5_Temperatura_do_Solo_2015-1

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

1
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECONCÂVO DA BAHIA
Centro de Ciências Agrárias, biológicas e Ambientais
NÚCLEO DE ENGENHARIA DE ÁGUA E SOLO
DISCIPLINA: CCA-035 Meteorologia e Climatologia Agrícola
Orientador: Aureo Silva de Oliveira
Cruz das Almas – Bahia, 08 de Dezembro de 2015
Temperatura de Superfícies Naturais 
e Fluxo de Calor 
João Guilherme Araújo Lima
Engenheiro Agrônomo – UFC
Mestre em Irrigação e Drenagem – UFERSA
Doutorando em Engenharia Agrícola – UFRB
1
Objetivos
2
2. Relacionar a temperatura e fluxo de calor no solo com o balanço de radiação à superfície; 
3. Caracterizar as propriedades térmicas do solo;
1. Destacar a importância da relação temperatura e fluxo de calor no solo vs. produção vegetal;
4. Estimar o fluxo de calor no solo;
5. Apresentar instrumentos para medição da temperatura e fluxo de calor no solo.
No Exame de Qualificação o índice foi dividido em memorial, projeto de tese e relatório de andamento do projeto de tese.
2
Desenvolvimento
3
2. Temperatura e calor no solo vs. Produção vegetal 
3. Balanço de radiação e Temperatura do solo
1. Generalidades;
4. Propriedades térmicas do solo
5. Estimativa da temperatura e fluxo de calor no solo
6. Instrumentos e medição de temperatura
7. Conclusões
8. Bibliografia recomendada
No Exame de Qualificação o índice foi dividido em memorial, projeto de tese e relatório de andamento do projeto de tese.
3
A temperatura (T) é um indicador da disponibilidade de energia num meio material!
Solo = fração sólida (areia, silte, argila, matéria orgânica) + fração água (solução do solo) + fração gasosa  meio heterogêneo  variabilidade temporal e espacial
Solo (litosfera)  sumidouro (sink) de energia durante o período diurno e fonte (source) para a superfície durante o período noturno. Armazena calor na primavera e verão e libera no outono e inverno.
Fluxo de calor no solo, FCS (entrada e saída através da superfície) ocorre por condução  transferência de energia molécula a molécula, sem deslocamento de massa.
1. Generalidades
Importância ecológica e agronômica da T e FCS
a atividade microbiana (fauna e flora) do solo e da água;
a atividade e metabolismo de pequenos animais que vivem no solo e na água (peixes, crustáceos, etc.);
a decomposição e mineralização da matéria orgânica;
 a biodegradação de pesticidas e compostos orgânicos;
 a germinação de sementes;
o crescimento e desenvolvimento radicular;
a absorção de água e nutrientes do solo pelas plantas; 
a movimentação de água e compostos diluídos no solo e do solo para as raízes;
o efeito sobre a composição gasosa do solo; e
 a cobertura do solo (mulching).
A T e o FCS relacionam-se com:
3. Balanço de radiação e temperatura do solo
6
ROC - ROL = RL = QE + QH + QG
Saldo de radiação de ondas curtas
Saldo de radiação de ondas longas
Radiação líquida
Fluxo de calor por condução e convecção para aquecimento/resfriamento do ar
Fluxo de calor por convecção para evaporação da água 
Fluxo de calor por condução para aquecimento / resfriamento do solo 
7
3. Balanço de radiação e temperatura do solo
7
8
3. Balanço de radiação e temperatura do solo
Componente do balanço de energia
Solo seco e nu
Área vegetada
QH/ RL
0,45
0,30
QE/ RL
≈ 0
0,70
QG/ RL
0,55
≈ 0
Valores representativos no período diurno dos componentes do balanço de energia para uma área de solo seco e nu e para uma área de cultura sem deficiência de água e em fase de máximo desenvolvimento vegetativo (JURY et al., 1991). 
8
9
3. Balanço de radiação e temperatura do solo
Radiação (Wm2) 
Tempo (h)
Saldo de radiação de ondas curtas, ROC
Saldo de radiação de ondas longas, ROL
RL < 0
RL > 0
ROC = ROL
A
B
9
10
3. Balanço de radiação e temperatura do solo
Temperatura do solo
Tempo (h)
+
–
0
superfície
5 cm
A
B
Saldo de radiação, RL
10
11
3. Balanço de radiação e temperatura do solo
Temperatura (oC)
Tempo (horas)
Variação da temperatura do solo no intervalo de 24 horas, a diferentes profundidades no perfil.
11
12
3. Balanço de radiação e temperatura do solo
Perfil da temperatura do solo em diferentes instantes do dia.
12
13
3. Balanço de radiação e temperatura do solo
Variação anual da temperatura do solo em região de clima
temperado
13
14
4. Propriedades térmicas do solo
Capacidade Calórica 
 → Determina a relação entre a quantidade de calor fornecida a um corpo e a variação de temperatura observada neste.
CC na base de peso → Calor específico gravimétrico (Cg) → J/kg oC
CC na base de volume → Calor específico volumétrico (Cv) → J/dm3 oC
 
Densidade = massa/volume (kg/dm3)
 
