Evapotranspiração 16/03/2016. Revisão: Definição:

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1 Revisão: Evapotranspiração de Aquino Lemos Filho Dr Engenharia de Água e Solo Universidade Federal Rural do Semi-Árido Mossoró, RN Definição: Evaporação: Processo natural pelo qual a água, de uma superfície líquida ou de uma superfície úmida, passa para a atmosfera na forma de vapor, a uma temperatura inferior à de ebulição; Ocorre em oceanos, lagos, rios, no solo e na vegetação úmida (evaporação do orvalho ou da água interceptada das chuvas) Evaporação: Evaporação: As moléculas de água estão em constante movimento, tanto no estado líquido como gasoso; Algumas moléculas da água líquida tem energia suficiente para romper a barreira da superfície, entrando na atmosfera, enquanto algumas moléculas de água na forma de vapor do ar retornam ao líquido, fazendo o caminho inverso; Quando a quantidade de moléculas que deixam a superfície é maior do que a que retorna está ocorrendo a evaporação 1

2 Água ou Solo Evaporação: Para que ocorra evaporação da água há a necessidade de energia Essa energia é chamada de calor latente de vaporização ( E), que em média corresponde a: λe 2,501 0, Ts E = 2,45 MJ/kg (a 20 o C) Consome 585 calg -1 à 25ºC, portanto depende essencialmente da energia disponível da radiação solar Transpiração: Processo biofísico pelo qual a água que passou pela planta, fazendo parte de seu metabolismo, é transferida para a atmosfera preferencialmente pelos estômatos, obedecendo uma série de resistências desde o solo, passando pelos vasos condutores (xilema), mesófilo, estômatos e finalmente indo para a atmosfera Potencial de água na planta: Absorção e caminho de água na planta: Transpiração Teoria da Coesão Evaporação O abaixamento do potencial hídrico ar = a atm da atmosfera (ar) promove a evaporação das paredes celulares Isso promove a redução do potencial hídrico nas paredes celulares e no citoplasma folhas = - 5 a - 40 atm Coesão (no xilema) A coluna de água no xilema é mantida por coesão das moléculas de água nos vasos Bolhas de ar bloqueia o movimento Absorção de água (do solo) O menor potencial hídrico das raízes provoca a entrada de água A área de absorção depende da quantidade de radículas A água se move através da endoderme por osmose raíz = - 1 a - 10 atm solo = - 0,1 a - 2 atm Evapotranspiração: É praticamente impossível se distinguir o vapor d água proveniente da evaporação da água no solo e da transpiração das plantas; Consiste no processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera por evaporação da água do solo e da vegetação úmida e por transpiração das plantas 2

3 Fatores que afetam a evapotranspiração: Fatores meteorológicos/climáticos: Radiação solar; Temperatura do ar; Umidade relativa do ar; Velocidade do vento Fatores do sistema evaporante: Superfície de água livre; Tipo de solo; Vegetação (transpiração) Fatores Meteorológicos/Climáticos: Segundo Chang (1968), a radiação solar (Rs) é o elemento climático de maior importância na estimativa da taxa de evapotranspiração (80%); Entretanto, em regiões onde ocorrem fortes advecções, seja local ou regional, observadas comumente quando uma área úmida é circundada por área seca (efeito oásis), a importância relativa do saldo de radiação decresce e a advecção, ou transferência de calor sensível das áreas secas circunvizinhas, passa a contribuir significativamente no processo de evapotranspiração aumentando, neste processo, a importância da velocidade do vento e da umidade do ar Fatores Meteorológicos/Climáticos: Radiação solar: A quantidade de energia solar que atinge a Terra no topo da atmosfera está na faixa das ondas curtas Na atmosfera e na superfície terrestre a radiação solar é refletida e sofre transformações; Parte da energia incidente é refletida pelo ar e pelas nuvens (26%) e parte é absorvida pela poeira, pelo ar e pelas nuvens (19%) Parte da energia que chega a superfícies é refletida de volta para o espaço ainda sob a forma de ondas curtas (4% do total de energia incidente no topo da atmosfera) Radiação solar: A energia absorvida pela terra e pelos oceanos contribui para o aquecimento destas superfícies que emitem radiação de ondas longas Além disso, o aquecimento das superfícies contribuem para o aquecimento do ar que está em contato, gerando o fluxo de calor sensível (ar quente), e o fluxo de calor latente (evaporação); Saldo de Radiação: Finalmente, a energia absorvida pelo ar, pelas nuvens e a energia dos fluxos de calor latente e sensível retorna ao espaço na forma de radiação de onda longa, fechando o balanço de energia 3

