Meteorologia e Climatologia Agrícola - Apostilas - Engenharia Agrícola Part1, Notas de estudo de Agroflorestal

Baixe Meteorologia e Climatologia Agrícola - Apostilas - Engenharia Agrícola Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Agroflorestal, somente na Docsity! Universidade Estadual de Maringá ENGENHARIA AGRÍCOLA Campus do Arenito – Cidade Gaúcha Meteorologia e Climatologia Agrícola Notas de aula Prof. Eng. Agríc. Luciano Vieira Monitor Francisco José Piculli Cidade Gaúcha – PR 2009 Considerações sobre o material O presente material é fruto de uma experiência de ensino bem sucedida por parte dos professores Pedro Castro Neto, Antônio Augusto Aguilar Dantas e Luiz Gonsaga de Carvalho, professores do setor de Agrometeorologia do Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras. Sob autorização dos autores, reproduzo o material, acrescentando algumas considerações pertinentes ao ensino da meteorologia agrícola aplicada as condições do Paraná. Portanto, este material torna-se um esforço no intuito de capacitar os estudantes de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Maringá a trabalhar de forma clara e objetiva com conceitos importantes da agrometeorologia. Dessa forma, adquirido tais conceitos, acredito que nossos atuais alunos, futuros engenheiros, poderão aplicar seus conhecimentos nas diversas áreas da engenharia agrícola tais como Armazenamento e processamento de produtos agrícolas, construções e ambiência, irrigação e drenagem, sensoriamento remoto, eletrificação rural entre outras. Finalmente, desejo boa leitura a todos os nossos estudantes e que a partir desse ponto possam aumentar seus conhecimentos ajudando o país a resolver problemas estruturais que ainda afligem o rural brasileiro. Eng. Agríc. Luciano Vieira Nem mesmo o brilho do sol, a radiação que sustenta o dia, pode dispersar o terror que resid e na mente d as pesso as. Ap en as a compreensão das várias manifestações naturais e de seus mecanismos internos tem o poder de derrotar esse medo. Lucrécio, (96-55 a.C.) 2 CAPÍTULO 2 OBSERVAÇÕES METEOROLÓGICAS DE SUPERFÍCIE 1. Introdução Desde os tempos mais remotos, o homem tem se preocupado em observar os diferentes elementos do clima, como a precipitação, temperatura e umidade, entre outros. O estabelecimento de modelos que regem as variações nas condições de tempo e de clima dependem da extensa e frequente exploração da atmosfera, sendo parte das observações junto à superfície. Uma estação meteorológica é a unidade básica de uma rede de serviços. São montadas de acordo com os mesmos padrões: em lugar sem sombras, de preferencia gramado para evitar os reflexos da radiação solar, com amplos horizontes, principalmente a leste e a oeste da estação. Para a atividade agrícola, o conhecimento do comportamento do clima de uma região e fundamental, contribuindo para uma maior e melhor produção. É também ferramenta indispensável na pesquisa, tanto para definir como interpretar os resultados dos experimentos, bem como para aplicar os resultados. A confiabilidade dos dados meteorológicos depende do interesse e da preparação do observador, da continuidade da coleta dos dados e o cuidado na manutenção dos equipamentos. 2.0 A ORGANIZAÇÃO METEOROLÓGICA MUNDIAL (OMM) E O INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA DE BRASÍLIA (INMET). Para o alcance de diagnósticos e prognósticos da atmosfera faz-se necessário um sistema global de observações meteorológicas, o qual deverá promover a exploração da atmosfera tanto a nível superficial como nos níveis superiores da mesma, além de realizar medições em intervalos de tempo suficientemente curtos para permitir o monitoramento da origem e do desenvolvimento dos fenômenos meteorológicos. A ONU (Organização das Nações Unidas) mantém um Órgão especializado denominado OMM (Organização Meteorológica Mundial) criado em 1950, antiga Organização Meteorológica Internacional, que coordena as atividades meteorológicas de caráter operacional. A OMM desenvolve o programa Vigilância Meteorológica Mundial (VMM), com o objetivo de manter o intercâmbio de informações meteorológicas entre os países e o estímulo ao desenvolvimento da previsão do tempo. O programa é composto por três sistemas: a) Sistema Mundial de Observações (cerca de 10.000 estações terrestres, a maioria nos Continentes e no hemisfério norte, 7.000 navios mercantes, 3.000 aviões comerciais, plataformas automáticas, satélites e radares), voltado para a qualidade e quantidade das observações. b) Sistema Mundial de Preparação de Dados, constituídos dos Centros Meteorológicos Nacionais (CMN), Regionais (CMR) e Mundiais (CMM- Washington, Moscou e Melbourne), voltados para o tratamento dos dados e elaboração de previsões; c) Sistema Mundial de Telecomunicações, com centros nacionais de telecomunicações (CNT). O Ministério da Agricultura, através do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) é o representante