Agrometeorologia 2011

Transcrição

1 Tema 5 (25 e 28/04/2011) Aspectos Agrometeorológicos da Planta na Atmosfera Transferência de calor e da água do solo para a atmosfera; fluxo de calor do solo. Água e crescimento das plantas: Evaporação e evapotranspiração; cáculo de evaporação e evapotranspiração o método de cálculo Penman-Monteith; modelo da evapotranspiração. Balanço hídrico; modelo do balanço. Orvalho, Nevoeiro e humidade; granizo. Relação entre água e rendimento da planta Recapitulando a aula anterior Prática 3 O Clima e as Plantas Cultivadas Transferência de calor e da água do solo para a atmosfera O ciclo da água (conhecido cientificamente como o ciclo hidrológico: Figura 1) refere-se à troca contínua de água na hidrosfera, entre a atmosfera, a água do solo, águas superficiais, subterrâneas e das plantas. Ou pode ser definido como a sequência fechada de fenómenos pelos quais a água passa do globo terrestre para a atmosfera, na fase de vapor, e regressa àquele, nas fases líquida e sólida.

2 Figura 1: Esquema do Ciclo Hidrológico (ou ciclo da água). A água se move perpetuamente através de cada uma destas regiões no ciclo da água constituindo os seguintes processos de transferência: Evaporação dos oceanos e outros corpos d'água no ar e transpiração das plantas terrestres e animais para o ar. Precipitação, pela condensação do vapor de água do ar e caindo para a terra ou no mar. o TPC: Formas de Precipitação. Escoamento da terra geralmente atinge o mar. De toda a precipitação que ocorre sobre os continentes, 57% evapora, enquanto nos oceanos a evaporação corresponde a 112% do total precipitado. Numa região semi-árida, cerca de 96% da precipitação total anual pode evaporar. A taxa de evaporação diária pode variar numa faixa de 0 a 12 mm por dia.

3 As estimativas de evaporação são críticas em projectos de reservatórios e planeamento agrícola. Por exemplo, a evaporação no lago Nasser, formado pela barragem Assuã, é da ordem de 15% da vazão anual média do Rio Nilo. As perdas de água dessa amplitude influenciam o projecto, a operação e a gestão dos recursos hídricos que afectam diversos países. Deste modo, a Evaporação Potencial corresponde a máxima evaporação possível de uma determinada área. É importante para analisar as perdas de água de um reservatório. A Evaporação Potencial é um valor de referência pois caracteriza a perda de água como se toda a vegetação fosse duma espécie vegetal padronizada. A Evapotranspiração Real representa a perda de água que realmente ocorre na bacia considerando a vegetação existente. A Evapotranspiração de uma cultura (Etm ) é a evapotranspiração de uma cultura qualquer, em qualquer fase de desenvolvimento, desde o plantio (sementeira) até a colheita, quando não houver restrição de água no solo. Etm função IAF IAF Índice de área foliar: relação entre a área das folhas e a área de solo coberta pela planta. IAF AF AP o AF = área foliar (cm 2 ) por planta.

4 o AP = área de projecção ( cm 2 ) ETm Kc Eto Kc = Coeficiente de cultura (varia com o estágio de desenvolvimento). Da superfície para a atmosfera O ciclo da água inicia-se com a energia solar que incide na Terra. A transferência da água da superfície terrestre para a atmosfera, passando do estado líquido ao estado gasoso, processa-se através da evaporação directa, por transpiração das plantas e dos animais e por sublimação. A vegetação tem um papel importante neste ciclo, pois uma parte da água que cai é absorvida pelas raízes e acaba por voltar à atmosfera pela transpiração ou pela simples e directa evaporação. Durante esta alteração do seu estado físico absorve calor, armazenando energia solar na molécula de vapor de água à medida que sobe à atmosfera. Dado a influência da energia solar no processo de evaporação, a água evapora-se em particular

5 durante os períodos mais quentes do dia e em particular nas zonas mais quentes da Terra. A evaporação é elevada nos oceanos que estão sob a influência das altas subtropicais. Nos oceanos equatoriais, onde a precipitação é abundante, a evaporação é menos intensa. Nos continentes, os locais onde a precipitação é mais elevada existem florestas e onde a precipitação é mais baixa, existem desertos. Em terra, em algumas partes dos continentes, a precipitação é maior que a evaporação e em outras regiões ocorre o contrário, contudo predomina a precipitação, sendo que os oceanos cobrem o terreno evaporando mais água que recebem pela precipitação. Da atmosfera de volta à superfície O vapor de água é transportado pela circulação atmosférica e condensa-se após percursos muito variáveis, que podem ultrapassar 1000 km. Poderá regressar à superfície terrestre numa das formas de precipitação, como voltar à atmosfera mesmo antes de alcançar a superfície terrestre (através de chuva miúda quente).

