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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL DISCIPLINA: Bioclimatologia (ENR 7404) Capítulo: Radiação e Balanço de radiação Prof. Rosandro Boligon Minuzzi E-mail: rbminuzzi@cca.ufsc.br www.labclimagri.ufsc.br Telefone: 3721-5484 “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 2 1. Introdução Denomina-se radiação ou energia radiante, à energia que se propaga sem necessidade da presença de um meio material. O termo radiação é igualmente aplicado para designar o próprio processo de transferência deste tipo de energia. A radiação solar é a maior fonte de energia para a Terra, sendo também o principal elemento meteorológico, pois é ela que desencadeia todo o processo meteorológico afetando todos os outros elementos (temperatura, pressão, vento, umidade, etc). A energia radiante do Sol é um elemento fundamental em estudos ecológicos e de disponibilidade energética, pois a maior parte da energia disponível na Terra tem origem na radiação solar. 1.1. Radiação eletromagnética (REM) O fluxo de radiação eletromagnética, ao se propagar pelo espaço, pode interagir com superfícies ou objetos, sendo por estes refletido, absorvido e/ou reemitido. Este fluxo depende fortemente das propriedades físico-químicas dos elementos irradiados. A radiação eletromagnética (REM) é definida como sendo a forma de energia que se move à velocidade da luz (300.000 km/s no vácuo), seja em forma de ondas ou de partículas eletromagnéticas, e que não necessita de um meio material para se propagar. Pode ser descrita em termos de velocidade (c), comprimento de onda (λ) e freqüência (f). O produto da freqüência pelo comprimento de onda, fornece a velocidade da luz. c= λ.f Para um mesmo meio, a freqüência (Hertz) corresponde ao número de vezes que uma onda passa por um ponto do espaço num determinado intervalo de tempo. O comprimento de onda indica a distância entre dois pontos semelhantes de onda e geralmente é expresso em metros (Figura 1). Figura 1. Ilustração de uma onda eletromagnética. A equivalência das unidades entre as diferentes unidades pode ser verificada a seguir: Comprimento de onda (λ) Metros (m) = 1 m Centímetro (cm) = 0,01 m = 10-2m Milímetro (mm) = 0,001 m = 10-3m Micrômetro (µm) = 0,000001 m = 10-6m “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 3 Nanômetros (nm) = 0,000000001 m = 10-9m Freqüência (ciclos por segundo) Hertz (Hz) = 1 Hz Kilohertz (KHz) = 1000 = 103Hz Megahertz (MHz) = 1000000 = 106Hz A representação contínua da REM em termos de comprimento de onda, freqüência ou energia é denominada de espectro eletromagnético, conforme pode ser verificado na Figura 2. Figura 2. Representação do espectro eletromagnético. O espectro eletromagnético é subdividido em faixas, que representam regiões possuindo características peculiares em termos de processos físicos geradores de energia, ou mecanismos físicos de detecção desta energia. Percebe-se que o comprimento de onda e a freqüência são inversamente proporcionais, ou seja, a medida que o comprimento de onda aumenta, a freqüência diminui e vice-versa. Embora o limite de cada faixa espectral não seja bem definido, as seguintes regiões podem ser destacadas: ultravioleta, visível e infravermelho. Radiação Ultravioleta: são radiações compreendidas na faixa espectral de 0,003 a 0,4µm. São produzidas durante as reações nucleares no Sol. Entretanto, ao atingir o topo da atmosfera terrestre, elas são quase totalmente absorvidas pelo gás ozônio (O3). Radiação Visível: radiações compreendidas na faixa espectral de 0,39µm a 0,70µm. É a faixa perceptível aos olhos humanos. Quando se decompõe a luz branca por um processo qualquer, por exemplo, através de um prisma ou gotícula de água, o que se observa é que uma cor contém várias radiações eletromagnéticas de comprimentos de onda diferentes (diferentes freqüências). Dentro da faixa do visível, o olho humano consegue diferenciar as seguintes cores: violeta (0,39 – 0,45µm), azul (0,45 – 0,50µm), verde (0,50 – 0,54µm), amarelo (0,54 – 0,59µm), laranja (0,59 – 0,65µm) e vermelho (0,65 – 0,70µm). Esses