HE PREPARADO ESTE CURSO EN HOMENAJE A DON ELÍAS LETELIER ALMEYDA EL HOMBRE QUE NOS ENSEÑÓ A PENSAR ANTES DE HACER Edmundo Acevedo H 2010
BIOFISICA AMBIENTAL Año 2010 INTRODUCCIÓN Edmundo Acevedo H Profesor Titular Universidad de Chile www.sap.uchile.cl
UNIVERSIDAD DE CHILE PROGRAMA DE DOCTORADO CSAV CURSO MODULAR AÑO 2004 BIOFISICA AMBIENTAL INTRODUCCIÓN TEMPERATURA VAPOR DE AGUA Y OTROS GASES EL AGUA LIQUIDA EN LOS ORGANISMOS Y SU MEDIO VIENTO TRANSPORTE DE MASA Y CALOR CONDUCTANCIAS PARA LA TRANSFERENCIA DE MASA Y CALOR MOVIMIENTO DE CALOR EN EL SUELO MOVIMIENTO DE AGUA EN EL SUELO RADIACIÓN FLUJOS DE RADIACIÓN EN MEDIOS NATURALES PLANTAS Y COMUNIDADES DE PLANTAS
La Biofísica Ambiental estudia el intercambio de masa y energía entre los organismos vivos y su medio. Describir y modelar el microambiente físico en que se encuentran los organismos. Uso de modelos simples para describir los intercambios de materia y energía entre los organismos y su microambiente, además de la respuesta de los organismos a los flujos de materia y energía.
Porqué estudiar estas materias? Porque es común que se interprete mal la interacción con el medio y no se comprendan bien las variables ambientales. Prácticamente todas las interacciones con el medio encierran intercambios de masa y / o energía. Ejemplos.- El escritorio de madera y el candado del escritorio están a igual temperatura en una pieza, sin embargo, al tocarlos se siente más frío el candado. Esto es porque lo que nosotros sentimos no es temperatura sino que cambios en temperatura, los que no sólo dependen de un gradiente de temperatura sino, además, de la conductividad térmica de los materiales. El metal es mejor conductor térmico que la madera (B.Franklin,1757).
Podemos ver porque fotones que son emitidos o refleja - dos por el medio entran al ojo y causan reacciones fotoquímicas en la retina. La audición es el producto de absorción de energía acústica desde el medio. El olfato es el resultado del flujo de gases y aerosoles hacia senso - res del olfato. Cada sensación envuelve el flujo de algo desde o hacia el organismo.
En estado de régimen estacionario: Flujo = g ( Cs Ca ) Cs es la concentración en la superficie de intercambio del organismo Ca es la concentración en el ambiente g es la conductancia del intercambio
MICROAMBIENTE El microambiente es parte de todo individuo : casa, cama, automovil, otros. El tiempo en estos lugares generalmente no puede medirse por las variables de tiempo que se informan. Es posible, por ejemplo, que a una temperatura del ambiente de 10 C y con un viento de 5 m/s, un insecto que se proteja en la huella de un animal y que esté expuesto a la radiación solar, puede estar a 25 C. Es el MICROAMBIENTE lo que interesa cuando se considera el intercambio de energía de un organismo. Por ello generalmente se requieren instrumentos especializados para medir las variables ambientales relevantes.
INTERCAMBIO DE ENERGÍA La energía puede ser intercambiada como energía química almacenada, energía calórica, energía radiante o energía mecánica. Nos centraremos fundamentalmente en el transporte de calor y radiación Comunmente reconocemos cuatro formas de transferencia de energía: Intercambio radiativo ( ponerse al sol ) Conducción ( baldosas frías ) Convección ( viento helado ) Calor latente ( calor pegajoso ) Trataremos de comprender los principios que hay detrás de estos procesos.
