CONTÍNUO SUELO-PLANTA-ATMOSFERA

DIA MUNDIAL DEL AGUA y BIOFíSICA AMBIENTAL

La biofísica ambiental es la disciplina que mide, modeliza y estudia los flujos de agua y energía en el contínuo Suelo-Planta-Atmosfera. La contabilidad del agua, la Huella hídrica y la gestión eficiente del riego se basan en los principios y aplicaciones de la biofísica ambiental a diferentes escalas temporales y espaciales.

En Labferrer, uno de nuestros libros de cabecera es INTRODUCTION TO ENVIRONMENTAL BIOPHYSICS de GS Campbell y JM Norman, publicado en 1998. Existe una primera edición de 1977 traducida al castellano en el año 1995 (Introducción a la Biofísica Ambiental; Ed EUB).

Medida de la fluorescencia de la clorofila, Plant Stress Kit de ADC

Dos fluorómetros Y (II) y Fv / Fm para medir la fluorescencia de la clorofila en hojas adaptadas a la luz y la oscuridad

Las plantas aprovechan solo una parte de la radiación PAR absorbida para realizar la fotosíntesis. El exceso de energía se puede disipar como calor, o bien se puede reemitir en forma de fluorescencia. Estos tres procesos están en competencia, de modo que el aumento de uno supone un descenso en los otros.
Cualquier cosa que afecte a la fotosíntesis afectará a la emisión de fluorescencia de la clorofila. Por lo que, la fluorescencia de la clorofila es una herramienta para evaluar el estado fotosintético y detectar cambios fisiológicos y ambientales de las plantas. Por lo general, la fluorescencia emitida por la clorofila supone entre un 1 y un 3% de la luz total absorbida (Maxwell y Johnson, 2000).

El espectro de la fluorescencia es diferente al de la luz absorbida, con un pico de emisión a una longitud de onda superior. El espectro de emisión de la clorofila muestra un pico a 682 nm. Por ello, la fluorescencia se puede cuantificar exponiendo la hoja a una longitud de onda conocida, inferior a 670 nm. Y a continuación, midiendo la luz emitida a una mayor longitud de onda, entre 670 y 750 nm (Maxwell y Johnson, 2000; Oxborouhg, 2004).

La medida de la fluorescencia de la clorofila es técnica habitual en fisiología vegetal, ya que proporciona información sobre el estado del fotosistema II en escenarios muy diversos. Por este motivo, tiene diferentes ámbitos de aplicación, evaluación de parámetros de crecimiento y desarrollo; detección de situaciones de estrés; respuestas de las plantas a los cambios ambientales; variación genética y la diversidad ecológica.
Son medidas rápidas no destructivas que informan de los cambios producidos a nivel de hoja

Medida de la fluorescencia

Existen diferentes técnicas y parámetros medidos. Hay una gran variedad de posibilidades, entendidas como técnicas y parámetros medidos. Hay diferencias en el tipo de instrumentación, la forma de alcanzar el período de adaptación a la oscuridad, y las condiciones ambientales en que se hacen las medidas

El Plant Stress Kit de ADC Bioscientific incorpora dos fluorómetros: Y (II) y Fv / Fm. Es decir, combina el método PAM con la técnica de excitación continua.
El fluorómetro Y (II) mide la eficiencia del Fotosistema II (PSII) como rendimiento cuántico en adaptación a la luz. Y también proporciona valores de tasa de transporte de electrones ETR, la radiación PAR, Temperatura de la hoja, Máxima fluorescencia en estado estacionario FMS (o FM’). Mientras que con el fluorómetro Fv / Fm se obtienen medidas adaptadas a la oscuridad de Fo, Fm, Fv, Fv / Fm.

Más información sobre las características técnicas del equipo en este enlace

También puedes verlo en Slideshare

Medidas de concentración de la Clorofila

La clorofila es un pigmento verde que aparece en las células vegetales, células de algas y cianobacterias. La función primaria de las moléculas de clorofila es absorver la radiación, que proporciona la energía esencial para la fotosíntesis.