4 Temperatura do Ar: Quanto maior a temperatura, maior a pressão de saturação do vapor de água no ar, isto é, maior a capacidade do ar de receber vapor Para cada 10 o C, P 0 é duplicada Temp o C P 0 (atm) 0,0062 0,0125 0,0238 0,0431 Umidade do Ar: A umidade relativa é a medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado Assim, ar com umidade relativa de 100% está saturado de vapor, e ar com umidade relativa de 0% está completamente isento de vapor w UR(%) 100 w s onde UR é a umidade relativa; w é a massa de vapor pela massa de ar e ws é a massa de vapor por massa de ar no ponto de saturação Umidade do Ar: Umidade do Ar: Também pode ser expressa em termos de pressão (tensão) parcial de vapor Conforme a lei de Dalton, cada gás que compõe uma mistura exerce uma pressão parcial, independente da pressão dos outros gases, igual à pressão que se fosse o único gás a ocupar o volume No ponto de saturação a pressão parcial do vapor corresponde à pressão de saturação do vapor no ar, e a equação anterior pode ser reescrita como: e UR(%) 100 e s onde UR é a umidade relativa; e é a pressão parcial de vapor no ar e e s é a pressão de saturação Vento: O vento renova o ar em contato com a superfície que está evaporando (superfície da água; superfície do solo; superfície da folha da planta); Vento forte: maior turbulência (rápida transferência para regiões mais altas da atmosfera), causando umidade próxima à superfície menor, aumentando a evaporação Vento: Escala de Belfort Pouco vento E Muito vento E 4

5 Fatores dependentes do Sistema Evaporante: Superfície de água livre: Pureza da água; Extensão e profundidade; Tipo (formato e material); Exposição ao vento e a radiação Fatores dependentes do Sistema Evaporante: Solo: textura; estrutura; umidade; CAD e matéria Orgânica Fatores dependentes do Sistema Evaporante: Fatores dependentes do Sistema Evaporante: Fatores dependentes do Sistema Evaporante: Área vegetada: Controla a transpiração; Pode agir fechando os estômatos; Busca a umidade nas camadas do solo Fatores dependentes do Sistema Evaporante: Fatores da cultura: Altura das plantas; Área foliar; Tipo de cultura; Albedo; Profundidade das raízes Fatores de Manejo da cultura: Espaçamento/densidade de plantio; Orientação de plantio; Plantio direto; Uso de quebra ventos; Cultivo protegido 5

6 Albedo: Tipo de superfície Albedo mínimo Albedo máximo Água profunda 0,04 0,08 Solo úmido escuro 0,05 0,15 Solos claros 0,15 0,25 Solos secos 0,20 0,35 Areia branca 0,30 0,40 Grama, vegetação baixa 0,15 0,25 Savana 0,20 0,30 Floresta 0,10 0,25 Neve 0,35 0,90 Conceitos de Evapotranspiração: Evapotranspiração Potencial (ETP) - Quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, em uma unidade de tempo, de uma superfície extensa, completamente coberta de vegetação de porte baixo e bem suprida de água (Penman, 1956) Evapotranspiração real (ETR) - Quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, nas condições reais (existentes) de fatores atmosféricos e umidade do solo A ETR é igual ou menor que a evapotranspiração potencial (Gangopadhyaya et al, 1968) ETR é a evapotranspiração nas mesmas condições de contorno de ETP, porém, com ou sem restrição hídrica Conceitos de Evapotranspiração: Conceitos de Evapotranspiração: ETP: é a evaporação do solo e a transpiração das plantas máxima que pode ser transferida para atmosfera Com base nas condições climáticas e características das plantas é possível estimar a EVT potencial ETR: é o total transferido para a atmosfera de acordo com a disponibilidade hídrica existente (umidade do solo) e a resistência das plantas (Coeficiente de cultivo - Kc) Clima Saldo de radiação Temperatura Umidade relativa Velocidade do vento Clima Saldo de radiação Temperatura Umidade relativa Velocidade do vento Cultura de referência Sem restrição hídrica Cultura de referência Com ou sem restrição hídrica ETR Evapotranspiração de referência (ETo) e potencial (ETP) Evapotranspiração Real (ETR) ETR ETP Evapotranspiração Potencial x Real: Evapotranspiração Potencial x Real: A evapotranspiração real depende da umidade do solo! ET 0 ETR Solo úmido: ETR se aproxima da ETP Solo seco: ETR se afasta da ETP ETR ETP ETR ETP θ θ i CC Umidade do solo 6

