FLUJO DE CALOR Y TEMPERATURA DEL SUELO
Régimen térmico del suelo
Los procesos físicos, químicos y biológicos de un ecosistema están fuertemente influenciados por la temperatura. La importancia del calor del suelo se debe a su papel como factor de control de la intensidad de una serie de procesos que suelen alcanzar un máximo dentro de un cierto intervalo de temperaturas. Los principales efectos son:
- En la planta:
Germinación: raramente tiene lugar por debajo de 5°C. Influirá sobre la estación de crecimiento, época de floración, fecha de la cosecha.
Actividad respiratoria.
Crecimiento: escaso durante el invierno. La absorción de agua y nutrientes disminuye a temperaturas extremas (altas o bajas).
Disponibilidad de agua para la planta: es mayor en suelos con mayor contenido de calor que en los suelos fríos. En éstos el agua se halla más fuertemente, retenida.
- En el suelo:
La actividad microbiana se ve favorecida o inhibida según la temperatura. Así, por ejemplo:
- La nitrificación es inhibida por las bajas temperaturas.
- La descomposición de la M.O. es menor a bajas temperaturas. - La intensidad de la biodegradación de pesticidas varía con la
temperatura.
Las reacciones en una meteorización química de rocas y minerales, de acuerdo con la ley de Vant'hoff, duplican su velocidad al aumentar 10°C la temperatura. Los procesos de hielo-deshielo afectan a la meteorización física, a la estructuración del suelo, entre otros aspectos. Los procesos de difusión y flujo viscoso son función de la temperatura.
La temperatura del suelo y la del aire en contacto con él están íntimamente relacionadas. El contenido de calor en el suelo es función de las características y estado del sistema, flujo radiante que recibe, propiedades térmicas que posee, contenido de agua en sus distintos puntos. La temperatura de un compartimento del suelo viene determinada por los intercambios energéticos con el medio exterior y las transferencias de calor con los compartimentos contiguos. La importancia de la temperatura ha sido reconocida por distintos sistemas de clasificación de suelos. La introducción de régimen de temperatura del suelo como criterio de la clave de taxonomía de suelo (USDA 2010), así lo atestigua.
Mecanismos de transmisión de calor en el suelo
El calor puede ser transmitido de un compartimento a 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.
- Conducción molecular o simplemente conducción, es debida a que las moléculas al recibir calor aumentan su energía cinética de
agitación térmica, lo que las hace vibrar más rápidamente respecto a su posición media. Colisionan con las adyacentes, a las que transfieren parte de su energía cinética, sin que haya mezcla. Como resultado aumenta su temperatura. Tiene lugar afectando únicamente a la fase sólida. Es un mecanismo lento, que tiene importancia en la transferencia de calor en suelos secos, así como en suelos de países fríos en los que el suelo llegue a helarse.
- Convección térmica, en este proceso el calor se propaga de un lugar a otro por movimiento real de un fluido caliente, que actúa como portador de calor. Al absorber calor las moléculas del fluido se expanden y con ello disminuye su densidad. Las diferencias de densidad por gradientes de temperatura originan el movimiento por convección natural o libre. El riego con aguas residuales calientes en un suelo inicialmente frío provoca una convección forzada. Es un mecanismo rápido que afecta tanto a la fase sólida (conducción) como a la líquida que se desplaza (convección). Hay aquí un doble mecanismo de flujos de agua y de calor. Es el principal proceso de transferencia de calor en suelos húmedos.
- Radiación, la transferencia de calor tiene lugar a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas, emitidas por cualquier cuerpo cuya temperatura sea superior a 0º K. La velocidad de propagación es muy elevada. Es el principal proceso por el cual el suelo intercambia calor con el medio y en especial recibe calor procedente del sol en forma de energía radiante.
- Evaporación y condensación de agua, en este caso se trata de una transferencia de calor latente. Tiene importancia en suelos que se están secando, en los que la evaporación dentro de ellos da lugar a un flujo de vapor hacia la atmósfera, lo que influye en gran manera sobre el flujo de calor y el perfil de temperatura (Buchan, 1991). Aspectos a tener en cuenta al medir el flujo de calor y las propiedades térmicas (de Vries & Philip, 1986).
El flujo de calor ocurre por distintos mecanismos en simultáneo y suele ir asociado al flujo de agua, lo que exige pasar de la ecuación de conducción «no asociada» a modelos de flujo simultáneo de agua y calor (Buchan, 1991).
Propiedades térmicas del suelo
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 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:
La capacidad calorífica volumétrica definida como: cantidad de calor necesario para que la unidad de volumen de un suelo aumente un grado su temperatura en condiciones isobáricas.
C
v=
1
V
dQ
dT
J m
- 3
º C
Análogamente, la capacidad calorífica másica (calor específico):
C
p=
1
M
dQ
dT
J Kg
- 1
º C
Dado que por lo general se estudia el flujo de calor a través de un volumen de suelo, Cv resulta de mayor interés que la capacidad calorífica por unidad de
masa.