Los medidores de clorofila proporcionan una indicación relativa del nivel de clorofila en las hojas, expresado como índices CCI o SPAD. En cambio, con el Medidor de Concentración de clorofila MC-100 de Apogee Instruments se pueden obtener valores de la concentración de clorofila por superficie foliar (mmol m-2) o de masa por área de superficie foliar (mg m-2). El MC-100 Incluye coeficientes personalizados para determinar la concentración de clorofila en veintidós especies diferentes. También incluye una ecuación genérica que se puede emplear con cualqueir especie vegetal. Y además, también es posible incorporar coeficientes personalizados para otras especies. Todos estos coeficientes aparecen publicados en Parry et al. (2014)

El Medidor de Concentración de clorofila MC-100 es una alternativa a las técnicas de muestreo destructivas para determinar la concentración de clorofila. Por un lado, estas medidas no destructivas son más rápidas, necesitan menos mano de obra y tiempo. Y al mismo tiempo; es posible medir y monitorizar las hojas durante el ciclo de crecimiento entero, obteniendo medidas de concentración de la clorofila rápidas de la misma hoja o múltiples hojas

El Medidor de Concentración de clorofila MC-100 almacena los datos para su uso posterior, con una capacidad de 100000 medidas. La descarga de los datos se hace con la ayuda de un cable USB. También es posible geolocalizar las medidas con un GPS.

Las aplicaciones habituales de los medidores de clorofila son: determinar de la concentración de clorofila con el fin de evaluar el estado nutricional de la planta, el impacto del estrés ambiental y las necesidades de fertilización.

Características del Medidor:

Salida lineal en unidades absolutas

El equipo está calibrado para medir la concentración de clorofila en unidades de μmol de clorofila por m², en 22 especies vegetales. Esto elimina problemas con medidas relativas, como el índice SPAD.

Medidas no destructivas

MC-100 mide la relación entre la transmitancia en el rojo (653 nm ) y el infrarrojo cercano (931 nm). La medida es casi instantánea, una frecuencia de medida inferior a 3 segundos.

Comparaciones prácticas

Los medidores de clorofila comerciales proporcionan unos índices que no tienen una relación lineal con la concentración de la clorofila (por ejemplo, CCI o SPAD). En cambio, el MC-100 proprociona una estimación real de la concentración de la clorofila (μmoles / m² ) para varias especies vegetales. La ventaja de este equipo es que los cambios en la medida reflejan cambios reales en la concentración de la clorofila en la hoja. De esta manera, una medida que duplique el valor de concentración de clorofila representa una duplicación real en la hoja de la planta, mientras que si se duplica el valor de un índice relativo no necesariamente es debido a la duplicación realen la hoja. En el siguiente gráfico se muestras medidas de los índices CCI y SPAD en Arroz que permiten aclarar estas diferencias.

In situ measurement
of leaf chlorophyll concentration: analysis of the optical/absolute
relationship

Medidas de NDVI; Sensores vs Sentinel-2

El Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) es un parámetro biofísico. Nos ayuda a evaluar como se está desarrollando el cultivo. El NDVI permite calcular el Índice de Area Foliar (IAF), la fracción de radiación fostosintética absorbida por la cubierta (fAPAR), la fracción de cobertura vegetal verde (Fc) y el Coeficiente de cultivo (Kc) entre otros.

Sentinel-2 calcula el NDVI con una resolución espacial de 10 m cada 5 días. La ventaja de medir el NDVI con Sentinel-2 es que se puede obtener información del conjunto de la parcela. De este modo, se puede evaluar la posible variabilidad espacial.

Dada la importancia de medir correctamente el NDVI, las medidas de Sentinel-2 hay que validarlas in situ con sensores. En nuestro ensayo utilizamos los radiómetros SRS-NDVI de METER Group Inc., que con la programación del datalogger, proporcionan datos con una elevada resolución temporal.

A continuación mostramos medidas de dos píxeles de Sentinel-2 comparadas con los datos de los sensores de NDVI instalados en dos puntos distintos de la misma parcela. El cultivo de la parcela es maíz, con riego por aspersión.