7 Conceitos de Evapotranspiração: Evapotranspiração Potencial (ETP) ou de Referência (ETo) ET de uma extensa superfície vegetada com vegetação rasteira (normalmente gramado), em crescimento ativo, cobrindo totalmente o solo, com altura entre 8 e 15cm (IAF 3), sem restrição hídrica e com ampla área de bordadura para evitar influência de áreas adjacentes Depende apenas das variáveis meteorológicas, sendo portanto ETP e ETo uma variável meteorológica, que expressa o potencial de evapotranspiração para as condições meteorológicas vigentes Conceitos de Evapotranspiração: Variação de Kc com o desenvolvimento de culturas anuais: Evapotranspiração da cultura (ETc) ET de uma cultura em dada fase de desenvolvimento, sem restrição hídrica, em condições ótimas de crescimento e com ampla área de bordadura para evitar a advecção de calor sensível de áreas adjacentes; Depende das condições meteorológicas, expressas por meio da ETP (ou ETo), do tipo de cultura (maior ou menor resistência à seca) e da área foliar Coeficiente de Cultura (Kc) Cultura sem restrição hídrica e em condições ótimas de desenvolvimento Variação de Kc com o desenvolvimento de culturas anuais: Variação de Kc com o desenvolvimento de culturas anuais: 7

8 Coeficientes de cultivos (Kc) Resumo dos fatores determinantes da evapotranspiração: Determinação da Evapotranspiração: Transferência de massa; Balanço de energia; Balanço hídrico; Evaporímetros; e Equações empíricas Transferência de massa: baseado na 1ª lei de Dalton: E = C (e s e) E = evaporação (mm/hora; mm/dia) e s = tensão de saturação do vapor de água no ar atmosférico e = tensão do vapor presente na atmosfera C = constante, onde é introduzido o efeito do vento por expressões empíricas Ar mais seco mais evaporação Ar mais úmido menos evaporação Balanço de Energia: Formulação mais adequada e se baseia no balanço de todas as energias envolvidas no processo de transferência de energia no sistema solo-águaplanta- atmosfera Radiação de onda curta atinge a superfície da terra; 11% é absorvido pela atmosfera, 9% retorna para o espaço, 33% é refletida (albedo) e 42% chega na terra Da parcela de atinge a terra uma parte é refletida (albedo) e outra é absorvida Da parcela absorvida uma parte retorna na forma de comprimento de onda longa (onda térmica) 8

9 Balanço de Energia: BALANÇO HÍDRICO H s q r q al q bl q c q e Hi Ho Balanço de energia (ΔH s ): - q r = energia de onda curta efetiva; - q al = energia de onda longa que retorna para o solo; - q bl = energia de onda longa transmita para a atmosfera; - q c = convecção; - q e = evaporação; - Hi e Ho = energia de entrada e saída do sistema Para o solo o termo de variação de energia é nulo Para superfície de água, o mesmo pode ser influenciado pela entrada e saída e água, como um reservatório BALANÇO HÍDRICO BALANÇO HÍDRICO Lisímetro BALANÇO HÍDRICO LISÍMETROS (Medida direta de ET) LISÍMETRO DE COLETA (DRENAGEM) É um depósito enterrado, aberto na parte superior, contendo o terreno que se quer estudar O solo recebe a precipitação, e é drenado para o fundo do aparelho onde a água é coletada e medida ET = P - D - R 5 cm grama tampa (solo) solo tanque brita 4,50 (solo) cano de 1/2'' (solo) coletor 9