Para qual substância a relação Cv = Cg é válida? 
Cg = Cv = 4,19 ∙ 103 
14
Material mineral (areia, silte, argila)
Material orgânico (húmus)
Água
Ar
- Constituição (tipo) e proporção dos constituintes afetam o calor específico do solo.
- Manejo do solo afeta o calor específico do solo → compactação, etc.
Aumenta a capacidade calórica do solo 
Diminui a capacidade calórica do solo
4. Propriedades térmicas do solo
Capacidade calórica do solo 
Umidade do solo 
O calor específico do solo é afetado principalmente pela umidade do solo. Adicionando-se água (substância com alto Cv) ao solo, na mesma proporção, um volume de ar (mistura com baixo Cv) é expulso do solo. O resultado é uma redução na sensibilidade térmica do solo (OKE, 1995).
Cv(ar)=0,0012 MJ/m3oC
Cv(agua)=4,19 MJ/m3oC
4. Propriedades térmicas do solo
 
Determinando a capacidade calórica do solo (Cvs):
 
m = constituinte mineral do solo
o = constituinte orgânico do solo
a = constituinte hídrico do solo
f = fração
C = calor específico volumétrico
V = volume do constituinte na amostra
Vt = volume total da amostra
Cm = capacidade calórica do constituinte mineral do solo (1,93 MJ m-3 oC)
Co = capacidade calórica do constituinte orgânico do solo (2,51 MJ m-3 oC)
Ca = capacidade calórica do constituinte hídrico do solo (4,19 MJ m-3 oC)
 
4. Propriedades térmicas do solo
Exemplo Prático 1) Determine a capacidade calórica de um solo hipotético, que possui o volume de poros igual a 49% do volume total, a matéria seca total com 97% em peso de matéria mineral (dm = 2,65 kg dm3) e 3% em peso de matéria orgânica (dmo = 1,3 kg dm3). A porcentagem de água (dag = 1,00 kg dm-3) contida no solo é de 15% em relação ao peso seco. 
4. Propriedades térmicas do solo
Condutividade térmica do solo (KS)  medida da habilidade de um material ou meio em conduzir calor. Expressa a quantidade de calor (J) que flui através de uma área unitária (m2) do material/meio na unidade de tempo (s), se perpendicular a esta área existe um gradiente de 1 grau de temperatura. 
 
T+1 (K)
Q (J)
Δt=1 s
T (K)
1 m2
1 m
Portanto, Q é a condutividade térmica em unidades de:
4. Propriedades térmicas do solo
4. Propriedades térmicas do solo
Condutividade térmica de materiais
Fatores que afetam a condutividade térmica do solo:
Solo de textura grossa (+ areia)
Solo de textura média 
Solo de textura fina (+ argila)
A condutividade térmica do solo diminui com o aumento da porosidade total!
?
Aumento na proporção de macroporos.
Solo arenoso (40% de poros): KS = 0,30 W/m K (seco) e 2,20 W/m K (saturado)
Solo argiloso (40% de poros): KS = 0,25 W/m K (seco) e 1,58 W/m K (saturado)
Solo orgânico (80% de poros): KS = 0,06 W/m K (seco) e 0,50 W/m K (saturado)
4. Propriedades térmicas do solo
Condutividade térmica (W/m∙K)
Teor de umidade (% base de peso)
Textura grossa
Textura média
Textura fina
Relação condutividade térmica e textura do solo, em diferentes teores de umidade no solo.
4. Propriedades térmicas do solo
O fluxo de calor no solo por condução ocorre por diferença de temperatura (ΔT) e depende também da habilidade do meio em conduzir calor, ou seja, depende da condutividade térmica do solo. 


Z1
Z2
T1
T2
Atmosfera
Solo
QG
 
O fluxo de calor no solo por condução ocorre no sentido
oposto ao do gradiente de temperatura. 
5. Estimativa da temperatura e fluxo de calor no solo
Estimativa da temperatura e fluxo de calor no solo
23
Exemplo Prático 2) Considere o perfil de solo do “slide” anterior, no qual T1=38oC e T2=22oC, estando os pontos (1) e (2) a 40 e 65 cm de profundidade, respectivamente. O solo tem condutividade térmica igual a 0,45 J/s m K. Determine o módulo do fluxo de calor no solo e o sentido do fluxo.
5. Estimativa da temperatura e fluxo de calor no solo
Esquema de um termômetro de solo (acima) de um termômetro de imersão (abaixo).
5. Estimativa da temperatura e fluxo de calor no solo
5. Estimativa da temperatura e fluxo de calor no solo
5. Estimativa da temperatura e fluxo de calor no solo
Instrumentos e medição da temperatura do solo
28
Δz
Z1
Z2
T1
T2
[ks]
Se T1 > T2 então G de ① para ②
Se T1 < T2 então G de ② para ①
G
①
②
Datalogger (processador e armazenador de dados)
ks = condutividade térmica do solo
Termopares
Download dos dados para posterior análise
Instrumentos e medição da temperatura do solo
(www.ictinternational.com.au/middleton.htm)
(www.hukseflux.com/thermalScience/heatFlux.html)
Placas de fluxo de calor no solo: 
Fornecem o valor de QG
OBRIGADO E ATÉ A NOSSA PRÓXIMA AULA!
JOAOPIBE@GMAIL.COM