intervalos são aproximados, pois não há limites nítidos entre as cores. Radiação Infravermelha (IV): são radiações eletromagnéticas cujos comprimentos de onda variam de 0,7 a 1000µm. Às vezes, essas radiações recebem a denominação de radiação térmica, pois são responsáveis pela variação da temperatura do ar. Esta radiação está dividida em três faixas espectrais: IV próximo (0,7 a 1,1µm), IV médio (1,1 a 3,0µm) e IV distante (3,0 a 1000µm). “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 4 As radiações com comprimento de onda superior a 0,70µm, por apresentar freqüência menor do que a luz vermelha, são ditas infravermelhas, e as radiações com comprimento de onda menor do que 0,39µm (freqüência superior à da luz violeta) são denominadas ultravioletas. A divisão das faixas do espectro é importante para a adequação ou ambientação das plantas em diferentes locais do planeta. Além disso, em ambientes protegidos (casa de vegetação) onde a radiação solar precisa ser complementada por outra fonte de energia, considerando que em alguns lugares o número de horas de brilho solar é pequeno, lâmpadas incandescentes são usadas para a geração de radiação na faixa do espectro correspondente ao vermelho e ao amarelo e, algumas vezes na faixa do infravermelho próximo e pequenas quantidades na faixa do azul e do violeta. 1.2. Leis da radiação Para explicar a REM emitida pelos corpos, foi necessário criar uma superfície padrão ou ideal para comparação. Tal superfície ideal é denominada corpo negro, definido como sendo uma superfície que absorve toda a radiação nela incidente (ρ= 1), independentemente do comprimento de onda. Embora seja uma abstração física, o corpo negro tem uma importância fundamental, pois em algumas faixas do espectro, muitos corpos reais se comportam como se fosse um corpo negro. Porém, se o corpo é capaz de absorver somente parte da radiação incidente, é chamado de corpo cinza ou opaco. As leis a seguir procuram descrever o comportamento de um corpo negro. 1.2.1. Lei de Kirchhof Quando a radiação incide sobre uma superfície, parte dessa radiação incidente (I) pode ser refletida (Ir), absorvida (Ia) e transmitida (It). Desta forma, pode-se definir: Refletividade (α): fração da radiação incidente refletida (Ir / I). Absortividade (ρ): fração da radiação incidente absorvida pela superfície atingida (Ia / I). Transmissividade (τ): fração da energia incidente que passa através da superfície (It / I). Com relação a radiação emitida, pode-se então definir: Emissividade (Ɛ): razão entre a radiação emitida de um corpo cinza e a de um corpo negro a uma dada temperatura. Se um corpo qualquer tem emissividade de 0,5, significa que ele emite somente metade da radiação que seria emitida por um corpo negro em condições similares. Exemplos: areia ε=0,90; madeira ε=0,90; grama ε=0,90; solo seco ε=0,92; solo úmido ε=0,95; água ε=0,92 a 0,98. 1.2.2. Lei de Stefan-Boltzmann A potência da radiação emitida por um corpo negro é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta: Eb= σ.T4 (W/m²) “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 5 sendo σ= 5,6697x10-8 (W/m²K4) a constante de Stefan-Boltzmann, e T, a temperatura em Kelvin (K= T(°C)+273,15). No caso do corpo em questão ser um corpo cinza, a lei de Stefan-Boltzmann éescrita como: Eb=ε σ.T4 (W/m²) onde, ε é a emissividade do corpo para todos os λ (no caso de corpo negro ε=1). 1.2.3. Lei de Planck A quantidade de radiação eletromagnética emitida (E) por um corpo depende da sua temperatura superficial e do comprimento de onda. Todo corpo cuja temperatura esteja acima de - 273°C emite radiação. mm W e aE T b µ λ λ 2 5 1)( − = em que a= 3,74134x108, b= 1,4388x104, e λ é o comprimento de onda da radiação (µm). Empregando a equação da lei de Planck, é possível traçar a curva da potência emissiva de uma dada superfície, de acordo com o comprimento de onda (λ), desde que essa superfície comporte- se como um corpo negro nessa faixa de onda. Por exemplo, a epiderme dos animais comporta-se como um corpo negro na faixa da radiação térmica. Supondo-se que um animal desprovido de pêlos apresente uma temperatura cutânea de 35°C, a potência emissiva da sua epiderme nos diversos comprimentos de onda da REM pode ser estimada, plotando-se os resultados como na Figura 3. Figura 3. Potência emissiva (W/m²) da superfície epidérmica de um animal, que se encontra a 35°C, conforme o comprimento de onda (µm). 