La radiación solar en el universo de la agricultura de precisión

Una iniciativa beneficiosa para la agrometeorología local y, en perspectiva, subcontinental, está desarrollándose discretamente en Tucumán. Se trata de un estudio que la EEAOC junto al Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales de Brasil (INPE por sus siglas en portugués) han emprendido con un primer doble propósito. Por un lado, calibrar con precisión los instrumentos de medición de radiación solar de la red de estaciones agrometeorológicas de la EEAOC, generosamente distribuidas en el territorio provincial. Por otro lado, evaluar el desempeño del modelo de medición satelital desarrollado por el INPE, conocido como GL 1.2, utilizado acá para cotejar su información con la que provean las estaciones terrestres.

La existencia activa de la densa red de estaciones meteorológicas con las que opera el servicio de agrometeorología de la EEAOC -actualmente más de 40- y su amplia distribución en un territorio provincial caracterizado por su disparidad topográfica, microclimática y agroecológica, resultaba el campo de prueba ideal para un modelo novedoso de medición satelital de radiación solar. El modelo evalúa la irradiancia en la superficie a partir de la radiación solar visible “rebotada”, emergente del planeta.

Distribución geográfica de las estaciones meteorológicas automáticas de la EEAOC con curvas de nivel. Para el estudio se dispuso de 30 estaciones automáticas con registros de radiación solar cada 15 minutos. Solo se conservaron los registros diarios que contenían al menos el 95% de los datos de 15 minutos. Como resultado fueron seleccionadas 18 estaciones que cumplían con estos requisitos.

Según lo afirman los responsables profesionales que participan de la experiencia, se está en el final de una primera etapa de calibración, con resultados alentadores. Por un lado porque se están corrigiendo desvíos en los registros terrestres locales y porque se va afianzando la confiabilidad del modelo GL 1.2, de uso global.

Los detalles técnicos constan en distintos informes producidos durante el desarrollo del intento, que llevan la firma de Juan Carlos Ceballos por parte del INPE, Jorge Forciniti por la Sección Agrometeorología de la EEAOC y Maria L. Molina, por parte del Laboratorio de Ionosfera, Atmósfera Neutra y Magnetosfera (LIANM) de la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán, que aportó al estudio un piranómetro de alta precisión, utilizado en este contexto como el instrumento de medición terrestre testigo.

Balance de radiaciones y agricultura de precisión

Las radiaciones solares son imprescindibles para la vida en el planeta. Lo son hoy y lo fueron en el inicio de la vida misma. Conocer el balance de la radiación solar -y de la térmica, que también participa en la generación del clima- útil para el diseño de sistemas de aprovechamiento de la energía solar en sistemas térmicos fotovoltaicos, o para la planificación urbanística o edilicia en general, es clave en la agricultura de precisión. Se trata de conocer detalladamente cómo se distribuye la energía solar en un determinado territorio para entonces tomar decisiones que optimicen la productividad.

Capas de la atmósfera terrestre, desde la superficie hasta el espacio exterior.

Junto con otras variables observadas en una red meteorológica, esos registros contribuyen a evaluar por ejemplo, el balance hídrico de un área agrícola (ecuación precipitaciones vs. evaporación) y definir sistemas de riego en caso de balances negativos constantes, utilizar la caracterización energética como insumo para modelos de estimación de rendimiento o predictivos de plagas y enfermedades. En síntesis, establecer en general, en base al conocimiento de las constantes y variancias del microclima local, estrategias de manejo integral de determinados cultivos.

Una tendencia de estos enfoques de precisión ha ido centrándose en los últimos años en lo que se conoce como “sitio específico”, con aportes informativos acerca del diferencial productivo de distintos sectores de un mismo lote, contribuyendo a un uso racional de semillas, herbicidas y fertilizantes y disminuyendo costos. Pero sitio específico es también el sistema agroecológico en el que el lote está situado, con características climáticas algo más abarcativas que las del lote en particular. Una estación micrometeorológica suministra datos locales. El balance de radiación en extensiones de muchas hectáreas requiere de todas maneras de una mirada de mayor amplitud.