6 Em situações menos vulgares, poderá ainda transformar-se em neve e cair em cima de uma montanha e permanecer lá 1000 anos. Toda esta movimentação é influenciada pelo movimento de rotação da Terra e das correntes atmosféricas. A água que atinge o solo tem diferentes destinos. Parte é devolvida à atmosfera através da evaporação, parte infiltra-se no interior do solo, alimentando os lençóis freáticos. O restante, escorre sobre a superfície em direcção às áreas de altitudes mais baixas, alimentando directamente os lagos, riachos, rios, mares e oceanos. A infiltração é assim importante, para regular a vazão dos rios, distribuindo-a ao longo de todo o ano, evitando, assim, os fluxos repentinos, que provocam inundações. Caindo sobre uma superfície coberta com vegetação, parte da chuva fica retida nas folhas. A água interceptada evapora, voltando à atmosfera na forma de vapor. O ciclo hidrológico actua como um agente modelador da crosta terrestre devido à erosão e ao transporte e deposição de sedimentos por via hidráulica, condicionando a cobertura vegetal e, de modo mais genérico, toda a vida na terra.

7 O ciclo hidrológico é, pois, um dos pilares fundamentais do ambiente, assemelhando-se, no seu funcionamento, a um sistema de destilação global. O aquecimento das regiões tropicais devido à radiação solar provoca a evaporação contínua da água dos oceanos, que é transportada sob a forma de vapor pela circulação geral da atmosfera, para outras regiões. Durante a transferência, parte do vapor de água condensa-se devido ao arrefecimento formando nuvens que originam a precipitação. O retorno às regiões de origem resulta da acção conjunta da infiltração e escoamento superficial e subterrâneo proveniente dos rios e das correntes marítimas. Água e Crescimento das Plantas Conforme o ambiente em que vivem, em relação à água, as plantas são classificadas em três grupos: a) Hidrófitas b) Mesófitas c) Xerófitas o As hidrófitas são as que normalmente crescem na água ou nos charos. o Alguns autores dividem as mesófitas verdadeiras-aquelas que atingem o ponto de murchamento permanente com a perda de 25% do seu conteúdo de água; e, mesófitas-

8 xerófitas as que atingem esse ponto com perda de 25 a 50% de água. o Essa classificação permite agrupar as plantas de forma apenas primária quando a sua viabilidade de adaptação em relação a disponibilidade de água, não podendo servir como um guia para um programa de irrigação de plantas cultivadas. o Para isso é necessário conhecer as diversas reacções fisiológicas da cultura em relação a água. o Kramer (1963) mostrou que a água é: 1) O maior constituinte fisiologicamente activo do tecido da planta. 2) Um reagente nos processos de fotossíntese e hidrólise, tal como a digestão do amido. 3) O solvente no qual sais, açucar e outros se deslocam de uma célula para outra, de um órgão para outro o outro e 4) Um elemento essencial para a manutenção da turgência, necessária para o crescimento da céula. Além disso a água é necessária para a transpiração, que, embora não exercendo uma função útil no crescimento e desenvolvimento da planta, desempenha diversos efeitos benéficos. o As deficiências da água não só reduzem o rendimento como também alteram a forma de crescimento.

9 o Em geral a profundidade do enraizamento diminui com o aumento de humidade no solo. o Em condições de humidade escassa as raízes tendem a ser mais profundas, tornam-se mais finas e mais longas. o As irrigações frequentes podem conduzir a um desenvolvimento superficial das raízes, oque é inconveniente quando ocorrem secas. o O rendimento económico, a floração, e a produção de sementes são afectados pelas condições de humidade. Evapotranspiração o Transferência de Água do Solo para a Atmosfera O balanço da água das culturas irrigadas ensina-nos que a maior porção de água na zona das raízes é perdida na forma de vapor para a atmosfera. Perdas de água ocorridas directamente na superfície do solo são chamadas evaporação, enquanto a transpiração se refere as perdas de água das plantas. Fisicamente ambos os processos são idênticas, porque ambos envolvem a troca de fase de água, da forma líquida para forma de vapor e o transporte para a atmosfera. O conceito de evapotranspiração refere-se ao total da perda de água para a atmosfera, da surperfície do solo e das plantas.

