Roteiro de aula. Balanço de radiação Medida e Estimativa dos componentes Radiação em superfícies inclinadas. Exercício

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1 BALANÇO DE RADIAÇÃO

2 Roteiro de aula Balanço de radiação Medida e Estimativa dos componentes Radiação em superfícies inclinadas Balanço de Energia Exercício

3 Balanço de radiação na superfície Ra Absorção seletiva (O 3, CO 2, N 2 O, CH 4, H 2 O) Espalhamento Absorção seletiva (O 3, CO 2, N 2 O, CH 4, H 2 O) OL OL superfície R d Rg R D BOC BOC balanço de ondas curtas Ra - radiação solar no topo da atmosfera Rg - radiação solar global RD - radiação direta Rd - radiação difusa Rr - radiação solar refletida Rr Rn saldo de radiação Rn = BOC + BOL BOL BOL balanço de ondas longas OL - radiação terrestre emitida OL - contrarradiação

4 Determinação do balanço de radiação Medição do saldo de radiação: restrito a trabalhos de pesquisa Estimativa dos componentes do BR: feita a partir de instrumentos disponíveis em estações meteorológicas convencionais.

5 Instrumento de medida do Saldo de Radiação Saldo Radiômetro Instrumento de pesquisa

6 SALDO DE RADIAÇÃO Rn = BOC + BOL

7 Rn = BOC + BOL COMPONTENTES DE ONDAS CURTAS BOC = Rg - Rr

8 Balanço médio de radiação de ondas curtas Ra = 100% 24% 40% 17% 20% Gases e partículas 7% O 3 H 2 O CO 2 16% 23% 48% 4% 13% Fonte: Pereira et al. (2002)

9 Rn = BOC + BOL COMPONTENTES DE ONDAS CURTAS BOC = Rg - Rr

10 Radiação solar global (Rg) R g =(R D + R d ) Radiação solar incidente depende: Latitude Época do ano e hora do dia Posição e exposição do terreno Transparência atmosférica Nebulosidade RADIAÇÃO DIRETA (predominante) RADIAÇÃO DIFUSA (predominante)

11 Instrumento de medida de componentes de ONDAS CURTAS Rg - radiação solar global Actinógrafo / Piranômetro Instrumento operacional

12 Instrumento de medida de componentes de ONDAS CURTAS n - insolação Heliógrafo Instrumento operacional

13 Estimativa de Rg a partir de n Rg Ra = a + ( ) b n N Equação de Angstron onde: Rg - radiação solar global Ra - radiação no topo da atmosfera n - insolação ou número de horas de sol ocorrida N - número máximo de horas de sol Rg/Ra b (inclinação) [ ( n )] 0,22 + 0, Rg Ra 44 = Fontana et al., 1996 (21 estações meteorológicas) N Para a estimativa de Rg é necessário: n medido (heliógrafo) Ra calculado N - calculado a (intercepto) n/n

14 Estimativa de Ra: Ra = S d π d 2 [ ( ) ] Wh π senϕ senδ + cosϕ cosδ senwh 180 Estimativa de N: N = ( 2Wh ) 15 Ra e N podem ser encontrados em tabelas como função da: LATITUDE E ÉPOCA DO ANO (dados em horas) onde: S constante solar; [ d ]- razão entre a distância média e real do Sol a Terra (dia juliano); d ϕ - latitude; δ - declinação solar (dia juliano) Wh - ângulo horário (latitude e declinação)

15 No caso de estimativa: Ra = S d π d 2 [ ( ) ] Wh π senϕ senδ + cosϕ cosδ senwh 180 Para resolução da equação é necessário: S = 118,1 MJm -2 dia -1 (2,0calcm -2 min -1 x1.440=calcm -2 dia -1 ) ou (1.367Wm -2 ) [ ] 2 d = 1 + 0,034 cos 360D d sendo D o número do dia juliano 365,25) coswh = tgδ tan gϕ ( 0,9861D 170,7) + 0,3906cos( 1, ,4) δ = 0, ,2577cos D

16 50 20 Fluxo de ra adiação (MJm -2 dia -1 ) Ra Rg N Brilh ho solar (horas) 0 0 JUL AGO SET OUT NOV DEZ JAN FEV MAR ABR MAI JUN Meses Radiação solar incidente no topo da atmosfera (Ra), radiação solar global (Rg) e número máximo de horas de sol (N) em Porto Alegre, normal climatológica (Fonte de dados: 8 o DISME/INMET).