10 LISÍMETRO DE COLETA (DRENAGEM) LISÍMETRO DE COLETA (DRENAGEM) Monitorar a umidade e estabelecer por o valor da evapotranspiração W Variação do armazenamento ( arm/t) = ET + Percolado ET Pp t 5 cm grama tampa (solo) solo tanque brita 4,50 (solo) cano de 1/2'' (solo) coletor LISÍMETRO DE COLETA (DRENAGEM) I + P - D ET 0 ou ETc S ET 0 ou ETc = evapotranspiração potencial de referência ou da cultura, em mm; I = irrigação do tanque, em L; P = precipitação pluviométrica no tanque, em L; D = água drenada do tanque, em L; e S = área do tanque, em m 2 LISÍMETRO DE BALANÇA (PESAGEM) Consiste em um tanque apoiado sobre uma balança mecânica O conjunto fica dentro de um tanque externo O tanque interno é livre e apoia-se somente sobre a balança, a qual acusa toda variação de seu peso, ou seja, a perda da água evapotranspirada tanque de drenagem solo brita balança 5 cm solo túnel tampa escada solo LISÍMETRO DE BALANÇA (PESAGEM) LISÍMETRO DE BALANÇA (PESAGEM) P ETo = S 10

11 LISÍMETRO DE COLETA (DRENAGEM) ΔP ET 0 ou ETC = S ETo ou ETc = evapotranspiração potencial de referência ou da cultura, em mm; P = variação no peso do tanque, em kg; e S = área do tanque, em m2 EVAPORÍMETROS Evaporímetro de Piché O evaporímetro de Piché é constituído por um tubo cilíndrico, de vidro, de aproximadamente 30 cm de comprimento e um centímetro de diâmetro, fechado na parte superior e aberto na inferior A extremidade inferior é tapada, depois do tubo estar cheio com água destilada, com um disco de papel de feltro, de 3 cm de diâmetro, que deve ser previamente molhado com água Este disco é fixo depois com uma mola A seguir, o tubo é preso por intermédio de uma argola a um gancho situado no interior do abrigo Evaporímetro de Piché É pouco confiável! EVAPORÍMETROS Tanque Classe A - Método empírico, baseado na proporcionalidade existente a evaporação de água do tanque classe A (ECA) e a ETP depende de um coeficiente de proporcionalidade, denominado coeficiente do tanque (Kp) - Kp depende por sua vez de uma série de fatores, sendo os principais o tamanho da bordadura, a umidade relativa do ar e a velocidade do vento EVAPORÍMETROS Tanque Classe A Evaporímetro Tanque Classe A - O mais usado no mundo é o tanque classe A, que tem forma circular com um diâmetro de 121 cm e profundidade de 25,5 cm Construído em aço ou ferro galvanizado, deve ser pintado na cor alumínio e instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da superfície do solo Deve permanecer com água variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior - O fator que relaciona a evaporação de um reservatório e do tanque classe A oscila entre 0,6 e 0,8, sendo 0,7 o valor mais utilizado 11

12 Evaporímetro Tanque Classe A Evaporímetro Tanque Classe A Evaporímetro Tanque Classe A Evaporímetro Tanque Classe A ETP ou ET 0 = ECA x Kp O valor de Kp é fornecido por tabelas, equações, ou ainda pode-se empregar um valor fixo aproximado, caso não haja disponibilidade de dados de UR e U para sua determinação Duas situações são consideradas para a obtenção do Kp Valores de Kp para o Caso A Vento (km/d) Bordadura UR a 70% <40% 40 >70% Leve 1 0,55 0,65 0,75 (<175) 10 0,65 0,75 0, ,70 0,80 0, ,75 0,85 0,85 Moderado 1 0,50 0,60 0,65 (175 a 425) 10 0,60 0,70 0,75 Evaporímetro Tanque Classe A Além das tabelas, Kp pode ser determinado pela seguinte equação: Kp = 0, ,024 Ln (B) 0, U + 0,0045 UR Vento (km/d) Bordadura UR 100 0,65 0,75 0, ,70 0,80 0,80 <40% 40 a 70% >70% Leve 1 0,70 0,80 0,85 (<175) 10 0,60 0,70 0, ,55 0,65 0, ,50 0,60 0,70 Moderado 1 0,65 0,75 0,80 (175 a 425) 10 0,55 0,65 0, ,50 0,60 0, ,45 0,55 0,60 Valores de Kp para o Caso B B = bordadura, em m; U = velocidade do vento, em km/d; UR = umidade relativa do ar, em % Além disso pode-se adotar um valor fixo de Kp, quando não se dispõe dos dados de B, U e UR: Kp = 0,7 a 0,8 12

