Capítulo 07: TEMPERATURA DO AR E DO SOLO

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1 Capítulo 07: TEPERATURA DO AR E DO OLO Disciplina(s): eteorologia Agrícola e eteorologia Florestal Temperatura do ar e do solo A energia radiante que atinge a superfície terrestre será destinado, basicamente, a três processos físicos, dentre os quais dois estão associados à temperatura: fluxo convectivo de calor sensível (temperatura do ar) e o fluxo por condução de calor no solo (temperatura do solo). uperfície úmida - dia r Prof.: Roberto Avelino Cecílio Aquecimento do ar Aquecimento do solo Temperatura do solo O regime térmico de um solo é determinado pelo aquecimento da superfície pela radiação solar e transporte, por condução, de calor sensível para seu interior. Durante o dia, a superfície se aquece, gerando um fluxo de calor para o interior. À Noite, o resfriamento da superfície, por emissão de radiação terrestre (ondas longas), inverte o sentido do fluxo, que agora passa a ser do interior do solo para a superfície. Fatores Determinantes da Temperatura do olo O fluxo de calor no solo depende, basicamente, da sua condutividade térmica, de seu calor específico e de sua emissividade, os quais por sua vez dependem do tipo do solo. Além disso, essa variação é afetada pela interação com outrosfatores, dentre eles: A variação da temperatura do solo ao longo do dia (temporal) e da profundidade (espacial) é estudada a partir da elaboração dos perfis de variação da temperatura, denominados de TAUTÓCRONA Profundidade do solo (cm) h h h -40 5h -45 9h -50 Fatores Externos Relacionados aos elementos meteorológicos: irradiância solar global, temperatura do ar, nebulosidade, chuva e vento. Fatores Intrínsecos Relacionados ao tipo de solo, ao relevo e ao tipo de coberturado terreno Tipo de olo Relacionado à textura, estrutura e teor de matéria orgânica do solo. olos arenosos tendem a apresentar maiores amplitudes térmicas diárias nas camadas superficiais e menores em profundidade. Isso ocorre pelo fato dos solos arenosos terem maior porosidade, havendo um menor contato entre as partículas do solos, dificultando assim o processo de condução. Os solos argilosos, por sua vez, apresentam maior eficiência na condução de calor, tendo menor amplitude térmica diária. Relevo Este é um fator topoclimático, que condiciona o terreno a diferentes exposições à radiação solar direta e, também, ao acúmulo de ar frio durante o inverno. Como visto na aula de fatores climáticos, os terrenos de meia-encosta voltados para o norte (no hemisfério ul) recebem mais energia do que os voltados para o sul. á nas baixadas ocorre um maior acúmulo de ar frio durante o inverno, o que acaba condicionando redução da temperatura do solo também nessa área. Variação horária da temperatura de um solo arenoso e de outro argiloso, Observ e a menor amplitude diária no solo argiloso, o que se dev e ao fato deste solo ser mais eficiente em transportar calor para seu interior Arenoso Argilos o Hora Faces sul e sudoeste Exposição e configuração do terreno Face norte Ar frio 1

