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Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 136 CAPÍTULO 6. TEMPERATURA DO SOLO E DO AR Ednaldo Oliveira dos Santos 6.1. Introdução A temperatura pode ser definida como um parâmetro que caracteriza o estado térmico da matéria. A matéria compõe-se de moléculas constituídas por diferentes tipos de átomos. Esses átomos interagem eletricamente entre si e também obedecem as leis da mecânica, movimentando-se mais ou menos, livremente, dependendo da fase em que a matéria se encontra: sólida, líquida, gasosa ou plasma. O valor da temperatura depende da energia cinética (relacionada ao movimento) média das moléculas. A medida de temperatura é possível devido à transferência de calor entre corpos de níveis distintos de energia cinética molecular média. Como vimos anteriormente (Capítulo 5 - Radiação Solar e Terrestre), na área de Meteorologia e Climatologia considera-se que o saldo de radiação à superfície terrestre (Rn) será destinado, basicamente, a três processos físicos (evaporação/transpiração, aquecimento do ar e do solo), dentre os quais dois estão associados à temperatura: fluxo convectivo de calor sensível - H (temperatura do ar) e o fluxo por condução de calor no solo – G (temperatura do solo). O terceiro processo é o fluxo de calor latente, relacionado à evaporação e/ou transpiração (LE). O esquema abaixo mostra a distribuição dessa energia durante o dia e a noite (Figura 6.1). Figura 6.1. Processos relacionados ao aquecimento ou resfriamento do ar e do solo durante o dia e a noite. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 137 Geograficamente, observa-se tendência de aumento da temperatura à medida que se aproxima do Equador, e diminuição na direção dos Pólos. Verifica-se, entretanto, que a topografia, a vegetação e a proximidade de grande corpos de água (rios, lagos, oceano, entre outros) podem influenciar este padrão. Durante o dia, a incidência da radiação solar provoca o aquecimento da superfície, que alcança sua temperatura máxima algumas horas após o Sol ter alcançado o seu zênite. Devido a diversos processos de troca de calor no sistema Terra-Atmosfera, existe uma distribuição de temperatura também segundo a direção vertical, conhecida como gradiente vertical de temperatura. O gradiente vertical de temperatura depende da concentração de vapor d’água do ar, sendo que na média para uma atmosfera úmida, o gradiente na Troposfera é -0,65C/100m. O estudo desse gradiente é importante para determinar as condições de estabilidade atmosférica. Associados aos processos de evolução do ar são definidos três gradientes teóricos: 1. Gradiente de temperatura adiabática seca (α d ) • Parcela de ar ascendente • Expande-se devido ao decréscimo de pressão • Temperatura decresce (-0,98°C/100m) 2. Gradiente de temperatura adiabática saturada (α s ) • Quando a parcela de ar em ascensão atinge o nível de condensação, a pressão continua decrescente. • Gradiente menor (-0,54°C/100m). 3. Gradiente de temperatura pseudo-adiabático. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 138 6.2. Temperatura do Solo A energia solar absorvida pela superfície terrestre se destina basicamente aos processos físicos de aquecimento do ar através do fluxo convectivo do calor sensível e do interior do solo através do processo de condução molecular de calor. Gasparim et al. (2005) afirmam que é a partir da quantidade de radiação solar e terrestre absorvida e perdida que a camada superficial do solo se aquece ou se resfria no decorrer do dia e do ano, em resposta a tais fatores, gerando variações térmicas nas camadas mais próximas da superfície. Pelo fato da absorção e da perda de energia ocorrer na superfície, aliado à baixa velocidade de propagação do calor no interior do solo, as variações térmicas se limitam aos horizontes mais superficiais. Esse mecanismo tem papel fundamental no efeito estufa natural, que é desejável e necessário, sem o qual a temperatura média da Terra iria ser extremamente baixa, o que impossibilitaria a vida na Terra. A composição, a densidade, a umidade e o tipo de cobertura do solo são os principais fatores que influenciam nas suas propriedades térmicas como: calor específico, capacidade térmica, condutividade térmica, difusividade térmica, emissividade e também o albedo, por isso tais aspectos devem ser observados ao se analisar o regime térmico dos diferentes tipos de solo e nas diferentes escalas de tempo. Dada a importância da variação da temperatura no perfil do solo nos processos físicos, biológicos, ecológicos e outros que ocorrem na interface solo-atmosfera, é de suma importância estudar a variação horária da temperatura do solo em condições de cobertura do solo vegetado e sem vegetação (Costa et al., 2010). O regime térmico de um solo é determinado pelo aquecimento da superfície pela radiação solar e transporte, por condução, de calor sensível para seu interior. Durante o dia, a superfície se aquece, gerando um fluxo de calor para o interior. À Noite, o resfriamento da superfície, por emissão de radiação terrestre (ondas longas), inverte o sentido do fluxo, que agora passa a ser do interior do solo para a superfície. A variação da profundidade do solo (cm) e da temperatura do solo ao longo do dia (temporal) e da profundidade (espacial) é estudada a partir da elaboração dos perfis de variação da temperatura, denominados de TAUTÓCRONAS, conforme exemplo mostrado na Figura 6.2 seguinte. O solo, além de armazenar e permitir os processos de transferência de água, solutos e gases, também armazena e transfere calor. A capacidade do solo em armazenar Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 139 e transferir calor é determinada pelas suas propriedades térmicas e pelas condições meteorológicas que, por sua vez, influenciam em todos os processos químicos, físicos e biológicos do solo. A atividade microbiológica poderá ser interrompida, as sementes poderão não germinar e as plantas não se desenvolverem, se o solo não se apresentar dentro de uma faixa de temperatura adequada para a manutenção dos processos fisiológicos envolvidos. Figura 6.2. Perfil da temperatura do solo em diferentes profundidades para vários horários durante o dia. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). 6.2.1. Influência Agronômica da Temperatura do Solo A temperatura do solo influência nos seguintes processos: Germinação das sementes; Atividade funcional das raízes; Velocidade e duração do crescimento das plantas; Desenvolvimento de bactérias fixadoras de nitrogênio (N2); Ocorrência de geadas. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 140 As propriedades físicas da água e do ar, assim como seus movimentos e disponibilidade no solo, além de muitas reações químicas que liberam nutrientes para as plantas são influenciados pela temperatura do solo. Ademais, o calor armazenado próximo à superfície do solo tem grande efeito na evaporação. As propriedades térmicas do solo e as condições meteorológicas, portanto, influem no meio ambiente das plantas. Segundo Kaiser et al. (2001), a temperatura do solo é uma variável meteorológica que determina os níveis de evaporação e aeração do mesmo, devido a isso, a dinâmica da temperatura do solo é fundamental no desenvolvimento da agricultura, pois sua variação interfere diretamente na germinação e no crescimento das plantas, assim como na sua absorção de água e nutrientes. As temperaturas muito baixas no soloimpedem a absorção dos nutrientes e minerais. Já a temperatura do solo desfavorável durante o crescimento da planta pode retardar ou até resultar em perda da colheita. Neste aspecto Bergamaschi & Guadagnin (1993) comentam que temperatura do solo é de fundamental importância para a agricultura, por influenciar na germinação das sementes, no desenvolvimento e atividade das raízes em absorver água e nutrientes do solo, na atividade de microrganismos, na difusão de solutos e gases, no desenvolvimento de moléstias e na velocidade das reações químicas do solo. 6.2.2. Fatores Determinantes da Temperatura do Solo A variação temporal e espacial da temperatura do solo é dependente de sua condutividade térmica, do calor específico, e da emissividade (poder emissor da superfície), os quais irão depender da sua textura, densidade e umidade. Além disso, essa variação é decorrente da inter-relação com uma série de fatores, citados a seguir. Fatores Externos São aqueles relacionados aos elementos meteorológicos que afetam o balanço de energia na superfície e sua partição (Figura 6.3). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 141 Figura 6.3. Exemplos de fatores externos que afetam à temperatura do solo. Fonte: http://www.ufrgs.br/leaa/arquivos/aulas/AGR5011/aula5_1%20Temperatura%20do%20solo.pdf. Dentre os elementos meteorológicos pode-se citar: radiação solar global (Figura 6.4), temperatura do ar, nebulosidade, chuva, ventos, entre outros. Figura 6.4. Curso diário do balanço de radiação e temperatura do solo. Fonte: Tubelis & Nascimento (1988). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 142 Fatores Intrínsecos Os fatores intrínsecos são aqueles determinados pelo tipo de cobertura da superfície, pelo relevo, e pela composição (tipo) do solo. O tipo de revestimento do solo é um fator microclimático. Solos desnudos ficam sujeitos a grandes variações térmicas diárias nas camadas mais superficiais, em dias de alta irradiância solar. A existência de cobertura com vegetação ou com cobertura morta (mulch) modifica o balanço de energia, pois a cobertura intercepta a radiação solar antes dela atingir o solo. Esse é um fator importante a ser considerado em cultivos em que as plantas são dispostas em linhas separadas, como é o caso de pomares. É comum deixar-se uma vegetação rasteira nas entrelinhas, pois essas amenizam o regime térmico no solo. Porém, em regiões sujeitas a geadas, é importante que essa vegetação rasteira seja eliminada nos períodos críticos (inverno), pois assim o calor, decorrente do aquecimento da superfície pela radiação solar, pode penetrar e ser armazenado no solo durante o dia, e reduzir o resfriamento noturno. A seguir iremos descrever os principais fatores intrínsecos. Tipo de Solo Pertinente à textura, estrutura e teor de matéria orgânica do solo. Solos arenosos tendem a apresentar maiores amplitudes térmicas diárias nas camadas superficiais e menores em profundidade. Isso ocorre pelo fato dos solos arenosos terem poros maiores, e assim ocorre menor contato entre as partículas dos solos, o que dificulta o processo de condução. Os solos argilosos, por sua vez, apresentam maior eficiência na condução de calor, tendo menor amplitude térmica diária. O gráfico seguinte apresenta a variação horária da temperatura de um solo arenoso e de outro argiloso (Figura 6.5). Observe a menor amplitude diária no solo argiloso, o que se deve ao fato deste solo ser mais eficiente em transportar calor para seu interior. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 143 Figura 6.5. Variação diária da temperatura na camada superficial de um solo arenoso e um argiloso. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Relevo Este é um fator topoclimático, que condiciona o terreno a diferentes exposições à radiação solar direta e, também, ao acúmulo de ar frio durante o inverno. Observa-se que os terrenos de meia-encosta voltados para o norte (no hemisfério Sul) recebem mais energia (radiação solar) do que os voltados para o sul. Já nas baixadas ocorre maior acúmulo de ar frio durante o inverno, o que acaba condicionando redução da temperatura do solo também nessa área (Figura 6.6). Figura 6.6. Ilustração mostrando a influência do relevo na temperatura do solo. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 144 Cobertura do Terreno Este é um fator microclimático. Solos sem cobertura (desnudos) ficam sujeitos a grandes variações térmicas diárias nas camadas superficiais. A cobertura com vegetação ou resíduos vegetais (mulch) modifica o balanço de radiação e de energia, pois a cobertura intercepta a radiação solar, impedindo que esta atinja o solo. Esse fator é importante no sistema de plantio direto e nos pomares, onde as plantas ficam espaçadas (Figura 6.7). Em períodos críticos (inverno) e em locais sujeitos a geadas, a cobertura do terreno é um fator agravante das geadas, pois impede que o solo armazene calor durante o dia e libere-o para a superfície à noite. Figura 6.7. A influência do uso de cobertura do terreno na temperatura do solo. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Cobertura Vegetal Funciona como uma superfície irradiamente isolada termicamente do solo. Com o aumento da cobertura vegetal ocorre redução nas temperaturas e na variação entre elas (Figura 6.8). A orientação de plantio, no sentido Norte-Sul, pode reduzir substancialmente a temperatura do solo. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 145 Figura 6.8. Curvas de temperatura do solo em diferentes profundidades e sob distintas situações de cobertura em Viçosa/MG. Fonte: Vianello & Alves (1991). 6.2.3. Variação Temporal da Temperatura do Solo Diária Varia com a profundidade. Nas camadas mais superficiais, varia de acordo com a incidência de radiação solar, tendo o valor máximo entre 12 e 14 horas. Em profundidades maiores, ocorre atraso de fase dos extremos (Figura 6.9). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 146 Figura 6.9. Variação da temperatura do solo em diferentes horários. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Anual A variação anual corresponde à disponibilidade de energia na superfície, ou seja, valores máximos no verão e mínimos no inverno. No verão, a temperatura média mensal à superfície é maior do que a 1m de profundidade, porém, no inverno, a temperatura média à superfície se torna menor do que a 1m de profundidade, conforme a Figura 6.10. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 147 Figura 6.10. Variação anual da temperatura do solo. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). 6.2.4. Métodos para Modificar a Temperatura do Solo Regular o recebimento ou a perda de energia: Recebimento de energia: colocar uma camada de um material isolante sobre a superfície do solo (palha, papel, plástico). Perda de energia: a perda de radiação pode ser reduzida se forem empregados materiais isolantes ou pela geração de cortina de fumaça (Figura 6.11). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 148 Figura 6.11. Exemplos de métodos que regulam o recebimento ou a perda de energia e que modifica a temperatura do solo. Alterar as propriedades térmicas da superfície: Pelo aumento da absortividade do terreno; Alterando a capacidade térmica pela adição ou drenagemde água; Fazendo variar a razão de evaporação, como por exemplo, removendo a ervas daninhas, usando-se abrigos, telas, areias, entre outras; Compactação ou afofamento do terreno (Figura 6.12). Figura 6.12. Exemplos de métodos que alteram as propriedades térmicas do solo da superfície. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 149 6.3. Temperatura do Ar A temperatura do ar é um dos efeitos mais importantes da radiação solar. O aquecimento da atmosfera próximo à superfície terrestre ocorre principalmente por transporte de calor, a partir do aquecimento da superfície pelos raios solares. O transporte de calor sensível (H) na atmosfera se dá por dois processos: Condução Molecular Processo lento de troca de calor sensível, que ocorre pelo contato entre as moléculas de ar, Assim, esse processo tem extensão espacial limitada e fica restrito à camada limite superficial (Figura 6.13). Figura 6.13. Processo de condução molecular de calor sensível. Fonte: Pezzopane (2010). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 150 Difusão Turbulenta Processo rápido de troca de energia, em que parcelas de ar aquecidas pela superfície entram em movimento convectivo desordenado, transportando calor (H), vapor d’água (LE), entre outras propriedades atmosféricas, para camadas superiores da atmosfera (Figura 6.14). Figura 6.14. Representação ilustrativa do processo de convecção. O vermelho indica temperaturas maiores e o azul menores. 6.3.1. Fatores Determinantes da Temperatura do Ar Os fatores determinantes da temperatura do ar são aqueles associados às três escalas dos fenômenos atmosféricos: Fatores Macroclimáticos (grande escala): Trata dos fenômenos em escala regional ou geográfica, que caracteriza o MACROCLIMA de grandes áreas, devido aos fatores do clima (Figura 6.15). Eles estariam relacionados à latitude, altitude, correntes oceânicas, continentalidade/oceanidade, massas de ar e frentes. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 151 Figura 6.15. Representação do fator macroclimático entre a latitude e temperatura média anual. Fatores Topoclimáticos: Refere-se aos fenômenos em escala local, em que a topografia condiciona o TOPOCLIMA, devido às condições do relevo local. Estariam relacionados ao relevo, mais especificamente à configuração e exposição do terreno, conforme Figura 6.16. Figura 6.16. Exemplo de fator topoclimático. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 152 Fatores Microclimáticos: Condiciona o clima em uma pequena escala (MICROCLIMA). Relacionados principalmente à cobertura do terreno (Figura 6.17). Figura 6.17. Exemplo do fator microclimático. 