ESTUDO EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DO SOLO EM UMA REGIÃO COBERTA POR VEGETAÇÃO TIPO CAATINGA, NO ESTADO DA PARAÍBA. Lovana Mara Werlang, Fernando Morera da Slva e Alan M. B. Passerat de Slans, Centro de Tecnologa Unversdade Federal da Paraíba 58059-900 João Pessoa ABSTRACT The complex sol - vegetaton - atmosphere nteracton n the area of caatnga of the sem-ard regon of northeastern Brazl requests the knowledge of the sol thermal dfusvty. Expermental data set of sol temperatures reveals a pecular pattern wth very hgh temperature vertcal gradents and a hgh phase lag between the measured temperature at the surface and the temperature measured at 5 cm depth. The sol thermal dfusvty has been calculated by the harmonc method. Very low sol thermal dfusvty values were obtaned. The results show also the exstence of a strong vertcal stratfcaton of the sol thermal propertes of ths experment. Palavras-chave: Caatnga, dfusvdade térmca, transferênca de calor no solo. INTRODUÇÃO Em função da necessdade em conhecer a complexa nteração no sstema solo - vegetação atmosfera para melhorar as prevsões meteorológcas e melhorar as respostas dos modelos hdrológcos, expermentos foram propostos nestas duas últmas décadas, prncpalmente sob a egída do IGBP (Internatonal Geosphere-Bosphere Programme) para analsar os processos em questão e os métodos para quantfcá-los. Destes expermentos podem ser destacados ABRACOS na floresta amazônca Braslera, FIFE em uma regão temperada dos Estados Undos, HAPEX-Moblhy em uma regão temperada da França, HAPEX-Sahel, em uma regão sem-árda da Áfrca Ocdental e atualmente, BOREAL, na regão pré-ártca ou LBA na regão amazônca. Com objetvos smlares para a regão sem-árda do Nordeste Braslero, montamos no muncípo de São João do Carr na Paraíba, um modesto expermento através do qual, em um local representatvo da regão, medmos os balanços de radação, de energa e hídrco. Este expermento fo descrto em Slva et al., (2000). Neste trabalho, apresentam-se os prmeros resultados sobre o comportamento térmco do solo. Dos períodos são consderados. Um em condções naturas onde serão comparadas as temperaturas no solo úmdo e seco, e outro onde se acompanha o processo de secagem do solo após ter sdo saturado por rrgação para a determnação da dfusvdade térmca. MATERIAL E METODOLOGIA Estudo expermental O expermento fo nstalado na baca escola da Unversdade Federal da Paraíba na Cdade de São João do Carr - Paraíba, geografcamente stuada na regão dos Carrs Velhos (ver fgura 1). Trata-se de uma regão com solos predomnantemente Bruno não cálccos e a vegetação do tpo caatnga é predomnantemente composta por: pastagem (capm mmoso); plantas arbóreas (Marmelero, Mucunfo, Pnhão Branco); plantas lenheras (Angco, Catnguera) e cactáceas (Fachero, Palmatóra, Palma Doce e Cardero). Trata-se de uma regão classfcada como sem-árda ( índce de ardez de 0,21 segundo Souza, 1999) com chuvas pouco abundantes e concentradas nos meses de Feverero a Abrl. O solo tem aparênca pedregosa e a vegetação é esparsa, alternando-se ora com superfíce desnudada, ora com solo coberto por vegetação. O expermento fo projetado para realzar sobre períodos de 20 mnutos, o balanço radatvo, o balanço de 2556
energa e o balanço hídrco. Os dados são coletados em um sstema de aqusção de dados CR23X da Campbell Scentfc Inc., o qual é almentado em contínuo por uma batera de 12 volts e 55 AH acoplada a um panel solar com potênca de 20W. O data-logger é também programado para controlar todo o expermento. Uma torre com 8 metros de altura fo erguda no meo da vegetação para coletar nformações acma da vegetação, dentro da camada lmte. São meddos acma da vegetação, a radação solar global (RG), na faxa de radação vsível e próxmo nfravermelho; o balanço de radação (Rn) através de um radômetro líqudo medndo as radações com comprmento de onda varando entre 0,4 µm e 60 µm; a chuva; a velocdade e a dreção do