do Brasil na Organização Meteorológica Mundial, responsabilizando-se pelo estabelecimento, coordenação e operação das redes de observações meteorológicas e de transmissão de dados meteorológicos, inclusive aquelas integradas à rede internacional. O Brasil participa do programa VMM (Vigilância Meteorológica Mundial) operando cerca 5 de 20 estações de radiossondagem e cerca de 180 estações de superfície, número insuficiente em vista da extensão territorial do país. As atividades são coordenadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), sediado em Brasília, que também é sede de um Centro Regional de Preparação de Dados e um Centro Regional para a América do Sul do Sistema Mundial de Telecomunicações. Portanto Brasília atua como Centro Nacional de Telecomunicações, recolhendo todas as informações coletadas no Brasil e repassando-as para o Centro Meteorológico Mundial de Washington, através de um ramal do circuito tronco do Sistema Global de Telecomunicação. Para Brasília convergem os dados transmitidos por cinco centros coletores: Belém, Recife, Rio de Janeiro, Porto Alegre e Cuiabá. Para atender tais responsabilidades o INMET possui uma estrutura composta de um Órgão Central e dez Órgãos Regionais: Manaus, Belém, Recife, Salvador, Belo Horizonte, Rio de Janeiro, São Paulo, Porto Alegre, Cuiabá e Goiânia. O Órgão Central, localizado em Brasília, é constituído de uma Direção Geral à qual estão subordinados: a Coordenadoria de Planejamento, o Núcleo de Intercâmbio Tecnológico, o Núcleo de Comunicação Social, a Biblioteca, Divisões Técnicas e Administrativas. A rede do INMET é a maior rede de estações meteorológicas no Brasil, mas não é a única existente, outros órgãos operacionais possuem redes de observações, como a Força Aérea Brasileira, Marinha do Brasil, Secretaria de Estado, Instituições de Ensino e Pesquisa, Empresas Públicas, Para-Estatais e Privadas, tais redes atuam isoladamente, ou no sistema de cooperação. O INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) mantém o Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climatológicos e trabalha de forma associada ao INMET. 3.0 As Estações Meteorológicas 3.1 Tipos de Estações Meteorológicas As observações de superfície são procedimentos sistemáticos e padronizados pela OMM (Organização Meteorológica Mundial) no que diz respeito ao tipo de equipamento, às técnicas de calibração, à aferição, aos ajustes, ao manuseio, a procedimentos observacionais, aos horários de observação, ao tratamento dos dados, às correções, às estimativas, à transmissão e ao uso operacional. Tais medidas visam à obtenção de informações qualitativas e quantitativas referentes aos parâmetros meteorológicos capazes de serem comparadas e de caracterizarem plenamente o estado instantâneo da atmosfera. Há dois tipos de Estações Meteorológicas de Superfície: as Estações Meteorológicas Convencionais e as Estações Meteorológicas Automáticas. As Estações Meteorológicas Convencionais exigem a presença diária do observador meteorológico para coleta de dados, elas se dividem em classes de acordo com o número de elementos observados. As de primeira classe são aquelas que medem todos os elementos do clima, já as de segunda classe são as que não realizam as medidas de pressão atmosférica, radiação solar e vento, as de terceira classe medem a temperatura máxima, a mínima e a chuva, também conhecidas como termo-pluviométricas. Um outro tipo de estação meteorológica é a Estação Meteorológica Automática com a coleta de dados totalmente automatizada. Nesse tipo de estação os sensores operam com princípios que permitem a emissão de sinais elétricos, que são captados por um sistema de aquisição de dados (Datalogger), possibilitando que o armazenamento e o processamento dos dados sejam informatizados. Apresenta como principal vantagem o registro contínuo de todos os elementos, com saídas dos dados em intervalos que o usuário programar. Cidade Gaúcha – PR possui uma Estação Meteorológica Automática que fornece dados contínuos de temperatura máxima, mínima, umidade, pressão, precipitação, direção e velocidade do vento. Para acessar os dados dessa estação basta entrar na página do INMET (www.inmet.gov.br) e procurar pela rede de estações meteorológicas automáticas. Ao escolher a cidade, no caso, Cidade 6 Gaúcha – PR, irá aparecer as informações da estação (Figura 1). Neste quadro há a opção de visualizar gráficos e coletar dados. Figura 1 – Informações da Estação Meteorológica Automatizada de Cidade Gaúcha – PR. As Estações Meteorológicas Convencionais, dependendo de suas finalidades são classificadas em: Estações Sinóticas, Estações Climatológicas, Estações Agrometeorológicas, Estações Meteorológicas Aeronáuticas e Estações Especiais. Estações Sinóticas são aquelas em que se realizam observações para fins de previsão do tempo (com horários padronizados internacionalmente – Tempo Médio de Greenwich) podem se localizar sobre