6.3.2. Variação Temporal da Temperatura do Ar Diária Na escala diária, a temperatura do ar varia basicamente em função da disponibilidade de radiação solar na superfície terrestre. O valor máximo diário da temperatura do ar ocorre normalmente de 2 a 3 horas após o pico de energia radiante, o que se deve ao fato da temperatura do ar ser medida a cerca de 1,5 a 2,0 metros acima da superfície. Já a temperatura mínima diária ocorre de madrugada, alguns instantes antes do nascer do sol. O diagrama abaixo mostra a variação diária da temperatura do ar (Figuras 6.18 e 6.19). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 153 Figura 6.18. Termograma mostrando a variação diária da temperatura do ar. Fonte: Vianello & Alves (1991). A variação diária normalmente observada da temperatura do ar pode sofrer variações, especialmente com a entrada de frentes frias ou dias nublados, quando a temperatura do ar praticamente não varia, conforme mostrada na figura acima. Figura 6.19. Exemplo de variação diária da temperatura do ar. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 154 Anual Similar à diária, a variação anual segue a disponibilidade de energia na superfície. Valores máximos no verão e mínimos no inverno, conforme se observa na Figura 6.20. Figura 6.20. Variação anual da temperatura do ar em Seropédica/RJ. 6.3.3. Variação Espacial da Temperatura do Ar A variabilidade espacial (horizontal) é basicamente definida pelos fatores determinantes do clima, como latitude, altitude, continentalidade, correntes oceânicas, massas de ar, etc. Os mapas abaixo (Figura 6.21) mostram a variabilidade espacial das temperaturas médias do ar no Brasil, em janeiro e em julho, de acordo com as normais climatológicas de 1931-1990, obtidas do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 155 Figura 6.21. Variação da temperatura média do ar em janeiro e julho no Brasil. A temperatura do ar também varia na vertical, conforme Figura 6.22. Figura 6.22. Figura ilustrativa da variação vertical da temperatura do ar. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 156 Como tanto o aquecimento como o resfriamento do ar se dão a partir da superfície, durante o dia a tendência é da temperatura do ar ser maior próxima à superfície e menor com a altura. Já de madrugada, essa situação se inverte, sendo a temperatura menor próxima à superfície e maior com o aumento da altura. Esses gradientes verticais de temperatura são apresentados na Figura 6.23 a seguir. Figura 6.23. Demonstração da variação da temperatura do ar próxima à superfície e em altura. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 157 6.4. Unidades Térmicas de Crescimento ou Graus-Dia Brown (1989) ressalta que um ambiente térmico adequado é essencial à sobrevivência de todos os organismos biológicos. Este ambiente é especialmente importante para aqueles organismos, como plantas e insetos, cujas temperaturas internas variam em função da temperatura externa. Se esta excede algum limite superior ou diminui abaixo de um limite inferior, crescimento e desenvolvimento de tais organismos são reduzidos ou interrompidos. No entanto, quando estes organismos são expostos a temperaturas dentro de algum intervalo ótimo, crescimento e desenvolvimento tipicamente aumentam com a temperatura. As unidades térmicas quantificam o ambiente térmico de um organismo, fornecendo uma estimativa diária da quantidade de calor que contribuirá efetivamente para o crescimento e desenvolvimento do organismo. O esquema seguinte ilustra esta teoria (Figura 6.24). Figura 6.24. Resposta hipotética de um organismo biológico a temperatura ambiente. Fonte: Adaptado de Brown (1989). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 158 Um dos primeiros estudos relacionando clima e plantas foi realizado por Reaumur, na França, por volta 1735. Ele observou que o somatório das temperaturas do ar durante o ciclo de várias espécies era praticamente constante, em diferentes anos. Ele assumiu que esse somatório térmico, ou constante térmica, expressa a quantidade de energia que uma espécie vegetal necessita para atingir certo grau de maturidade. Reaumur foi o precursor do sistema de unidades térmicas ou graus-dia, usado atualmente para a previsão da duração do ciclo fenológico de vários vegetais (Pereira et al., 2007). O conceito de graus-dia (GD) baseia-se no fato de que a taxa de desenvolvimento de umaespécie vegetal está relacionada à temperatura do meio. Esse conceito pressupõe a existência de temperaturas basais (inferior, Tb; e superior, TB) aquém ou além das quais a planta não se desenvolve, e se o fizer, será a taxas muito reduzidas. Assume-se, na prática, que entre Tb e a temperatura ótima, a relação entre temperatura do ar e desenvolvimento é praticamente linear, conforme Figura 6.25. Figura 6. 25. Taxa de desenvolvimento relativo e temperatura base inferior (Tb) e superior (TB) para o desenvolvimento vegetal. Fonte: Pereira et al. (2007). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 159 Cada espécie vegetal ou variedade possui suas temperaturas basais, as quais podem variar ainda em função da idade ou fase fenológica da planta, sendo tanto as temperaturas diurnas como as noturnas consideradas igualmente importantes no desenvolvimento vegetal. Deve ser ressaltado que o conceito de graus-dia apenas leva em consideração o fator térmico, não considerando o efeito de outros fatores ambientais sobre o crescimento e desenvolvimento vegetal. Normalmente, para as condições do Brasil, as temperaturas médias não chegam a atingir níveis tão elevados que ultrapassem a temperatura-base superior (TB), considerando-se somente a inferior (Tb). Nessa situação, o cálculo de GD fica simplificado, sendo considerado apenas a relação entre as temperaturas base (Tb) e a temperatura mínima (Tn), segundo os critérios abaixo (Vila Nova et al., 1972). # Quando tb < tn: # Quando tb > tn: nx bx tt tt GD 2 2 De uma maneira