Tricomas, humedad ambiente y transpiración: estudio fluidodinámico

Alberto Sánchez, Ramón Chordá, Carlos Montañés, Norberto Fueyo Grupo de Fluidodinámica Numérica, Universidad de Zaragoza Eustaquio Gil, Sergio Sisó Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón Numerical Fluid Dynamics Group! University of Zaragoza, Spain!

Intro

Cuál es el papel del tricoma en el intercambio de gases?!

Envés de hoja de encina, parcialmente “depilada”. Proporcionada por E Gil Pelegrín, CITA

Intro

Pregunta…! ◀  Ayuda el dosel de tricomas a impedir el flujo de agua en ambientes secos… ◀  Permitiendo que el estoma siga abierto para la entrada de CO2?

Intro

Herramienta: Fluidodinámica computacional! ◀  Fluidodinámica Computacional Simulación por ordenador del flujo de fluidos, de especies químicas, de calor, …; de la reacción química, de la radiación ◀  Amplia experiencia en nuestro grupo… Generalmente en otros ámbitos

Intro

Fundamento! ◀  Ecuaciones de movimiento del flujo fluido (conservación de la masa, velocidad del fluido)… ◀  Y de conservación de las especies químicas ◀  Convección, difusión, términos fuente… Conservación de la masa

Velocidad

Especies químicas (H2O)

◀  ‘Solver’ específico implementado en OpenFOAM ◀  Software de código abierto, gratis

Geometría

Reto #1: Geometría
 !

Fotografía proporcionada por E Gil Pelegrín, CITA  

Geometría

Proceso! ①  Sergio Sisó ‘recrea’ dosel de tricomas en un programa de modelado de sólido ②  Nos pasa el resultado en fichero STL, y lo escalamos y trasladamos ③  Generamos una ‘malla computacional’ usando SnappyHexMesh ◀  Software ‘gratis’ ◀  Otros intentos más sofisticados han fracasado

Geometría

Resultado!

Geometría

Detalle!

Geometría

Animación!

Geometría

Animación!

Geometría

Reto #2: Tamaño
 ! ◀  Diferencia de escalas entre dimensión del estoma/tricoma y de la hoja ◀  Imposible simular la hoja entera… ◀  Solución: simular una porción, e imaginar que se repite periódicamente (hoja infinita)

Geometría




Geometría, fisiología y condiciones ambientales
 !

Geometría




Geometría, fisiología y condiciones ambientales
 !

◀  ◀  ◀  ◀ 

U = 0, 1, 9 m/s T = 25ºC hra = 0, 10, 20, 40% hre = 64, 94, 100%

Roth  et  al.  Stomatal  Encryp2on  by  epicu2cular  waxes  as  plas2c   trait  modifying  gas  exchange  in  a  Mediterranean  evergreen   species  (Querus  coccifera  L.)  

Resultados

Humedad relativa (tanto por uno) con tricomas!

Contorno (Animación: isosuperficie)

Isosuperficies

Resultados

Humedad relativa (tanto por uno) sin tricomas!

Contorno (Animación: isosuperficie)

Isosuperficies

Resultados

Flujos y diferencias de humedad
 !

Fracción másica de vapor de agua




Flujo de agua

Hoja --- Distancia a través del dosel --> Ambiente

Resultados

Flujos vs diferencias de humedad: análisis
 ◀ 
 (Misma condición en boca del estoma: hest = 92%) 
 ◀  Misma pendiente indica ! mismo flujo ◀  Mismo flujo con 20% de humedad externa con tricomas que con un 40% sin tricomas

Fracción másica de vapor de agua




Hoja--- Distancia a través del dosel --> Ambiente

Resultados

Perfiles locales, dos hra, con/sin tricomas
     !        

       

Fracción másica de vapor de agua

   

   

--- Distancia a través del dosel -->

     

Resultados

Campo de velocidades
 !

Resultados

Perfiles de velo, U=[1,9] m/s, con/sin tricomas!

Fin dosel

Velocidad

U=9 m/s

Sin U=1 m/s

--- Distancia a través del dosel -->

Ambiente

Con

Hoja

     

       

       

   

       

Resultados

Delta de humedad vs flujo! Humedad relativa estoma – Humedad relativa ambiente

◀  (Promedios en todo el dominio)

U=1 m/s

Sin tricoma Con tricoma

Flujo* de vapor de agua *Flujo en esta presentación es: flujo [kg H2O/m2/s] dividido por densidad del aire

Resultados

Para un mismo salto, hay menos flujo con tricoma! U=1 m/s Humedad relativa estoma – Humedad relativa ambiente, %

◀  Imagen de Delta Sin tricomaHr vs flujo. Con tricoma

Flujo de vapor de agua

Resultados

Humedad relativa estoma – Humedad relativa ambiente, %

O bien: para el mismo flujo, hay más humedad con tricoma! U=1 m/s Sin tricoma Con tricoma

Flujo de vapor de agua

Resultados

Conductancia

Conductancia con/sin tricoma!

Sin tricomas- U=1 m/s o U=9 m/s

Con tricomas- U=1 m/s o U=9 m/s

Humedad relativa estoma – Humedad relativa ambiente

Conclusiones

Conclusiones (tricky)! ◀  Los tricomas permiten mantener el mismo flujo de agua con un ambiente externo mucho más seco (Disminución de conductancia) ◀  Cuantificado en este caso: Conductancia disminuye en un 30% aprox

Conclusiones

Trabajo futuro! ◀  Qué ocurre con otras especies químicas? CO2? O2? ◀  Qué relevancia tiene el efecto del tricoma en la captación de CO2? ◀  Modelado del estoma (más fisiología): ◀  Procesos y condiciones en la pared celular ◀  Rol del balance térmico? ◀  Flujo (y contraflujo) en el estoma ◀  Modelado del flujo: ◀  Turbulencia ◀  Difusión multicomponente de especies (si hay CO2) ◀  Condiciones de contorno: Capa límite, periodicidad.