En la agricultura de precisión los datos climatológicos proveen un marco lógico y abarcativo que permite ordenar los datos generados por otras disciplinas intervinientes en el enfoque de precisión, como las imágenes de los Sistemas Satelitales de Información Geográfica, o los de la microbiología del suelo, o los de la huella de carbono, o de los niveles de nutrientes por sector, entre otros; datos que se hacen útiles para la toma de decisiones solo cuando media su racional interpretación. Esa es, en definitiva, la lógica de la agricultura de la complejidad, en la que la precisión es clave y la realidad es móvil.

Medir, calcular

Los modelos habitualmente utilizados para establecer estos balances energéticos se basan en mediciones terrestres de radiación. Los datos de radiómetro son relacionados estadísticamente con series temporales históricas de variables independientes -horarios, humedad relativa, temperatura, horas de sol y otras- para así establecer balances locales y determinar predictores causa-efecto basados en esas variables independientes.

Esos métodos se basan en mediciones locales terrestres realizadas mediante instrumentos fijos incapaces de evaluar detalladamente variaciones espaciales de radiación. “Para establecer esas variaciones haría falta instalar redes de instrumentos distribuidos en superficies contiguas y extendidas. Algo poco posible de generalizar, por los altos costos que implicaría y las complicaciones para su manutención”, nos dirá Jorge Forciniti; y agrega: “lo de Tucumán es un caso muy raro; único en la región”.

La dificultad manifiesta de los instrumentos terrestres, fijos, ha promovido el uso de sensores satelitales en base a los cuales se han desarrollado modelos como el GL 1.2, cuya eficacia está siendo puesta a prueba en Tucumán, precisamente gracias a la inusual densidad de la red terrestre de la EEAOC. Hasta aquí, en una primera etapa de calibración instrumental, con resultados satisfactorios.

Composición de la radiación solar

La energía solar se genera por la fusión nuclear del hidrógeno contenido en el núcleo de la estrella. Esta fusión de hidrógeno a helio desprende enormes cantidades de energía en forma de fotones que atraviesan las capas más externas del sol hasta ser liberadas al espacio en forma de ondas electromagnéticas de diferente longitud.

Espectro electromagnético: abarca desde el espectro visible por el ojo humano hasta las regiones del ultravioleta y el infrarrojo.

Así, el espectro solar termina compuesto por ondas muy cortas (rayos gamma y rayos X) hasta ondas largas (ondas de radio). Las ondas de ambos extremos son generalmente absorbidas por la atmósfera. Las que cuentan en la formación del clima y que en su totalidad o en parte llegan a la superficie terrestre son:
•La radiación ultravioleta (entre 100 y 400 nanómetros) que consta de tres subcategorías según su longitud intermedia: la UV A (315 a 400 nm) es la que mayormente llega a la superficie terrestre; la UV B (280 a 315 nm) es absorbida casi en su totalidad en la capa de ozono, mayormente concentrada en la estratosfera; y la UV C (100 a 200 nm también absorbida en esa capa.
•La luz visible (entre 400 y 700 nanómetros) es de la que se sirven las plantas para sus procesos fotosintéticos. Las nubes absorben muy poco pero son buenas reflectoras,
contribuyendo a atenuar el flujo que llega a la superficie.
•La radiación infrarroja solar (entre 700 y 4000 nm) es parcialmente absorbida/reflejada en la atmósfera (aire+nubes) contribuyendo a su calentamiento. Es poco absorbida en 700 a 1000 nm (infrarrojo cercano), e mucho más en 1000 a 4000 (infrarrojo medio). Lo restante llega a la superficie terrestre².

La proporción de las distintas radiaciones en el espectro solar es 7,2% ultravioleta; 47,2% visible y 45,6% infrarrojo. El visible y el infrarrojo solar, como veremos, son especialmente tenidos en cuenta por el modelo GL 1.2.