vento assm como os gradentes de temperatura e pressão de vapor (razão de Bowen). Na copa da vegetação um termohgrômetro regstra a temperatura e a umdade do ar. Medções de temperatura e de fluxo de calor são efetuados no solo. O sensor de temperatura utlzado de marca Campbell Scentfc, Inc. modelo 108, é composto de um termstor, operando numa faxa de 3 a 90ºC, com precsão de 0.001ºC, sendo nstalado um à superfíce e os outros às profunddades 2cm, 5cm e 15cm, enquanto que o fluxo de calor no solo é meddo através de dos fluxômetros localzados 5 cm abaxo da superfíce do solo. Uma batera de sensores fo aterrada debaxo de uma superfíce coberta por vegetação e a outra debaxo de uma superfíce desnudada. Fgura 1 Mapa do Estado da Paraíba com localzação do expermento A prmera análse apresentada neste trabalho corresponde aos períodos de 28/02/2001 a 8/03/2001 e 12/03/2001 a 18/03/2001. No prmero período o solo estava muto seco, não havendo ocorrdo chuvas por varas semanas. No segundo período, o solo estava em fase de secagem após ocorrênca de chuvas totalzando 31,1 mm nos das 9, 10 e 11 de março de 2001. Em 6 de Novembro de 2001, o plot não recoberto por vegetação fo molhado até a saturação. Nos das seguntes acompanhou-se o processo de secagem deste solo, o que nós permte estmar a dfusvdade térmca para dversas condções de umdade do solo. CONSIDERAÇÕES TEÓRICAS A equação monodmensonal vertcal da condução de calor no solo é dada por: T T C = λ (1) t z z onde C é a capacdade calorífca do solo (Jm -3 K -1 ) e λ, a condutvdade térmca aparente (Wm -1 K -1 ). Admtndo que tanto a capacdade calorífca como a condutvdade térmca não varam com a profunddade z, a equação (1) se torna: 2557
2 T T = K (2) 2 t z onde K é a dfusvdade térmca aparente do solo (m 2 s -1 ) Segundo a lteratura (de Vres, 1963; Horton et al., 1983; Slans et al. 1996), város métodos tem sdo utlzados com o objetvo de quantfcar a dfusvdade térmca, e para tanto, no geral utlzam dados de temperatura do solo em dferentes profunddades. Neste trabalho, o método dto harmônco (Horton et al., 1983; Slans et al. 1996) é utlzado. O método harmônco A temperatura medda à superfíce pode ser descrta através da decomposção em sére de Fourer: T N ( 0, t) T + A sen( ωt + φ ) = = 1 (3) onde T representa a temperatura méda no período P (aqu P = 24 horas), e, A e φ representam respectvamente a ampltude e a fase da harmônca. O termo ω representa a freqüênca fundamental. A solução analítca da equação de condução de calor, consderando λ e C constantes é dada por: N z z ( ) T z, t = T + A exp( ) sen ωt + φ (4) = 1 d d z z onde exp( ) e representam respectvamente o amortecmento e a defasagem para cada harmônca. Nesta equação, d d d = 2K representa segundo Van Wjk (1963) a profunddade à qual a onda de calor penetra durante o período P/. ω A dfusvdade térmca, K, é dentfcada a cada da através de uma técnca de ajuste procurando mnmzar uma função crtéro. Aqu, a função crtéro escolhda fo o erro quadrátco médo entre os valores observados e o valor calculado. 3. RESULTADOS E ANÁLISE As temperaturas meddas no solo nas profunddades 0, 2cm, 5cm e 15 cm são representadas para os dos períodos estudados na prmera fase nas fguras 2 e 3 respectvamente. 60 50 C 40 30 20 T0 T2 cm T5 cm T15 cm Das Fgura 2 Evolução das temperaturas no solo no período do 28/02 a 8/03 de 2001. 2558