simplificada, o valor do GD para “n” dias obtêm-se por: GDnGD . bnnx ttttGD 2 1 b nx t tt GD ) 2 ( Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 160 Além disso, sob a condição em que outros fatores (deficiência hídrica, deficiência nutricional, pragas e doenças) não afetam o desenvolvimento da planta, a exigência térmica de determinada espécie ou variedade, ou seja, o acúmulo de graus-dia para que ela complete o ciclo, deve ser aproximadamente constante. Por isso, tanto as temperaturas-base como a constante térmica variam entre espécies e variedades. Assim, o conhecimento das exigências térmicas, desde a emergência até o ponto de maturação fisiológica, é fundamental para a previsão da duração do ciclo da cultura, em função do ambiente (Gadioli et al., 2000). Essas informações, associadas ao conhecimento do acúmulo de biomassa da cultura, podem ser utilizadas no planejamento para definição da época de semeadura adequada, da utilização de insumos, da época de colheita (colheita de grãos ou momento de corte para silagem) e na recomendação de uso agrícola dos diferentes genótipos (Geraldo et al., 2000; Guideli et al., 2000). 6.4.1. Aplicações Práticas do Sistema de Graus-Dia Planejamento de Colheita: sabendo-se a data de semeadura, poda ou florescimento da cultura, determina-se a data provável de colheita. Planejamento de Semeadura/Poda: sabendo-se a data que se deseja realizar a colheita, determina-se a data recomendável de semeadura ou poda. Escolha da melhor variedade para a região: sabendo-se que a duração ideal da fase semeadura-florescimento masculino do milho é de cerca de 60 dias, pode-se determinar qual o melhor híbrido a ser semeado na região para dada época de semeadura. Assim como para os vegetais, o conceito dos graus-dia também pode ser aplicado ao desenvolvimento dos insetos, já que todo inseto requer certa quantidade constante de energia, expressa em termos da temperatura do ar, para completar seu ciclo de desenvolvimento. Isso apenas não é válido para pragas que tem boa parte de seu ciclo no interior do solo, onde a temperatura varia pouco. Como os insetos não produzem calor metabólico, eles dependem da temperatura do ambiente para regular suas taxas de desenvolvimento. Assim existem temperaturas basais inferior e superior, respectivamente, aquém e além das quais os insetos Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 161 paralisam seu desenvolvimento. Isso explica porque é mais comum vermos revoadas de insetos no verão. Isso não ocorre no inverno. Abaixo da temperatura basal inferior têm- se a Zona de Hibernação. Acima da temperatura basal superior a Zona de Estivação Reversível. Além dessas zonas, atingem-se as temperaturas letais para os insetos. A aplicação prática do sistema de graus-dia para os insetos seria na Determinação do número de gerações de uma praga em diferentes regiões: sabendo-se a Tmed anual das localidades abaixo, pode-se determinar a duração média do ciclo da praga ao longo do ano e com isso o número de gerações. Essa informação é fundamental e estratégica para a adoção de práticas de controle. 6.5. Termometria: Instrumentos de Temperatura do Ar e do Solo Em estudos na área de Meteorologia a temperatura do ar é obtida em altitude (radiossonda) e em superfície (estações meteorológicas automáticas e convencionais). O principal instrumento usado em altitude é a radiossonda, que foi inventada pelo meteorologista soviético Pavel Molchanov, o qual lançou o primeiro modelo de radiossonda em 30 de janeiro de 1930 (Kirk et al., 1997). A radiossonda é um conjunto de equipamentos e sensores transportado por balões meteorológicos, os quais medem vários parâmetros atmosféricos, dentre eles a temperatura do ar, e os transmitem a um aparelho receptor fixo (Figura 6.26). As radiossondas operam nas frequências de rádio de 403 MHz ou 1680 MHz e ambas as frequências são ajustadas ligeiramente para mais ou para menos caso seja necessário. Figura 6.26. Modelo de radiossonda usada com balões meteorológicos. Fonte: http://www.qsl.net/py4zbz/rs.htm. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 162 Em superfície a temperatura do ar é medida em estações meteorológicas convencionais por meio de termômetros de mercúrio e de álcool (temperatura do ar, temperatura máxima e temperatura mínima do ar) e registrada por termógrafos, enquanto que em estações meteorológicas automáticas usam-se sensores baseados em circuitos eletrônicos ou efeitos elétricos, principalmente termopares e termistores (resistência). Para medir a temperatura do solo utilizam-se os geotermômetros (instrumentos que apenas medem) e os geotermógrafos (instrumentos que medem e também registram por meio de um tambor de relojoaria), que são termômetros especiais que são instalados em profundidades definidas, variando de 2 a 100 cm. A seguir descreveremos de forma detalhada cada um destes instrumentos para a temperatura do ar e do solo. 6.5.1. Temperatura do Ar Para se medir a temperatura do ar podem-se utilizar vários tipos de termômetros. Termômetros de líquido-vidro, que possuem uma estrutura de vidro com substâncias líquidas (mercúrio ou álcool) no seu interior e os termógrafos são normalmente utilizados em estações meteorológicas convencionais, enquanto que os termopares e os termistores são utilizados em estações meteorológicas automáticas. Termômetros = Medidores Todo termômetro que usa uma substância líquida como elemento sensível é constituído de: Órgão Sensível: Dentro do órgão sensível, que no termômetro é chamado de bulbo, encontramos a substância termométrica, geralmente mercúrio ou álcool. Tubo Capilar: É fabricado de vidro, onde a substância termométrica (álcool ou mercúrio) se dilata/contrai com o aquecimento/resfriamento. Dentro dele existe vácuo. Escala: A partir de uma escala graduadae para cada altura atingida é feita a leitura da temperatura. O Brasil segue o Sistema Internacional (SI), assim, a escala é dada em graus Celsius ( o C). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 163 Os tipos de termômetros usados quanto à modalidade de observação nas estações convencionais são classificados como Comum ou Ordinário, de Máxima e de Mínima. # Termômetro Comum ou Ordinário: a. Finalidade: Medir a temperatura do ar no momento da observação. b. Funcionamento: A substância termométrica pode ser o mercúrio ou o álcool. Um exemplo de termômetro ordinário de álcool é aquele que temos em casa geralmente usado para verificar a febre, com o tubo capilar possuindo a cor vermelha ou azul, que é devido a uma anilina colocada no álcool para permitir melhor visualização. O termômetro ordinário encontrado no abrigo meteorológico possui a mesma finalidade. Porém, a substância é o mercúrio, conforme a Figura 6.27. c. Leitura: A leitura do termômetro é feita diariamente em todas as observações (12GMT, 18GMT e 24GMT). d. Instalação: Este termômetro é instalado no abrigo meteorológico ou termométrico, colocado em um suporte apropriado. Figura 6.27. Termômetro ordinário usado para obtenção da temperatura do ar. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 164 # Termômetro de Máxima: a. Finalidade: Medir exclusivamente a maior temperatura ocorrida num dia, que é chamada de temperatura máxima (tx). b. Funcionamento: A substância termométrica usada é o mercúrio. A medida que a temperatura aumenta o mercúrio se dilata e a coluna indica valores sempre maiores. Quando a temperatura diminui a tendência do mercúrio seria de se contrair, porém isso não ocorre, devido a um estrangulamento existente no tubo capilar. Assim, ficará apenas indicada a maior temperatura do dia. c. Leitura: A leitura é feita diariamente às 12:00 GMT e 24:00 GMT (No Brasil: 09h e 21h). d. Manejo: Após a leitura, devemos preparar o aparelho para a próxima observação. Então devemos abaixar a coluna de mercúrio até o valor da temperatura do momento, onde para que isso ocorra temos que rodar (girar) o termômetro. e. Instalação: Este termômetro de máxima é instalado no abrigo meteorológico ou termométrico, colocado num suporte apropriado, quase na horizontal com o bulbo ligeiramente inclinado para mais baixo, para se evitar efeito da gravidade sobre a movimentação da coluna. # Termômetro de Mínima: a. Finalidade: Medir a menor temperatura que ocorre num dia, que é chamada de temperatura mínima (tn). b. Funcionamento: A substância termométrica usada é o álcool. O álcool fica no interior do tubo capilar, onde se encontra uma mini haste de metal em forma de haltere, que é responsável pela indicação na escala da menor temperatura do dia (a parte do haltere que fica mais afastada do bulbo é aquela que faz a indicação). O álcool se contrai pela diminuição da temperatura e o menisco da coluna de álcool carrega consigo o haltere. Quando a temperatura aumenta, o álcool se dilata, porém não leva o haltere. Assim, ele ficará sempre marcando a menor temperatura ocorrida. c. Leitura: A leitura é feita diariamente às 12:00 GMT e 24:00 GMT (No Brasil: 09h e 21h), devendo se desprezar a maior das leituras. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 165 d. Manejo: Após a leitura, devemos preparar o aparelho para a próxima observação. Então devemos arrastar o haltere para o fim da coluna de álcool (temperatura do momento), onde colocando o bulbo do termômetro para cima se consegue isso. e. Instalação: Este termômetro de mínima é instalado no abrigo meteorológico ou termométrico, colocado em um suporte apropriado sempre na horizontal, para se evitar efeito da gravidade sobre a movimentação da coluna. Na Figura 6.28 está mostrada a disposição dos termômetros de máxima e de mínima. Figura 6.28 - Termômetros de Máxima e de Mínima. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Quando não se necessita de maior precisão nas medidas, pode-se utilizar um termômetro conjugado de máxima e mínima, tipo Six (Figura 6.29). É um aparelho de baixo custo, mas com menor precisão que os termômetros acima citados. Ele é colocado verticalmente, e tem forma de U, contendo mercúrio na parte de baixo do U e álcool acima, em cada lado, tendo uma interface mercúrio-álcool em cada lado. Um lado marca a temperatura máxima, e o outro a mínima. Como os líquidos se movimentam livremente, são necessários dois indicadores, um para a temperatura máxima, e outro para a mínima. Os indicadores são ajustados aos capilares de tal modo que eles não se movimentam com a ação da gravidade. A variação de temperatura só deslocam os líquidos para cima. Esses indicadores são movimentados pelas colunas de mercúrio, mas ficam imersos no álcool, e são imantados para permitir seu deslocamento forçado após as observações. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 166 Figura 6.29. Termômetro conhecido como Six. Fonte: http://climageo.no.comunidades.net/index.php?pagina=1066282763. O lado da máxima termina num reservatório parcialmente cheio com álcool, para permitir a dilatação dos líquidos. O lado da mínima termina num reservatório totalmente cheio com álcool. Quando há elevação da temperatura, há dilatação tanto do mercúrio como do álcool, e há movimentação em direção ao reservatório parcialmente vazio (único caminho possível). Com esse movimento, o indicador da temperatura máxima é levado também para cima (lado parcialmente cheio). Quando há resfriamento, tanto o mercúrio como o álcool se contraem, mas o álcool se contrai mais, e a movimentação das colunas agora é em direção ao reservatório totalmente cheio de álcool. Esse lado marca a temperatura mínima. Pares Termoelétricos ou Termopares = Medidores O princípio físico de um termopar é o mesmo utilizado nos sensores de radiação solar. No caso