17 Rn = BOC + BOL COMPONTENTES DE ONDAS CURTAS BOC = Rg - Rr

18 Instrumento de medida de componentes de ONDAS CURTAS a = Rr Rg onde a é o albelo da superfície Rg Rr a - albedo Albedômetro Instrumento de pesquisa

19 ALBEDO MAIOR Rr maior devido à cobertura de gelo Rg menor devido ao ângulo de incidência ALBEDO MAIOR Nebulosidade sobre o equador Albedo Planetário em função da latitude. Dados médios do período de junho de 1974 e fevereiro de 1978, conforme medições através de satélite (Winston et al., 1979).

20 Relação entre albedo e ângulo de elevação solar em duas condições de nebulosidade (Fonte: Deacow, 1969).

21 Valores típicos de albedo de superfícies naturais Superfície Albedo (%) Água 5 Nuvens cumuliformes Neve Pele humana branca Pele humana negra Deserto Floresta decídua Floresta tropical úmida 13 Solo descoberto argiloso úmido Solo descoberto argiloso seco Solo descoberto arenoso seco 35-45

22 Rg Rg Albedo alto Albedo baixo Albedo do solo depende de: - umidade - teor matéria orgânica - textura (arenoso x argiloso) - rugosidade - cobertura (cor, brilho, densid.)

23 Valores típicos de albedo de plantas cultivadas Planta (desenvolvimento) Latitude Albedo (%) (média diária) Soja 21 o 24 Milho 43 o 22 Milho 7 o 18 Trigo 52 o 26 Trigo 43 o 22 Cevada 52 o 23 Sorgo 7 o 20 Feijão 52 o 24 Pastagem 32 o 25 Fumo 43 o 24 Fumo 7 o 19 Cana-de-açucar 7 o 15 Algodão 7 o 21 Tomate 43 o 23 Beterraba açucareira 52 o 26 Soja 30 o S 26 Milho 30 o S 24 Milheto 30 o S 25 Alfafa 30 o S 24 Girassol 30 o S 24

24 30 25 Alb bedo (%) ,1 1, Altura (m) Relação entre albedo médio e altura da vegetação (Fonte: Stanhill, 1970)

25 Rg Rg Rr Rr Albedo maior menor absorção Albedo menor maior absorção aprisionamento da radiação

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27 Maior absorção menor albedo Albedo da vegetação depende: Tipo de dossel Altura do dossel Condição hídrica das plantas Tipo de Manejo Albedo médio = 25% Menor absorção maior albedo Milho irrigado x não-irrigado

28 0,2 PD - maior albedo devido à presença da palha 0,15 Albedo 0,1 0,05 PC PD 0 Semead. milho 26/out 5/nov 15/nov 29/nov 9/dez Data Média diária de albedo da s uperfície em s is temas de plantio direto (PD) e prepa ro convencional (PC), antes e depois da s emeadura do milho. EEA/UFRGS, Eldora do do S ul, RS, 2004 (Heckler et al, 2005).