C 60 50 40 30 20 T0 T2 cm T5 cm T15 cm Das Fgura 3 Evolução das temperaturas no solo no período de 12/03 a 18/03 de 2001. Observa-se o comportamento dferente em solo seco e em solo em fase de secagem. No caso do solo seco, observam-se amortecmentos da onda de temperatura e defasagem muto mportantes, o mesmo não ocorrendo com o solo em fase de secagem. Na tabela 1 são ndcados os valores médos de amortecmento e defasagem para as camadas 0-2cm e 0-5cm no período seco. Tabela 1- Amortecmento (A), defasagem (φ) Solo Seco. Camada A φ (horas) 0 2 cm 0,571 2:00 0 5 cm 0,170 6:20 A onda de temperatura é quase totalmente amortecda a 15 cm de profunddade (Fgura 2). O solo armazena grande quantdade de calor nos prmeros cm. No caso do período de secagem, os gráfcos da Fgura 3 apontam para uma dmnução grande da defasagem e do amortecmento da onda de calor, conseqüênca do aumento da dfusvdade térmca. A temperatura a 15 cm não fo afetada. Os dados colhdos na segunda fase foram utlzados para se determnar a dfusvdade térmca e sua relação com a umdade pelo método harmônco. Neste período, amostras de solo foram coletadas e a umdade determnada gravmetrcamente durante 5 das consecutvos. A umdade a 5 cm fo montorada em contínuo com uma sonda TDR nstalada horzontalmente no solo. Os dados de temperatura foram ajustados em cada profunddade a uma sére de Fourer com 6 harmôncas. Pelo método harmônco, a dfusvdade térmca fo determnada a cada da para as camadas de solo: 0-2 cm; 2 5 cm e 5 15 cm. A evolução temporal da dfusvdade está representada na fgura 4. Observam-se camadas bem dferencadas, sendo a camada superor (0 2 cm) com uma dfusvdade bem maor do que as demas. O valor da dfusvdade térmca na camada 2 5 cm fo assocado ao valor da umdade meddo daramente as 9:00 pela sonda TDR para se obter o gráfco da fgura 5 que estabelece a relação entre a dfusvdade térmca e a umdade. A dspersão dos valores expermentas é relatvamente grande, bem que a forma da curva observada corresponde às expectatvas teórcas. A pror, a dferença observada nas três camadas nvaldam o uso do método harmônco, já que ndca uma estratfcação vertcal das propredades termodnâmcas. 2559
1,40E-07 1,20E-07 1,00E-07 m 2 s 8,00E-08 6,00E-08 4,00E-08 2,00E-08 1 6 11 16 21 26 31 36 Das Camada 0-2 Camada 2-5 Camada 5-15 Fgura 4 Dfusvdade térmca em dversas camadas do solo no período de secagem 4,5E-08 4,0E-08 2 m /s 3,5E-08 3,0E-08 2,5E-08 2,0E-08 3 6 9 12 15 18 Fgura 5 Dfusvdade térmca da camada 2 5 cm em função do teor volumétrco de água no solo (%) θ CONCLUSÕES Neste trabalho fo estudado a partr de medção de perfís vertcas de temperaturas no solo, o comportamento térmco de um solo Bruno não cálcco típco da regão sem-árda do Carr Paraíbano. Constata-se gradentes vertcas de temperatura muto fortes à superfíce e uma pequena penetração da onda de temperatura. A defasagem entre as ondas de temperatura observadas à superfíce e a 5 cm de profunddade é muto grande o que caracterza um solo como, muto baxa dfusvdade térmca. Este resultado é de fundamental mportânca para a compreensão do clma na regão. Utlzouse o método harmônco para calcular a dfusvdade térmca. Os cálculos revelaram uma forte estratfcação vertcal, na camada mas superfcal (0 2 cm) apresentando uma dfusvdade bem superor às camadas subjacentes, embora anda bem pequena. A relação entre dfusvdade térmca e umdade volumétrca fo obtda para a camada de 2 a 5 cm. Os 2560
resultados devem ser confrontados com outras metodologas de cálculo já que o método harmônco consdera a dfusvdade constante no tempo e no espaço durante o período de aplcação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS De Vres, D.A..Thermal propertes of sol. In W.R. van Wjk Ed., Physcs of plant envronment. North Holland, Amsterdam, 210-235, 1963. Horton, R>; Werenga, P.J.; Nelsen, D.R., Evaluaton of methods for determnng apparent thermal dffusvty of sol near the surface. Sol Sc. Soc. Am.,47:23-32, 1983. Slans, A.M.B.P. De; Monteny, B.A.; Lhomme, J.P.. Apparent Sol Thermal Dffusvty: Hapex-Sahel Experment. Agrc. And Forest Met., 81:201-216, 1996. Slva, F.M. Da; Slans, A.M.B.P.De Paz, A.R.; Gomes, R. S; Souza, E. E. Estudo Expermental da nteração solo vegetação atmosfera na regão do Carr. V smpóso de Recursos hídrcos do Nordeste. 2:243-251, 2000. Souza, B.I., 1999. Contrbução ao estudo da desrtfcação na baca do ro Taperoá - PB. Dssertação de Mestrado. PRODEMA Unversdade Federal da Paraíba. 120 p. Van Wjk Ed., Physcs of plant envronment. North Holland, Amsterdam, 1963. 2561