do termopar, uma das junções (união de dois metais diferentes) é colocada no abrigo meteorológico, enquanto outra junção (tomada como referência) é colocada num sistema cuja temperatura é conhecida (temperatura de referência, normalmente medida em gelo fundente ou com termistor). Essa diferença de temperatura entre as duas junções gera uma força eletromotriz (f.e.m.) proporcional a ela, permitindo ótima precisão e sensibilidade de medida. Com uma constante de calibração o valor da f.e.m. é transformado em temperatura (Figura Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 167 6.30). No caso apresentado, os metais são o cobre e o constantan. Uma vantagem desse tipo de termômetro é que eles geram sinais elétricos que podem ser registrados ou armazenados em sistemas automatizados de aquisição de dados; outra vantagem é permitir miniaturização. Figura 6.30 - Termopar de cobre-constantan. Fonte: Pereira et al. (2000). Na Figura abaixo (Figura 6.31) vemos sondas de termopar, nas quais uma junção é o sensor e a outra junção se encontra conectada ao sistema de aquisição de dados (referência). Figura 6.31. Sondas de termopares. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Termômetros de Resistência Elétrica ou Termistores = Medidores Os termômetros de resistência elétrica baseiam-se no princípio de que a resistência elétrica de materiais varia com a temperatura do meio em que eles estão imersos. Os metais utilizados para construção desses termômetros são o níquel, a platina, o tungstênio e o cobre. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ168 Eles são constituídos de material semicondutor, com coeficiente térmico negativo (variação da resistência com a temperatura, ou seja, maior a temperatura, menor a resistência). Na Figura 6.32 estão mostrados vários tipos de termistores, enquanto que a Figura 6.33 apresenta uma sonda de medida da temperatura, cujo elemento sensor é um termistor. Figura 6.32. Vários tipos de termistores. Fonte Sentelhas & Angelocci, 2009. Figura 6.33. Sonda de temperatura usando termistor. Fonte: Sentelhas & Angelocci, 2009. Como os termistores são constituídos de material semicondutores e de pequeno tamanho permitem acoplamento em sistemas automatizados de coleta de dados, como em estações meteorológicas automáticas (Figura 6.34). Figura 6.34. Imagem mostrando o local onde está localizado o sensor de temperatura em uma estação meteorológica automática. Fonte: Pereira et al. (2000). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 169 Termógrafo - Registrador O Termógrafo (Figura 6.35) instrumento baseia-se no princípio de que um sólido ao se aquecer sofre dilatação proporcional ao aquecimento. a. Finalidade: Registrar a temperatura do ar, fornecendo informação gráfica e contínua de todas as variações da temperatura durante um período específico (dia ou semana). b. Constituição: Há vários modelos, porém, todos possuem a mesma construção básica: Órgão Sensível: Tipos: (i) Haste metálica em forma de anel: Normalmente fabricada de bronze e no seu interior existe álcool. (ii) Haste bimetálica: Haste feita com dois metais diferentes, unidos por forte pressão. Mecanismo de registro: É composto de um tambor de relojoaria, pena e diagrama. O diagrama do termógrafo é chamado de termograma. Ele pode ser diário ou semanal em função da duração das cordas do tambor de relojoaria. c. Instalação: O termógrafo é instalado no abrigo meteorológico ou termométrico. Figura 6.35. Partes constituintes de um termógrafo. Fonte: Sentelhas & Angelocci (2009). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 170 6.5.2. Temperatura do Solo A temperatura no interior do solo é medida com geotermômetros do tipo de dilatação de mercúrio. Os termopares e termistores também podem ser utilizados para a medida da temperatura do solo. Geotermômetro - Medidor Para se medir a temperatura do solo são usados termômetros especiais, denominados de geotermômetros (Figura 6.36). Esses termômetros têm vários tamanhos, que dependem da profundidade que se quer medir a temperatura. São utilizados os geotermômetros, cujo elemento sensível é o mercúrio, que tem como princípio de medida a dilatação de um líquido. Além deles podem-se utilizar outros tipos de elementos sensíveis, como os termopares e os termistores (Figura 6.37). Figura 6.36. Geotermômetros instalados em gramado (à esquerda) e em solo desnudo (à direita). Fonte: Pereira et al. (2000). Figura 6.37. Sensor automático (termistor) para medida da temperatura do solo. Fonte: Pereira et al. (2000). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 171 São termômetros normais de mercúrio, mas como o bulbo sensor fica enterrado, a coluna contendo a escala de leitura é inclinada para facilitar a leitura. No caso de medidas acima de 50 cm de profundidade, usa-se um termômetro envolvido por uma haste de madeira, com contato mínimo entre o termômetro e a haste, que pode ser removido para se fazer a leitura. Eles são instalados ao ar livre, normalmente formando “baterias de geotermômetros”, conforme Figura 6.38. Figura 6.38 - Bateria de geotermômetros instalados a profundidades diferentes. Fonte: Bíscaro (2007). Segundo a Organização Meteorológica Mundial (OMM), para medida padrão em estações meteorológicas, os geotermômetros devem ser instalados a 2, 5, 10, 20, 50 e 100 cm de profundidade em superfície gramada ou de solo desnudo. Contudo, quando há falta de equipamento, é recomendando que seja instalado a 10 cm de profundidade. Para a fixação dos geotermômetros são usados suportes em forma de triângulo, normalmente de madeira, perfazendo um ângulo de 120º entre a escala e a haste do elemento sensível, conforme é mostrado na figura abaixo (Figura 6.39). O geotermômetro deve ser instalado de modo que a escala de leitura esteja orientada para Sul, no caso do nosso Hemisfério (H.S.). Assim, a estrutura receberá uma menor quantidade de radiação solar incidente sobre o instrumento, evitando o seu aquecimento e erros de medida. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 172 Figura 6.39. Desenho de um geotermômetro visto de perfil. Fonte: Bíscaro (2007). Geotermógrafo - Registrador # Finalidade: Registrar a temperatura do solo. # Constituição: Seu órgão sensível é um bulbo de aço preenchido com mercúrio ligado a uma cápsula deformável (Figura 6.40). # Instalação: Ele é instalado ao ar livre Figura 6.40 - Imagem mostrando o Geotermógrafo. Fonte: Pereira et al. (2000). Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 173 6.6. Redução da temperatura do ar ao Nível Médio do Mar (NMM) A altitude e a temperatura do local em que ela é medida são grandezas inversamente proporcionais, pois quando a altitude aumenta a temperatura ambiente diminui. Por conta disto, para cada 100 m que ascendemos na atmosfera, a temperatura do ar diminui de: 0,65 º C: em média para a atmosfera úmida; 0,98 º C: para a atmosfera seca. Caso não se saiba o estado da atmosfera usa-se o valor médio: 0,8ºC/100m. 6.7. Cálculo da Temperatura Média Diária do Ar Em vista dos instrumentos usados nas estações meteorológicas convencionais existem diversas formas de se obter a temperatura do ar média diária (ºC), como segue. a) Usando 24 leituras horárias (usando o termógrafo): 24 ... 2421 tttt em que, t é a temperatura do ar no horário i (1, 2,..., 24 h) (ºC). b) Utilizando o modelo do Instituto Nacional de Meteorologia - INMET (termômetros ordinário, máxima e mínima): 5 2 219 nx ttttt em que, t9 e t21 são, respectivamente, as temperatura do ar nos horários de 9 e 21 h e tx e tn são, respectivamente, as temperaturas do ar máxima e mínima diária (ºC). c) Utilizando três leituras diárias (termômetro ordinário): 4 2 21159 tttt em que, t15 é a temperatura do ar no horário das 15 h. d) Utilizando as temperaturas do ar extremas (termômetro de máxima e mínima): 2 nx ttt Com as leituras das temperaturas máxima e mínima pode-se obter a amplitude térmica como segue: nx ttA Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 174 Referências do Capítulo BERGAMASCHI, H. & GUADAGNIN, M.R., 1993. 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Resposta: Ele é importante para determinar as condições de estabilidade atmosférica. Depende da concentração de vapor d´água. 2) O que determina o regime térmico do solo? Resposta: Aquecimento da superfície pela radiação solar e transporte por condução de calor sensível e para seu interior. 3) Quantos e quais são os fatores determinantes da temperatura do solo? Dê exemplos para cada um deles. Resposta: São dois: Fatores externos: exemplo: radiação solar, temperatura do ar, chuva, vento, etc.; Fatores intrínsecos: exemplo: tipo de solo, relevo, cobertura do terreno e vegetal. 4) Quais os métodos usados para modificar a temperatura do solo? Resposta: # Regular o recebimento ou a perda de energia; # Alterar as propriedades térmicas da superfície. 5) O que é Graus-Dias? Resposta: É a quantidade de calor efetivamente acumulada durante o dia e que é favorável ao crescimento do vegetal. Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 177 Práticos 6) Deseja-se saber qual foi a temperatura média do ar de um dia, usando as fórmulas possíveis, cuja temperatura máxima foi de 32º C e a mínima 18,6º C. A temperatura das 09h, 15h e 21h foram respectivamente 22º C, 28,5º C e 25,2º C. i) 5 6,18322,25222 t 5 123 t Ct o6,24 ii) 4 2,2525,2822 t 4 9,100 t C,t o225 iii) 2 6,1832 t 2 6,50 t Ct o3,25 7) Um lugar situado a 850 m de altitude apresentou em certo dia a temperatura média de 19,5º C. Sabendo-se que a temperatura das 09h foi de 19º C, das 15h foi de 21º C, das 21 h foi de 17,5º C e a máxima foi de 28º C, pergunta-se: (a) Qual a amplitude de temperatura neste dia, usando o modelo mais correto? (b) Qual seria a temperatura média se o local estivesse ao NMM? (c) Qual seria a temperatura das 15h se o local estivesse situado a 200 m de altitude? a) 5 285,17219 5,19 n t 5 82 5,19 n t nt 825,97 825,97 nt Ct on 5,15 5,1528A CA o5,12 b) Usando o valor médio do estado da atmosfera: -0,8º C 100m. Fazendo uma regra de três: xm m 8,0 850 100 100 680 x Cx o8,6 Ao NMM: xttNMM 850 8,65,19 NMMt Ct oNMM 3,26 c) mx 650200850 xm m 8,0 650 100 100 520 x Cx o2,5 t15h para 200m: 2,52120015 mht Ct omh 2,2620015 8) Determine os graus-dias acumulados durante o ciclo (Fevereiro-Abril) para certa cultura, sabendo que sua temperatura base (tb) é de 7,5°C, e que as temperaturas médias mensais durante o ciclo foram: Fevereiro = 24,5°C, Março = 22°C, Abril = 20,5°C. b nx fev t tt GD ) 2 ( bfevfev ttGD gdGDfev 175,75,24 bmarmar ttGD gdGDmar 5,145,722 babrabr ttGD gdGDabr 135,75,20 abrmarfevciclo GDGDGDGD GDGDciclo 5,44135,1417 Apostila de Meteorologia Básica - IF 111 – 2013 – DCA/IF/UFRRJ 178 Exercícios Propostos 1) Quais são os principais fatores que tem influencia nas propriedades térmicas do solo? 2) Cite todos os processos que influenciam na temperatura do solo. 3) Como ocorre a variação da temperatura do solo anualmente? 4) Quais os fatores determinantes da temperatura do ar? 5) Calcular a amplitude de variação da temperatura do ar obtida em um dia cujas temperaturas às 12, 18 e 24 horas GMT foram respectivamente: 19,2º C, 16,0 o C e 17,4º C. A média foi de 19,2º C e a mínima foi de 14,2º C, onde esses dados forem coletados em uma estação há 700 m. A que temperaturas corresponderiam cada um dos valores dados acima se estas observações fossem feitas em um NMM? 6) Sabendo-se que a temperatura base (tb) da ervilha é 7ºC e que as temperaturas do ar médias (máxima e mínima) foram, respectivamente, de 19ºC e 8ºC, quantos “graus-dias” foram acumulados em 14 dias?
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