2 Cobertura do Terreno Este é um fator microclimático. olos sem cobertura (desnudos) ficam sujeitos a grandes variações térmicas diárias nas camadas superficiais. A cobertura com vegetação ou resíduos vegetais (mulch) modifica o balanço de radiação e de energia, pois a cobertura intercepta a radiação solar, impedindo que esta atinja o solo. Esse fator é importante no sistema de plantio direto e nos pomares, onde as plantas ficam bem espaçadas. Em períodos críticos (inverno) e em locais sujeitos a geadas, a cobertura do terreno é um fator agravante das geadas, pois impede que o solo armazene calor durante o dia e liberando-o para a superfície à noite Profundidade (cm t/ha(6h) 14t/ha(6h) 28t/ha(6h) 0t/ha(14h) 14t/ha(14h) 28t/ha(14h) istema convencional solo exposto istema plantio-direto solo com mulch ato na entrelinha do cafezal A figura acima mostra a variação da temperatura do solo para dois horários do dia e até a profundidade de 20cm, para diferentes graus de cobertura com palha de café. Observe que o solo sem cobertura apresentou uma amplitude térmica (variação entre 6 e 12h) muito maior do que para o solo coberto com mulch. Os resultados confirmam que quanto maior a cobertura com mulch, maior o isolamento proporcionado. Variação Temporal da Temperatura do olo Diária Varia com a profundidade. Nas camadas mais superficiais, varia de acordo com a incidência de radiação solar, tendo o valor máximo entre 12 e 14h. Em profundidades maiores, as máximas tendem a ocorrer mais tarde, assim como as mínimas. Profundidade do solo (cm) h 19h 23h 5h 9h Variação Temporal da Temperatura do olo Anual Também segue a disponibilidade de energia na superfície, com valores máximos no verão e mínimos no inverno. Em profundidade, ocorre um pequeno atraso nos valores máximos e mínimos. A figura ao lado ilustra a variação anual da temperatura do solo em duas profundidades. Observe que no verão a temperatura média mensal é maior na superfície. á no inverno, isso se inverte an Fev ar Abr ai un ul 2 cm 100 cm Ago et Out Nov Dez Variação anual da temperatura do solo em região de clima temperado, onde, durante o inverno, o solo fica coberto com neve. edida da Temperatura do olo ão utilizados os geotermômetros, cujo o elemento sensor é o mercúrio, cujo princípio de medida é a dilatação de um líquido. Além deles pode-se utilizar outros tipos de elementos sensores, como os termopares e os termistores. ensor automático para medida da temp, do solo Geotermômetros instalados em gramado Geotermômetros instalados em solo desnudo Termistor Além dos geotermômetros padrões, existem outros tipos de geotermômetros de baixo custo, para Geotermógrafo uso em plantações, 2

3 Temperatura do ar A temperatura do ar é um dos efeitos mais importantes da radiação solar. O aquecimento da atmosfera próxima à superfície terrestre ocorre principalmente por transporte de calor, a partir do aquecimento da superfície pelos raios solares. O transporte de calor sensível (H) na atmosfera se dá por 2 processos: Condução olecular Processo lento de troca de H, ocorrendo pelo contato entre as moléculas de ar, Assim, esse processo tem extensão espacial limitada, ficando restrito à camada limite superficial, Ar frio Condução molecular de calor sensível (H) Difusão Turbulenta Processo rápido de troca de energia, em que parcelas de ar aquecidas pela superfície entram em movimento convectivo desordenado, transportanto calor (H), vapor (LE), etc, para camadas superiores da atmosfera. Processos de convecção up, quente A figura acima é uma representação real do que se vê na figura ilustrativa do processo de convecção, O vermelho indica temperaturas maiores e o azul menores. Fatores Determinantes da Temperatura do Ar Os fatores determinantes da temperatura do ar são aqueles associados às três escalas dos fenômenos atmosféricos: Fatores acroclimáticos Relacionados à latitude, altitude, correntes oceânicas, continentalidade / oceanidade, massas de ar e frentes Fatores