Science of Fall Colors
Ciencia de los colores del otoño
Science of Fall Colors
Source: Forest Service | U.S. Department of Agriculture
For years, scientists have worked to understand the changes that occur in trees and shrubs during autumn. Although we don’t know all the details, we do know enough to explain the basics to help you enjoy nature’s multicolored display. Three factors influence autumn leaf color:
- leaf pigments
- length of night
- weather
The timing of color changes and the onset of falling leaves is primarily regulated by the calendar as nights become longer. None of the other environmental influences – such as temperature, rainfall, food supply – are as unvarying as the steadily increasing length of night during autumn. As days grow shorter, and nights grow longer and cooler, biochemical processes in the leaf begin to paint the landscape with Nature’s autumn palette.
Leaf Pigments
A color palette needs pigments, and there are three types that are involved in autumn color:
- Carotenoids:Produces yellow, orange, and brown colors in such things as corn, carrots, and daffodils, as well as rutabagas, buttercups, and bananas.
- Anthocyanin:Gives color to such familiar things as cranberries, red apples, concord grapes, blueberries, cherries, strawberries, and plums. They are water soluble and appear in the watery liquid of leaf cells.
- Chlorophyll:Gives leaves a basic green color. It is necessary for photosynthesis, the chemical reaction that enables plants to use sunlight to manufacture sugars for food.
Trees in the temperate zones store these sugars for the winter dormant period.
Both chlorophyll and carotenoids are present in the chloroplasts of leaf cells throughout the growing season. Most anthocyanins are produced in the autumn, in response to bright light and excess plant sugars within leaf cells.
During the growing season, chlorophyll is continually being produced and broken down and leaves appear green. As night length increases in the autumn, chlorophyll production slows down and then stops and eventually all the chlorophyll is destroyed. The carotenoids and anthocyanin that are present in the leaf are then unmasked and show their colors.
Certain colors are characteristic of particular species:
- Oaks:red, brown, or russet
- Hickories:golden bronze
- Aspen and yellow-poplar:golden yellow
- Dogwood:purplish red
- Beech:light tan
- Sourwood and black tupelo:crimson
The color of maples leaves differs species by species:
- Red maple:brilliant scarlet
- Sugar maple:orange-red
- Black maple:glowing yellow
- Striped maple:almost colorless
Some leaves of some species, such as the elms simply shrivel up and fall, exhibiting little color other than drab brown.
The timing of the color change also varies by species. For example, sourwood in southern forests can become vividly colorful in late summer while all other species are still vigorously green. Oaks put on their colors long after other species have already shed their leaves.
These differences in timing among species seem to be genetically inherited, for a particular species at the same latitude will show the same coloration in the cool temperatures of high mountain elevations at about the same time as it does in warmer lowlands.
Length of Night
In early autumn, in response to the shortening days and declining intensity of sunlight, leaves begin the processes leading up to their fall. The veins that carry fluids into and out of the leaf gradually close off as a layer of cells forms at the base of each leaf. These clogged veins trap sugars in the leaf and promote production of anthocyanin. Once this separation layer is complete and the connecting tissues are sealed off, the leaf is ready to fall.
How does weather affect autumn color?
The amount and brilliance of the colors that develop in any particular autumn season are related to weather conditions that occur before and during the time the chlorophyll in the leaves is dwindling. Temperature and moisture are the main influences.
A succession of warm, sunny days and cool, crisp but not freezing nights seems to bring about the most spectacular color displays. During these days, lots of sugars are produced in the leaf but the cool nights and the gradual closing of veins going into the leaf prevent these sugars from moving out. These conditions – lots of sugar and light – spur production of the brilliant anthocyanin pigments, which tint reds, purples, and crimson. Because carotenoids are always present in leaves, the yellow and gold colors remain fairly constant from year to year.
The amount of moisture in the soil also affects autumn colors. Like the weather, soil moisture varies greatly from year to year. The countless combinations of these two highly variable factors assure that no two autumns can be exactly alike. A late spring, or a severe summer drought, can delay the onset of fall color by a few weeks. A warm period during fall will also lower the intensity of autumn colors. A warm wet spring, favorable summer weather, and warm sunny fall days with cool nights should produce the most brilliant autumn colors.
What does all this do for the tree?