29 Rn = BOC + BOL COMPONTENTES DE ONDAS LONGAS BOL = OL - OL

30 Instrumento de medida de componentes de ONDAS LONGAS Pirgeômetro

31 Estimativa dos componentes de Pela lei de Stefan-Boltzman: ONDAS LONGAS OL OL ε σ 4 = T s s energia emitida pelo solo 4 = ε σt energia emitida pela atmosfera a a onde ε é a emissividade; σ é a constante de Stefan-Boltzman (4,9x10-9 MJm -2.dia -1.K -4 ); T é a temperatura (K); s e a são referentes ao solo e ar, respectivamente. Assumindo que : temperatura do solo temperatura do ar (período de 24h) emissividade do solo 1,0 (CN) ( )( n ) 0,325 0,139 e 0,1 + 0, 4 BOL = σt 9 onde e é a pressão real de vapor (kpa) N

32 SALDO DE RADIAÇÃO Rn = BOC + BOL

33 ESTIMATIVA DO SALDO DE RADIAÇÃO (Equação de Brunt-Penman): ( )( n ) 0,325 0,139 e 0,1 + 0, 4 Rn = Rg(1 a) σt 9 Rn, Rg MJm -2.dia -1 ; e kpa; T K; σ = 4,9x10-9 MJm -2.dia -1.K -4 N ( )( n ) 0,56 0,092 e 0,1 + 0, 4 Rn = Rg(1 a) 1440σT 9 Rn, Rg cal.cm -2.dia -1 ; e mmhg; T K; σ = 8,17x10-11 cal.cm -2.min -1.K -4 Observação: UR = (e/es) e es = f (T) N

34 ESTIMATIVA DO SALDO DE RADIAÇÃO (Rn) A PARTIR DA RADIAÇÃO GLOBAL (Rg) TIPO DE SUPERFÍCIE EQUAÇÃO UNIDADE FONTE Solo gramado Rn = -18,81 + 0,69 Rg cal.cm -2.min -1 Bergamaschi et al. (2003) Solo nu (prep. convencional) Rn = -14,25 + 0,67 Rg W.m -2 Comiran et al. (2005) Solo sob palha (plantio direto) Rn = 6,05 + 0,51 Rg W.m -2 Comiran et al. (2005) Soja (elevada área foliar) Rn = -0,68 + 0,67 Rg MJ.m -2. dia -1 Fontana et al. (1988) Milho (elevada área foliar) Rn = 0,11 + 0,67 Rg MJ.m -2. dia -1 Cunha et al. (1989) Feijão (elevada área foliar) Rn = 9,51 + 0,62 Rg cal.cm -2.min -1 Bergamaschi et al. (1988)

35 Saldo de radiação vs latitude e época do ano Altas latitudes: Rn negativo o ano inteiro PERDA Baixas latitudes: Rn positivo o ano inteiro GANHO

36 Saldo de radiação vs hora do dia 700 (cal.cm -2.min -1 ) Fluxo de radiação Rn (+) Rn (-) -100 Hora

37 ALTERAÇÕES NO BALANÇO DE RADIAÇÃO (microclima) Fluxos acima da superfície (ex. cultivos protegidos)

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39 Grande redução Pequena redução (20 a 25% de Rg)

40 Cultivo a céu aberto (Uvas viníferas, F. Cunha, RS) Plástico tipo ráfia (1/3 de redução de RFA)

41 Cobertura anti-granizo Macieira, Vacaria, RS Sem granizo Menos RFA (+ 20%) Menos vento

42 RADIAÇÃO EM SUPERFÍCIES INCLINADAS

43 Radiação solar em superfícies inclinadas NORTE 0 o Rg (inclinada) Rg (horizontal) LESTE OESTE SUL 0 o 0 o NORTE E SUL Recebem energia como se fossem horizontais em outra latitude, dependo da inclinação; LESTE E OESTE A variação diária é devido ao adiantamento ou atraso no por-do-sol e nascer do sol Variação anual da relação percentual entre a Rg sobre superfície inclinada e horizontal para latitude de 20 o S

