación, la condensación y movimientos del vapor de agua, y para un suelo inicialmente muy seco, la difusividad puede aumentar en un orden de magnitud cuando, se le añade una pequeña cantidad de agua, dado que cantidades de calor relativamente grandes se transfieren por evaporación y condensación del agua de los poros. La adición de agua a un suelo seco conduce al reemplazo del aire de los poros celulares por agua y a un mejoramiento del contacto térmico entre partículas adyacentes resultando ambos procesos en el aumento de la difusividad térmica y la conductividad térmica aumenta. (…).
4.6 Variación diurna y anual de la temperatura del suelo a diferentes profundidades.
El tema será tratado desde el punto de vista de la transmisión de un pulso de calor desde la superficie hacia abajo, pero los mismos principios son aplicables a los casos en que, la capa superficial se enfría y el calor fluye, y por lo tanto las ondas térmicas se desplazan, desde las capas inferiores hacia la superficie. El aumento de temperatura en cualquier nivel del suelo, después que recibe energía en la superficie será:
· mayor y tendrá lugar más rápidamente, cuanto más grande sea el pulso de calor en la superficie; pero
· menor cuanto mayor sea la capacidad calórica volumétrica, C=rc.
Las observaciones de temperatura, aun cuando sólo sean realizadas en un período limitado a un año, revelan claramente que:
a) existe una variación diurna de la temperatura en superficie, que se extiende hasta una profundidad de alrededor de un metro, debajo de la cual las variaciones son demasiado pequeñas como para medirlas con un equipo convencional;
b) ésta se superpone a una variación estacional en fase con las estaciones. Suponiendo una profundidad de suelo suficiente, la variación estacional se hace desestimable a profundidades entre 5 m a 20 m, según las condiciones y el tipo de suelo. Se podría admitir como razonable una cifra promedio de entre 7 a 10 m de profundidad;
c) Las observaciones de la variación diaria y más aun de la variación estacional de la temperatura del suelo, demuestran que: (i) la amplitud de la fluctuación disminuye al aumentar la profundidad; (ii) con el aumento de profundidad los instantes en que se registran el máximo y el mínimo se producen con retardo creciente respecto de los de superficie. Esto se muestra más claramente en la curva anual, y con menor nitidez en la curva diaria. (…)
Al tiempo que se registra la máxima temperatura en superficie, habrá un desfase en el tiempo respecto de la hora en que se produce el máximo en profundidad. Lo mismo vale para el ciclo anual. (…)
La temperatura del suelo puede ser un factor limitante para la germinación de la semilla, crecimiento de las raíces, desarrollo de los tubérculos, descomposición de la materia orgánica dentro del suelo y por lo tanto para la cantidad de dióxido de carbono que pasa del suelo a la capa planta-aire y de ésta a la atmósfera. La evapotranspiración, la temperatura del aire cercano a la tierra y su variación diaria se ven influenciadas por las propiedades físicas de las capas del suelo más próximas a la superficie, como así también por diferentes tipos de cubiertas naturales o artificiales del mismo.
La germinación de las semillas requiere de temperaturas mínimas de alrededor de 1º - 3º C, optimas que pueden variar entre 15º y 28º C según las semillas y máximas que generalmente son de 30º C. Estos rangos definen las fechas de siembra (…).un pequeño aumento de la temperatura del suelo por encima de la temperatura mínima da como resultado un importante acortamiento del tiempo que tarda la planta en emerger (emergencia). Al contrario, la reducción del tiempo es mucho menor a temperaturas altas.
Calor y energía térmica
La palabra calor se debe usar sólo cuando se describe la energía que se transfiere de un lugar a otro. Flujo de calor es la transferencia de energía que se lleva a cabo como consecuencia de las diferencias en la temperatura solamente. La energía interna es la energía que tiene un cuerpo debido a su temperatura. En los gases es energía cinética en escala microscópica, mientras más grande es la temperatura del gas mayor es su energía interna.
3.2 Flujo de calor sensible y latente.
Recordaremos algunas observaciones sencillas sobre los cambios de calor y temperatura. Si se pone al fuego un vaso con agua fría, la temperatura del agua aumentará; este calor que produce el cambio de temperatura se llama calor sensible. Se puede seguir entregando calor hasta que el agua hierva; cuando esto ocurre no aumenta más la temperatura y el calor entregado se emplea en evaporar el agua. Este calor ya no esta presente como calor sensible, se llama calor latente (de evaporación). Este calor puede ser posteriormente recuperado como calor sensible si el vapor se condensa. Otro ejemplo: si se pone en una habitación cálida un vaso con hielo, su temperatura aumentará, pero cesará cuando se alcance el punto de fusión, manteniendose en este punto fijo la temperatura en 0°C hasta que se derrita todo el hielo.- El calor empleado durante la fusión es el calor latente (de fusión) y se puede recuperar como calor sensible si el agua se congela. Si no hay cambio de fase se tiene calor sensible; la ganancia o perdida de calor en los cambios de fase se llama calor latente (de fusión, vaporización, condensación, etc). En la atmósfera continuamente se encuentran procesos de evaporación y condensación en la formación de nubes y procesos de fusión ligados a la formación cristales de hielo, nieve y granizo.
Gracias a Juan de Inzuzua, he podido ir refrescando conceptos como los de calor latentes, sensible, etc., que hace más de 20 años que no revisaba. Esperemos que como Jaime Porta no se nos enfaden, por cuanto sus textos son para estudiantes universitarios, y por lo tanto ricos en formalismos matemáticos, no para jóvenes que carecen de tal instrucción previa. No creo pues restarles lectores, ya que los universitarios que nos visiten se encontrarán obligados o a visitar su magnifica página Web o a leer su más que documentado libro, respectivamente. Y eso les recomendamos, ya que sus profesores se lo demandarán. Tan solo pretendemos explicar conceptos básicos.
Para finalizar recordemos que es cierto que la variación diurna de la temperatura del suelo es aproximadamente sinusoidal, así como que su amplitud decrece rápidamente en profundidad. Del mismo modo, el momento de la máxima y la mínima se desplaza con el tiempo, existiendo un retrazo en la medida que la onda térmica tarda en penetra en el suelo (efecto de retardo). Entre 30 y 40 cm la máxima ocurre alrededor de 12 horas después de la máxima en superficie. La variación anual de la temperatura tiene una forma similar a la variación diurna pero con menor frecuencia y una mayor profundidad de atenuación. Ahora bien, debemos tener presente que (i) las propiedades térmicas del suelo cambian con la profundidad y (ii) la variación de la temperatura en superficie no es necesariamente sinusoidal
Juan José Ibáñez