o continente (superfície ou ar superior, estas últimas denominadas de Estações de Sondagem –instrumentos: balão-piloto, radiossonda, radiovento e radioventossonda) ou sobre o Oceano (em navios). Quando as informações são reunidas tem-se a carta sinótica. As Estações Climatológicas podem ser Principais ou Ordinárias. As instalações são rigorosamente padronizadas (espessura do arame, malha da tela e orientação do cercado, cor da pintura, dimensões, piso, etc). As Estações Climatológicas classificam-se em: • Estações Climatológicas Principais: são as que medem todos os elementos meteorológicos necessários aos estudos climatológicos, são constituídas de uma área instrumental e de um escritório e, • Estações Climatológicas Ordinárias: aquelas que não nos fornecem todas estas informações e são constituídas apenas de uma área instrumental com um abrigo termométrico e um pluviômetro. • Estações Agrometeorológicas são mais voltadas para a atividade agrícola, por isso além das observações atmosféricas também são realizadas observações fenológicas. As Estações Meteorológicas Aeronáuticas destinam-se à coleta de informações necessárias à segurança de aeronaves, na maioria das vezes estão instaladas nos grandes aeroportos e fazem inúmeras observações diárias. Os Postos Pluviométricos são destinados à coleta de chuvas para manejo de recursos 7 Figura 2 – Esquema de uma Estação Climatológica Principal destacando a disposição dos instrumentos. No caso de instalação de uma nova Estação, além dos pontos já mencionados, deve-se atentar para a facilidade de acesso pelo observador, bem como a disponibilidade de água e energia elétrica. Logo na entrada da ECP está localizado o abrigo para instrumentos meteorológicos (1), construído em madeira, com venezianas duplas, teto duplo, pintado de branco para evitar absorção de radiação solar. A base e as laterais e porta são construídas com venezianas propiciando um movimento vertical do ar, assegurando que o volume de ar encerrado dentro do abrigo seja representativo da atmosfera circundante. O abrigo tem finalidade de preservar os elementos sensíveis dos aparelhos nele instalados, livre de raios solares diretos ou refletidos, de chuva e ventos fortes, permitindo medir os parâmetros do ar. 10 Figura 3 – Estação Climatológica típica. Figura 4 – Abrigo meteorológico. 5.1. Observações em aparelhos de leitura direta 1. Termômetro de máxima: é um termômetro de mercúrio (elemento sensor) instalado na posição horizontal com pequena inclinação a favor do bulbo, no interior do abrigo (1). Possui um estrangulamento na base do capilar de tal forma que o mercúrio consiga vencê-la quando se dilata pelo aumento da temperatura, mas não consegue retornar ao bulbo quando a temperatura diminui, assim a coluna de mercúrio permanece indicando o ponto máximo alcançado, ou seja, a temperatura máxima. Como a temperatura máxima ocorre, em geral, entre 14:00 e 16:00 horas, a leitura será feita à noite ( 21:00 h). após a leitura o termômetro deve ser convenientemente “sacudido” pelo operador para promover o retorno do mercúrio ao bulbo, ao nível da temperatura ambiente. 11 a) Termômetro de máxima b) Posição do termômetro de máxima (superior) e mínima Figura 5 – Termômetro de máxima, construção e posição. 2. Termômetro de mínima: tem como elemento sensor álcool, possuindo um pequeno bastão de vidro (lembra um pequeno alfinete) na coluna capilar, dentro do álcool. O termômetro fica instalado no abrigo (1), na posição horizontal. Quando o álcool se contrai com o abaixamento da temperatura, estando o bastão de vidro encostado no menisco (interface álcool-ar), este (o bastão) é arrastado na direção do bulbo do termômetro pelo efeito da tensão superficial. Quando o álcool se dilata pelo aumento da temperatura, o bastão permanece agora imóvel, marcando a menor temperatura ocorrida no período. Após a leitura, que é realizada às 9:00 h, o termômetro deverá ser inclinado com o bulbo para cima para que o bastão permaneça junto ao menisco. Mesmo procedimento deverá ser realizado na leitura das 15:00 h para assegurar que a leitura da mínima da próxima noite, não seja perdida. A leitura da temperatura mínima deve ser feita, portanto, sempre no bastão de vidro no lado oposto ao bulbo do termômetro. a) Termômetro de mínima b) Posição do termômetro de máxima e mínima (inferior) Figura 6 – Termômetro de mínima, construção e posição. Além do termômetro de temperatura mínima do ar, em muitas estações pode ser encontrado também o termômetro da temperatura mínima de relva. Este termômetro, com o mesmo princípio de funcionamento anteriormente citado é colocado cerca de 5 cm da superfície gramada apoiada em um suporte. Como a temperatura de mínima de relva ocorre pela madrugada ou pelas primeiras 12 Figura 9 – Evaporímetro de Pichê. 5. Tanque Classe A: é um tanque de aço inoxidável de chapa galvanizada, com dimensões aproximadas de 25 cm de altura e 1,20 m de diâmetro instalado sobre um estrado de madeira com 15 cm de altura. O tanque recebe água até cerca de 5 a 7 cm da borda superior. Possui ainda um poço tranquilizador e um micrômetro de gancho para se efetuar as leituras de água. A leitura é realizada às 9:00 h e a evaporação calculada em altura de lâmina d'água (mm) por diferença entre duas leituras consecutivas (mm em altura de lâmina d'água = l m-2)(*) . Normalmente é instalado ao lado do tanque classe A um anemômetro totalizador de canecas, a 0 ,5 m acima do solo e um termômetro de máxima e mínima (tipo U), flutuando dentro do tanque. É comum também, a utilização de dois tanques (2 e 3 no esquema) para completar água nas mesmas condições térmicas quando for o caso. (*) Altura de lâmina d'água é normalmente expressa em mm. É a unidade mais usual para expressar a quantidade de água precipitada, armazenada e, ou evaporada no sistema solo-planta-atmosfera. 1 mm equivale a altura formada de lâmina d'água ao despejar 1 litro de água sobre uma superfície impermeável de 1 m2. 15 Figura 10 – Tanque Classe A. 6. Pluviômetro: Consiste de uma superfície de captação da água da chuva com área conhecida, semelhante a um funil, com recipiente para armazenamento e torneira para esgotar e medir a água armazenada. A área de coleta deve ficar a mais ou menos 1,5 m acima da superfície, localizado no ponto (4) do esquema da ECP. Expressando o volume (V) da água da chuva em litro e a área da coleta (A) em m2, tem-se que, a altura de lâmina d'água (h) formada sera: V =A x h h mm= V litros Am2 A medição pode ser feita com a utilização de uma proveta graduada de acordo com a área de coleta ou fazendo-se a devida transformação para que o resultado seja expresso em mm ou l m-2. 16 Anemômetro Termômetro tipo U Poço Tranquilizador com micrômetro a) Esquema de instalação do pluviômetro b) Pluviômetro Figura 11 – Esquema de instalação e pluviômetro típico de uma ECP. 7. Bateria de Geotermômetros: com a finalidade de medir a temperatura do solo nas profundidades de 2, 5, 10, 30, 50 cm e, também, costuma existir outro termômetro a 100 cm de profundidade. São termômetros de mercúrio instalados em solo nu (posição 6 da ECP), dispostos no sentido oeste-leste da menor pra maior profundidade. a) Esquema da instalação dos geotermômetros b) Bateria de geotermômetros Figura 12 – Esquema de instalação e bateria de geotermômetros. 8. Bateria de Evapotranspirômetros: ou também chamados lisímetros de drenagem, é constituída de três caixas de cimento amianto enterradas no solo, com pelo menos 0,54 m² de área, cada uma com um tubo de drenagem conduzindo à um fosso de observação. A caixa é preenchida inicialmente com brita, areia grossa e com o solo representativo do local. Na superfície deve ser plantada grama, assim como em toda a Estação. No Brasil é bastante comum a utilização da “grama batatais” (Paspalum notatum Flugge). A medida da evapotranspiração se dá pelo balanço entre a água fornecida por irrigação e drenagem, dado em altura da lamina d'água (mm). Está localizada na posição 8 da ECP. 17 a) O termohigrógrafo, um registrador convencional de temperatura e de umidade do ar (acima), usa o termohigrograma como diagrama (abaixo). b) Termohigrógrafo Figura 16 – Termohigrógrafo e esquema de leitura 20 2. Pluviógrafo: é localizado na posição (5) da ECP. A água da chuva é coletada e transferida para um recipiente que, ficando mais “pesado”, movimentara a pena, registrando, além da quantidade, a intensidade da chuva. Quando o recipiente enche, será esgotado automaticamente por um mecanismo de sifão. Figura 17 – Pluviógrafo. 3. Heliógrafo de Campbel-Stokes: localizado na posição 7, não usa tambor de relojoaria, tendo por finalidade o registro de insolação (brilho solar ou numero de horas de sol sem nuvens durante o dia). Possui uma lente esférica que concentra os raios solares em um ponto diametralmente oposto, queimando uma fita caso não existam nuvens a frente do sol. É instalado cerca de 1,80 m da superfície de tal forma que seu eixo fique paralelo ao eixo terrestre. Para tanto, basta alinhar o eixo do aparelho com a direção N-S verdadeira e colocá-la inclinando para o hemisfério oposto ao do local (Norte para Maringá) com abertura angular ao plano do horizonte voltada para o sul igual a latitude do local conforme o esquema a seguir. 21 Figura 18 – Heliógrafo. 4. Anemógrafo Universal: instalado na posição (9), Possui três distintos sensores e quatro penas registradoras (duas para a direção, uma para a "distância percorrida" e a última para a velocidade instantânea). Tem a finalidade de registrar a direção do vento por meio de uma seta ou veleta (apontando para o local de onde vem o vento) velocidade instantânea ou rajada de vento, pelos princípio do tubo de Venturi localizado no eixo da seta e o vento acumulado, por meio das três conchas. Os sensores estão a 10 m de altura da superfície. 22 Referências Bibliográficas GALINA, M. H.; VERONA, J. A. Fontes de observações meteorológicas no Estado de São Paulo. Estudos Geográficos, Rio Claro, 2(1):107-118, junho - 2004 (ISSN 1678—698X) – www.rc.unesp.br/igce/grad/geografia/revista.htm. ROBLEDO, A. J. Observaciones meteorologicas. Chinchina – Caldas – Colômbia: Federacion Nacional de Cafeteros de Colombia – Centro Nacional de Investigaciones de café – CENICAFE, 1975, n.°4, 39p. SILVA, M. A V. Meteorologia e Climatologia. Recife: Versão Digital 2, 2006. 463p. TUBELIS, A., NASCIMENTO, F. J. L. Metorolologia descritiva: fundamentos e aplicações brasileiras. São Paulo: Nobel, 1980, 374p. VIANELLO, R.L.; ALVEZ, A.R. Meteorologia básica e aplicações. Viçosa: Imprensa Universitária/UFV, 1991. 449p. 25 CAPÍTULO 3 NOÇÕES DE COSMOGRAFIA: RELAÇÕES ASTRONÔMICAS ENTRE A TERRA E O SOL O sol é a fonte primária de energia para todos os processos termodinâmicos que ocorrem na superfície da terra, sem os quais a vida, da forma existente, não seria possível. Portanto, o estudo das relações astronômicas entre o Sol e a Terra, assume papel fundamental para o entendimento da Meteorologia e ciências correlatas, como a Agrometeorologia, havendo assim, a necessidade de informações básicas de cosmografia. 1. Forma e Dimensão da Terra A terra não tem uma forma geométrica definida, mas ajustes obtidos de imagens de satélites, mostram a forma da terra como um elipsóide de revolução, com as seguintes dimensões: Semi eixo a: 6356 km Semi eixo b: 6378 km Figura 1: Dimensões da terra. Para efeitos práticos, considera-se que a terra apresenta forma geométrica esférica. 2. Eixo de Rotação da Terra ( NS ) Aceitando-se a esfericidade da terra, podemos determinar, geometricamente, o seu centro. Por este centro, façamos passar uma linha imaginária, a qual denominamos eixo terrestre. O eixo terrestre toca a superfície em dois pontos do planeta diametralmente opostos, os quais são determinados pólos recebendo os nomes de pólo norte e pólo sul. Sabemos por antecipação que o eixo terrestre é “traçado” de tal forma que seja o eixo imaginário para o movimento de rotação da terra. 3. Plano do Equador (E) Plano imaginário perpendicular ao eixo terrestre que contém o centro da terra. A interseção do plano do equador com a superfície terrestre formará uma linha imaginaria (circulo), denominada linha do equador ou simplesmente equador. O plano do equador divide a terra em dois hemisférios: hemisfério norte e hemisfério sul. 26 4. Planos Paralelos (P) São planos perpendiculares ao eixo terrestre e que não contém o centro da terra. São, portanto, paralelos ao plano do equador, daí a sua denominação. A interseção dos planos paralelos com a superfície da terra formará linhas imaginárias (círculos) denominados paralelos. 5. Planos Meridianos (G) Planos imaginários que contém o eixo terrestre (planos perpendiculares ao plano do equador), os quais denominamos planos meridianos. A interseção dos planos meridianos com a superfície da terra formarão linhas imaginárias (círculos) denominadas meridianos, que vão de um pólo ao outro. Figura 2 - Latitude geocêntrica (φ) e longitude (λ) de um ponto (P) da superfície do globo, indicando-se o plano equatorial (E) e o plano do meridiano de Greenwich (G). Fonte: Varejão-Silva, 2006. 6. Coordenadas Geográficas (ou de Posição) A determinação exata de um ponto na superfície da terra somente é possível desenhando-se linhas e planos imaginários como referência. Essa denominação de um ponto é importante para muitas áreas e para diversos fins, entre eles a meteorologia. Para localizar um ponto P no espaço são necessárias coordenadas tridimensionais, ou seja, as distâncias X, Y e Z, a partir de uma origem. 27 exemplo, o sol culmina no meridiano local todos os dias às 12:00 horas do tempo solar local. Se um astro tem seu centro con tido ao Zên ite de determinado local, o astro cu lminou naquele instante e local. Figura 7: Linha zênite-nadir (ZZ') e plano do horizonte (H) de um ponto (P) localizado à superfície do globo terrestre. Fonte: Varejão-Silva, 2006. a) Trajetória diurna do Sol no Equador b) Trajetória diurna do Sol em uma latitude φ Figura 8: Representação das trajetórias do sol. Plano de Eclíptica: é o plano que contém a órbita 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 eclíptica um ângulo praticamente invariável de 23°27', ou seja também, o eixo de rotação da Terra possui esta mesma abertura angular com a normal (perpendicular) ao plano da eclíptica, podendo isto ser chamado de obliquidade da eclíptica. 30 Figura 9: Plano da eclíptica e obliqüidade da eclíptica. Fonte: Varejão-Silva, 2006. Ângulo zenital (Z): é o ângulo formado pela linha que une o centro do sol ao centro da terra com a linha do zênite local. 8. Movimentos da Terra Visualizando apenas o Sol e a Terra no Sistema Solar, podemos dizer que a Terra apresenta dois movimentos: Rotação: é o movimento efetuado em torno de um eixo imaginário a uma velocidade de mais ou menos 2π rad/24 horas, ou seja, uma rotação completa por um dia. Este movimento gera a alternância dos dias e noites para a terra. Translação: é o movimento efetuado pela terra em torno do sol, com duração de aproximadamente 365 dias e 6 horas. Este movimento ocorre segundo uma orbita elíptica, na qual o sol ocupa um dos focos da elipse, com raio médio de 149.500.000 Km mais ou menos 1.500.000 Km. Como a variação da distancia da terra ao sol é relativamente pequena, ou seja, da ordem de 1%, esta variação de distância não promove alteração significativa na quantidade de energia recebida na terra. Pode-se considerar ainda a Precessão que se refere ao movimento de oscilação do eixo da terra. Não existe certeza, mas considera-se o período de precessão de 26000 anos. 31 Figura 10: Movimento de translação da terra. A obliqüidade da eclíptica associada ao movimento de translação da Terra causa a impressão do movimento do sol na direção Norte-Sul ao longo do ano, criando assim, o que se chama de declinação do sol. Portanto, a declinação do sol (δ) é o ângulo formado por um linha imaginaria ligando o centro da terra ao centro do sol (denominada linha da eclíptica) com o plano do equador, tendo valores entre 23°27' Sul e 23°27' Norte. À semelhança da latitude, considera-se também que a declinação norte tenha sinal positivo e a declinação sul sinal negativo. O esquema a seguir complementa o exposto. Figura 11: Gráfico da declinação do sol para épocas diferentes do ano. Fonte: Varejão-Silva, 2006. Declinação +23°27' X 0° X X -23°27' X Meses Março Junho Setembro dezembro 32 Conforme observa-se na Figura 12, a distância angular percorrida por um ponto qualquer durante o dia equivale a 2H e sabendo-se que o movimento longitudinal da Terra (rotação) é de 15°/ h (360°/24h), a duração do dia é então estimada por: N= 2H 15 h Ou ainda, com os valores angulares em radianos: Ângulo horário do nascer ou pôr do sol (ωs) ωs=arccos −tan tanrad  Duração do dia (N) N= 24  ωs h 35 Referências Bibliográficas TUBELIS, A.; NASCIMENTO, F.J.L. DO. Meteorologia descritiva. Fundamento e aplicações brasileiras. São Paulo: Nobel, 1986. 374p. VIANELLO, R.L.; ALVES, A.R. Meteorologia básica e aplicações. Viçosa: Imprensa universitária/UFV, 1991. 449p. SILVA, M. A V. Meteorologia e Climatologia. Recife: Versão Digital 2, 2006. 463p. 36 CAPÍTULO 4 RADIAÇÃO SOLAR 1. Introdução O sol emite para o espaço uma grande quantidade de energia radiante, proveniente das reações que ocorrem na própria superfície do astro. Esta é a fonte primária de energia para os processos termodinâmicos que ocorrem na superfície da terra. O sol pode ser considerado uma esfera com raio de 697.000 Km, sendo que a energia é emitida em todas as direções. A energia emitida, que é interceptada pela terra corresponde a uma fração insignificante. Por outro lado, pode-se dizer que 99,97% de toda a energia que chega à superfície da terra é proveniente, direta ou indiretamente do sol, tendo o restante, origem em outras estrelas, interior da terra, combustão (carros, indústrias, incêndios, queimadas, etc.) e lâmpadas acesas. Grande parte da energia solar é usada no aquecimento do ar e do solo, no processo fotossintético dos vegetais, na evaporação da água e na circulação geral da atmosfera, mantendo o ciclo hidrológico. 2. Unidades A unidade básica de energia é a caloria-grama (cal), que é definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 g de água de 14,5° para 15,5°C. Para radiação solar, a energia é considerada por unidade de área e por unidade de tempo, podendo ser utilizada para tal a unidade cal cm-2, que é denominada de langley (ly). Energia por unidade de área e tempo é 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 períodos de tempo. No Sistema Internacional de Unidades, estas unidades são W m-2, ou J m-2 d-1, ou J m-2 h-1, por período 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. Submúltiplos: 1μm = 10-3 mm 1μm = 1000 nm 1μm = 10-6 m 1μm = 104 Å (Angstrom) 1Å = 1010 m. Múltiplos: 1 kJ = 1000 J 1 MJ = 1.000.000 J 3. Processos de Transferência de Energia 3.1. Conceitos sobre energia Pela Física sabe-se que, um corpo tem energia quando é capaz de realizar determinado trabalho. Este trabalho é medido pelo produto da força aplicada a um corpo pela distância que o faz deslocar-se. Todos os corpos que estão ao nosso redor possuem energia interna, a qual é transferida 37 quantidade se sua energia interna provocando a elevação de sua temperatura. Como veremos mais adiante, num meio se processam complexos intercâmbios de ondas eletromagnéticas; cada corpo é, por sua vez, emissor e receptor, de energia dependendo sua temperatura, de todos esses fenômenos. Dizemos que a energia radiante absorvida se transforma em calor. Isto vale para qualquer comprimento de onda e não somente para a chamada radiação calorífica ou infravermelha como às vezes se acredita equivocadamente. A radiação emitida pela parede, por uma lâmpada incandescente, pelo sol ou por um pedaço de gelo, transfere-se por exemplo a pele humana, por meio da transferência de calor por radiação. A emissão de energia radiante só tem lugar no vácuo ou quando o meio em contato com o corpo é transparente a ela. Por exemplo: todas as partes de um lápis em contato com o ar emitem energia radiante já que o ar é praticamente transparente a qualquer tipo de radiação; mas quando o tomamos na mão, as partes em contato com a pele já não emitem mais energia porque a pele e os tecidos são opacos aos comprimentos de onda irradiados. Se em lugar de um lápis 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 a energia radiante são geralmente bem simplificados e podem ser solucionados por meio de um balanço de calor. Assim, o projetista deve considerar apenas duas fontes principais de emissão: uma é o Sol, corpo de alta temperatura, que para nós será um emissor de ondas curtas; e a outra é composta por todos os corpos que nos rodeiam, denominadas de fontes de baixa temperatura, geralmente menor de 100ºC e emitem ondas longas. Consideramos que o ar é transparente a todos os tipos de energia radiante; por sua vez, os corpos que geralmente designamos como opacos o são para as radiações emitidas pelas duas fontes consideradas. Tomemos como exemplo (Figura 3) uma laje de concreto exposta à radiação solar. As ondas eletromagnéticas atravessaram o espaço exterior e a camada atmosférica para incidir sobre a superfície S. Como o corpo é opaco, a energia radiante será em parte absorvida (A) e a restante refletida (R); as quantidades respectivas dependerão das propriedades da superfície S, como estudaremos mais adiante. A radiação absorvida se transforma em calor, aumentando a temperatura da parte superior da laje. Esta superfície pode emitir ondas eletromagnéticas para o ar, mas não para o concreto pois este é um material opaco. O calor, então, só poderá transmitir-se para a superfície B por contato molecular, isto é, por condução. Somente após atravessar desta forma toda a espessura da laje uma parte daquela energia solar absorvida será emitida para baixo, como energia radiante, pela superfície B. 40 Figura 3: Radiação solar incidente em envolvente opaca. 3.1.2.3. Ondas eletromagnéticas As ondas eletromagnéticas, tem as seguintes grandezas características: Comprimento (λ): é a distância entre duas cristas consecutivas; Frequência (f) é o numero de cristas que passam por um ponto de referência na unidade de tempo. Velocidade (v): é a distância percorrida por determinada crista por unidade de tempo. Estas três grandezas se relacionam da seguinte maneira: V =. f A velocidade de propagação da luz no vácuo é 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 equação mostra que a medida que se aumenta o comprimento de ondas, diminui a frequência e vice-versa. Existe também a seguinte relação: E=hc / em que: E = energia de um fóton naquele comprimento de ondas (J); λ = 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 f E = energia de um fóton da radiação (J); F = frequência da radiação (Hz). 41 3.2. Transferência de calor O calor é uma forma de energia e, como tal, é uma quantidade mensurável. A unidade de calor no sistema Inglês é a unidade Britânica (BTU) que é a quantia de calor necessária a para elevar a temperatura de uma partícula de água a 60° F em 1° F. No sistema métrico a unidade de calor é a caloria (cal). É definida como a quantidade de calor para elevar a temperatura de 1g de água a 15 °C em 1 °C. Esta unidade de calor é expressa também, com freqüência, como a caloria- grama. Para propósito de conversão 1 BTU pode ser considerado como sendo igual a 252 cal. Existem basicamente duas formas nas quais o calor pode aparecer, a saber, calor sensível e calor latente. A) Calor sensível Calor sensível é a forma de calor que está associada com mudança na temperatura da substância envolvida. A quantidade de calor sensível (Q) que um corpo de massa m recebe é diretamente proporcional ao seu aumento de temperatura. Logo, é possível calcular a quantidade de calor sensível usando a seguinte fórmula: onde: Q = quantidade de calor sensível (cal) m = massa do corpo (g) T = variação da temperatura (ºC) B) Calor latente Calor latente é um termo usado para expressar a energia térmica envolvida em uma mudança de estado sem mudar a temperatura; por exemplo, o processo de mudar do estado sólido para líquido tal como gelo e água, ou de líquido para gás tal como água e vapor. Os conceitos acima são melhores ilustrados pelo seguinte exemplo. Quando a água é aquecida, o calor aplicado é absorvido pela água como calor sensível e a temperatura da água se elevará até que se alcance o ponto de ebulição. Após isso qualquer outra aplicação de calor não resultará em aumento de temperatura da água, por que esse calor será absorvido na forma latente, que é necessário para mudança da água da forma líquida para vapor, mas enquanto