13 Evaporação de reservatórios e lagos Evaporação de reservatórios e lagos - A evaporação da água de reservatórios é de especial interesse para a engenharia, porque afeta o rendimento de reservatórios para abastecimento, irrigação e geração de energia - Reservatórios são criados para regularizar a vazão dos rios, aumentando a disponibilidade de água e de energia nos períodos de escassez - A criação de um reservatório, entretanto, cria uma vasta superfície líquida que disponibiliza água para evaporação, o que pode ser considerado uma perda de água e de energia - A evaporação da água em reservatórios pode ser estimada a partir de medições de Tanques, como o Classe A, entretanto é necessário aplicar um coeficiente de redução (F t ) em relação às medições de tanque - Isto ocorre porque a água do reservatório normalmente está mais fria do que a água do tanque, que tem um volume pequeno e está completamente exposta à radiação solar Evaporação de reservatórios e lagos Evaporação de reservatórios e lagos - Assim, para estimar a evaporação em reservatórios e lagos costuma-se considerar que esta tem um valor de aproximadamente 60 a 80% da evaporação medida em Tanque Classe A na mesma região, isto é: E lago E tanque F t Onde F t tem valores entre 0,6 e 0,8 Evaporação de reservatórios e lagos - O reservatório de Sobradinho, um dos mais importantes do rio São Francisco, tem uma área superficial de 4214 km 2, constituindo-se um dos maiores lagos artificiais do mundo, está numa das regiões mais secas do Brasil - Em consequência disso, a evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m 3 s -1, o que corresponde a cerca de 10% da vazão regularizada do rio São Francisco (perda por evaporação superior à vazão prevista para o projeto de integração do RSF) EQUAÇÕES Empíricas ou Físicas Usando apenas a temperatura; Usando a temperatura e a umidade do ar; Usando a temperatura e a radiação solar; Equações de Penmann (insolação, temperatura, umidade relativa, velocidade do vento) 13

14 EQUAÇÕES Baseados na temperatura e radiação EQUAÇÕES Baseados na temperatura e umidade do ar Jensen Haise; Turc; Grassi; Stephens Stewart; Makkink Blaney-Morin; Hamon; Hargreaves; Papadakis EQUAÇÕES Métodos combinados Penman; Christiansen; Van Bavel; Penman-Monteith Método de Thornthwaite Usando apenas a temperatura; Método empírico; Baseado na temperatura média do ar (principal vantagem); Desenvolvido para condições de clima úmido; Apresenta subestimativa da ETP em clima seco; Bastante empregado na escala mensal 14

15 Método de Camargo Método empírico, baseado em Thornthwaite (apresentando as mesmas vantagens e restrições); Não necessita da temperatura média anual normal; Considera a irradiância solar extraterrestre (Qo) Método de Camargo Método de Hargreaves-Samani Método empírico, desenvolvido para clima seco; Baseia-se na temperatura média do ar e na amplitude térmica; Vantagem de boa aplicabilidade em regiões áridas e semiáridas Porém, apresenta superestimativa em climas úmidos Método de Penman Método físico; ETP é função dos termo energético e aerodinâmico (controlados pelas resistências ao transporte de vapor da superfície para a atmosfera); As resistências são denominadas de resistência da cobertura (rs) e resistência aerodinâmica (ra) 15

16 Método de Penman Método de Penman - Monteith Método de Penman - Monteith É a melhor equação disponível; É genérica; Precisa de muitos dados; Alguns dados são difíceis de obter Método de Penman - Monteith Método de Penman - Monteith 16

17 Método de Penman - Monteith Método de Priestley-Taylor Método físico, baseado no método original de Penman; Considera que o termo aerodinâmico (poder evaporante do ar) é condicionado pelo termo energético; Mesmo levando em consideração o balanço de energia, o método apresenta um componente empírico 17

18 Próximo assunto: Escoamento e Vazão 18