Topoclimáticos Relacionados ao relevo, mais especificamente à configuração e exposição do terreno Variação Temporal da Temperatura do Ar Diária A temperatura do ar varia basicamente em função da disponibilidade de radiação solar na superfície terrestre. O valor máximo diário da temperatura do ar ocorre normalmente de 2 a 3h após o pico de energia radiante, o que se deve ao fato da temperatura do ar ser medida a cerca de 1,5 a 2,0 m acima da superfície. á a temperatura mínima diária ocorre de madrugada, alguns instantes antes do nascer do sol. Temperatura Temperatura Radiação olar Tmax Tmin Fatores icroclimáticos Relacionados à cobertura do terreno Horas Anual Também segue a disponibilidade de energia na superf ície, com valores máximos no verão e mínimos no inverno. A variação diária normalmente observada da temperatura do ar pode sofrer variações, especialmente com a entrada de frentes frias ou diasnublados, quando a temperatura do ar praticamente não varia Temperatura, ºC TEPERATURA ÉDIA ENAL - ÃO ATEU - E A variação diária normalmente observada da temperatura do ar pode sofrer variações, especialmente com a entrada de frentes frias ou dias nublados, quando a temperatura do ar praticamente não varia ês/ano 3

4 REPREENTAÇÃO DA TEPERATURA DO AR ÉDIA DIÁRIA ÉDIA ENAI ÉDIA ANUAI ÁXIA ABOLUTA ÉDIA DA ÁXIA ÍNIA ABOLUTA ÉDIA DA ÍNINA w w.agritempo.gov.br w w.agritempo.gov.br w w.agritempo.gov.br 4

5 edida da Temperatura do Ar O padrão para a medida da temperatura do ar visa homogeneizar as condições de medida, com relação ao topo e microclima, deixando essa variável dependente unicamente das condições macroclimáticas, o que possibilita a comparação entre locais. Assim, mede-se a temperatura do ar com os sensores instalados em um abrigo meteorológico, a 1,5 2,0 m de altura e em área plana e gramada. Abrigo meteorológico utilizado em estações meteorológicas automáticas Abrigos meteorológicos utilizados em estações meteorológicas convencionais Termometria Princípios Dilatação de líquidos: os mais comuns => capilar de vidro onde uma coluna de líquido (Álcool ou ercúrio) se dilata/contrai com o aquecimento/resfriamento Dilatação de sólidos Par termoelétrico Resistência elétrica (Termistores) Radiação infravermelha Dilatação de líquido: são denominados de termômetros. Os termômetros são utilizados em estações meteorológicas convencionais, onde ficam instalados dentro do abrigo meteorológico. Dois termômetros são destinados a medir as temperaturas máxima (Tmáx) e mínima (Tmín) e outros dois se destinam a medir a temperatura do bulbo seco (Ts) e do bulbo úmido (Tu), os quais constituem o conjunto psicrométrico, a ser utilizados na aula de umidade do ar Tmáx Tmín Ts Tu Dilatação de sólido: Instrumento que se baseia no princípio de que um sólido ao se aquecer sofre dilatação proporcional ao aquecimento. O sensor é uma placa metálica, que se dilata e contrai com a variação de temperatura. O termógrafo é um tipo desse sensor, ão utilizados em estações meteorológicas convencionais, onde ficam instalados dentro do abrigo meteorológico. Eles medem a temperatura do ar continuamente, com o registro sendo feito com uma pena sobre um diagrama (termograma). Arco metálico 5