Los resultados indican que Sentinel-2 proporciona datos representativos de NDVI. Al mismo tiempo, los datos de los sensores también lo son. La comparación de los datos de NDVI procedentes de las dos metodologías, y en los dos puntos, muestran la misma tendencia. Y además ambas metodologías permiten medir la evolución de NDVI, estimar la variabilidad espacial y calcular otros índices de cultivo.

Si se observan las medidas de NDVI de Sentinel-2, se puede apreciar que existe variabilidad espacial en la parcela. Esta aumenta después de la siembra, diferenciando el lado derecho del izquierdo de la parcela.

El NDVI no nos permite conocer el origen de la variabilidad, por lo que es recomendable ampliar el ensayo instalando, por, ejemplo sensores de humedad y potencial del suelo. Por otro lado, en base a esta variabilidad se puede establecer una zonificación de la parcela.

Para más información, podéis contactar con nosotros escribiendo en info@lab-ferrer.com

Un saludo!

Características del sensor cuántico de PAR SQ-500

¿Qué es un sensor cuántico para medir PAR?

La radiación fotosintéticamente activa (PAR) se define como la densidad del flujo fotónico fotosintético (PPFD). Es decir, la suma de fotones en el intervalo 400 y 700 nm expresado en unidades de μmol / m2 / s (micromoles de fotones por metro cuadrado por segundo). Los sensores cuánticos, más concidos como sensores PAR, se utilizan para medir el PPFD.

En este informe se comparan dos de los sensores cuánticos de grado de investigación para medir PAR más comercializados del mundo, el Apogee SQ-500 y el LI-COR LI-190R. Estos datos forman parte de una estudio mayor en el que se compararon ocho tipos diferentes de sensores cuánticos de PAR (Blonquist y Johns, 2018).

Características del sensor cuántico de PAR SQ-500

A continuación se muestran algunas características diferenciadoras de los sensores cuánticos. Las especificaciones del Apogee SQ-500 para medir PAR aparecen en este enlace

Respuesta Direccional del sensor cuántico de PAR

La respuesta coseno se determinó bajo luz solar (del amanecer al anochecer) con seis repeticiones del modelo de Apogee y tres del sensor de LI-COR (ver gráficos). Que a su vez se compararon con la PPFD calculada a partir de medidas de irradiancia de onda corta. En el gráfico las líneas azules son respuestas medias antes del mediodía. Mienstras que las rojas son respuestas medias después del mediodía. Los dos sensores tienen <2% de error hasta un ángulo de incidencia de 60 °.

Estas medidas coincidían estrechamente con la respuesta direccional medida en laboratorio con los Apogee (línea negra) y la respuesta direccional del manual de los LI-COR (línea negra). Los errores direccionales fueron < 2% hasta ángulos de incidencia cercanos a 60 ° y < 5% hasta ángulos de 75 °. Los sensores cuánticos de otros fabricantes tenían errores direccionales mayores (Blonquist y Johns. Mayo, 2018).

Respuesta espectral del sensor cuántico de PAR

Los errores espectrales para la luz solar y las luces eléctricas normales se calcularon a partir de las respuestas espectrales. En ambos casos, y para todas las luces ensayadas, los errores espectrales fueron < 4%. Mientras que con sensores cuánticos de otros fabricantes no se lograron errores espectrales tan pequeños (Blonquist y Johns, 2018).

Los números entre paréntesis hacen referencia a errores espectrales publicados en una nota técnica (LI-COR Biosciences, 2018). Con el fin de conseguir una comparación relativa, los números de la nota técnica de LI-COR se escalaron para que los errores fueran cero bajo la luz solar. Los datos de Apogee para el SQ-500 corresponden a la última versión, que se lanzó en octubre de 2017. La última versión incluye un límite de 700 nm más exacto.

Sensores PAR de Apogee Instruments

Sensores QSO / PAR – Medida de la Radiación Fotosintéticamente Activa (PAR, PPF, PPFD)

La radiación que impulsa la fotosíntesis se llama radiación fotosintéticamente activa (PAR) y corresponde al espectro de 400 a 700 nm. El PAR se puede expresar cómo Flujo de Fotones Fotosintéticos (PPF). Es decir, el número total de fotones de 400 a 700 nm en mol m-2 s-1.