Los componentes sólidos del suelo tienen calores específicos muy semejantes entre ellos y difieren considerablemente de la M.O. y del agua, siendo despreciable el del aire.
C0 M J m-3ºC-l
- Componentes minerales (promedio) 1,9
- Cuarzo 2,0 - Minerales de arcilla 2,0 - Componentes orgánicos 2,47 - Agua 4,19 - Hielo 1,93 - Aire 1,25 x10-3
Conductividad térmica
Es la capacidad del suelo para transferir calor por conductividad molecular. Tiene lugar cuando distintas partes del suelo se hallan a temperaturas diferentes y el calor se transfiere de los puntos de mayor a los de menor temperatura.
Se puede definir como la cantidad de calor (J) transferida por conducción en la unidad de tiempo (s), a través de una lámina de 1 cm de espesor y 1 cm2 de superficie isoterma, cuando existe un gradiente de temperatura de 1 °C entre las dos caras.
La conductividad térmica depende de: — Composición de las tres fases del suelo. — Forma y tamaño de los granos.
— Organización de los granos: estructura. — Contacto en interfase.
— Contenido de agua.
La influencia del agua se debe a que aumenta la superficie de contacto entre partículas:
La relación entre la conductividad térmica del cuarzo en masa, el agua y el aire es: 333:23:1. La relación entre el cuarzo en masa, la arena de cuarzo húmeda y la arena seca es de 200:40:7.
La conductividad térmica de los distintos componentes de la fase sólida es del mismo orden de magnitud, por ello las diferencias que se observan en las medidas deben interpretarse, para un mismo contenido de humedad, como debidas al grado de empaquetamiento y a la porosidad del sistema, gráfico 7
Gráfico 7. Movimiento del calor en el suelo
Medida de la temperatura del suelo
La temperatura del suelo es una función del tiempo y del punto considerado. Para su medida se utilizan sensores de temperatura: los termómetros de suelo o geotermómetros. Los hay de los siguientes tipos:
- Termómetros de contacto:
Termómetros de expansión de un líquido en un tubo de cristal (mercurio o alcohol). Son los estándares, utilizados por los servicios meteorológicos.
Termómetros bimetálicos de invar-bronce o invar-acero. Termómetros de expansión de líquidos y gases.
Esenciales para medidas continuas automatizadas. — De resistencia eléctrica.
— De termopar: no requieren suministro externo de energía. — De termistor.
- Termómetros de no contacto:
Pirómetros ópticos. Radiómetros de intensidad total.
Las medidas en campo requieren una cuidadosa colocación del elemento sensor para lograr un contacto adecuado. La instalación se puede hacer a distintas profundidades, si bien para caracterizar el régimen de temperatura de un suelo, la medida se ha normalizado a 50 cm (USDA 2010), ya que no se ve afectada por las oscilaciones diarias de temperatura, sino por el ciclo anual. La Organización Meteorológica Mundial ha establecido como profundidades de referencia para las medidas 5, 10, 20, 50 y 100 cm. Es una información de la que disponen muy pocos observatorios meteorológicos. Los momentos de realizar la lectura de forma normalizada son las 7, 13 y 18 horas solares.
Figura 14. Modelos clásicos de geotermómetros (Instituto Nacional de Meteorología): A) B) El termómetro se hace ascender o descender en el suelo mediante una cadena: un
depósito de parafina protege el bulbo en el ascenso.
C) D) Termómetros incrustados en el suelo: la lectura se puede realizar de forma directa y cómoda.
E) Termómetro protegido por una carcasa metálica. Modelo utilizado por el INM de España.
Representación de las medidas de temperatura
La función T=f(x, y, z, t) puede representarse de diferentes formas a partir de datos experimentales de campo:
Gráfico 7. Sistema tiempo-profundidad: Isotermas en el suelo.
Gráfico 8. Sistema tiempo-temperatura en el suelo.
Medida del flujo de calor
El flujo de calor en el suelo controla los intercambios de energía dentro del suelo y en su superficie. Las medidas se refieren principalmente a éste último caso, en relación con la evaluación de la evaporación.
Los métodos más corrientemente utilizados para medir el flujo de calor son: - Transductores.
- Métodos de gradiente de temperatura. - Métodos calorimétricos.
- Método de análisis de Fourier. - Método de regresión de flujo.
Régimen de temperatura del suelo
Con fines taxonómicos se ha introducido el uso del régimen de temperatura, habiendo definido seis regímenes principales: pergélico, cryico, frígido, mésico, térmico e hipertérmico, de acuerdo con las siguientes definiciones establecidas a partir de las temperaturas medidas a 50 cm de profundidad o contacto lítico o paralítico: