Universidade Estadual de MaringENGENHARIA AGRCOLACampus do Arenito Cidade GachaMeteorologia e Climatologia AgrcolaNotas de aulaProf. Eng. Agrc. Luciano VieiraMonitor Francisco Jos PiculliCidade Gacha PR2009Consideraes sobre o materialO presente material fruto de uma experincia de ensino bem sucedida por parte dos professores Pedro Castro Neto, Antnio Augusto Aguilar Dantas e Luiz Gonsaga de Carvalho, professores do setor de Agrometeorologia do Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras. Sob autorizao dos autores, reproduzo o material, acrescentando algumas consideraes pertinentes ao ensino da meteorologia agrcola aplicada as condies do Paran.Portanto, estematerial torna-seumesforonointuitodecapacitar os estudantes deEngenharia AgrcoladaUniversidadeEstadual deMaringa trabalhar de forma clara e objetiva com conceitos importantes da agrometeorologia.Dessa forma, adquirido tais conceitos, acredito que nossos atuais alunos, futuros engenheiros, podero aplicar seus conhecimentos nas diversas reas da engenhariaagrcolataiscomo Armazenamentoeprocessamentodeprodutos agrcolas, construes e ambincia, irrigao e drenagem, sensoriamento remoto, eletrificao rural entre outras.Finalmente, desejo boa leitura a todos os nossos estudantes e que a partir desse ponto possam aumentar seus conhecimentos ajudando o pas a resolver problemas estruturais que ainda afligem o rural brasileiro.Eng. Agrc. Luciano VieiraNem mesmo o brilho do sol, a radiao que sustentaodia, podedispersaroterrorque reside na mente das pessoas. Apenas a compreenso das vrias manifestaes naturais e de seus mecanismos internos tem o poder de derrotar esse medo. Lucrcio, (96-55 a.C.)2CAPTULO 1INTRODUO AO CURSO DE METEOROLOGIA AGRCOLA1. Meteorologia, Climatologia e AgrometeorologiaAmeteorologiadefinidacomoa cincia que estuda a atmosfera e seus fenmenos,e a climatologia o estudo cientfico do clima. O Meteorologista e o Climatologista, contudo, diferem significativamenteemsuametodologiadetrabalho;enquantooMeteorologistaaplicaasleisda fsica clssica e as tcnicas matemticas no estudo dos fenmenos atmosfricos, o Climatologista utiliza tcnicas estatsticas para inferir informaes a respeito do clima. O Meteorologista estuda o tempoeoClimatologistaestudaoclima. Porm, aClimatologiaestbaseadanaMeteorologia existindo, portando uma relao estreita entre a Meteorologia e a Climatologia.A Agrometeorologia(ouMeteorologia Agrcola)consideradacomosendooestudodas condiesatmosfricasesuasconseqnciasnoambienterural.Temsuaprincipalaplicaono planejamento e na tomada de decises em uma propriedade agrcola, seja na produo animal ou vegetal, sendoferramentaindispensvel noprocessoprodutivorural. Podeportanto, ser ainda dividida em Bioclimatologia Vegetal e Animal.2. Tempo e Clima Emmeteorologiafeita umadistino entreo tempo e oclima.Otempo oestadoda atmosfera em um determinado momento e lugar ou o estado da atmosfera com relao aos seus efeitos sobre a vida e as atividades humanas. Por outro lado, o clima a sntese do tempo num determinado lugar para um determinado perodo de tempo. O Clima, se refere as caractersticas da atmosfera inferidas de observaes contnuas durante um longo perodo, como por exemplo 30 anos (normal climatolgica). o conjunto de fenmenos meteorolgicos que determinam o estado mdio da atmosfera em determinada regio ou local. O clima abrange um maior numero de dados que as condies do tempo para uma determinada rea. Ele inclui consideraes dos desvios em relao as mdias, variabilidade, condies extremas e freqncia de ocorrncia de determinada condio de tempo. Assim, o clima representa uma generalizao, enquanto o tempo lida comeventos especficos.3. Fatores e elementos climticosOs elementos so aquelas grandezas meteorolgicas que comunicam ao meio atmosfrico suas propriedades, caractersticas e peculiaridades. Os principais elementos so: temperatura, umidade, precipitao pluvial (chuva), vento, nebulosidade, presso atmosfrica, etc. Os elementos climticos variam no tempo e no espao e so influenciados por certos fatores, chamados fatores climticos, agentes causais que condicionamos elementos climticos. Rigorosamente, uma distino entre fator e elemento , em muitos casos, artificial, por exemplo, a radiao pode ser um fator que promove variaes das condies atmosfricas, mas considerando-a isoladamente tambm um elemento climtico, dependente da latitude, altitude, poca do ano.Em escala global, os fatores fsicos capazes de modificar o clima podem ser classificados como externos e internos. Destacam-se os seguintes fatores externos: Flutuao na quantidade de energia solar emitida; Variaes na orbita terrestre e no eixo de rotao; Aumento ou diminuio do dixido de carbono atmosfrico; Variao na quantidade de poeiras atmosfricas;3 Modificaes nas caractersticas da superfcie dos continentes e dos oceanos.Emescala regional oulocal, outros fatores podemser acrescentados: altitude, relevo, presena do mar (maritimidade), continentalidade, latitude, tipo de solo, rotao da Terra, estaes do ano, vegetao, correntes ocenicas, etc.4. Escala espacial dos fenmenos atmosfricos A ocorrncia dos fenmenos atmosfricos podem ser separadas em trs grandes categorias, ou seja, macro, meso e micro-escala.A macro escala trata dos fenmenos em escala regional ou geogrfica, que caracterizam o climadegrandes reas pelos fatores geogrficos (altitude, latitude, etc.). Estaescaladeveser focalizada quando se discute mudana climtica.Meso-escala,refere-se aosfenmenos em escala local, em que a topografia condicionao (topooumeso) climapelas condies derelevolocal.Aexposiodolocal ( definidapelas coordenadascelestes: E, S, EouW), aconfigurao(vale, espigo, encosta)eainclinaodo terreno determinam o clima local.Amicro-escalaaquelaquecondicionaoclimaempequenaescala(microclima), sendo funo do tipo de cobertura do terreno (solo nu, gramado, floresta, cultura rasteira, represa, etc.) que determinaobalanolocaldeenergia. Ofatorprincipalacoberturadoterrenoecadatipode cobertura tem influncia prpria sobre o microclima.4CAPTULO 2OBSERVAES METEOROLGICAS DE SUPERFCIE1. IntroduoDesdeostemposmaisremotos, ohomemtemsepreocupadoemobservarosdiferentes elementos do clima, como a precipitao, temperatura e umidade, entre outros.O estabelecimento de modelos que regem as variaes nas condies de tempo e de clima dependemdaextensaefrequente exploraodaatmosfera, sendopartedasobservaesjunto superfcie.Uma estao meteorolgica a unidade bsica de uma rede de servios. So montadas de acordocomosmesmospadres:emlugarsemsombras, depreferenciagramadoparaevitaros reflexos da radiao solar, com amplos horizontes, principalmente a leste e a oeste da estao.Paraaatividadeagrcola, oconhecimentodocomportamentodoclimadeumaregioe fundamental, contribuindo para uma maior e melhor produo. tambm ferramenta indispensvel na pesquisa,tanto paradefinircomo interpretar os resultados dos experimentos, bem como para aplicar os resultados.Aconfiabilidade dos dados meteorolgicos depende do interesse e da preparao do observador, da continuidade da coleta dos dados e o cuidado na manuteno dos equipamentos.2.0 AORGANIZAO METEOROLGICAMUNDIAL (OMM) E O INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA DE BRASLIA (INMET).Paraoalcance de diagnsticos e prognsticos da atmosfera faz-se necessrio um sistema global de observaes meteorolgicas, o qual dever promover a explorao da atmosfera tanto a nvel superficial como nos nveis superiores da mesma, alm de realizar medies em intervalos de tempo suficientemente curtos para permitir o monitoramento da origem e do desenvolvimento dos fenmenos meteorolgicos.AONU(OrganizaodasNaesUnidas)mantmumrgoespecializadodenominado OMM (Organizao Meteorolgica Mundial) criado em 1950, antiga Organizao Meteorolgica Internacional, que coordena as atividades meteorolgicas de carter operacional.A OMM desenvolve o programa Vigilncia Meteorolgica Mundial (VMM), com o objetivo de manter o intercmbio de informaes meteorolgicas entre os pases e o estmulo ao desenvolvimento da previso do tempo.O programa composto por trs sistemas:a) Sistema Mundial de Observaes (cerca de 10.000 estaes terrestres, a maioria nos Continentes e no hemisfrio norte, 7.000 navios mercantes, 3.000 avies comerciais, plataformas automticas, satlites e radares), voltado para a qualidade e quantidade das observaes.b) Sistema Mundial de Preparao de Dados, constitudos dos Centros Meteorolgicos Nacionais(CMN), Regionais (CMR) e Mundiais (CMM- Washington, Moscou e Melbourne), voltados para o tratamento dos dados e elaborao de previses;c) Sistema Mundial de Telecomunicaes, com centros nacionais de telecomunicaes (CNT).O Ministrioda Agricultura,atravs do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) o representante do Brasil na Organizao Meteorolgica Mundial, responsabilizando-se pelo estabelecimento, coordenao e operao das redes de observaes meteorolgicas e de transmisso de dados meteorolgicos, inclusive aquelas integradas rede internacional.O Brasil participa do programa VMM (Vigilncia Meteorolgica Mundial) operando cerca 5de 20 estaes de radiossondagem e cerca de 180 estaes de superfcie, nmero insuficiente em vista da extenso territorial do pas.As atividades so coordenadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), sediado emBraslia, quetambmsededeumCentroRegional dePreparaodeDadoseumCentro Regional para a Amrica do Sul do Sistema Mundial de Telecomunicaes. Portanto Braslia atua como Centro Nacional de Telecomunicaes, recolhendo todas as informaes coletadas no Brasil e repassando-as paraoCentroMeteorolgicoMundial deWashington, atravs deumramal do circuito tronco do Sistema Global de Telecomunicao. Para Braslia convergemos dados transmitidos por cinco centros coletores: Belm, Recife, Rio de Janeiro, Porto Alegre e Cuiab.Para atender tais responsabilidades o INMET possui uma estrutura composta de um rgo Central e dez rgos Regionais: Manaus, Belm, Recife, Salvador, Belo Horizonte, Rio de Janeiro, So Paulo, Porto Alegre, Cuiab e Goinia. O rgo Central, localizado em Braslia, constitudo de uma Direo Geral qual esto subordinados: a Coordenadoria de Planejamento, o Ncleo de IntercmbioTecnolgico, oNcleodeComunicaoSocial, aBiblioteca, DivisesTcnicas e Administrativas.A rede do INMET a maior rede de estaes meteorolgicas no Brasil, mas no a nica existente, outros rgos operacionais possuem redes de observaes, como a Fora Area Brasileira, MarinhadoBrasil, SecretariadeEstado, InstituiesdeEnsinoePesquisa, EmpresasPblicas, Para-EstataisePrivadas, taisredesatuamisoladamente, ounosistemadecooperao. OINPE (InstitutoNacional dePesquisasEspaciais)mantmoCentrodePrevisodeTempoeEstudos Climatolgicos e trabalha de forma associada ao INMET.3.0 As Estaes Meteorolgicas3.1 Tipos de Estaes MeteorolgicasAsobservaesdesuperfciesoprocedimentossistemticosepadronizadospelaOMM (Organizao Meteorolgica Mundial) no que diz respeito ao tipo de equipamento, s tcnicas de calibrao, aferio, aos ajustes, ao manuseio, a procedimentos observacionais, aos horrios de observao, ao tratamento dos dados, s correes, s estimativas, transmisso e ao uso operacional. Tais medidas visam obteno de informaes qualitativas e quantitativas referentes aosparmetrosmeteorolgicoscapazesdeseremcomparadasedecaracterizaremplenamenteo estado instantneo da atmosfera.H dois tipos de Estaes Meteorolgicas de Superfcie: as Estaes Meteorolgicas Convencionais e as Estaes Meteorolgicas Automticas. As Estaes Meteorolgicas Convencionais exigem a presena diria do observador meteorolgico para coleta de dados, elas se dividem em classes de acordo com o nmero de elementos observados.As de primeira classe so aquelas que medem todos os elementos do clima, j as de segunda classe so as que no realizam as medidas de presso atmosfrica, radiao solar e vento, as de terceira classe medem a temperatura mxima, a mnima e a chuva, tambm conhecidas como termo-pluviomtricas.Um outro tipo de estao meteorolgica a Estao Meteorolgica Automtica com a coleta de dados totalmente automatizada. Nesse tipo de estao os sensores operam com princpios que permitemaemisso desinaiseltricos, que so captados por um sistema de aquisio de dados (Datalogger), possibilitando que o armazenamento e o processamento dos dados sejam informatizados. Apresenta como principal vantagem o registro contnuo de todos os elementos, com sadas dos dados em intervalos que o usurio programar.CidadeGachaPRpossui umaEstaoMeteorolgica Automticaquefornecedados contnuos de temperatura mxima, mnima, umidade, presso, precipitao, direo e velocidade do vento. Para acessar os dados dessa estao basta entrar na pgina do INMET (www.inmet.gov.br) e procurar pela rede de estaes meteorolgicas automticas. Ao escolher a cidade, no caso, Cidade 6GachaPR, iraparecer asinformaesdaestao(Figura1). Nestequadrohaopode visualizar grficos e coletar dados.Figura 1 Informaes da Estao Meteorolgica Automatizada de Cidade Gacha PR.As Estaes Meteorolgicas Convencionais, dependendo de suas finalidades so classificadas em: Estaes Sinticas, Estaes Climatolgicas, Estaes Agrometeorolgicas, Estaes Meteorolgicas Aeronuticas e Estaes Especiais. Estaes Sinticas so aquelas em que se realizam observaes para fins de previso do tempo (com horrios padronizados internacionalmente Tempo Mdio de Greenwich) podemse localizar sobre o continente (superfcieouar superior, estasltimasdenominadasdeEstaesdeSondageminstrumentos: balo-piloto, radiossonda, radiovento e radioventossonda) ou sobre o Oceano (em navios). Quando as informaes so reunidas tem-se a carta sintica.AsEstaes Climatolgicas podemser Principais ou Ordinrias. As instalaes so rigorosamentepadronizadas(espessuradoarame,malha datelae orientaodo cercado, cor da pintura, dimenses, piso, etc).As Estaes Climatolgicas classificam-se em: Estaes Climatolgicas Principais: so as que medem todos os elementos meteorolgicos necessrios aos estudos climatolgicos, so constitudas de uma rea instrumental e de um escritrio e, Estaes Climatolgicas Ordinrias: aquelas que no nos fornecem todas estas informaes esoconstitudasapenasdeumareainstrumental comumabrigotermomtricoeum pluvimetro. Estaes Agrometeorolgicas so mais voltadas para a atividade agrcola, por isso alm das observaes atmosfricas tambm so realizadas observaes fenolgicas.As Estaes Meteorolgicas Aeronuticas destinam-se coleta de informaes necessrias seguranadeaeronaves, namaioriadasvezesestoinstaladasnosgrandesaeroportosefazem inmeras observaes dirias.Os Postos Pluviomtricos sodestinados coleta de chuvas para manejode recursos 7hdricos.Todas as demais estaes com qualidades distintas enquadram-se como Estaes Especiais, tais como: Estaes Ozonomtricas, Micrometeorolgicas, Actiomtricas, de Radar, de recepo de dados de Satlites, Plataformas automticas, etc.3.1.1Estaes Rastreadoras deSatlites, Estaes deradarMeteorolgicoeEstaes de RadiossondagensEstaes rastreadoras de Satlites Meteorolgicos: as informaes captadas pelos satlites, entre outras, so: camadas de nuvens, distribuies verticais de temperatura e umidade, a temperaturasuperfcie(mar eterra) easregiescobertasdegeloeneve. Ossatliteslevam inmeros equipamentos a bordo, entre eles: equipamentos de transmisso automtica de imagens e elementos sensores. H dois tipos de satlites quanto rbita: os de rbita polar e os geoestacionrios. Os equipamentos de rbita polar esto situados entre 800 e 1400 Kmde altura, j os geoestacionrios encontram-se a 36.000 Km, estes ltimos so os mais utilizados para a previso do tempo, pois fornecem imagens a cada 30 minutos, tanto na faixa visvel (durante o dia), quanto no infravermelho (dia e noite), alm de tambm fornecerem informaes referentes a frentes frias, ciclones, furaces, etc. So imagens digitais processadas por computador, que podem gerar outras informaes como: precipitao, radiao solar, temperatura, ventos, entre outras.Os satlites de rbita polar oferecem menor resoluo espacial e so capazes de determinar a posio de plataformas de coleta de dados mveis, como bias deriva e navios.Estaes de Radar Meteorolgico tm duas finalidades: observar as condies de tempo e medir vento em altitude. Radar deriva da expresso Radio Detection and Ranging, ou seja, o uso das ondas de rdio nadeteco de objetos e na medida das distncias dos mesmos. No incio a sua finalidade era exclusivamente blica, sendo posteriormente aperfeioados para fins meteorolgicos.O radar possui um transmissor, um receptor, um indicador e uma antena. O radar de vento consiste em acompanhar o deslocamento de uma radiossonda dotada de um refletor de radar. Neste caso, o alcance de 200 Km.Oradarproporcionaaprevisodotempoemcurtoprazo, talfatobeneficiaamplamente estudos hidrolgicos: enchentes podem ser previstas mediante avaliao quantitativa das chuvas que caem numa regio, com isso empresas de aviao, servios da defesa civil, empresas hidreltricas e centros de estudos e previso de tempo so usurios crescentes deste tipo de tecnologia.EstaesdeRadiossondagens:so estaes destinadas a medir as propriedades fsicasda atmosfera em altitude (velocidade do vento, presso atmosfrica, temperatura e umidade do ar). Taismediessofeitasatravsdeumaradiossonda, queconsistenumaportadoradesensores meteorolgicosedeumradiotransmissor, almdabateriaparaalimentar osistema.Asonda transportada por um balo. Em terra, um receptor de radiossonda e um radioteodolito recebem e registram os sinais emitidos pela sonda. Este tipo de sondagem permite conhecer as propriedades da atmosfera at a altitude aproximada de 30.000 metros. Para sondagens na alta Estratosfera utilizam-se foguetes ou bales estratosfricos que chegam a 160 Km ou mais.4.0 Padro de LeituraA OMM preconiza que as observaes meteorolgicas sejam realizadas em pelo menos trs dosseguinteshorrios:6:00, 12:00, 18:00, 24:00horasdotempoMdiodeGreenwich(TMG), podendo descartar um horrio conforme a convenincia local. Normalmente o horrio descartado est entre 24:00 e 6:00 horas do horrio civil local. O objetivo de que em cada horrio sejam feitas leiturassimultneasemtodaasuperfciedogloboterrestre. ComoMaringseencontraauma longitude de 51 55' 12'' W, ou seja, a 51 55' 12'' a oeste de Greenwich (meridiano referencial) e o planeta Terra completa um giro de 360 a cada 24 horas ( movimento de rotao oeste para leste), 8ou seja 15 por hora, isto evidencia que o fuso horrio de Maring possui um atraso de 3 horas ( 51/15/hora), sendo portanto, 3:00, 9:00, 15:00, 21:00, os horrios de leituras para Maring, por questes de facilidade operacional descarta-se o horrio de 3:00 h.Os dados coletados soanotados emcadernetas prprias, codificados e repassados ao Distrito de Meteorologia, localizado em Curitiba PR, que recebe os dados de todas as estaes do Estado. Osdadossoentoenviadosao8DistritoRegional doINMET, localizadoemPorto Alegre RS que recebe dados de todas as estaes do Paran, Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Del, osdadossonovamenteenviadosBrasliaDF,CentroRegionaleNacional, sededo INMET, seguindo para Washington, Centro Mundial.5.0 Estao Climatolgica de MaringA ECP de Maring est instalada nas coordenadas -23,4 de latitude, -51,92 de longitude e 542 m de altitude.AECP, emdimenses de12x18metros, deveestar localizadaemterrenogramado, incluindo uma faixa de grama fora dos limites da prpria Estao.O terreno deve ser plano, em local elevado, e que permita uma viso ampla do horizonte, principalmente na direo leste-oeste. A superfcie do solo coberta com uma vegetao densa e rasteira, sendo no Brasil, a mais utilizada a grama Batatais.Omaior ladodeverestar alinhadonadireoN-Sverdadeira, sendoadisposiodos instrumentospadronizadosdeformaaevitar osombreamentodeuminstrumentopor outro.A padronizaoanvel mundial importanteparaquesepossacomparar dadoseresultadosde pesquisas obtidos nos diferentes locais do planeta.A estao deve se cercada com tela de arame galvanizado de malha larga e altura e altura de 1,5 m, tendo o porto de acesso voltado para o polo do hemisfrio no qual est instalada a mesma (Sul no caso de Maring). Toda a parte estrutural pintada com tinta branca.9Figura 2 Esquema de uma Estao Climatolgica Principal destacando a disposio dos instrumentos.NocasodeinstalaodeumanovaEstao, almdospontosjmencionados, deve-se atentar para a facilidade de acesso pelo observador, bem como a disponibilidade de gua e energia eltrica.LogonaentradadaECPestlocalizadooabrigoparainstrumentosmeteorolgicos(1), construdo em madeira, com venezianas duplas, teto duplo, pintado de branco para evitar absoro deradiaosolar.Abaseeaslateraiseportasoconstrudascomvenezianaspropiciandoum movimentovertical doar, assegurandoque ovolume de ar encerradodentrodoabrigoseja representativoda atmosfera circundante. Oabrigotemfinalidade de preservar os elementos sensveis dos aparelhos nele instalados, livre de raios solares diretos ou refletidos, de chuva e ventos fortes, permitindo medir os parmetros do ar.10Figura 3 Estao Climatolgica tpica.Figura 4 Abrigo meteorolgico.5.1. Observaes em aparelhos de leitura direta1. Termmetro de mxima: um termmetro de mercrio (elemento sensor) instalado na posio horizontal com pequena inclinao a favor do bulbo, no interior do abrigo (1). Possui um estrangulamento na base do capilar de tal forma que o mercrio consiga venc-la quando se dilata pelo aumento da temperatura, mas no consegue retornar ao bulbo quando a temperatura diminui, assim a coluna de mercrio permanece indicando o ponto mximo alcanado, ou seja, a temperatura mxima. Como a temperatura mxima ocorre, em geral, entre 14:00 e 16:00 horas, a leitura ser feita noite ( 21:00 h). aps a leitura o termmetro deve ser convenientemente sacudido pelo operador para promover o retorno do mercrio ao bulbo, ao nvel da temperatura ambiente.11a) Termmetro de mxima b) Posio do termmetro de mxima (superior) e mnimaFigura 5 Termmetro de mxima, construo e posio.2. Termmetrodemnima:temcomoelementosensor lcool, possuindoumpequeno basto de vidro (lembra um pequeno alfinete) na coluna capilar, dentro do lcool. O termmetro fica instalado no abrigo (1), na posio horizontal. Quando o lcool se contrai com o abaixamento da temperatura, estando o basto de vidro encostado no menisco (interface lcool-ar), este (o basto) arrastado na direo do bulbo do termmetro pelo efeito da tenso superficial. Quando o lcool se dilata pelo aumento da temperatura, o basto permanece agora imvel, marcando a menor temperatura ocorrida no perodo.Aps a leitura, que realizada s 9:00 h, o termmetro dever ser inclinado com o bulbo para cima para que obastopermanea juntoaomenisco. Mesmoprocedimentodever ser realizado na leitura das 15:00 h para assegurar que a leitura da mnima da prxima noite, no seja perdida. A leitura da temperatura mnima deve ser feita, portanto, sempre no basto de vidro no lado oposto ao bulbo do termmetro.a) Termmetro de mnima b) Posio do termmetro de mxima e mnima (inferior)Figura 6 Termmetro de mnima, construo e posio.Alm do termmetro de temperatura mnima do ar, em muitas estaes pode ser encontrado tambm o termmetro da temperatura mnima de relva. Este termmetro, com o mesmo princpio de funcionamento anteriormente citado colocado cerca de 5 cm da superfcie gramada apoiada em umsuporte. Comoa temperaturademnima de relva ocorre pela madrugada ou pelas primeiras 12horas da manh, normalmente, este termmetro recolhido pela manh para no sofrer danos por dilataodevidoaosraiossolares.Aindacolocadoemalgumpontodaestaoprotegidoda incidncia direta dos raios solares da manh. Este ponto pode ser ao lado do tanque classe A .Figura 7 Termmetro de temperatura mnima de relva.3. Psicrmetro: um conjunto de dois termmetros de mercrio, simples (sem estrangulamento) instalados no abrigo (1), na posio vertical, sendo que um dos termmetros tem seubulboenvoltopor umagaseoucardaodealgodoqueseencontraemumrecipiente contendogua, detalformaque, devidoascensocapilardagua, obubomantidosempre mido. Este termmetro denominado termmetro de bulbo mido e o outro termmetro de bulbo seco.Estando o ar no saturado, ocorrer evaporao da gua a partir do bulbo mido. Como a evaporao umprocessoqueconsome energia (580 cal g-1ou2450J g-1),estaenergiaser retirada do sistema onde esta o bulbo, fazendo com que o termmetro apresente temperatura menor que o termmetro de bulbo seco. Esta diferena psicromtrica ser tanto maior quanto menor for a umidaderelativadoar.Assim, aleiturado psicrmetronos dacondies para quantificarmos o vapor d'gua presente na atmosfera.O psicrmetro pode aspirado e no-aspirado sendo o segundo um psicrmetro que fornece uma leitura mais rpida se comparado ao primeiro. A velocidade do ar a ser aspirado no deve ser inferior a 5 m.s-1e eventualmentepode ser necessrio aplicar correes s leituras termomtricas para compensar pequenas imperfeies de fabricao. So ditas correes instrumentais e, quando existem, constamdo certificado de calibragem do psicrmetro, fornecido pelo fabricante (VAREJO-SILVA, 2006).13a) Psicrmetro no-aspirado b) Psicrmetro aspiradoFigura 8 Psicrmetro no-aspirado e aspirado.4. Evapormetro (Atmmetro) de Pich: constitudo de um tubo de vidro, fechado na extremidadesuperior, comcercade30cmdecomprimentoe1,5cmdedimetro, instalado dependurado dentro do abrigo (1) e com a extremidade inferior fechada por um disco de papel de filtro fixado por uma presilha. O tubo graduado em mm, de tal forma que a gua evaporada a partir do papel de filtro poder ser medida pela diferena de leitura de um dia para outro. Mede a evaporao da gua sombra, tambm chamado poder evaporante do ar sombra. As leituras so realizadass9:00heaquantidadedeguaevaporadadeterminadapeladiferenaentreduas leituras consecutivas.14Figura 9 Evapormetro de Pich.5. Tanque Classe A: um tanque de ao inoxidvel de chapa galvanizada, com dimenses aproximadas de 25 cm de altura e 1,20 m de dimetro instalado sobre um estrado de madeira com 15 cm de altura. O tanque recebe gua at cerca de 5 a 7 cm da borda superior. Possui ainda um pootranquilizadoreummicrmetrodegancho paraseefetuarasleiturasde gua.A leitura realizada s 9:00 h e a evaporao calculada em altura de lmina d'gua (mm) por diferena entre duas leituras consecutivas (mm em altura de lmina d'gua = l m-2)(*) . Normalmente instalado ao ladodotanqueclasse Aumanemmetrototalizador decanecas, a0,5macimadosoloeum termmetrodemximaemnima(tipoU), flutuandodentrodotanque. comumtambm, a utilizao de dois tanques (2 e 3 no esquema) para completar gua nas mesmas condies trmicas quando for o caso. (*) Altura de lmina d'gua normalmente expressa em mm. a unidade mais usual para expressar a quantidade de gua precipitada, armazenada e, ou evaporada no sistema solo-planta-atmosfera. 1 mm equivale a altura formada de lmina d'gua ao despejar 1 litro de gua sobre uma superfcie impermevel de 1 m2.15Figura 10 Tanque Classe A.6. Pluvimetro:Consistedeuma superfciedecaptaodaguadachuva comrea conhecida, semelhanteaumfunil,com recipiente para armazenamento e torneira para esgotar e medir a gua armazenada. A rea de coleta deve ficar a mais ou menos 1,5 m acima da superfcie, localizado no ponto (4) do esquema da ECP.Expressando o volume (V) da gua da chuva em litro e a rea da coleta (A) em m2, tem-se que, a altura de lmina d'gua (h) formada sera:V =A x hh(mm)=V (litros)A( m2)A medio pode ser feita com a utilizao de uma proveta graduada de acordo com a rea de coleta ou fazendo-se a devida transformao para que o resultado seja expresso em mm ou l m-2.16AnemmetroTermmetro tipo UPoo Tranquilizador com micrmetroa) Esquema de instalao do pluvimetro b) PluvimetroFigura 11 Esquema de instalao e pluvimetro tpico de uma ECP.7. BateriadeGeotermmetros:comafinalidadedemedir atemperaturadosolonas profundidades de 2, 5, 10, 30, 50 cm e, tambm, costuma existir outro termmetro a 100 cm de profundidade. So termmetros de mercrio instalados em solo nu (posio 6 da ECP), dispostos no sentido oeste-leste da menor pra maior profundidade.a) Esquema da instalao dos geotermmetros b) Bateria de geotermmetrosFigura 12 Esquema de instalao e bateria de geotermmetros.8. BateriadeEvapotranspirmetros:outambmchamadoslismetrosdedrenagem, constituda de trs caixas de cimento amianto enterradas no solo, com pelo menos 0,54 m de rea, cada uma com um tubo de drenagem conduzindo um fosso de observao. A caixa preenchida inicialmente com brita, areia grossa e com o solo representativo do local. Na superfcie deve ser plantada grama, assim como em toda a Estao. No Brasil bastante comum a utilizao da grama batatais (PaspalumnotatumFlugge). A medida da evapotranspirao se d pelo balano entre a gua fornecida por irrigao e drenagem, dado em altura da lamina d'gua (mm). Est localizada na posio 8 da ECP.17Figura 13 Bateria de Evaptranspirmetros.9. Catavento de Wild: este instrumento mede a direo e a fora do vento. A fora do vento dado pelo ngulo de deflexo que a placa retangular mvel forma com a vertical, quando voltada para a direo de vento. A leitura da fora do vento feita sobre uma escala formada por sete pinos colocadossobreumarcodemetal. Osvaloresdeforadoventopodemsertransformadosem velocidade instantnea do vento, a partir da seguinte relao:Pino n 1 2 3 4 5 6 7 8Velocidade (m s -1) 0 2 4 6 8 11 14 20Fora do vento (escala de Beaufort)0 2 3 4 5 6 7 9Figura 14 Catavento de Wild.10.Barmetrodemercrio:mede presso atmosfrica,localizado noescritrio (10)da ECP. Utiliza o principio de Torricelli, com valor expresso em mmHg ou mbar.Os barmetros de mercriosoconstitudos de umtubode vidro, comcerca de 90cmde comprimento, cuja extremidade aberta est situada nointerior de umrecipiente (a cuba, ou cisterna). Quando o instrumento se encontra em perfeitas condies de operao, h vcuo na parte 18superior do tubo e o mercrio ocupa sua poro inferior e grande parte da cuba. O tubo de vidro protegido por um cilindro de metal, acoplado cuba (Figura 15) e dotado de um visor, atravs do qual pode ser vista a extremidade da coluna de mercrio, o menisco. Gravadas no cilindro, junto ao visor, h uma escala graduada em milibares e outra em milmetros (inteiros). As fraes so obtidas com o auxlio de um nnio, ou Vernier, cuja posio pode ser ajustada (atravs de uma cremalheira) de modo a tangenciar o menisco, permitindo efetuar leituras comaproximao de dcimos. Finalmente, um termmetro encontra-se acoplado ao corpo do instrumento.a) Esquema de um barmetro de mercrio b) Barmetro de mercrioFigura 15 Esquema e foto de um barmetro de mercrio.5.2. Observaes em aparelhos registradoresAmaioriadosaparelhosregistradores apresenta um tambor paracolocao do diagrama, equipado com o mecanismo de relojoaria de tal forma que faa um ciclo por semana (mais comum) ou por dia.1. Termohigrgrafo: destinado a registrar continuamente a temperatura e umidade relativa do ar, sendo localizado no abrigo (1). o sensor de temperatura formado por uma placa bimetlica cuja contrao ou dilatao devida a variao da temperatura transferida para uma pena por meio de um sistema de alavancas. O sensor de umidade relativa um feixe de fios de cabelo humano,cuja movimentao em funo de equilbrio com a umidade do ar tambm ser transferida para uma pena por um sistema de alavancas.19a) O termohigrgrafo, um registrador convencional de temperatura e de umidade do ar (acima), usa o termohigrograma como diagrama (abaixo).b) TermohigrgrafoFigura 16 Termohigrgrafo e esquema de leitura202. Pluvigrafo: localizado na posio (5) da ECP. A gua da chuva coletada e transferida para umrecipiente que, ficando mais pesado, movimentara a pena, registrando, almda quantidade, a intensidade da chuva. Quando o recipiente enche, ser esgotado automaticamente por um mecanismo de sifo.Figura 17 Pluvigrafo.3. Heligrafo de Campbel-Stokes: localizado na posio 7, no usa tambor de relojoaria, tendo por finalidade o registro de insolao (brilho solar ou numero de horas de sol sem nuvens durante o dia). Possui uma lente esfrica que concentra os raios solares emumponto diametralmente oposto, queimando uma fita caso no existam nuvens a frente do sol. instalado cerca de 1,80 m da superfcie de tal forma que seu eixo fique paralelo ao eixo terrestre. Para tanto, bastaalinhar oeixodoaparelhocomadireoN-Sverdadeiraecoloc-lainclinandoparao hemisfrio oposto ao do local (Norte para Maring) com abertura angular ao plano do horizonte voltada para o sul igual a latitude do local conforme o esquema a seguir.21Figura 18 Heligrafo.4. Anemgrafo Universal: instalado na posio (9), Possui trs distintos sensores e quatro penasregistradoras (duasparaadireo, umaparaa"distnciapercorrida"ealtimaparaa velocidade instantnea). Tem a finalidade de registrar a direo do vento por meio de uma seta ou veleta (apontando para o local de onde vem o vento) velocidade instantnea ou rajada de vento, pelos princpio do tubo de Venturi localizado no eixo da seta e o vento acumulado, por meio das trs conchas. Os sensores esto a 10 m de altura da superfcie.22a) Anemgrafo Universal b) Tambor de registros.Figura 19 Anemgrafo Universal com tambor para registros das medies.5. Bargrafo aneroide: localizado no interior do escritrio (10). O sensor composto por anis superpostos, que so cpsulas metlicas de parede flexvel. A movimentao se d em funo do equilbrio da presso interna e externa da cpsula, a qual transferida para o diagrama por um sistema de alavancas.a)Esquema de umbargrafo mostrando o tamborrotativo(A), apresilhadodiagrama (B), o diagrama (C), a haste da pena registadora (D), a pilha de cpsulas aneroides (E) e o sistema de alavancas (F).b) Bargrafo aneroide.Figura 20 Esquema e foto de um Bargrafo Aneroide.5.3. Observaes visuaisAlmdas observaes comoauxiliodeaparelhos, algumas dependemunicamente do observador, como:231- Visibilidade2- Nebulosidade 3- Ocorrncias diversas, como granizo, saraiva, geadas, entre outras.4- Tipos de nuvens.Deve-senotarquevriosoutrosaparelhos podem serinstalados em uma ECP, comopor exemplo, aparelhos para medida da radiao solar global (Piranmetros).Figura 21 Piranmetro.24Referncias BibliogrficasGALINA, M. H.;VERONA, J.A.FontesdeobservaesmeteorolgicasnoEstadodeSo Paulo.Estudos Geogrficos, Rio Claro, 2(1):107-118, junho - 2004 (ISSN1678698X) www.rc.unesp.br/igce/grad/geografia/revista.htm.ROBLEDO, A.J. Observaciones meteorologicas.Chinchina Caldas Colmbia: Federacion Nacional de Cafeteros de Colombia Centro Nacional de Investigaciones de caf CENICAFE, 1975, n.4, 39p.SILVA, M. A V. Meteorologia e Climatologia. Recife: Verso Digital 2, 2006. 463p.TUBELIS,A., NASCIMENTO, F. J. L.Metorolologiadescritiva: fundamentoseaplicaes brasileiras. So Paulo: Nobel, 1980, 374p.VIANELLO, R.L.; ALVEZ, A.R.Meteorologia bsica e aplicaes.Viosa: Imprensa Universitria/UFV, 1991. 449p.25CAPTULO 3NOES DE COSMOGRAFIA:RELAES ASTRONMICAS ENTRE A TERRA E O SOLO sol a fonte primria de energia para todos os processos termodinmicos que ocorrem na superfcie da terra, sem os quais a vida, da forma existente, no seria possvel. Portanto, o estudo das relaes astronmicas entre o Sol e a Terra, assume papel fundamental para o entendimento da Meteorologiaecinciascorrelatas, comoa Agrometeorologia, havendoassim, anecessidadede informaes bsicas de cosmografia.1. Forma e Dimenso da TerraA terra no tem uma forma geomtrica definida, mas ajustes obtidos de imagens de satlites, mostram a forma da terra como um elipside de revoluo, com as seguintes dimenses:Semi eixo a: 6356 kmSemi eixo b: 6378 kmFigura 1: Dimenses da terra.Para efeitos prticos, considera-se que a terra apresenta forma geomtrica esfrica.2. Eixo de Rotao da Terra ( NS )Aceitando-se a esfericidade da terra, podemos determinar, geometricamente, o seu centro. Por este centro, faamos passar uma linha imaginria, a qual denominamos eixo terrestre. O eixo terrestre toca a superfcie emdois pontos do planeta diametralmente opostos, os quais so determinados plos recebendo os nomes de plo norte e plo sul.Sabemospor antecipaoqueoeixoterrestretraadodetal formaquesejaoeixo imaginrio para o movimento de rotao da terra.3. Plano do Equador (E)Plano imaginrio perpendicular ao eixo terrestre que contm o centro da terra. A interseo do plano do equador com a superfcie terrestre formar uma linha imaginaria (circulo), denominada linha do equador ou simplesmente equador.O plano do equador divide a terra em dois hemisfrios: hemisfrio norte e hemisfrio sul.264. Planos Paralelos (P)Soplanos perpendiculares aoeixoterrestreequenocontmocentrodaterra. So, portanto, paralelos ao plano do equador, da a sua denominao. A interseo dos planos paralelos com a superfcie da terra formar linhas imaginrias (crculos) denominados paralelos.5. Planos Meridianos (G)Planos imaginrios que contmo eixo terrestre (planos perpendiculares ao plano do equador), osquaisdenominamosplanosmeridianos.Ainterseodosplanosmeridianoscoma superfcie da terra formaro linhas imaginrias (crculos) denominadas meridianos, que vo de um plo ao outro.Figura2- Latitudegeocntrica() elongitude() deumponto(P) dasuperfciedoglobo, indicando-se o plano equatorial (E) e o plano do meridiano de Greenwich (G). Fonte: Varejo-Silva, 2006.6. Coordenadas Geogrficas (ou de Posio)A determinao exata de um ponto na superfcie da terra somente possvel desenhando-se linhaseplanosimaginrioscomoreferncia. Essadenominaodeumpontoimportantepara muitas reas e para diversos fins, entre eles a meteorologia. Para localizar um ponto P no espao so necessrias coordenadas tridimensionais, ou seja, as distncias X, Y e Z, a partir de uma origem.27Figura 3: Coordenadas geogrficas mundiais.No mapa mundi observa-se apenas as coordenadas X e Y, por que a Z que a altitude no se consegue representar neste plano.Longitude (): definida como o ngulo formado entre o plano meridiano que passa pelo local e oplanodo meridiano de Greenwich, sendo expresso em graus, minutos e segundos para Leste ou Oeste de Greenwich, cuja a longitude 0 00' 00''. A magnitude da longitude de 0 a 180. Portanto, todos os locais situados em um mesmo meridiano tero a mesma longitude.Figura 4: Representao geomtrica da latitude e longitude.Latitude():definidacomoaaberturadoarcomeridianolocal entreoequador eo paraleloquepassapelolocal, tendocomoorigemocentrodaterra, sendoexpressaemgraus, minutos e segundos para norte ou sul do equador, cuja a latitude 0 00' 00''. Tem magnitude de 0 a 90. Todos os locais situados sobre o mesmo paralelo tero a mesma latitude. A latitude tambm pode ser designada por sinais: (+) latitude norte (N) ou (-) latitude sul (S).28Nota: definindo-se a latitude e a longitude de determinado local identificamos no o ponto,masalinhaZnite-Nadir(conceitoaservistoadiante) quepassapelolocal,sendo,portanto,incorreto chamar de coordenadas geogrficas a latitude e longitude de determinado local, fato esterelativamente comum na literatura. Altitude: definida como a distancia vertical entre a projeo esfrica do nvel mdio dos mares e o local considerado. Tem como referncia o nvel do mar. expressa em metros e fraes. Altura, porm, uma distancia vertical em relao a uma referncia qualquer considerada.Figura 5: Representao da altitude local.Figura 6: Projeo esfrica do nvel mdio do mar (O nvel do mar pode ser considerado como constante).Coordenadas geogrficas de Maring: Latitude: 23 25S Longitude: 51 57W Altitude: 542m7. DefiniesPlanodoHorizonte:planotangenteasuperfciedaterraemumpontolocal. Qualquer superfcie em nvel uma seo do plano do horizonte local.Linha Znite-Nadir:Designemos porPumponto qualquer localizado na superfcie terrestre.Apartir desteponto, tracemosodimetrodoplaneta, prolongandoessalinhaparao espao. A partir do ponto P, o sentido contrario ao centro da terra denominado Znite e o sentido ao centro da terra denominado Nadir, da o nome para esta linha imaginaria de linha Znite-Nadir.Culminar de um astro: Quando um astro tem o seu centro contido no plano do meridiano dedeterminadolocal, diz-sequeesteastroculminounomeridianolocal naqueleinstante. Por 29exemplo, o sol culmina no meridiano local todos os dias s 12:00 horas do tempo solar local.SeumastrotemseucentrocontidoaoZnitededeterminadolocal, oastroculminou naquele instante e local.Figura 7: Linha znite-nadir (ZZ') e plano do horizonte (H) de um ponto (P) localizado superfcie do globo terrestre. Fonte: Varejo-Silva, 2006.a) Trajetria diurna do Sol no Equadorb) Trajetria diurna do Sol em uma latitude Figura 8: Representao das trajetrias do sol.Plano de Eclptica: o plano que contm a rbita da terra em torno do sol e, o centro da terra e o centro do sol a qualquer instante.O plano do equador terrestre faz com o plano da eclptica um ngulo praticamente invarivel de 2327', ou seja tambm, o eixo de rotao da Terra possui esta mesma abertura angular com a normal (perpendicular) ao plano da eclptica, podendo istoser chamado deobliquidade da eclptica.30Figura 9: Plano da eclptica e obliqidade da eclptica. Fonte: Varejo-Silva, 2006.ngulo zenital (Z): o ngulo formado pela linha que une o centro do sol ao centro da terra com a linha do znite local.8. Movimentos da TerraVisualizando apenas o Sol e a Terra no Sistema Solar, podemos dizer que a Terra apresenta dois movimentos:Rotao: o movimento efetuado em torno de um eixo imaginrio a uma velocidade de mais ou menos 2 rad/24 horas, ou seja, uma rotao completa por um dia. Este movimento gera a alternncia dos dias e noites para a terra.Translao: o movimento efetuado pela terra emtorno do sol, comdurao de aproximadamente 365 dias e 6 horas. Este movimento ocorre segundo uma orbita elptica, na qual o sol ocupa um dos focos da elipse, com raio mdio de 149.500.000 Km mais ou menos 1.500.000 Km.Como a variao da distancia da terra ao sol relativamente pequena, ou seja, da ordem de 1%, esta variaode distncia nopromove alteraosignificativa naquantidade de energia recebida na terra.Pode-se considerar ainda a Precesso que se refere ao movimento de oscilao do eixo da terra. No existe certeza, mas considera-se o perodo de precesso de 26000 anos.31Figura 10: Movimento de translao da terra.A obliqidade da eclptica associada ao movimento de translao da Terra causa a impresso do movimentodosolnadireoNorte-Sul ao longo do ano, criando assim,o que se chama de declinao do sol.Portanto, a declinao do sol () o ngulo formado por um linha imaginaria ligando o centro da terra ao centro do sol (denominada linha da eclptica) com o plano do equador, tendo valores entre 2327' Sul e 2327' Norte. semelhana da latitude, considera-se tambm que a declinao norte tenha sinal positivoe a declinaosul sinal negativo. Oesquema a seguir complementa o exposto.Figura 11: Grfico da declinao do sol para pocas diferentes do ano. Fonte: Varejo-Silva, 2006.Declinao+2327' X0 X X-2327' XMeses Maro Junho Setembro dezembro32A declinao do Sol, nas demais datas do ano, ser varivel entre os valores apresentados na tabela acima, podendo ser calculados para qualquer data pela seguinte equao:6=23,45. sen|360365(dj80)em que, = declinao do sol em graus;dj = dia juliano, o nmero de dias transcorridos desde o dia 1 de janeiro.Ano bissexto (ms de fevereiro com 29 dias): se a diviso (ano/4) for igual a um nmero inteiro.Para algumas aplicaes, como o mtodo de determinao de evapotranspirao de referencia parametrizado pela FAO (Food and Agriculture Organization), este ngulo aparece em radianos ento a formula anterior fica: 6=0,4093sen| (2n)365 (dj1,405)9. Estaes do anoData Declinao de Sol ()DenominaoHemisfrio Norte Hemisfrio Sul22/12/09 -1327' Solstcio de inverno Solstcio de Vero20/03/09 000' Equincio de primavera Equincio de outono21 ou 22/06 +2327' Solstcio de vero Solstcio de inverno22 ou 23/09 000' Equincio de outono Equincio de vero10. Durao Astronmica do Dia Devido a grande distncia Terra-Sol, considera-se que os raios solares sejam paralelos entre si para com a Terra. Estes raios, ao tangenciar a superfcie terrestre, delimitam o crculo mximo que divide a Terra em dois hemisfrios, um iluminado (DIA) e outro no (NOITE).33Figura 12: Durao astronmica do dia.Observandoento, afigura acima, devidoaomovimentoanual doSol, tem-seuma variao da durao dos dias ao longo do ano para ambos os hemisfrios.Por exemplo, considere o sol posicionado no solstcio de inverno para o hemisfrio sul e um local A neste mesmo hemisfrio. Observa-se que, com o movimento de rotao da Terra, o sol estaria nascendo no ponto A, passando pelo meio dia solar pelo ponto A' e se pondo em A''. Assim, o ponto A descreveu um ngulo H tendo sua origem ao meio dia solar. Este ngulo chamado de ngulo horrio.Nota-se que para o ponto Bno hemisfrio norte este ngulo maior, ou seja, o percurso do ponto B, do nascer ao por do sol, maior, caracterizando uma durao de dia maior em relao ao ponto A. Esta situao vai se invertendo a medida que o sol caminha para o solstcio de vero do hemisfrio sul, tendo-se a durao dos dias aumentadas. Pode-se compreender assim, que as variaes do dia e da noite ao longo do ano, so maiores a medida que se afasta do equador, tendo-se como extremos, uma situao invarivel no equador (12 e 12 horas para dia e para noite) e nos plos (0 hora para o dia e 24 horas para noite e vice-versa).A durao do dia pode ser estimada mediante as seguintes equaes: 1 - ngulo do nascer ou por do sol (H):Por definio o ngulo formado pelo percurso de um ponto na superfcie da Terra desde o nascer do sol neste ponto at o meio dia solar.H=arccos (tantan 6)( graus)em que: = latitude do local em graus; = declinao solar em graus.2 - Durao do dia, Horas possveis de insolao ou Fotoperodo (N):Serdefinidocomoonmerodehorasquetranscorremdonascer aopor dosol, ouo nmero mximo de horas possveis de insolao.34Conforme observa-se na Figura 12, a distncia angular percorrida por um ponto qualquer durante o dia equivale a 2H e sabendo-se que o movimento longitudinal da Terra (rotao) de 15/h (360/24h), a durao do dia ento estimada por:N=2H15 ( h)Ou ainda, com os valores angulares em radianos:ngulo horrio do nascer ou pr do sol (s)s=arccos (tan tan 6)(rad )Durao do dia (N)N=(24n )s( h)35Referncias BibliogrficasTUBELIS, A.;NASCIMENTO, F.J.L.DO.Meteorologia descritiva.Fundamento e aplicaes brasileiras. So Paulo: Nobel, 1986. 374p.VIANELLO, R.L.; ALVES, A.R.Meteorologia bsica e aplicaes.Viosa: Imprensa universitria/UFV, 1991. 449p.SILVA, M. A V. Meteorologia e Climatologia. Recife: Verso Digital 2, 2006. 463p.36CAPTULO 4RADIAO SOLAR1. IntroduoOsol emiteparaoespaoumagrandequantidadedeenergiaradiante, provenientedas reaes que ocorrem na prpria superfcie do astro.Estaafonteprimriadeenergiaparaos processos termodinmicos queocorremna superfcie da terra.Osolpodeserconsideradouma esferacom raio de 697.000Km,sendoquea energia emitida em todas as direes. A energia emitida, que interceptada pela terra corresponde a uma fraoinsignificante. Poroutrolado, pode-sedizerque99,97%detodaaenergiaquechega superfcie da terra proveniente, direta ou indiretamente do sol, tendo o restante, origem em outras estrelas, interior daterra, combusto(carros, indstrias, incndios, queimadas, etc.) elmpadas acesas. Grandepartedaenergiasolar usadanoaquecimentodoar edosolo, noprocesso fotossinttico dos vegetais, na evaporao da gua e na circulao geral da atmosfera, mantendo o ciclo hidrolgico.2. UnidadesA unidade bsica de energia a caloria-grama (cal), que definida como a quantidade de calor necessria para elevar a temperatura de 1 g de gua de 14,5 para 15,5C.Para radiao solar, a energia considerada por unidade de rea e por unidade de tempo, podendo ser utilizada para tal a unidade cal cm-2, que denominada de langley (ly). Energia por unidade de rea e tempo expressa em cal cm-2 min-1 ou cal cm-2 dia-1, ou ly min-1 ou ly dia-1, caso se considere maiores perodos de tempo. No Sistema Internacional de Unidades, estas unidades so W m-2, ou J m-2 d-1, ou J m-2 h-1, por perodo considerado.1 J s-1 = 1 W;1 cal = 4,1855 J;1 MJ m-2 = 23,8920 cal cm-2;1 ly = 1 cal cm-2;1 ly min-1 = 697,5833 W m-2;1 ly = 41860 J m-2.Submltiplos: 1m = 10-3 mm1m = 1000 nm1m = 10-6 m1m = 104 (Angstrom)1 = 1010 m.Mltiplos: 1 kJ = 1000 J1 MJ = 1.000.000 J3. Processos de Transferncia de Energia3.1. Conceitos sobre energiaPelaFsicasabe-seque, umcorpotemenergiaquandocapazderealizar determinado trabalho. Este trabalho medido pelo produto da fora aplicada a um corpo pela distncia que o faz deslocar-se. Todos os corpos que esto ao nosso redor possuem energia interna, a qual transferida 37dos que apresentam maior temperatura para os de menor. Como trabalho e energia so conceitos equivalentes, infere-se que qualquer movimento somente possvel quando se dispe de energia devidamente transformada para cumprir essa funo. A energia apresenta-se sob diversas formas, tais como: eltrica, hidrulica, elica, mecnica, cintica, atmica, potencial gravitacional, potencial qumica, potencialelstica, trmicaouradiante. conhecidooprincpiodequeaenergiapode transformar-se de uma forma para outra,mas no se cria nem se destri. Assim, por exemplo, a energiahidrulicanumausinahidroeltricaseconverteprimeiroempotencialgravitacional, em seguida em mecnica e em seguida em eltrica; para que posteriormente, de acordo com o uso que faamos, passar a ser energia mecnica ou energia trmica. Em qualquer das etapas deste processo o total da energia utilizada mais o desperdcio sempre igual ao total de energia gerada.Dentreos tipos deenergiacitados anteriormente, apenas aenergiatrmicaeaenergia radiante so de interesse para o estudo do conforto trmico nas construes.3.1.1. Energia trmicaTodos os corpos tm uma certa quantidade de energia trmica ou de energia interna, que se manifestapor ummovimentodemolculas, tomos e partculas. Ela estrelacionadacoma temperatura do corpo, embora convenha estabelecer que a quantidade de energia e a temperatura so fenmenos relacionados, mas significamcoisas diferentes. Se tomarmos umlivro, por exemplo, verificamos que possui certa quantidade de energia interna e apresenta uma determinada temperatura. Quando a energia interna aumenta ou diminui, o mesmo ocorre com a temperatura. Mas se em lugar de um livro tomssemos dez, a quantidade de energia seria muito maior apesar de que a temperatura continuaria sendo a mesma. Portanto, s no caso em que o volume e massa do corpo forem sempre os mesmos, a quantidade de energia e a temperatura sero dependentes entre si.Definimos como calor, a energia em trnsito. O calor um fenmeno de fronteira, ou seja, ocorrenoslimitesdeumdeterminadosistema, comoporexemploasparedesexternasdeuma construo. Podemos adotar como sistema tambm, apenas um cmodo que seja de nosso interesse.Dizemos que todos os corpos que nos rodeiamtmenergia interna e dependendoas condies ao seu redor, ele poder trocar ou no calor com o meio.O calor tem a particularidade de transmitir-se sempre do corpo mais quente para o mais frio. Estefenmenonoocorrecomoutrostiposdeenergiacomoahidrulicaeaelica.Aenergia hidrulica canalizada pelas margens do rio no se transmite terra e a elica tambm no o faz em um espao fechado. O calor, no entanto, no conhece barreiras e s possvel opor-lhe resistncias de eficcia varivel, mas nunca impedir totalmente sua transmisso. Devemos ento imaginar que ao redor de ns ocorrem processos contnuos de transferncia de calor, como produto das diferenas detemperaturaprovocadaspor fontescomoaradiaosolar, oprpriocorpohumano, ocalor gerado por animais ou qualquer aparelho gerador de calor (lmpada, motor eltrico ou de combusto, etc.). 3.1.2. Energia radiante3.1.2.1. GeneralidadesO espao que nos rodeia est permanentemente carregado de energia radiante, j que todos os corpos que possuem energia interna tm a propriedade de transform-la parcialmente em ondas 38eletromagnticas.Todososelementosdoambiente: paredes, piso, tetoeequipamentoslocadosno espao interior, rvores, terra e os edifcios no espao exterior, emitem radiaes cuja quantidade e propriedades devem ser estudadas, pois constitui uma das formas de troca de calor entre o homem e o meio ambiente. Estano anicafonte de energia radiante: a luminescncia,a fosforescncia, as emisses de rdio e televiso e as radiaes originadas pela passagem de uma corrente eltrica atravs de certos gases, so outros tantos exemplos desta forma de energia.Figura 1: Formas de transferncia de calor.3.1.2.2. PropriedadesAenergia radianteest constituda por ondas eletromagnticas que se propagam velocidade de 300.000 km/s. Como vimos, h muitos tipos, cada um dos quais se identifica pelo comprimentodesuaonda()queadistnciaentredoismximossucessivos(Figura2). Esta energia de tipo corpuscular; est composta por pequenos ftons que se movimentam velocidade daluz, cujamassainversamenteproporcional aocomprimentodeonda.Aenergiacintica desenvolvida, assim como o prprio , diferentes para cada forma de energia radiante, explicam as propriedades especficas que as distinguem.Figura 2: Distncia entre dois mximos sucessivos.Asondaseletromagnticassepropagam em todas as direes e em linha reta a partirda superfcie emissora. Radiaes incidentes emumcorpo podemser absorvidas, refletidas ou transmitidas.A energia radiante possibilita a transmisso do calor de um corpo a outro mediante duplo processodetransformao. Umobjetoqualquer, por ter energiainterna, estemitindoenergia radiante; istosupe a perda deumaparte de seu calor, razo pela qual sua temperatura baixar. Quandoessaradiaoabsorvidapor outrocorpo, transforma-seemcalor; aumentaentoa 39quantidade se sua energia interna provocando a elevao de sua temperatura. Como veremos mais adiante, num meio se processam complexos intercmbios de ondas eletromagnticas; cada corpo , por sua vez, emissor e receptor, de energia dependendo sua temperatura, de todos esses fenmenos.Dizemosqueaenergiaradianteabsorvida se transformaem calor. Istovalepara qualquer comprimento de onda e no somente para a chamada radiao calorfica ou infravermelha como s vezes se acredita equivocadamente. Aradiao emitida pela parede, por uma lmpada incandescente,pelo sol ou por um pedao de gelo, transfere-se por exemplo a pele humana,por meio da transferncia de calor por radiao.A emisso de energia radiante s tem lugar no vcuo ou quando o meio em contato com o corpo transparente a ela. Por exemplo: todas as partes de um lpis em contato com o ar emitem energia radiante j que o ar praticamente transparente a qualquer tipo de radiao; mas quando o tomamos na mo, as partes em contato com a pele j no emitem mais energia porque a pele e os tecidos so opacos aos comprimentos de onda irradiados. Se em lugar de um lpis se tratasse de um tubo emissor de raios roentgen, ou X, o caso seria diferente, pois as partes de tecidos carnosos do corpo permitem a passagem desse tipo de energia.Os problemas relativos aenergia radiante so geralmente bem simplificados e podem ser solucionados pormeiodeumbalano de calor. Assim, o projetista deve considerar apenasduas fontes principais de emisso: uma o Sol, corpo de alta temperatura, que para ns ser um emissor de ondas curtas; e a outra composta por todos os corpos que nos rodeiam, denominadas de fontes de baixa temperatura, geralmente menor de 100C e emitem ondas longas.Consideramos que o ar transparente a todos os tipos de energia radiante; por sua vez, os corpos que geralmente designamos como opacos o so para as radiaes emitidas pelas duas fontes consideradas. Tomemos como exemplo (Figura 3) uma laje de concreto exposta radiao solar. As ondas eletromagnticas atravessaram o espao exterior e a camada atmosfrica para incidir sobre a superfcie S. Como o corpo opaco, a energia radiante ser em parte absorvida (A) e a restante refletida (R); as quantidades respectivas dependero das propriedades da superfcie S, como estudaremos mais adiante. A radiao absorvida se transforma em calor, aumentando a temperatura da parte superior da laje. Esta superfcie pode emitir ondas eletromagnticas para o ar, mas no para o concreto pois este um material opaco. O calor, ento, s poder transmitir-se para a superfcie B por contato molecular, isto , por conduo. Somente aps atravessar desta forma toda a espessura da laje uma parte daquela energia solar absorvida ser emitida para baixo, como energia radiante, pela superfcie B.40Figura 3: Radiao solar incidente em envolvente opaca.3.1.2.3. Ondas eletromagnticasAs ondas eletromagnticas, tem as seguintes grandezas caractersticas:Comprimento (): a distncia entre duas cristas consecutivas;Frequncia (f) o numero de cristas que passam por um ponto de referncia na unidade de tempo.Velocidade (v): a distncia percorrida por determinada crista por unidade de tempo.Estas trs grandezas se relacionam da seguinte maneira:V =\. fA velocidade de propagao da luz no vcuo tida como constante, da ordem de 300.000 Km s-1, sendo atenuada quando a luz se propaga em meios materiais, o que pode ser desconsiderado no caso da atmosfera terrestre. A equao mostra que a medida que se aumenta o comprimento de ondas, diminui a frequncia e vice-versa.Existe tambm a seguinte relao:E=hc/\em que: E = energia de um fton naquele comprimento de ondas (J); = comprimento de ondas, em m;h = constante de Planck, 6,63 x 10-34 J s-1;c = velocidade da luz, 3 x 108 m/s.Ou ainda: E=h fE = energia de um fton da radiao (J);F = frequncia da radiao (Hz).413.2. Transferncia de calorO calor uma forma de energia e, como tal, uma quantidade mensurvel. A unidade de calornosistemaInglsaunidadeBritnica (BTU) que a quantia de calor necessriaa para elevar a temperatura de uma partcula de gua a 60 F em 1 F. No sistema mtrico a unidade de calor a caloria (cal). definida como a quantidade de calor para elevar a temperatura de 1g de gua a 15 C em 1 C. Esta unidade de calor expressa tambm, com freqncia, como a caloria-grama. Para propsito de converso 1 BTU pode ser considerado como sendo igual a 252 cal.Existem basicamente duas formas nas quais o calor pode aparecer, a saber,calor sensvele calor latente.A) Calor sensvelCalor sensvelaformadecalor queestassociadacommudananatemperaturada substnciaenvolvida.Aquantidadedecalor sensvel (Q) queumcorpodemassamrecebe diretamente proporcional ao seu aumento de temperatura. Logo, possvel calcular a quantidade de calor sensvel usando a seguinte frmula:onde:Q= quantidade de calor sensvel (cal)m= massa do corpo (g)T = variao da temperatura (C)B) Calor latente Calor latente umtermousado para expressar a energia trmica envolvida emuma mudana de estado sem mudar a temperatura; por exemplo, o processo de mudar do estado slido para lquido tal como gelo e gua, ou de lquido para gs tal como gua e vapor.Os conceitos acima so melhores ilustrados pelo seguinte exemplo. Quando a gua aquecida, o calor aplicado absorvido pela gua como calor sensvel e a temperatura da gua se elevar at que se alcance o ponto de ebulio. Aps isso qualquer outra aplicao de calor no resultar em aumento de temperatura da gua, por que esse calor ser absorvido na forma latente, que necessrio para mudana da gua da forma lquida para vapor, mas enquanto a gua estiver presente no afetar a temperatura do vapor. Se o vapor for condensado em uma superfcie fria o calor latente nele ser liberado para a superfcie na forma sensvel mudando a temperatura desta. Similarmente, quando a gua evaporada de uma superfcie, necessria uma certa quantidade de energia para converter a gua da forma lquida para vapor d`gua. Esta energia latente retirada da superfcie que deste modo resfriada. Este princpio aplicado na prtica para resfriar gua em um saco de lona permevel.O calor latente provoca algum tipo de alterao na estrutura fsica do corpo. a quantidade de calor que a substncia troca por grama de massa durante a mudana de estado fsico e pode ser 42. . Q mc T representado pela letraL . medido em caloria por grama 1( . ) cal g. Para calcular o calor latente necessrio utilizar a seguinte expresso:Osprocessosdeaquecimentoeresfriamentoimplicambasicamentenumatransfernciade energia trmica por diferena de potencial de uma regio para outra. Essa transferncia de calor das partes mais quentes para as mais frias de um corpo ou em virtude de uma diferena de temperatura existente entre dois oumais objetos ousubstncias pode ocorrer de trs modos, isto, por conduo, por conveco e por radiao.C) Capacidade TrmicaAcapacidadetrmica umacaracterstica do corpo. A capacidade trmica corresponde quantidade de calor (recebida ou cedida) que leva a uma variao de 1C na temperatura do corpo. representadapelaletraCemedidaemcaloriasporgrauCelsius(1. cal C)oucaloriapor Kelvin (1. cal K). dada pela relao da quantidade de calor recebida por um corpo e a variao de temperatura sofrida pelo mesmo:Onde C a capacidade trmica, Q a quantidade de calor recebida ou cedida pelo corpo e t a variao de temperatura sofrida pelo corpo.D) Calor EspecficoAocontrriodacapacidadetrmica, ocalor especficonocaractersticadocorpo, massim caractersticadasubstncia. Correspondequantidadedecalor recebidaoucedidapor 1gda substnciaquelevaaumavariaode1Cnatemperaturadocorpoemquesto. dadopela relao da capacidade trmica do corpo pela sua massa. representado pela letra c (minscula) e medido em 1 1. . cal g C :Onde c o calor especfico, C a capacidade trmica e m a massa.3.2.1. ConduoConduo trmica o transporte de energia trmica da parte mais quente para a mais fria do mesmo corpo ou de um corpo mais quente para um mais frio em contato fsico um com o outro, semdeslocamentodaspartculasdocorpooudoscorpos. Oprocessooumecanismorealdeste modo de transferncia de calor ocorre em nvel molecular. Toda substncia consiste de um nmero muito grande de molcula ou de partculas minsculas que esto em movimento contnuo e como tal possuem energia cintica. Este movimento em funo da temperatura da substncia excitada 43. Q mL QCTCcmmais intensa com aumento na temperatura. Conseqentemente as molculas do lado mais quente oscilammais intensamenteemdireosmolculas doladomaisfrio, e, colidindocomelas, foram-nas tambma aproximar commaior intensidade. Desse modo, a energia de calor transferidadoladomais quenteparaomais friodocorpoe, obviamente, quantomaisaltaa diferena de temperatura, mais alta a taxa de conduo de calor. Toda substncia quer slidas, lquidas ou gases, conduzem calor. Algumas mais rapidamente queoutrasdependendodopoder deconduotrmicaoucondutividadetrmicadasubstncia. Assim, porexemplo, sabe-sequemetaisconduzemcalor numataxamuitomaisrpidaqueos materiais isolantes, ou ainda o ar que um mal condutor.A relao fundamental para o fluxo unidirecional de calor por conduo atravs de um slido homogneosobcondiesderegimepermanentepodeser melhor explicadaconsiderandouma grande placa plana ou achatada de espessura minscula cuja as duas superfcies so mantidas em temperaturas diferentes1Te 2Trespectivamente. Presumindo que 1Tseja maior que 2T, ento o fluxo de calor por unidade de tempo ("xq) e a taxa de transferncia de calor (xq), na direo de temperatura decrescente atravs de uma rea de superfcie , que ser dada por:Em que:xq= a taxa de calor transferido (W );"xq= o fluxo de calor (2Wm);K = condutividade trmica (2 1Wm K );dTdx= gradiente de temperatura na direo x.Figura 4: Direo do fluxo de transferncia de calor por conduo.44" .xdTq Kdx . .xdTq K Adx 3.2.2. Conveco A convecoomododetransfernciadecalor quecompreendedois mecanismos, a transferncia de energia pelo movimento molecular aleatrio (difuso) e pelo movimento de massa, ou macroscpico, do fluido.O termo convecoest associado ao transporte acumulado e advecoao movimento de massa do fluido. Deve ser usadopara descrever oprocesso pelo qual ocalor transferido misturando-se a frao de um fludo, isto , gs ou lquido, com outro. Portanto, sempre envolve o fluxo de material.O processo ilustrado pelo seguinte exemplo; se um objeto quente entrar em contato com a gua, o calor do objeto ir aquecer a gua em contato imediato com ele por conduo trmica. Seaspartculasdeguapudessemsermantidasestacionrias,as partculasem contato direto com o objeto ficariam mais quentes e retardariam a taxa de transferncia de calor do objeto. Todavia, amaioriados fludos temacaractersticas desetornaremproporcionalmentemenos densos medidaquesoaquecidos, comresultados queaguamais quentepertodoobjeto comear a elevar-se, a gua fria substitui a gua em elevao e a taxa de transferncia de calor do objeto para a gua mais rpida do que teria sido se a gua permanecesse estacionada.No exemplo acima, o movimento da gua representa o que so geralmente referidos como correntestrmicas,quesodeterminadas totalmente por foras de temperaturas. O tipo de troca trmica associado com as correntes trmicas ou diferenas de intensidades com ao da gravidade conhecida como conveco natural. Ataxa de transferncia de calor pode naturalmente ser acelerada ainda mais por agitao mecnica do fludo. Nesse caso, correntes de conveco foradas so estabelecidas. Na prtica, a conveco forada geralmente desempenha um papel muito mais importante que a conveco natural.A interao entre fluido e superfcie gera uma camada onde a velocidade (u) varia de 0 at umvalor infinito(u) quedenominadadecamadahidrodinmica, camadadevelocidadeou camada limite.Sehouverdiferenadetemperaturaentreassuperfcieeofluidoter-se-tambm, uma camada limite trmica, que poder semaior, menor ouigual a camada develocidade como mostrado na Figura 5.Figura 5: Distribuio da velocidade e temperatura em um escoamento convectivo.A transferncia de calor por conveco ocorre na superfcie de paredes, assoalhos e telhados, 45onde existam tubulaes, tais como, espirais de resfriamento e aquecimento, ou em todo lugar onde umfludopassepor umasuperfcieslidacomumatemperaturadiferente. Omecanismode transferncia de calor de uma superfcie aquecida para um fludo em uma temperatura diferente que passou muito complexo, visto que processos de conduo e conveco esto geralmente envolvidos. Todavia, no caso da conveco, a taxa de fluxo de calor entre a rea A da superfcie e do fludo em contato com ela pode ser expressa em funo da diferena de temperatura(Ts-T) entre a superfcie e a maiorparte do fludo. Segue abaixo a expresso matemtica para quantificao da conveco conhecida como lei de Newton do resfriamento.Em que:"convq= o fluxo de calor convectivo (W m-2);ch= coeficiente de transferncia convectiva de calor (W m-2 K-1);dT = diferena de temperatura entre a superfcie e o fluido (K).O coeficiente superficial de transferncia de calor, hc, tambm conhecido como condutncia da pelcula ou coeficiente de pelcula no uma constante, e pode mudar as unidades de calor por unidadesderea, tempoediferenadetemperatura.O seuvalornumrico depende,emgrande parte, danaturezadofluxoedavelocidadedofludo, daspropriedadesfsicasdofludoedo formato e dimenses da superfcie e temperaturas.Alguns valores tpicos do coeficiente de transferncia convectiva de calor so mostrados na Tabela 1.Tabela 1. Valores tpicos de coeficiente de transferncia convectiva.Processo hc (W m-2 K-1)Conveco livreGases 2-25Lquido 50-1000Conveco foradaGases 25-250Lquido 50-20000Conveco com mudana de faseEbulio ou condensao 2500-100000Fonte: Incropera e DeWitt (1992).46" .conv cq h dT " .( )conv c sq h T T 3.2.3. RadiaoTransferncia de calor porradiao a troca de energia trmica na forma de ondas eletromagnticas entre dois ou mais corpos em diferentes temperaturas separados por espaos ou por um meio que transparente ou no absorvente de ondas de calor.Uma caracterstica desse modo de transferncia de calor que o espao ou meio atravs do qual osraiosdecalor atravessam, noaquecidopor eleemnenhumgrausignificativo. Um exemplo clssico disto a radiao recebida do sol pela Terra.A emisso de energia radiante pode ocorrer de slidos, gases e lquidos, porm, nosso maior interesse est na radiao emitida por superfcies slidas. Aemisso pode ser atribuda s modificaes das configuraes eletrnicas dos tomos ou das molculas que a constituem. Outro fator relevante no estudo da radiao advm do fato de que as transferncias de calor por conduo e conveco necessitamde ummeio natural para ocorreremenquanto que o mesmo no necessrio para a ocorrncia de trocas de calor por radiao.A intensidade da radiao emitida pelo corpo depende da natureza e temperatura do corpo. O fluxomximoquepodeseremitidoporumasuperfciedenominadaderadiadoridealoucorpo negro dado pela lei de Stefan-Boltzmann:Em que:"radq= o fluxo mximo de calor radiativo (W m-2);= constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 W m-2 K-4)O fluxo emitido por uma superfcie real pode ser calculado:Em que:= emissividade (01).A emissividade , adimensional, depende da natureza e da temperatura do corpo. uma medida da proporo da energia total radiada por uma superfcie em relao a radiada por um corpo negro perfeito na mesma temperatura que a superfcie. Um corpo negro por definio absorve toda radiaoincidenteeemiteamximaradiaopossvel.Aemissividadevariade0pararefletor perfeito a 1 para o corpo ideal ou negro.474" .rad sq T 4" . .rad sq T 4. Conceitos em RadiaoPara o estudo da radiao importante o significado de alguns termos, sendo os principais:Poder emissivo: a quantidade de energia emitida por uma superfcie por unidade de rea e tempo. Todo corpo que possua energia, isto , cuja temperatura maior que 0 Kelvin, emite uma determinada quantidade de energia num determinado comprimento de ondas.Corpo negro: No estudo da radiao conveniente considerar como modelo um corpo absorvente perfeito, ou seja, que apresente a=1 para qualquer comprimento de onda. A este modelo, apenas conceitual (no existe na natureza), chama-se corpo negro.Embora seja uma abstrao fsica, o corpo negro tem uma importncia fundamental, pois, em algumas faixas da regio infravermelha do espectro, muitos corpos reais atuam como se fossem umcorponegro. Ento, ocomportamentoradiativo dessescorpospodesersimuladoatravsdo comportamento radiativo do corpo negro, que conhecido.Figura 6.Concepo do comportamento do corpo negro: o orifcio de uma cavidade de paredes adiabticaserugosas, mantidasobvcuo, emestadodeequilbrioradiativo(Fonte: Varejo Silva, 2006).Pode-se fazer uma idia do comportamento de um corpo negro imaginando-se uma cavidade de paredes adiabticas (no se deixam atravessar pelo calor) e superfcie interna bastante rugosa, colocadaemumambienteondesefezvcuo(Figura6). Essacavidadedispedeumpequeno orifcio, atravs do qual um certo fluxo de radiao de comprimento de onda apropriado penetra na cavidade. Emseuinterior, aradiaoincidentesofreumnmerodereflexes tograndeque terminasendototalmente absorvida pelas paredes. Mantendo-secontnuoofluxoradiativo, a absororesultanteprovocariaogradual aquecimentodasparedesdacavidadeque, por serem adiabticas, nopermitiriamnenhumatrocadecalor comoambiente. Tenderiaaocorrer uma situaoem queasprpriasparedes da cavidade, devido ao aquecimento crescente, passariama emitir radiao demesmocomprimento que a incidente. Algum tempo depois seria atingido um regime permanente, quando o orifcio iria deixar-se atravessar por um fluxo de radiao emergente (provocadopelairradinciadas paredes internas), exatamenteigual aoincidenteedemesmo comprimento de onda. Em relao ao ambiente, o orifcio atuaria como se fosse um corpo negro (agindocomoabsorventeperfeitoe, simultaneamente,como umperfeitoemissor), em relao energia eletromagntica do comprimento de onda selecionado.48Numa situao mais geral, em que a intensidade da irradincia fosse exatamente igual da emitnciaparatodososcomprimentosdeondaeemqualquerdireo, ocamporadiativoseria perfeitamenteisotrpico.Aessasituao chama-seequilbrio radiativo, que implica o equilbrio termodinmico.As leis da radiao, que sero abordadas a frente, consideram sempre o corpo negro.Emissividade (): um parmetro que compara o poder emissivo de um corpo qualquer com o poder do corpo negro a mesma temperatura.E=EcEcnem que:E = emissividade do corpo C;Ec = poder emissivo do corpo C temperatura T;Ecn = poder emissivo do corpo negro temperatura T.Refletividade, absorvidade e transmissividadeQuando um feixe de radiao (I) incide sobre um corpo, pode originar trs parcelas, sendo a primeira refletida (Ir), a outra absorvida (Ia) e a ultima, transmitida (It).Pode-seentodefinir osseguintescoeficientes, relacionando-seasparcelascomofeixe incidente I:Absorvidade(A): umcoeficientequerelacionaafraodaradiaoincidentequefoi absorvida pelo corpo em estudo com o feixe incidente I.Refletividade(R): umcoeficientequerelacionaafaodaradiaoincidentequefoi refletida pelo corpo em estudo com o feixe incidente I.Transmissividade (T): um coeficiente que relaciona a frao da radiao incidente que foi transmitida (passou atravs) pelo corpo em estudo com o feixe incidente I.Pelas definies tem-se:A=IaI R=IrI T=ItIMas toda a radiao (I) foi absorvida e ou transmitida e ou refletida, ento:I =Ia+Ir+ItSubstituindo Ia, Ir e It por suas respectivas explicitaes, respectivamente, tem-se:I A.I +R.I +T.II =I ( A+R+T )A+R+T =1/1=1Conclui-se que para cada corpo, o somatrio da absorvidade, refletividade e transmissividade ser igual a unidade. Analisando-se o corpo negro, por exemplo, observa-se que a absorvidade igual a 1, por definio, ento a refletividade e a transmissividade obrigatoriamente sero iguais a zero.495. Leis da RadiaoLeis dePlanck:MaxPlanckem1990 equacionouo poder emissivo de umcorponegro distribudosemdiferentescomprimentosdeondas, paradiferentestemperaturas. Criouateoria quntica, e ganhou o Nobel de fsica em 1918. A lei de Planck dada pela equao abaixo:em que,E(,T) = poder emissivo do corpo negro temperatura T para comprimento de ondas de a +d; = comprimento de ondas;C1 = 3,7427 x 108 W m4 m-2,C2 = 1,4388 x 104 m K.Representao grfica da lei de Planck:Figura 7: Representao da Lei de Planck.Lei de Stefan-Boltzmann: o poder emissivo de u corpo negro diretamente proporcional a quarta potncia de sua temperatura absoluta. A lei de Stefan-Boltzmann representada pela rea abaixo da curva da equao de Planck. Para chegar a lei de Stefan-Boltzmann, deve-se integrar a equao de Planck:( , )0.TE E dResolvendo a integral acima, tem-se:4E T em que,E = poder emissivo do corpo negro (ly min-1) ou (W m-2); = constante de Stefan-Boltzmann (8,14 x 10-11 ly min-1 K-4) ou (5,67 x 10-8 W m-2K-4) 50E(\ ,T )=C1.\5e|C2\. T 1ou (4,903 x 10-9 MJ m-2 d-1 k-4);T = temperatura absoluta (K)Para um corpo qualquer de emissividade conhecida, a equao anterior passa a:E= .c. T4Nota: A emissividade de um corpo traduz o grau de enegrecimento do corpo.Lei de kirchhoff:Para umdado comprimento de onda e uma dada temperatura, a absorvidade de um corpo negro igual sua emissividade:A(\)=E(\) (Equilbrio radiativo)Lei dos deslocamentos de Wien: Wilhelm Wiem ganhou o Nobel de fsica de 1911. Sua lei estabelece que o comprimento de onda corresponde ao mximo poder emissivo de um corpo negro inversamente proporcional a sua temperatura absoluta. O comprimento de ondas correspondente ao mximo poder emissivo representado pelo ponto mximo poder emissivo representado pelo ponto mximo poder emissivo representado pelo ponto de mxima da curva da equao de Planck. Para se determinar o ponto de mxima, deve-se tomar a primeira derivada e igualar a zero:( , )0TdEdObtm-se assim a chamada lei dos deslocamentos de Wien:maxCT em que,max = comprimento de ondas correspondente ao mximo poder emissivo (m); C = constante de Wien (2987 m.K);T = temperatura absoluta (K).Figura 8: Representao da Lei de Wien.51Lei de Lambert ou do cosseno:a quantidade de energia incidente (Iz) em uma superfcie inclinadaigual amesmaquantidadedeenergiaincidente(In) emumasuperfcienormal radiao, multiplicada pelo cosseno do ngulo de inclinao (z).Iz=I n.cosZEsta lei explica as variaes nas quantidades de energia interceptadas nas diferentes latitudes da superfcie terrestre.6. Constante Solaraquantidade de energia interceptada por unidade de rea e unidade de tempo em uma superfcie plana, colocada perpendicularmente aos rais solares, a distncia mdia da terra ao sol (D).Dados:D distncia mdia da terra ao sol = 1,5.1011mR raio equivalente do sol = 6,97 . 108 mT temperatura de emisso do sol = 5760 KPara determinar o poder emissivo total do sol basta calcular:E=4.n. R2.c. Ts4Por unidade de rea:Esol=(. c. T4.(4. n. R2))(4. n. D2)Pode-setambmmedir aconstantesolar, mas paraissonecessriosair daatmosfera terrestre.A primeiramedidadiretadaConstante Solar foi feita acima da camada de oznio,em 1967 por um foguete X-15 em Nevada, foi 1,951 cal cm-2 min-1. A padronizao da Constante Solar adotadapelaNASA, apsaavaliaodediferentesresultadosobtidosemtoposdemontanhas, baloes, foguetes, aeronaves e satlites, de 1,94+0,03 cal cm-2 min-1ou 1353 W m-2.7. Espetro da Radiao solarO sol emite radiao em comprimentos de ondas acima de 0,15 m. Porm, mais de 99% da quantidade de energia emitida no intervalo de 0,15 a 4,0 m, chamado de domnio ou regio da radiao solar. O valor 4,0 m utilizado ainda para dividir a radiao em duas faixas: radiao de 52ondas curtas e radiao de ondas longas.O olho humano sensibilizado pela radiao na faixa dos comprimentos de ondas de 0,36 a 0,76 m, faixa essa denominada regio visvel. Abaixo de 0,36 m denominada radiao ultravioleta e, acima de 0,76 m, de radiao infravermelha.Quando a radiao atravessa umprisma, a faixa visvel separada emsuas cores equivalentes.So conhecidas radiaes com comprimento de onda que variam desde 10-10cm (raios gama) atcercade107cm(ondas longas derdio).Aoconjuntodetodas elas denomina-seespectro eletromagntico.Apenas as radiaes de comprimentos de onda compreendidos entre 0,36 e 0,74 m podem ser detectadas pelo olho humano, constituindo a faixa visvel do espectro eletromagntico ou luz visvel (Fig. 2.1). Dentro dessa faixa, a vista humana consegue diferenciar as seguintes cores:Violeta 0,36 a 0,42 m;ndigo-azul 0,42 a 0,49 m;Verde 0,49 a 0,54 m;amarelo 0,54 a 0,59 m;laranja 0,59 a 0,65 m;vermelho 0,65 a 0,74 m.Esses intervalos so arbitrrios e aproximados, pois no h limites ntidos entre as cores. A transio entre cores vizinhas se d de maneira gradual, como se pode verificar em um arco-ris.Figura 9: Espectro eletromagntico (Fonte: Varejo Silva, 2006).As radiaes com comprimento de onda superior a 0,74 m, por apresentarem freqncia menor que a da luz vermelha, so ditas infravermelhas. Por outro lado, quelas cujo comprimento deondainferiora0,36m (freqnciasuperiordaluzvioleta)chamam-seultravioletas. O espectro eletromagntico fica, assim, subdividido em trs regies, ou faixas: ultravioleta, visvel e infravermelha (Figura 9).A maior parte da energia radiante do sol est concentrada nas partes visvel e prximo do visvel do espectro. A luz visvel corresponde a ~43% do total emitido, 49% esto no infravermelho prximo e 7% no ultravioleta. Menos de 1% da radiao solar emitida como raios X, raios gama e ondas de rdio.Apesar da diviso do espectro em intervalos, todas as formas de radiao so basicamente iguais. Quando qualquer forma de energia radiante absorvida por um objeto, o resultado um crescimento do movimento molecular e um correspondente crescimento da temperatura.538. Absoro Seletiva de Radiao Solar na Atmosferaapropriedadequecertosgasesdaatmosferaapresentamaoabsorveremdeterminadas faixas de comprimentos de ondas da radiao que os atravessam. So absorventes seletivos:Oxignio, na faixa de 0,12 a 0,18 m.Oznio, na faixa de 0,20 a 0,33 m e 0,44 a 0,76 m.CO2, na faixa de 1,50 a 2,8 m, principalmente 2,7 m.Vapor d'gua: apesar de sua baixa proporona atmosfera, considerado oprincipal absorvente seletivo de radiao, absorvendo de 0,8 a 2,4 m, 5,5 a 