6 Pares termoelétricos: utilizam junções de dois metais diferentes. A diferença de temperatura entre as duas junções (uma no abrigo e outra numa temperatura de referência) gera uma força eletromotriz proporcional. Na figura abaixo vemos sondas de termopar, nas quais uma junção é o sensor e a outra junção se encontra conectada ao sistema de aquisição de dados(referência) Efeito Peltier-eebeck ondas de Termopar Tipos de termopares: Tipo K (Cromel / Alumel); Tipo E (Cromel / Constantan); Tipo (Ferro / Constantan); Tipo N (Nicrosil / Nisil); Tipo B (Platina / Ródio-Platina); Tipo R (Platina / Ródio-Platina); Tipo (Platina / Ródio-Platina); Tipo T (Cobre / Constantan) - É dos termopares mais indicados para medições na gama dos -270 C a 400 C, Constante de cerca de 13mV/ºC ensor de temperatura Resistência elétrica (Termistores): constituídos de material semicondutor, com coeficiente térmico negativo (variação da resistência com a temperatura, ou seja maior a temperatura, menor a resistência), permitindo seu acoplamento a sistemas de aquisição de dados. Ao lado vemos vários tipos de termistores e uma sonda de medida da temperatura do ar, cujo elemento sensor é um termistor. Radiação infravermelha: baseia-se na detecção da radiação eletromagnética emitida pelos corpos (tefan-boltzman), Esse instrumento é utilizado para detecção da temperatura da superfície de um corpo Termistores ensor de temperatura Cálculo da Temperatura édia do Ar Estação Convencional: INET Estação Automática: Tmed do ar = (Ta 9h + Tmáx + Tmín + 2.Ta 21h ) / 5 IAC Tmed do ar = (Ta 7h + Ta 14h + 2.Ta 21h ) / 4 Valores Extremos Termógrafo Real Tmed do ar = (Tmáx + Tmín) / 2 Tmed do ar = (Σ Ta i ) / 24 Ta i é a temperatura do ar medida a cada interv alo de 1 hora e 24 é o total de observ ações feitas ao longo de um dia Tmed do ar = (Σ Ta i ) / n Ta i é a temperatura do ar medida a cada interv alo de tempo e n é o total de observ ações feitas ao longo de um dia Estimativa da Temperatura édia ensal do Ar Caso não se disponha de dados médios mensais de temperatura do ar para um local. Esses podem ser estimados em função das coordenadas geográficas (latitude, longitude e altitude), devido à relação de dependência entre elas e a temperatura do ar: > Latitude < Temperatura média do ar > Altitude < Temperatura média do ar Longitude expressa, em alguns casos, a proximidade de oceanos (oceanidade) 6

7 IB ITI RA A GU AÇU Í I RUP I DI VIN O DE ÃO LOU REN ÇO D ORE D O RIO P RETO IBAT IBA IÚ NA ÃO O É D O CALÇA DO ALEG RE AP IAC Á BO EU DO N ORT E U NI Z FREI RE UQU I BREET UBA I OO D O UL AFO NO CLÁ UDI O CATE LO CA CHO EIR O DE ITAP EI RI Á GUA DO CE DO NO RTE ANTEN ÓPO LI ALTO RI O NO VO B AIX O G UAN DU LA RANA DA TER RA ECO POR ANG A PANC A ITAG UAÇ U D O IN GO ARTI N ITAP EI RI ITA RAN A CO NCE IÇÃ O DO CA TELO VEND A N OVA DO I IG RAN TE ERÔ NI O ONTE IR O ATÍ LIO VI VÁC QUA VARG E ALTA PR EI DENT E KE NNE DY BA RRA DE ÃO FR ANC IC O CO LATI NA ANTA A RI A D O E TIBÁ ALFRE DO CHA VE IC ONH A ÁG UIA BR ANC A VILA PAV ÃO UC URI CI NO VA V ENÉC IA G UAR APAR I VIA NA VILA VELH A ONTA NHA G OVE RNA DOR LI NDE NBER G RIO BA NAN AL ANTA TER EA A NCH IETA P ONTO B ELO ÃO G ABR IEL DA PALHA VI LA VA LÉRI O ÃO R OQU E D O CAN AÃ AR ECH AL FLO RI ANO PI Ú A R IO N OVO DO UL A RATAÍ ZE ÃO DO I NGO DO NO RTE ARI LÂNDI A A NTA LE OPO LDI NA BO A E PER ANÇA O ÃO NEI VA IB IR AÇU CA RI ACI CA FUND ÃO ER RA VI TÓRI A PI NH EIR O OO RETA A ARAC RUZ PE DRO C ANÁR IO ÃO A TEU A GUAR É LINH ARE C ONC EIÇ ÃO DA BAR RA Km A estimativa da temperatura média normal de um local é de extrema utilidade para a agricultura, pois muitas vezes necessita-se dos dados de temperatura para o planejamento agrícola e a única forma de obtê-los é por meio de estimativas. A estimativa da Temperatura média mensal normal é obtida com o emprego de uma regressão