Winter is a certainty that all vegetation in the temperate zones must face each year. Perennial plants, including trees, must have some sort of protection to survive freezing temperatures and other harsh wintertime influences. Stems, twigs, and buds are equipped to survive extreme cold so that they can reawaken when spring heralds the start of another growing season. Tender leaf tissues, however, would freeze in winter, so plants must either toughen up and protect their leaves or dispose of them.
Evergreens: pines, spruces, cedars, firs, and so on are able to survive winter because they have toughened up. Their needle-like or scale-like foliage is covered with a heavy wax coating and the fluid inside their cells contains substances that resist freezing. Thus, the foliage of evergreens can safely withstand all but the severest winter conditions, such as those in the Arctic. Evergreen needles survive for some years but eventually fall because of old age.
Broad-leaved trees: These are trees that do not have needles or scale-like leaves. They are tender and vulnerable to damage, are typically broad and thin and are not protected by any thick coverings. The fluid in the cells of these leaves is usually a thin, watery sap that freezes readily, which makes them vulnerable in the winter when temperatures fall below freezing. Tissues unable to overwinter must be sealed off and shed to ensure the plant’s continued survival.
What happens to all those fallen leaves?
Photo: Forest Service
Needles and leaves that fall are not wasted. They decompose and restock the soil with nutrients and make up part of the spongy humus layer of the forest floor that absorbs and holds rainfall. Fallen leaves also become food for numerous soil organisms vital to the forest ecosystem.
It is quite easy to see the benefit to the tree of its annual leaf fall, but the advantage to the entire forest is more subtle. It could well be that the forest could no more survive without its annual replenishment from leaves than the individual tree could survive without shedding these leaves. The many beautiful interrelationships in the forest community leave us with myriad fascinating puzzles still to solve.
Where can I see autumn color in the United States?
You can find autumn color in parks and woodlands, in the cities, countryside, and mountains – anywhere you find deciduous broadleaved trees, the ones that drop their leaves in the autumn. New England is rightly famous for the spectacular autumn colors painted on the trees of its mountains and countryside, but the Adirondack, Appalachian, Smoky, and Rocky Mountains are also clad with colorful displays. In the East, we can see the reds, oranges, golds, and bronzes of the mixed deciduous woodlands; in the West, we see the bright yellows of aspen stands and larches contrasting with the dark greens of the evergreen conifers.
Many of the Forest Service’s 100 plus National Scenic Byways were planned with autumn color in mind. Almost every one of them offers a beautiful, colorful drive sometime in the autumn.
When is the best time to see autumn color?
Unfortunately, autumn color is not very predictable, especially in the long term. Half the fun is trying to outguess nature! But it generally starts in late September in New England and moves southward, reaching the Smoky Mountains by early November. It also appears about this time in the high-elevation mountains of the West. Remember that cooler high elevations will color up before the valleys.
To explore fall foliage in New York, please visit bit.ly/3Cjhazo.
Ciencia de los colores del otoño
Fuente: Servicio Forestal | Departamento de Agricultura de los Estados Unidos
Durante años, los científicos han trabajado para comprender los cambios que ocurren en árboles y arbustos durante el otoño. Aunque no conocemos todos los detalles, sabemos lo suficiente para explicar los conceptos básicos que le ayudarán a disfrutar de la exhibición multicolor de la naturaleza. Tres factores influyen en el color de las hojas otoñales:
- pigmentos de hojas
- duración de la noche
- clima
La sincronización de los cambios de color y la aparición de la caída de las hojas está regulada principalmente por el calendario a medida que las noches se alargan. Ninguna de las otras influencias ambientales, como la temperatura, las precipitaciones o el abasto de alimentos, es tan invariable como el aumento constante de la duración de la noche durante el otoño. A medida que los días se acortan y las noches se alargan y enfrían, los procesos bioquímicos de las hojas comienzan a pintar el paisaje con la paleta otoñal de la naturaleza.
Pigmentos de las hojas
Una paleta de colores necesita pigmentos, y hay tres tipos involucrados en el color del otoño:
- Carotenoides:Produce colores amarillo, naranja y marrón en cosas como maíz, zanahorias y narcisos, así como colinabos, ranúnculos y plátanos.