a água estiver presente não afetará a temperatura do vapor. Se o vapor for condensado em uma superfície fria o calor latente nele será liberado para a superfície na forma sensível mudando a temperatura desta. Similarmente, quando a água é evaporada de uma superfície, é necessária uma certa quantidade de energia para converter a água da forma líquida para vapor d`água. Esta energia latente é retirada da superfície que é deste modo resfriada. Este princípio é aplicado na prática para resfriar água em um saco de lona permeável. O calor latente provoca algum tipo de alteração na estrutura física do corpo. É a quantidade de calor que a substância troca por grama de massa durante a mudança de estado físico e pode ser 42 . .Q m c T  3.2.2. Convecção A convecção é o modo de transferência de calor que compreende dois mecanismos, a transferência de energia pelo movimento molecular aleatório (difusão) e pelo movimento de massa, ou macroscópico, do fluido. O termo convecção está associado ao transporte acumulado e advecção ao movimento de massa do fluido. Deve ser usado para descrever o processo pelo qual o calor é transferido misturando-se a fração de um fluído, isto é, gás ou líquido, com outro. Portanto, sempre envolve o fluxo de material. O processo é ilustrado pelo seguinte exemplo; se um objeto quente entrar em contato com a água, o calor do objeto irá aquecer a água em contato imediato com ele por condução térmica. Se as partículas de água pudessem ser mantidas estacionárias, as partículas em contato direto com o objeto ficariam mais quentes e retardariam a taxa de transferência de calor do objeto. Todavia, a maioria dos fluídos tem a características de se tornarem proporcionalmente menos densos à medida que são aquecidos, com resultados que a água mais quente perto do objeto começará a elevar-se, a água fria substitui a água em elevação e a taxa de transferência de calor do objeto para a água é mais rápida do que teria sido se a água permanecesse estacionada. No exemplo acima, o movimento da água representa o que são geralmente referidos como correntes térmicas, que são determinadas totalmente por forças de temperaturas. O tipo de troca térmica associado com as correntes térmicas ou diferenças de intensidades com ação da gravidade é conhecida como convecção natural. A taxa de transferência de calor pode naturalmente ser acelerada ainda mais por agitação mecânica do fluído. Nesse caso, correntes de convecção forçadas são estabelecidas. Na prática, a convecção forçada geralmente desempenha um papel muito mais importante que a convecção natural. A interação entre fluido e superfície gera uma camada onde a velocidade (u) varia de 0 até um valor infinito (u∞) que é denominada de camada hidrodinâmica, camada de velocidade ou camada limite. Se houver diferença de temperatura entre as superfície e o fluido ter-se-á também, uma camada limite térmica, q u e p o d erá se maio r, men o r o u ig u al a camada d e v elocid ade co mo mostrado na Figura 5. Figura 5: Distribuição da velocidade e temperatura em um escoamento convectivo. A transferência de calor por convecção ocorre na superfície de paredes, assoalhos e telhados, 45 onde existam tubulações, tais como, espirais de resfriamento e aquecimento, ou em todo lugar onde um fluído passe por uma superfície sólida com uma temperatura diferente. O mecanismo de transferência de calor de uma superfície aquecida para um fluído em uma temperatura diferente que passou é muito complexo, visto que processos de condução e convecção estão geralmente envolvidos. Todavia, no caso da convecção, a taxa de fluxo de calor entre a área A da superfície e do fluído em contato com ela pode ser expressa em função da diferença de temperatura(Ts-T∞) entre a superfície e a maior parte do fluído. Segue abaixo a expressão matemática para quantificação da convecção conhecida como lei de Newton do resfriamento. Em que: "convq = é o fluxo de calor convectivo (W m-2); ch = coeficiente de transferência convectiva de calor (W m-2 K-1); dT = diferença de temperatura entre a superfície e o fluido (K). O coeficiente superficial de transferência de calor, hc, também conhecido como condutância da película ou coeficiente de película não é uma constante, e pode mudar as unidades de calor por unidades de área, tempo e diferença de temperatura. O seu valor numérico depende, em grande parte, da natureza do fluxo e da velocidade do fluído, das propriedades físicas do fluído e do formato e dimensões da superfície e temperaturas. Alguns valores típicos do coeficiente de transferência convectiva de calor são mostrados na Tabela 1. Tabela 1. Valores típicos de coeficiente de transferência convectiva. Processo hc (W m-2 K-1) Convecção livre Gases 2-25 Líquido 50-1000 Convecção forçada Gases 25-250 Líquido 50-20000 Convecção com mudança de fase Ebulição ou condensação 2500-100000 Fonte: Incropera e DeWitt (1992). 46 " .conv cq h dT " .( )conv c sq h T T� 