44 Radiação solar diária em superfície horizontal no topo da atmosfera (calcm -2 dia -1 ) Latiltude JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 10 N N N N N S S S Rg (inclinada) = = 1,31 Rg (horizontal) S S S S S S S (5 S S Rg (inclinada) = = 0,63 Rg (horizontal) S S S S S S S S Exemplo: latitude 20 o S e inclinação 16 o Norte 20 o S 16 o = 4 o S Exemplo: latitude 20 o S e inclinação 16 o Sul 20 o S + 16 o = 36 o S

45 Weber et al (2009) Modelagem da insolação com SIG na região do Vale dos Vinhedos)

46 BALANÇO DE ENERGIA DA SUPERFÍCIE partição do saldo de radiação na superfície entre os consumidores e/ou fornecedores

47 BALANÇO DE ENERGIA NA SUPERFÍCIE Rn = LE + H + S + outros Durante o dia Rn (+) Rn saldo de radiação LE fluxo de calor latente de evapotranspiração H fluxo de calor sensível para o ar S fluxo de calor sensível para o solo Durante a noite Rn (-) LE (-) H (-) LE (+/-) H (+) Consumidores da energia disponível da superfície Fornecedores de energia para a superfície S (-) S (+) Com advecção de energia: Rn + A = LE + H + S = outros

48 BALANÇO DE ENERGIA NA SUPERFÍCIE West Palm Beach, Florida (26,7 o N) Yuma, Arizona (32,7 o N) Rn LE Rn H S H LE S Clima úmido Clima seco

49 BALANÇO DE RADIAÇÃO E DE ENERGIA DA SUPERFÍCIE EXPERIMENTOS AGROMETEOROLÓGICO

50 Gradientes temper. e umidade do ar Rg Datalogger: monitorar e armazenar dados Rn Placa: fluxo calor no solo Equipamento de medição contínua dos balanços de radiação e de energia

51 Balanço de radiação Rn Rg BOL Rr Rg = 100% (26,5 MJm -2 dia -1 ) Rn = 66% Rr = 27% BOL = 7% a = (Rr / Rg) Componentes do balanço de radiação em SOJA irrigada, cv. Brag em Taquari, RS, 19/02/1986. Fonte: Fontana et al. (1986)

52 Balanço de energia - SOJA IRRIGADA NÃO IRRIGADA Rn = 100% LE = 89% H = 9% S = 2% Rn = 100% LE = 73% H = 17% S = 10% Componentes do balanço de energia da soja, Taquari, em 05/02/1986.

53 Déficit de saturação (mb) Data: 05/05/ Irrigada ---- Não irrigada Hora local Déficit de saturação do vapor d água do ar em parcela de soja irrigada e não irrigada, 05/02/1986, Taquari, RS.

54 Fluxo de energia (W m -2 ) /11/04 Solo seco PC 01/11/04 Solo seco PD -400 Fluxo de energia (W m -2 ) /11/04 Solo úmido PC Rg BOC Rn BOL Rr 04/1104 Solo úmido PD :00 5:00 9:00 13:00 17:00 21:00 Hora 1:00 5:00 9:00 13:00 17:00 21:00 Hora Componentes do balanço de radiação (W m -2 ) na s uperfície do s olo em plantio direto (PD) e preparo convencional (PC): radiação s olar global incidente (Rg), balanço de ondas curtas (B OC), s aldo de radiação (Rn), balanço de ondas longas (B OL) e radiação refletida (Rr), medido nos dias 01 /1 1 e 04/1 1. EEA/UFRGS, Eldorado do S ul, RS, 2004 (Heckler et al, 2005)

55 W/m nov W/m Rg Rn S H+LE Hora PD Hora PC nov W/m W/m Hora -500 Hora Balanço de energia em dias ensolarados e em condições de solo seco (01 e 26/nov) e úmido (04/nov e 05/dez), em plantio direto (PD) e preparo convencional (PC), em W/m2. Eldorado do Sul, RS, Brasil, (COMIRAN et al., 2005)

56 Até a semana que vem