Los sensores que miden el PPF también acostumbran a denominarse sensores cuánticos debido a la naturaleza cuantificada de la radiación. Las aplicaciones de los sensores PAR incluyen: medir la entrada del PPF sobre el dosel al aire libre, o en invernaderos, o en cámaras de crecimiento; y medir el PPF reflejado o transmitido en los mbientes comentados; y por supuesto para el cálculo del Índice de área foliar (Leaf area index, LAI).

Sensores PAR Serie Original

Los Sensores PAR de la serie Original de Apogee están formados por un difusor acrílico (filtro), un fotodiodo (detector) y componentes electrónicos. Estos se alojan en una carcasa de aluminio anodizado y disponen de un cable para alimentación y comunicación. Los sensores están encapsulados sin espacio de aire interno.

La salida es un voltaje analógico que es directamente proporcional al PPF bajo la radiación solar incidente (también hay sensores para medir bajo luz eléctrica) sobre una superficie plana (no tiene que ser horizontal), donde la radiación emana desde todos los ángulos del hemisferio. Se pueden instalar en ambientes interiores o al aire libre.

Sensores PAR Serie Espectro completo

El sensor PAR de espectro completo tiene un rango espectral de 389 a 692 nm ± 5 nm. Esta respuesta espectral mejorada aumenta la precisión de las medidas bajo luz LED. Estos sensores PAR constan de un fotodiodo y un circuito de procesamiento encapsulados en una carcasa de aluminio anodizado impermeable con un difusor de acrílico (filtro).
Los sensores cuánticos de esta serie están diseñados para la medir de forma continua el PPFD entornos interiores y exteriores. La salida de la serie es una señal analógica directamente proporcional a PPFD.

Más información y carácteristicas técnicas de los Sensores PAR de Apogee Instruments en este enlace.

Actividades del Proyecto REC

Proyecto REC

Desde 2015 participamos en el proyecto REC (Crop irrigation management by multi-sensor remote sensing approach) junto con isardSAT, CESBIO y UCAM.
El proyecto REC propone una solución vanguardista para las necesidades de humedad del suelo en la zona radicular a nivel de parcela. Y así poder manejar el riego. REC se basa en un algoritmo innovador y operativo que permitirá por primera vez:
1) mapear la humedad del suelo de la zona radicular a diario y a escala de parcela
2) evaluar cuantitativamente los diferentes componentes del presupuesto de agua a nivel de parcela partiendo de datos de teledetección disponibles fácilmente

Actividades del Proyecto REC

El régimen de financiación del Proyecto REC es MSCA-RISE – Marie Skłodowska-Curie Research and Innovation Staff Exchange (RISE). Y dentro de estas actividades de intercambio de personal investigador, en LabFerrer hemos tenido la suerte de contar con el investigador Luis Olivera-Guerra (4 meses en 2017 y 2 meses en 2018). Luis Olivera-Guerra es Ingeniero en Recursos
Naturales por la Universidad de Chile y miembro del Laboratorio para el Analisis de la Biosfera (LAB). Actualmente está realizando su doctorado en el laboratorio CESBIO de la Universidad Paul Sabatier – Toulouse III. Su trabajo se enfoca en la integración de datos satelitales multi-espectrales (visible/infrarrojo cercano, térmico, micro-ondas) en el modelo FAO-56. Con el fin de estimar los componentes del balance hídrico (evaporación/transpiración, humedad radicular, riego) en cultivos regados para el manejo del riego.

Durante estos meses ha participado en varios proyectos que tenemos en marcha en LabFerrer. Y además ha colaborado en los trabajos de campo relacionados con la instalación de sensores multiespectrales SRS de Meter Group (antiguo Decagon), el radiómetro neto y sensores de temperatura por infrarrojos de Apogee Instruments …. Y por supuesto sondas de humedad del suelo.

Radiómetro Neto de Apogee Instruments

Radiómetro Neto de cuatro componentes

El SN-500 es un Radiómetro Neto de Apogee Instruments de cuatro componentes para medir la Radiación Neta. El Radiómetro Neto SN-500 consiste en un par piranómetros (serie SP) y de pirgeómetros (serie SL) de cuerpo negro. Los piranómetros miden la radiación de onda corta y se orientan, uno mirando hacia arriba y el otro hacia abajo. Mientras que los pirgeómetros miden la de onda larga y se orientan con la misma configuración. La medida de los componentes de la radiación por separado mejora la precisión.