7,0 m e comprimentos de ondas maiores que 15,0 m.9. O Espalhamento da Radiao Solar na AtmosferaA radiao solar interage com a atmosfera. Parte toma a direo da terra e parte retorna para o espao sideral determinando relevantes perdas. A interao ocorre na forma de reflexo, refrao e absoro.Aradiaosedifundepelaatmosfera.Esse fenmeno chamadodeespalhamento da radiao.Em funo das dimenses das partculas responsveis pela difuso, a mesma separada em dois processos diferentes:Difuso seletiva: ocorre quando o dimetro mdio (d) das partculas difusoras so da ordem de0,1docomprimentodeonda(). Nessas circunstncias apartculaoscilarcomamesma freqnciadaradiaoincidenteecomportando-secomoumosciladorelementar, espalhara radiao incidente nas direes do espao. Este tipo de difuso denominado de seletiva por que de acordo com a lei de Rayleigh, a intensidade de difuso (I) inversamente proporcional a quarta potncia do comprimento de onda ():I\=1\4A difuso ocasionada por tais partculas (d < 0,1) independentemente da sua natureza, responsvel pela cor azul do cu (difundindo mais intensamente os comprimentos de ondas da faixa azul do espectro visvel). Os gases constituintes do ar atmosfrico so os principais responsveis por este processo.Difuso no seletiva (reflexo difusa):quando as partculas difusoras forem maiores ou da ordem do comprimento de onda da radiao incidente, este fenmeno no se verifica, ocorrendo um simples processo de reflexo no seletiva (reflexo difusa). Neste caso a radiao incidente apenas se reflete mudando de direo e conservando suas caractersticas. Elementos de nuvens, poeiras e aerosois ocasionam a difuso no seletiva.10. Balano de RadiaoO balano de radiao ou saldo de radiao sobre a superfcie a contabilizao lquida de toda a energia radiante presente no sistema solo-atmosfera, resultando na radiao lquida, a qual ser a energia disponvel para os processos que ocorrem junto a superfcie. Ser simbolizado por Rn, do ingls net radiation. Esta ser portanto, a energia utilizada no aquecimento e resfriamento do solo, aquecimento e resfriamento do ar, evaporao da gua, e utilizada nos processos fisiolgicos dos seres vivos, como a fotossntese e a transpirao nos vegetais.A radiao que chega no limite superior da atmosfera chamada de radiao total (Ra). a quantidade de energia radiante integrada desde o nascer ao pr do sol. A radiao ao atravessar a 54atmosfera sofre os processos de absoro, reflexo e difuso. A radiao que efetivamente atinge a superfcie da terra passa a ser chamada simplesmente de radiao solar incidente (Rs). A radiao solar composta pela radiao difusa e radiao direta.A radiao direta aquela que atinge a superfcie da terra sem ser interceptada por nuvens ou espalhada pela atmosfera ( a radiao que caracteriza a sombra dos objetos). A radiao difusa a espalhada pela atmosfera sofrendo vrios desvios no seu percurso ( a radiao que permite claridade mesmo na sombra durante o dia).Da radiao que atinge a terra, parte refletida devido ao abedo (r)ou poder refletor da superfcie, sendo devolvida para o espao, resultando no saldo ou balao radiao de ondas curtas (Rns), que ser a energia absorvida pela superfcie.Comaabsorodeenergiapelassuperfcies, estaspassamaemitir energianafaixade comprimento de ondas longas. Ao interagir com a atmosfera, principalmente nuvens e vapor d'gua, parte devolvida de volta para as superfcies, resultando no balano de ondas longas, ou emisso efetiva terrestre (Rb).Desta forma, matematicamente o balano de radiao junto a superfcie ser:Rn=Rns+RbRn=RsrRs+(Rb)Rn=(1r) RsRb10.1 Balano de Radiao de Ondas Curtas (Rns)Como visto,Rns=Rs (1r)em que,Rns = balano ou saldo de radiao de ondas curtas;Rs = radiao solar incidente;r = albedo de superfcie (0,25 para cada grama).Para a estimativa da radiao solar incidente superfcie terrestre (Rs), deve-se primeiramente estimar a radiao que chega no limite superior (topo ou ausencia) da atmosfera, ou seja a radiao total (Ra).Assim Ra obtida pela equao seguinte:Ra=37,586dr (os sen+coscos 6 senos)(MJ m-2d-1)em que,Ra = radiao total;dr = distncia relativa terra-sol sendo obtida por:dr=1+0,033cos(2n365dj)dj = dia juliano: nmero de dias transcorridos desde o dia 1 de janeiro;s, , j foram vistos no capitulo de relaes astronmicas terra-sol.55A radiao solar Rs, ento, estimada pela equao:Rs=Ra(a+bnN )Sendo a e b coeficientes de regresso, a equao anterior torna-se:Rs=Ra(0,29cos+0,52nN )Ou ainda:Rs=Ra(0,25+0,50nN )Obs.: Os parmetros a e b so propostos pela FAO para a estimativa da evapotranspirao de referencia (ETo).Nestas equaes n a insolao diria (obtida em registros do heligrafo) e N a durao astronmica do dia.10.2 Balano de Radiao de Ondas longas (Rb)Rb=(0,9nN+0,1)(0,340,14 . ea)c(Tkx4+Tkn)12em que,Rb = balano de ondas longas ou emisso efetiva terrestre (MJ m-2d-1)ea = presso parcial do vapor d'gua (kPa); = 4,903x10-9 MJ m-2 d-1 K-4 (Constante de Stefan-Boltzmann);Tkx = temperatura mxima absoluta do ar (K);Tkn = temperatura mnima absoluta do ar (K);Nota:Normalmente, para o perodo de um dia as unidades de energia radiante so expressas em (MJ.m-2.d-1).5611. Referncias bibliogrficasASSUNO, H.F. da. Relaes entre a radiao fotossinteticamente ativa e radiao global em peracicaba SP. Piracicaba: ESALQ, 1994. 57p. (Dissertao mestrado em Agrometeorologia).CHANG, J.H. Climate and Agriculture, an ecological survey. Chicago: Aldine P. Company. 304p.INCROPERA, Frank P.; DEWITT, David P. Fundamentos de transferncia de calor e de massa. 5. ed. Rio de Janeiro: Livros Tcnicos e Cientficos, 1998. 698 p.MOTA, F.S. da. Meteorologia agrcola. So Paulo: Nobel, 1986. 376p.OMETTO, J.C. Bioclimatologia Vegetal. So Paulo, Editora Agronmica Cares Ltda, 1981. 436p.OMETTO, J.P.H.B. Medidas e estimativas do balano de ondas longas, para a regio de Piracicaba (SP). Piracicaba: ESALQ, 1995. 87p (Dissertao Mestrado em Agrometeorologia).ROSENBERG, N.S. Microclimate. The biological enviroment. New York: John Willey, 1993. 495p.SILVA, M. A V. Meteorologia e Climatologia. Recife: Verso Digital 2, 2006. 463p.SILVA, N.V.B. da. Balano de radiao solar de ondas curtas em milho (Zea mays, L.) Cultivar Cargill 111. Piracicaba: ESALQ, 1984. 83p. (Dissertao Mestrado em Agrometeorologia).TUBELIS, A.; NASCIMENTO, F.J.L. do. Meteorologia descritiva. Fundamentos e aplicaes brasileiras. So Paulo: Nobel, 1986. 374p.VIANELLO, R.L.; ALVES, A.R. Meteorologia bsica e aplicaes. Viosa: Imprensa Universitria/UFV, 1991. 449p.YANAGI JUNIOR. Modelagem Matemtica Aplicada Ambincia Animal. (Notas de aula)(mestrado em Engenharia de sistemas).57CAPTULO 5TEMPERATURA DO SOLO1. IntroduoEm muitos casos, a temperatura do solo tem um maior significado ecolgico para as plantas do que a temperatura do ar. Por exemplo, o Carvalho, resiste a uma temperatura do ar de -25C, mas suas razes no suportam temperaturas inferiores que -13C a -16C.A temperatura do solo tambm afetada por fatores locais, tais como insolao e topografia, porm, pode apresentar grandes diferenas do valor da temperatura do ar. Muitas localidades,nas reas polares e em altas montanhas, ficariam certamente sem vegetao se a temperatura do solo no apresentasse valores mais altos que a temperatura do ar.A temperatura do solo, particularmente as extremas, influem na germinao, atividade das razes, velocidade e durao do crescimento das plantas, ocorrncia e severidade de doenas.Os equipamentos utilizados para indicao da temperatura do solo em diversas profundidades so as baterias de geotermmetros como visto na Figura 10.Figura 1: Bateria de geotermmetros.2. Modelo para descrio das variaes de temperatura do soloImaginando-se umpequenocubo de solo abaixo da superfcie, a variao de temperatura nestevolume desolo dependerdofluxo de calor, que ocorre no sentido de X, de Y ede Z, entrando ou saindo da parcela de solo:58Figura 2: Sentido do fluxo de calor em um cubo de solo.Assim, matematicamente, o fluxo de calor no solo pode ser representado por:Tt =D( 2T X2+2TY2+2T Z2)(1)Para a descrio de um modelo matemtico que permite avaliar o comportamento trmico do solo, deve-se fazer as seguintes consideraes: o solo deve ser plano, homogneo, sem vegetao, teor de gua no solo constante ao longo do perfil e que a transferncia de calor no solo seja toda feita por conduo.Assim sendo, pode-se considerar que no exista fluxo de calor no solo nossentidosde Xe de Y, tendo emvista a no existncia de gradiente trmico nesses sentidos, existindo apenas o fluxo no sentido vertical. Portanto, a equao diferencial que descreve fluxo de calor no solo ser:Tt =D( 2TZ2) (2)Em que:T = temperatura do solo (C);t = tempo (s);Z = profundidade do solo (cm);D = difusividade trmica do solo (cm-2..s-1).A difusividade trmica um ndice da facilidade com a qual uma substncia sofrer uma mudana de temperatura, sendo dada por:D=KTj. Cp(3)Em que:KT = condutividade trmica do solo (J.m-1.s-1.C-1).Condutividade trmica de uma substncia a quantidade de energia que pode ser transmitida atravsdeumaunidadedereadessasubstncia quando existe um gradiente de temperatura de 1C.cm-1.A condutividade trmica determinada principalmente pela porosidade, umidade e contedo 59da matria orgnica do solo.= densidade do solo (kg.m-3);Cp = capacidade calorfica gravimtrica unitria ou calor especfico gravimtrico (J.kg-1.C-1).Representa a quantidade de calor necessrio para elevar a temperatura de uma massa unitria de dada substncia em 1C.A equao 2 apenas qualitativa, no permitindo qualquer quantificao da temperatura do solo. Para quantificao, h a necessidade de se obter, com recursos matemticos, uma soluo da equao diferencial parcial de fluxo de calor no solo. Uma das solues baseada nas sries de Fourier, que resulta em:T ( Z , t )=T+T0eZ . o/2D. sen( ot Z . o/ 2D)(4)Em que:T(Z,t) = temperatura profundidade Z do solo e um dado tempo t transcorrido aps o nascer do sol (C);T = temperatura mdia em torno da qual a temperatura do solo oscila senoidalmente (C);T0 = amplitude de oscilao de temperatura na superfcie do solo (C);Z = profundidade do solo (m); = velocidade angular da terra (rad.s-1); = 2 rad/24h = 7,2722.10-5 rad.s-1D = difusividade trmica do solo (m2.s-1).3. Consideraes sobre a soluo da equao diferencial parcial de calor no solo (equao ):a) Temperatura superfcie do solo (Z=0)T (0, t )=T+T0e0. sen( ot 0)(5)T (0, t )=T+T0. sen( ot )(6)Representao esquemtica:Figura 3: Representao senoidal da soluo da equao diferencial parcial pelas sries de Fourier.O tempo (h) corresponde s horas aps o nascer do sol.60b) Temperatura a uma profundidade infinita (Z=)T (, t )=T +T0e. sen( ot ) (7)T (, t )=T(8)Oquepermiteconcluirqueagrandesprofundidadesatemperaturadosolotendeanovariar, tornando-se constante e igual a Tmed.c) Amplitude de oscilao de temperaturaA amplitude de oscilao da equao definida :A( Z)=T0.eZ . o/ 2D (9)Supondo-se um solo com difusividade trmica igual a 5.10-7m2.s-1 e com amplitude de oscilao de temperatura ao nvel do solo de 10C, tem-se:A(0) = 10CA(10 cm) = 4,3CA(20 cm) = 1,8CA(50 cm) = 0,1CA(100 cm) = 1,97.10-3 (impossvel de se medir no solo)Aamplitude de oscilao de temperatura decresce rapidamente como aumento na profundidade do solo, indicando tambm que a profundidade infinita relacionada no item b) no to infinita assim.Esse fato indica tambm que a medio de temperatura do solo para estudos em base d