linear múltipla: Tmed = a + b.alt + c.lat + d.long em que: ALT = altitude, em metros; LAT = latitude e LONG = longitude, ambas em graus. As letras a, b, c e d, representam os coeficientes da equação, obtidos estatisticamente. Os coeficientes da equação variam de acordo com as características de cada local e também com a época do ano. Valores desses coeficientes estão disponíveis para vários estados brasileiros, porém aqui iremos apresentar apenas aqueles relativos ao estado do Espírito anto, cujo modelo leva em consideração a altitude,latitude e longitude (trabalho de Castro 2008): Estimativas para o estado do Espírito anto Temperatura ÉDIA ês Coeficiente (a) Altitude (b) Latitude (c) Longitude (d) R² AN -11,7915-0,0067 N -0,9718 0,95 FEV -10,2517-0,0070 N -0,9458 0,95 AR 27,6025-0,0064 N N 0,95 ABR -3,4176-0,0070 0,4854-0,9669 0,96 AI 24,6425-0,0071 N N 0,95 UN 23,2446-0,0074 N N 0,94 UL 22,7931-0,0073 N N 0,94 AGO -14,8756-0,0078 N -0,9410 0,94 ET -26,3387-0,0071 0,5999-1,5304 0,95 OUT -29,9065-0,0069 0,6815-1,6918 0,96 NOV -20,9442-0,0065 0,5549-1,4274 0,96 DEZ -10,3282-0,0064 0,4060-1,1145 0,97 ANO -12,9848-0,0071 0,4690-1,1761 0,97 Exemplos: Venda Nova Imigrante Lat. = 20,38º = -20,38 Long. = 41,2ºW = -41,2 Alt = 727m ão ateus Lat. = 18,72 o Long. = 39,8ºW Alt = 9m) aneiro Tmed = [-11, (-0,0067*727)+(-0,9718*-41,2)] = 23,4 o C ulho Tmed = 22,7931 +(- 0,0073*727) = 17,5 o C Ano Tmed = -12,9848 +(- 0,0071*727)+( 0,4690*-20,38)+ (-1,1761*-41,2)= 20,8 o C aneiro Tmed = [-11, (-0,0067*9)+(-0,9718*-39,8)] = 26,8 o C ulho Tmed = 22,7931-0,0073*9 = 22,7 o C Ano Tmed = -12,9848 +(- 0,0071*9)+( 0,4690*-18,72)+ (-1,1761*-39,8)= 25,0 o C BAHIA Pode-se gerar um mapa com as temperaturas médias anuais do Estado do Espírito anto(castro, 2008) ou mensais... A partir de um modelo digital de elevação (DE) do Estado do Espírito anto gerado a partir de dados de radar RT (huttle Radar Topography ission) (Castro, 2008)... R IO DE A N EIRO INA GERAI µ OCEANO ATL ÂN TICO < 10 C C C C C C C C > 24 C Projeção UniversalTransversa de ercator (UT) Fuso 24 - outh American Datum 1969 (AD 69) 7

8 aneiro Fevereiro arço Abril aio unho Para outros estados... ulho Agosto etembro Outubro Novembro Dezembro édias mensais da temperatura média do ar para o E, estimadas através de equações múltiplas lineares e DE obtido através de imagem de radar (RT)(Castro, 2008) (EBRA PA, 2006) Cálculo da Temperatura édia do olo Estação Convencional: Estação Automática : Tmed do olo = (Ts 7h + Ts 14h + Ts 21h ) / 3 Tmed do olo = (Σ Ts i ) / n Ts i é a temperatura do solo medida a cada interv alo de tempo e n é o total de observ ações feitas ao longo de um dia (edeiros et al., 2006) Estimativa da Temperatura édia ensal do olo Caso não se disponha de dados para determinar a temperatura média mensal de um solo, pode-se recorrer às estimativas por meio da relação da temperatura do solo com a temperatura do ar: Ts = a + b Tar Os valores de a e b dependem do tipo de solo e também da profundidade de determinação de Ts, Veja a seguir os valores dos coeficientes para um Latossolo Roxo desnudo: Profundidade Equação 2 cm Ts 2cm = -4,56 + 1,38.T ar 5 cm Ts 5cm = -3,61 + 1,33.T ar 10 cm Ts 10cm = -2,59 + 1,28.T ar 20 cm Ts 20cm = -1,70 + 1,22.T ar 40 cm Ts 40cm = 0,62 + 1,12.T ar 100 cm Ts 100cm = 7,27 + 0,81.T ar Exemplos: T ar = 24 o C T ar = 17 o C 2 cm Ts 2cm = -4,56 + 1,38* 24 = 28,6 o C 100 cm Ts 100cm = 7,27 + 0,81* 24 = 26,7 o C 2 cm Ts 2cm = -4,56 + 1,38* 17 = 18,9 o C 100 cm Ts 100cm = 7,27 + 0,81* 17 = 21,0 o C 8