Salida Digital

El Radiómetro Neto incorpora un conversor 24-bit A-D que procesa las señales de cada sensor individual y transmite los datos a una salida digital SDI-12. De esta forma, el usuario puede seleccionar que datos ver, elegir la radiación neta, la radiación neta de longitud de onda larga o la de onda corta, y/o la de cada componente del radiómetro. Como resultado, esta salida digital elimina la necesidad de emplear varios canales analógicos del datalogger para medir cada uno de los cuatro componentes. Toda la información técnica del Radiómetro Neto aparece en este enlace.

Con unidad calefactora a bordo

Los sensores con calentador proporcionan medidas más precisas al mantener la trayectoria del sensor libre de rocío, escarcha, lluvia y nieve. En cada sensor del Radíometro Neto se incluye un calentador de 0,2 W. Estas necesidades de potencia son lo suficientemente bajas para poder ser cubiertas con un panel solar pequeño. Por otra parte, los calefactores se pueden apagar para ahorrar energía cuando no son necesarios.

Compacto y ligero

El diseño liviano y pequeño facilita el montaje del Radiómetro Neto en un brazo con la ayuda del soporte de montaje AM-500. Y además, el soporte facilita la nivelación precisa del Radiómetro Neto SN-500.

Resultados de grado de investigación

El SN-500 es comparable en precisión a otros radiómetros netos de cuatro componentes. Y en la mayoría de los casos, a un precio inferior.

Aplicaciones Típicas

La Radiación Neta es una variable clave en el balance energético e influye en los flujos turbulentos, incluida la evapotranspiración. Las aplicaciones incluyen medidas en torres de flujo y estaciones meteorológicas

Más información y catálogo en este enlace

Piranómetros de termopila Apogee Instruments

Piranómetros de termopila SP-510 y SP-610 de Apogee Instruments

Los Piranómetros de Termopila Apogee Instrumenst disponen de un detector de termopila de cuerpo negro con un rango espectral mayor, por lo que son más precisos en todas las condiciones atmosféricas. Estos piranómetros se han diseñado para su funcionamiento durante largos periodos de tiempo con un mantenimiento muy bajo.

El SP-510 está diseñado para medir la radiación de onda corta entrante. Mienstras que el SP-610 mide la radiación de onda corta reflejada desde la superficie terrestre. Ambos piranómetros emiten un voltaje analógico que es directamente proporcional a la radiación de onda corta incidente en una superficie plana (no necesariamente horizontal) en la que la radiación emana desde todos los ángulos de un hemisferio.

Respecto a las clasificaciones WMO e ISO. La WMO clasifica los piranómetros Buena Calidad y Calidad Moderada. Por su lado, ISO los clasifica como Primera Clase y Segunda Clase. Ver clasificación.

Precisos, medidas estables

Las calibraciones de los Piranómetros de termopila SP-510 y SP-610 son completamente trazables con el Centro Radiométrico Mundial (WRR) en Davos (Suiza). El modelo orientado hacia arriba (SP-510) está coseno corregido, con error de dirección < 20 W m-2 hasta un ángulo de incidencia de 80 °. La estabilidad a largo plazo en condiciones de campo es < 2% / año.

Diseño único

Los Piranómetros de Termopila de Apogee están diseñados para optimizar rendimiento y precio. Están compuestos por un filtro, un detector de termopila de cuerpo negro, un termistor de precisión integrado (para medir la temperatura del detector) alojados en una carcasa compacta que proporciona aislamiento térmico.

Se comercializan con 5m de cable de fábrica (personalizable) resistente a la radiación ultravioleta y la intemperie. La placa niveladora no está integrada.
No requieren alimentación eléctrica y se suministran con su correspondiente certificado de calibración.

El filtro del Piránometro de termopila SP-510 es un difusor acrílico. En cambio, el SP-610 tiene una ventana de vidrio.