10 Em termos gerais a palavra evaporação significa toda a perda de água na forma de vapor idenpedentemente da natureza da superfície. Dois modelos físicos descrevem a evaporação na natureza: Primeiramente, a evaporação é um processo de transformação da água da fase líquida para a fase de vapor. A troca da fase de um grama de água a 20 C para a fase de vapor requer 585 calorias. Essa energia é conhecida como calor latente de vaporização. Consequentemente o estudo do balanço de Energia da superfície pode ser usado para calcular a evaporação. Em segundo lugar, a evaporação é um processo de transporte de vapor de água da superfície para a atmosfera. Esta descrição da evaporação basea-se no balanço de massa e no balanço de momento de uma camada de ar acima da superfície. Balanços de energia de massa e de momento são técnicas clássicas de engenharia usadas para resolver problemas de transporte. Em meteorologia as mesmas técnicas são usadas para descrever a evaporação. Unidades:

11 Para homogeneizar as dimensões e unidades nas equações dos balanços de massa e energia, considera-se a energia como a quantidade física básica. Assim todos os termos nas equações de balanço serão densidades de fluxo de energia expressos em calorias cm 2 min 1. Dividindo pelo calor latente de vaporização convertemos a densidade de fluxo de energia em densidade de fluxo de água. Balanço da energia como uma superfície não tem por si só capacidade calorífica, a radiação líquida absorvida pela superfície deve ser totalmente dissipada. Existem três mecanismos importantes para a dissipação: 1) A energia usada para elevar a temperatura do solo e das plantas é chamada densidade de fluxo de calor do solo, G; 2) A energia usada para aquecer o ar acima da superfície ou densidade do fluxo de calor sensível, H; 3) E a energia usada para a evaporação ou densidade e fluxo do calor latente, E. Em geral, deveia-se incluir também a energia usada pelas pantas na fotossíntese, mas isto representa apenas

12 1 ou 2% da radiação líquida podendo assim ser desprezado. A equação de balanço da energia da superfície vem: R n G H E donde E R n G H representa a evaporação Radiação líquida Quando a água é facilmente disponível na superfície, E é o maior termo da equação. Devido a essa condição pode-se dizer que, para uma primeira aproximação, a evaporação é proporcional a radiação líquida. A importância dessa conclusão na prática é que para áreas extensas é quase impossível medir a evaporação ao passo que a radiação líquida é facilmente medida com o radiômetro líquido. Fluxo de calor no solo - O fluxo de calor no solo depende da capacidade de calor e da condutibilidade térmica do substracto. Como a capacidade de calor das plantas tem a magnitude duas vezes menor que a do solo, a sua contribuição é desprezada. A previsão do fluxo de calor no solo é difícil pois o mesmo é heterogénio e da porosidade multifásica. Resultados experimentais mostram que no balanço da energia em períodos de uma ou mais semanas o fluxo de calor no solo é muito pequeno e pode ser desprezado.

13 Fluxo de calor sensível - As leis que reagem o fluxo de calor nos gases podem ser usados para predizer o fluxo de calor sensível na atmosfera pois ela é um sistema aberto. O fluxo de ar acima da superfície faz com que o mesmo seja continuamente renovado e mistura com o ar em camadas mais altas. A técnica experimental não pode solucionar esse problema porque a medição da densidade do fluxo de calor sensível é impossível na prática. Para solucionar esse problema, utilizam-se os artifícios que se seguem. Relação de Bowen Vimos que H LE, onde H c p K H T z e LE L K E q z c p = calor específico á pressão constante = densidade do ar T = gradiente de temperatura z k H = coeficiente de transferência de calor sensível q = gradiente de temperatura z K E = coefeciente de transferência de calor latente

14 Logo, se H LE c p K H L K E Agrometeorologia 2011 T z q z Eliminando os termos comuns, teríamos: K c H T p LK E q Admitindo que K H K E, teríamos c p dt dq T L q ou = constante psicrométrica = 0.66 mb dt = gradiente de temperatura dq = gradiente de humidade C Se H LE donde H LE Como a equação do balanço da energia é dada pela fórmula R n H G LE 0 Substituindo ficaria: R n LE G LE 0, R n LE 1 G 0, LE 1 R n G

15 LE R n G 1 Donde H R n G 1 1 é o fluxo de calor sensível. Variação Diurna dos Componentes do Balanço de Energia As figuras 1 e 2 mostram a variação diurna dos componentes do balanço da energia. Figura 1: Variação diurna dos termos do balanço de energia. O balanço de energia mostrado na Figura 1 foi tomado sobre um pequeno campo irrigado cujos arredores estavam secos. Aqui a evaporação é maior do que a radiação líquida devido a energia de advecção, ou seja a corrente de ar quente e seco.

16 A Figura 2 é típico de uma grande área irrigada ou em condições de sub-humidade. Figura 2: Variação diurna dos termos do balanço de energia. A evaporação é aproximadamente metade da radiação líquida, entretanto, próximo ao nascer e pôr do Sol a evaporação é maior do que a radiação líquida. Durante esses períodos, a evaporação extrai energia do ar e do solo. Os valores negativos, durante a noite, indicam condensação e formação de orvalho. Cálculo da Evapotranspiração e da Evaporação Evaporação ( A ) Processo físico do qual as moléculas de água passam do estado líquido para o estado de vapor. No caso da água no planeta Terra ela ocorre nos oceanos, lagos, rios, solo e vegetação. Transpiração (T) Processo de evaporação que ocorre através da superfície das plantas, em especial das folhas, através da abertura dos estômatos.