- Antocianina:Da color a cosas tan familiares como arándanos, manzanas rojas, uvas Concord, arándanos, cerezas, fresas y ciruelas. Son solubles en agua y aparecen en el líquido acuoso de las células de las hojas.
- Clorofila:Da a las hojas un color verde básico. Es necesaria para la fotosíntesis, la reacción química que permite a las plantas utilizar la luz solar para fabricar azúcares para la alimentación.
Foto: Servicio Forestal
Los árboles de las zonas templadas almacenan estos azúcares durante el período de inactividad invernal.
Tanto la clorofila como los carotenoides están presentes en los cloroplastos de las células de las hojas durante la temporada de crecimiento. La mayoría de las antocianinas se producen en otoño, en respuesta a la luz brillante y al exceso de azúcares vegetales dentro de las células de las hojas.
Durante la temporada de crecimiento, la clorofila se produce y se descompone continuamente y las hojas se ven verdes. A medida que aumenta la duración de las noches en el otoño, la producción de clorofila se ralentiza y luego se detiene y, finalmente, se destruye toda la clorofila. Los carotenoides y la antocianina que están presentes en la hoja se desenmascaran y muestran sus colores.
Ciertos colores son característicos de especies particulares:
- Robles:rojo, marrón o rojizo
- Nogales:bronce dorado
- Álamo temblón y álamo amarillo:amarillo dorado
- Cornejo:rojo púrpura
- Haya:marrón claro
- Oxidendro y tupelo negro:carmesí
El color de las hojas de los arces difiere de una especie a otra:
- Arce rojo:escarlata brillante
- Arce azucarero:rojo naranja
- Arce negro:amarillo brillante
- Arce de Pensilvania:casi incoloro
Algunas hojas de algunas especies, como los olmos, simplemente se arrugan y caen, exhibiendo poco color que no sea el marrón apagado.
El momento del cambio de color también varía según la especie. Por ejemplo, el oxidendro en los bosques del sur puede volverse vívidamente colorido a fines del verano, mientras que todas las demás especies aún son vigorosamente verdes. Los robles adquieren sus colores mucho después de que otras especies ya hayan perdido sus hojas.
Estas diferencias en el tiempo entre las especies parecen ser heredadas genéticamente, ya que una especie particular en la misma latitud mostrará la misma coloración en las temperaturas frías de las elevaciones de las montañas más o menos al mismo tiempo que en las tierras bajas más cálidas.
Duración de la noche
A principios de otoño, en respuesta al acortamiento de los días y a la disminución de la intensidad de la luz solar, las hojas comienzan los procesos que conducen a su caída. Las venas que transportan los fluidos dentro y fuera de la hoja se cierran gradualmente a medida que se forma una capa de células en la base de cada hoja. Estas venas obstruidas atrapan azúcares en la hoja y promueven la producción de antocianina. Una vez que se completa esta capa de separación y se sellan los tejidos de conexión, la hoja está lista para caer.
¿Cómo afecta el clima al color del otoño?
La cantidad y el brillo de los colores que se desarrollan en cualquier temporada de otoño en particular están relacionados con las condiciones climáticas que ocurren antes y durante el tiempo en que la clorofila en las hojas disminuye. La temperatura y la humedad son las principales influencias.
Una sucesión de días cálidos y soleados y noches frescas, frías, pero no heladas, parece producir las muestras de color más espectaculares. Durante estos días, se producen muchos azúcares en la hoja, pero las noches frescas y el cierre gradual de las venas que van hacia la hoja evitan que estos azúcares se muevan. Estas condiciones, mucha azúcar y luz, estimulan la producción de los brillantes pigmentos de antocianina, que tiñen los rojos, púrpuras y carmesí. Debido a que los carotenoides siempre están presentes en las hojas, los colores amarillo y dorado permanecen bastante constantes de un año a otro.
La cantidad de humedad en el suelo también afecta los colores del otoño. Al igual que el clima, la humedad del suelo varía mucho de un año a otro. Las innumerables combinaciones de estos dos factores altamente variables aseguran que no haya dos otoños exactamente iguales. Una primavera tardía, o una sequía severa de verano, pueden retrasar la aparición del color del otoño unas semanas. Un período cálido durante el otoño también reducirá la intensidad de los colores otoñales. Una primavera cálida y húmeda, un clima de verano favorable y días cálidos y soleados de otoño con noches frescas deberían producir los colores otoñales más brillantes.