Robustos y autolimpiables

La forma de cúpula de la cabeza del sensor (patentada) facilita la escorrentía del rocío y la lluvia para mantener limpio el sensor y así minimizar los errores causados por el polvo que bloquea la trayectoria de la radiación. Todos los componentes electrónicos de los Piranómetros de Termopila están completamente encapsulados.

Con Calentador a bordo

Los Piranómetros de termopila de Apogee Intruments incorporan un calentador de 0,2 W para evitar que el agua (líquida y congelada) se deposite en el sensor. Y por lo tanto, se minimizan los errores causados por el rocío, el hielo o la nieve que bloquean la trayectoria de la radiación.

Aplicaciones Habituales

Las aplicaciones más habituales de los piranómetros incluyen la medida de la radiación incidente de onda corta en agricultura, ecología, redes hidrometeorológicas y estaciones fotovoltaicas.

Los piranómetros de Apogee Intrument de la serie SP-500 y SP-600 son piranómetros de termopila de cuerpo negro y son sensibles a la mayoría del espectro solar, eliminando así los errores espectrales asociados con los piranómetros de células de silicio.

Catálogo de los equipos

Pirgeómetros de Apogee Instruments

Pirgeómetros SL-510 y SL-610 de Apogee Instruments para medir la radiación de onda larga ascendente y descendente

Todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten radiación electromagnética. Así mismo, las longitudes de onda y la intensidad de la radiación emitida están relacionadas con la temperatura del objeto. La atmósfera y la superficie terrestre (el suelo, dosel vegetal, agua, nieve) emiten radiación en la zona del infrarrojo medio del espectro electromagnético (4-50 μm aprox).
Los pirgeómetros son sensores que miden la diferencia de radiación de onda larga entre la superficie del detector y la superficie hacia la que se dirige el detector (generalmente, la atmósfera o la superficie del suelo). Por lo que la radiación de onda larga emitida por la superficie de interés se puede calcular con la medida adicional de la temperatura del detector, que por lo general se realiza con la ayuda de un termistor interno o PRT.

Medidas precisas y estables

La calibración es trazable en condiciones controladas de laboratorio según WISG (World Infrared Standard Group, en Davos, Suiza). La deriva a largo plazo es inferior al 2 % / año, tal y como demuestran los ensayos acelerados de envejecimiento en condiciones de campo.

Sensores Robustos, autolimpiables

Los pirgeómetros de Apogee Instruments SL-510 y SL-610 consisten en un detector de termopila de cuerpo negro, un filtro de silicona con recubrimiento de carbono tipo diamante (para impermeabilizar), un termistor de precisión (mide la temperatura del detector) y un calentador. Todos estos componenets están alojados en una carcasa de aluminio anodizado. Esta carcasa compacta proporciona mejor aislamiento térmico. Los componentes electrónicos están encapsulados.

El sensor SL-510 es para las medidas atmosféricas (sensor orientado hacia arriba, mide la radiación de onda larga entrante).

SL-610 mide la superficie terrestre (sensor orientado y nivelado hacia abajo, mide la radiación de onda larga saliente).

La cabeza del sensor SL-510 tiene forma de cúpula para facilitar la escorrentía del rocío y la lluvia para mantener limpio el sensor. Y de esta forma, minimizar los errores causados por el polvo que bloquea la trayectoria de la radiación.

Salida de datos

La salida de los pirgeómetros es una tensión analógica directamente proporcional al balance de radiación de onda larga entre objetivo y detector. El detector es sensible a la radiación incidente sobre una superficie plana (no necesariamente horizontal) en la que la radiación emana desde todos los ángulos de un hemisferio. La radiación de onda larga incidente del detector se calcula a partir de la medida del balance de radiación y la temperatura del detector.

Con Calentador a bordo

Un calentador de 0,2 W mantiene el agua (líquida y congelada) fuera del sensor. Por lo que minimiza los errores causados por las interferencias del rocío, la lluvia, hielo o la nieve

Aplicaciones frecuentes

Las aplicaciones incluyen medidas de radiación de onda larga en redes climáticas agrícolas, ecológicas e hidrológicas y aplicaciones en energías renovables

Más información en este enlace

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