El calor total de una substancia es proporcional a la energía cinética total de sus moléculas. La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas en la substancia. La transferencia de calor se produce de mayor a menor temperatura por conducción, que corresponde a una interacción molecular directa. El calor transferido por un fluido en movimiento se llama convección. El calor se transfiere primero al fluido por conducción y el movimiento del fluido se lleva el calor almacenado. El intercambio por radiación no requiere de moléculas para transferir energía desde una superficie a otra. Una superficie irradia energía a una tasa proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. El agua absorbe 2450 julios por gramo para pasar del estado líquido al gaseoso a 20 C ( calor latente de vaporización ). Casi 600 veces la energía requerida para subir la temperatura de un gramo de agua en un grado celcius.
La evaporación de agua desde un organismo, incluyendo al calor latente para convertir el agua líquida en vapor y la convección del vapor desde el organismo es un modo de transferencia de energía muy efectivo. TRANSFERENCIA DE MOMENTO Y ENERGÍA La fuerza del viento o del agua sobre un organismo es una manifestación de la transferencia de momento desde el fluido al organismo. El transporte de momento, oxígeno, dióxido de carbono y otras propiedades en los fluidos siguen principios similares a los de la transferencia convectiva del calor. Aplica el mismo conjunto de principios.
Altura, z Perfil del Viento 120 100 80 60 40 m 1 v 1 m 2 v 2 m 3 v 3 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Velocidad del viento, u
CONSERVACIÓN DE MASA Y ENERGÍA La ley de conservación de masa y energía establece que la masa y la energía no pueden ser creadas ni destruidas por medios ordinarios. Ejemplo: Balance de energía de una superficie con vegetación: Rn + M + H + λe = G Rn es el flujo neto de radiación absorbido por la superficie. M representa el suministro de energía a la superficie por metabolismo o la absorción de energía por la fotosíntesis. H es la tasa de pérdida de calor sensible por convección o conducción λe es la tasa de pérdida de calor latente desde la superficie. G es la tasa de almacenamiento de calor en el suelo y en la vegetación.
La ley de conservación de masa y energía puede servir a varios fines: Estimar uno de los términos conociendo los otros (ej. E ) Todos los términos del balance dependen de la temperatura de la superficie. Por ello, para determinadas condiciones ambientales (temperatura del aire, radiación solar, presión de vapor) hay sólo una temperatura que satisfaga al balance de energía. Se puede encontrar esa temperatura.
CONTINUIDAD EN LA BIÓSFERA La BIÓSFERA constituye el lugar de vida de los animales y plantas e incluye los ambientes del suelo y la atmósfera. Puede mirarse como un CONTINUO para los componentes de los sistemas. Existe continuidad (atmósfera, planta, suelo) para los gases y el agua. Las interfases entre líquido y gas constituyen regiones donde las moléculas de agua pasan de un estado a otro con el correspondiente intercambio de calor latente. Los intercambios de masa y energía están vinculados a través del calor latente.
El suelo está unido a la atmósfera por fenómenos de conducción y difusión a través de los poros y a través del sistema vascular de las plantas. Se pueden aplicar los principios de conservación de masa y energía a la totalidad del sistema o a componentes específicos ( una planta, hoja, vaso del xilema, célula). Las ecuaciones de transporte también pueden aplicarse a todo el sistema o a un componente. La masa o energía de una parte del sistema puede fluir en forma continua a otra parte. Las consecuencias de estas interacciones es lo que se estudia en Biofísica Ambiental.
RADIACIÓN TÉRMICA + PRECIPIT. RADIACIÓN SOLAR I I I I CALOR + LATENTE CALOR + SENSIBLE ALMAC CALOR + PN = RADIACIÓN NETA + + RESP.SUELO ESCURR. SUPERFI- CIAL + DRENAJE + ALMAC. C I I FLUJO CO 2 + ALMAC. AGUA
MODELOS Son una representación simple de una forma o fenómeno complejo. Enfatizaremos modelos matemáticos, determinísticos, de los sistemas físcos y biológicos. La homogeneidad depende de la escala espacial del problema. UNIDADES SI : metro (m) ; kilógramo (kg) ; segundo (s) ; Kelvin (K) para temperatura y el mol (mol) para cantidad.
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