¿Qué hace todo esto al árbol?
El invierno es una certeza que toda la vegetación de las zonas templadas debe afrontar cada año. Las plantas perennes, incluidos los árboles, deben tener algún tipo de protección para sobrevivir a las bajas temperaturas y otras duras influencias del invierno. Los tallos, ramitas y capullos están equipados para sobrevivir al frío extremo, de modo que puedan volver a despertar cuando la primavera presagia el inicio de otra temporada de crecimiento. Sin embargo, los tejidos tiernos de las hojas se congelarían en invierno, por lo que las plantas deben endurecerse y proteger sus hojas o deshacerse de ellas.
Árboles de hoja perenne: los pinos, píceas, cedros, abetos, etc. pueden sobrevivir al invierno porque se han endurecido. Su follaje en forma de aguja o escama está cubierto con una capa de cera espesa y el líquido dentro de sus células contiene sustancias que resisten la congelación. Por lo tanto, el follaje de los árboles de hoja perenne puede soportar con seguridad todas las condiciones invernales excepto las más severas, como las del Ártico. Las agujas de hoja perenne sobreviven algunos años, pero eventualmente se caen debido a la vejez.
Árboles de hoja ancha: Estos son árboles que no tienen agujas ni hojas en forma de escamas. Son tiernos y vulnerables a los daños, por lo general son anchos y delgados y no están protegidos por cubiertas gruesas. El líquido en las células de estas hojas suele ser una savia fina y acuosa que se congela fácilmente, lo que las hace vulnerables en el invierno cuando las temperaturas descienden por debajo del punto de congelación. Los tejidos que no puedan sobrevivir el invierno deben sellarse y desprenderse para garantizar la supervivencia continua de la planta.
¿Qué pasa con todas esas hojas caídas?
Foto: Servicio Forestal
Las agujas y hojas que caen no se desperdician. Se descomponen y reabastecen el suelo con nutrientes y forman parte de la capa de humus esponjoso del suelo del bosque que absorbe y retiene la lluvia. Las hojas caídas también se convierten en alimento para numerosos organismos del suelo vitales para el ecosistema forestal.
Es bastante fácil ver el beneficio para el árbol de la caída anual de sus hojas, pero la ventaja para todo el bosque es más sutil. Bien podría ser que el bosque no podría sobrevivir sin su reposición anual de hojas más de lo que el árbol individual podría sobrevivir sin perder estas hojas. Las muchas y hermosas interrelaciones en la comunidad forestal nos dejan con una infinidad de fascinantes acertijos aún por resolver.
¿Dónde puedo ver el color del otoño en los Estados Unidos?
Puede encontrar el color del otoño en parques y bosques, en las ciudades, el campo y las montañas, en cualquier lugar donde encuentre árboles de hoja ancha, los que dejan caer sus hojas en otoño. Nueva Inglaterra es, con razón, famosa por los espectaculares colores otoñales pintados en los árboles de sus montañas y su campo, pero las montañas Adirondack, los Apalaches, las Humeantes y las Rocosas también están decoradas con exhibiciones coloridas. En el este, podemos ver los rojos, naranjas, dorados y bronces de los bosques caducifolios mixtos; en el oeste, vemos los amarillos brillantes de los álamos y los alerces que contrastan con los verdes oscuros de las coníferas de hoja perenne.
Muchos de los más de 100 caminos panorámicos nacionales del Servicio Forestal se planificaron considerando el color del otoño. Casi todos ofrecen un recorrido hermoso y colorido en algún momento del otoño.
¿Cuándo es el mejor momento para ver el color del otoño?
Desafortunadamente, el color del otoño no es muy predecible, especialmente a largo plazo. ¡La mitad de la diversión es intentar adivinar la naturaleza! Pero generalmente comienza a fines de septiembre en Nueva Inglaterra y se mueve hacia el sur, llegando a las Montañas Humeantes a principios de noviembre. También aparece en esta época en las altas montañas del oeste. Recuerde que las elevaciones más frías se colorearán antes que los valles.
Para explorar el follaje de otoño en Nueva York, por favor visite bit.ly/3Cjhazo.