²Es importante comentar que la radiación que llega del Sol (una estrella a unos 6000C) casi no contiene energía en el infrarrojo lejano (ondas con más de 4000 nm. La superficie terrestre, gases como vapor de agua y dióxido de carbono y las nubes absorben fuertemente y emiten radiación predominante en 8 a 20 micrones (8000-20000 nm). Esto produce flujo de radiación térmica saliendo del suelo; una buena parte es absorbida en la atmósfera (H2O + CO2 + nubes) y otra parte es emitida por ésta hacia el espacio y contra-emitida hacia el suelo: “efecto invernadero”. (J.C. Ceballos)

Dinámica de las radiaciones y el modelo satelital

(Reproducimos acá a modo de síntesis una breve descripción del funcionamiento del modelo GL 1.2 brindada por Juan Carlos Ceballos. Casi en sus mismas palabras)

“Nuestro planeta recibe del espacio principalmente radiación solar. Una parte de ella es reflejada hacia el espacio por el suelo y por la propia atmósfera (compuesta por ozono, aire, aerosoles y nubes). Por otra parte, el planeta emite radiación térmica hacia el espacio, de acuerdo con la temperatura del suelo, de nubes y de gases como vapor de agua y dióxido de carbono.

Los fenómenos meteorológicos, que son fundamentales para definir el balance local, se generan a partir de los flujos de radiación que entran y salen en los primeros 20 km de espesura atmosférica. De estos flujos dependen el clima local (temperatura, precipitación, evaporación) y con él la vida, la producción agrícola y el aprovechamiento energético mediante tecnologías modernas.

Las redes de estaciones meteorológicas son incapaces de describir con detalles las variaciones espaciales de la radiación. En compensación, desde la década de 1970, la observación de eventos meteorológicos cuenta con la ayuda de satélites geoestacionarios. Ellos observan la Tierra desde el ecuador a una altura de unos 36000 km, cubriendo prácticamente un hemisferio. Para América del Sur, los satélites relevantes son el norteamericano GOES (sobre 75o W) y el europeo Meteosat (sobre 0o). Actualmente envían información cada 10 minutos en el caso del GOES, y cada 15 minutos en el de Meteosat (perfeccionado a partir de 2025), con una resolución espacial de 1 km –“pixel” de 1 km- en la vertical. Los sensores de estos satélites disponen de detectores sensibles a diversas longitudes de onda de la radiación, registrando flujos reflejados en el espectro solar, y emitidos en el espectro térmico.

El modelo GL versión 1.2 desarrollado en el INPE aprovecha la información del sensor ABI (GOES) para radiación visible (λ~0,65 μm) emergente del planeta. Básicamente, propone que la atmósfera es poco absorbente en el espectro visible y medianamente en el ultravioleta; y que en el infrarrojo (λ>0,7 μm) los rayos solares no son desviados o dispersados y, o sufren absorción por H2O y CO2, o se encuentran con una nube y no consiguen pasar hacia adelante.

El modelo aplica leyes físicas y algoritmos matemáticos para evaluar y sumar flujos – en el visible e infrarrojo – que llegan a la superficie. Los parámetros que gobiernan el cálculo son la reflectancia del suelo en el visible (reflectancia mínima observada), el agua precipitable, la fracción de cobertura por nubes y la columna de ozono.

En otras palabras, el modelo GL 1.2 es un modelo físico (no estadístico) que tiene estructura simple y permite evaluar un estimador GL sin ajustes asociados a medidas locales (G). El método que nosotros inventamos en el INPE permite tener en cuenta cuáles son los fenómenos físicos en la atmósfera y determinar cuál es la relación física que debe existir entre los datos de un satélite y lo que tengo en superficie. Resultado: el INPE tiene la capacidad de captar imágenes del satélite GOES, actualmente cada diez minutos. Hace diez años esas imágenes se hacían cada media hora. Esas imágenes cada diez minutos equivalen a cada dos kilómetros. Cada diez minutos es procesado el modelo. Al final del día, entonces, tenemos el ciclo diario de la radiación solar que hubo cada cuatro kilómetros en América del Sur (valor representativo de 10×10 km) y suministramos el total diario, que es menos complicado de publicar. Todo eso está siendo publicado en internet. La información es abierta y cualquiera puede tener todos esos datos y saber cuánta fue la radiación diaria en el día de ayer a cada cuatro kilómetros.

En varios experimentos de comparación GL (satélite) versus G (medida terrestre) para datos de la red de la EEAOC, los valores en escala diaria y mensual han mostrado un comportamiento altamente satisfactorio. Esto permite evaluar la confiabilidad local del modelo, ampliar la estimación de radiación global para sitios sin mediciones locales, y en última instancia detectar estaciones de la red con problemas de medición y corregir el error.