17 A transpiração ocorre desde as raízes até as folhas pelo estabelecimento de um gradiente de potencial desde o solo até o ar. Quanto mais seco estiver o ar maior será esse gradiente. A transpiração é a eliminação de água no estado de vapor. Todos os órgãos aéreos da planta transpiram: folhas, caules, flores e frutos. Mas o órgão mais importante da transpiração é a folha. Folhas expostas ao sol absorvem energia e se aquecem. Às vezes o aquecimento é tão forte que acaba inibindo algumas actividades metabólicas, como a fotossíntese. Ao evaporar-se, a água retira calor da superfície e passa a exercer um efeito importante na diminuição da temperatura, permitindo o resfriamento e retorno à actividade metabólica normal. A transpiração funciona como um regulador de temperatura foliar e pode ocorrer através dos estômatos da planta. Estômatos são estruturas encontradas na epiderme dos órgãos aéreos das plantas. O maior número de estômatos encontra-se nas folhas, mas também são encontrados nos caules, flores e frutos. Demanda é a forma como a atmosfera solicita água da planta. Quando a demanda é maior as plantas murcham (mas não morrem). Elas tem a capacidade de voltarem ao seu estado normal logo que a demanda for menor (nas manhãs).

18 Stress hídrico é o efeito da falta de água na transpiração da planta. Turgência é o excesso de água. Tensão que mantém as plantas esticadas (turgias). Resistência estomática é a forma de resistência da planta. Sendo assim, a evapotranspiração é o processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera através da evaporação (E) e da transpiração (T).

19 Métodos de obtenção da Evaporação Directo Indirecto Evaporímetro Tanque classe A-USWB Metodo de Penman 1 - Tanque GGI Metodo de transferencia de massa 2 - Tanque de 20 m 2 2- Metodo da energia 3 - Tanque fluente 3 - Metodo de balanco hidrico Atômetros 4 - Metodo das formulas empiricas 1 - Livingstone 2 - Bellani 3 - Piché Evapógrafo de balança Método de Penman Método Combinado (Balanço Energético+Aerodinâmico) E T EP rad EP aer ET = Evaporação potencial estimada da superfície ( mm dia ) = Inclinação da curva da pressão de vapor de saturação ( mb ) C = Constante psicométrica (= 0.67 mb ) C EP rad = Balanço energético (radiação incidente-radiação emitida) EP aer = Termo aerodinâmico Ou E T R a n N T n N e U 160 e s T e

20 R a = Radiação incidente no topo da atmosfera ( mm dia ) n = Número actual de horas de brilho solar (hr ) N = Número máximo possível de horas de brilho solar ( hr ) T 4 = Radiação emitida pela superfície terrestre à temperatura (T ) T = Temperatura média máxima e mínima do dia ( C ) U = Velocidade do vento ( km dia ) e = Pressão de vapor médio (mb ) e s T = Pressão de vapor de saturação à temperatura (T ) Métodos de obtenção da Evapotranspiração Evapotranspiração Potencial Evapotranspiração Real Directo Directo Lisímetro Percolação Indirecto Pesagem Método do Balanço Hídrico Indirecto Método dos coeficientes de cultura Equação Thornthwaite Método de Blaney-Criddle Método de Penman Método de Thornthwaite Correlação entre os dados da evapotranspiração medida e a temperatura do ar. Método empírico: ETP b Tm a I 0,2Tmi somatorio dos 12 meses do ano ; a 6, I I I 0.492; b = ( N ) (factor de ajuste do comprimento do dia); 12 ETP = evapotranspiração potencial ( mm mes ); N = Máxima insolação diária (função da latitude e do mês);

21 I = Índice de calor; Tm = Temperatura média diária Método dos Lisímetros Lisímetros: São tanques enterrados no solo, por meio dos quais se mede a evapotranspiração. ETP P Q DR P : Precipitação Q : Drenagem DR : Variação da quantidade de água acumulada no lisímetro Método do Balanço Hídrico ETP P S DA P : Precipitação S : Saída de água pela rede de drenagem DA : Variação do armazenamento Método dos Coeficientes de Cultura (estimativa da demanda real de água de uma cultura) ETR kc ETP ETR : Evapotranspiração real da fase (mm/período) kc : Coeficiente de cultura de fase (adimensional) ETP : Evapotranspiração potencial do period (mm/período)

22 Próxima Aula: Prática 4 05/05/