1.2.4. Lei de Wien Permite determinar o comprimento de onda de maior emissão de radiação por um corpo (λmax), para uma determinada temperatura, ou seja, determinar qual é o comprimento de onda em que a radiação emitida é máxima. Esta lei é expressa pela seguinte equação: T 2897 max =λ “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 6 onde, T é a temperatura absoluta (K). Exemplo 1: Considerando que a temperatura do Sol é de 5780 K e a da Terra seja de 287,5 K e substituindo na equação da lei de Wien: Teremos: λmax= 0,5µm – radiação de ondas curtas, espectro visível (para o Sol); λmax= 10µm – radiação de ondas longas, espectro infravermelho (para a Terra). Figura 4. Espectro eletromagnético com indicação do comprimento de onda de maior emissão de radiação pelo Sol e pela Terra. Exemplo 2: Um solo com pastagem possui temperatura de 35°C. Determine a potência emissiva, o comprimento de onda no qual ocorre a máxima potência emitida e a potência emitida no comprimento de onda de 3,0µm. Considere a ε=0,92. a) aplicando a lei de Stefan-Boltzmann: Eb=ε σ.T4 Eb= 0,92 . 5,6697x10-8 (ou 0,000000056697) . (308,15 K)4 Eb≈ 470,32 W/m² b) aplicando a lei de Wien: T 2897 max =λ 15,308 2897 max =λ mµλ 4,9max = c) aplicando a lei de Plank: − = 1)(5 T b e aE λλ − = 1)(0,3 1074134,3 15,308*0,3 104388,1 5 8 4 x e xE ( )1)(243 1074134,3 56,15 8 − = e xE E≈0,27 W/m²µm IMPORTANTE: A radiação solar que não é espalhada ou refletida de volta para o espaço, é absorvida pelo sistema Terra-Atmosfera. Esta energia é convertida, primeiramente, em energia interna, podendo ser transformada depois, em energia potencial, calor latente e/ou energia cinética. Por outro lado, a energia radiante é também emitida pela superfície da terra e pelos gases atmosféricos, mas em “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 7 comprimentos de onda maiores, em relação à radiação solar. Assim, vemos que a radiação terrestre é a radiação emitida pelo sistema Terra-Atmosfera, estando compreendida na região das ondas longas (0,76 a 100µm). 1.3. Conceitos fundamentais 1.3.1. Irradiância É a quantidade de radiação que incide sobre uma superfície, por unidade de área. Pode ser expressa em W/m², mW/cm², cal/cm²min. 1.3.2. Emitância É a quantidade de radiação que deixa determinada superfície (emitida e não refletida) por unidade de área, podendo ser expressa em W/m², mW/cm², cal/cm²min. 1.3.3. Radiância É a quantidade de radiação que deixa determinada superfície por unidade de área em uma direção de medida. A radiância inclui tanto a radiação emitida como a radiação refletida pelos alvos. 1.3.4. Radiação fotossinteticamente ativa (RFA ou PAR) É a radiação solar com comprimentos de onda entre 0,40 e 0,70µm do espectro solar e a sua intensidade e disponibilidade está diretamente relacionada com a produção fotossintética das plantas. 2. Interação da radiação solar com a atmosfera terrestre O fluxo total de energia solar no topo da atmosfera é de aproximadamente 1400 W/m², o que equivale a 2,0 cal/cm²min. Entretanto, quando a radiação solar penetra na atmosfera terrestre, sofre atenuações causadas por espalhamento e absorção pelos constituintes atmosféricos, por partículas dispersas e nuvens. 2.1. Espalhamento É um processo físico que resulta da obstrução das ondas eletromagnéticas por partículas existentes nas suas trajetórias ao penetrarem na atmosfera terrestre. Essa obstrução pode ser tanto da energia incidente quanto da energia re-irradiada (refletida). Neste processo, a energia é dispersada em todas as direções, como se a partícula tivesse se transformado em uma nova fonte de energia, ou seja, não há perda de energia radiante. A intensidade e a direção do espalhamento depende fortemente da razão entre os diâmetros das partículas presentes na atmosfera e do comprimento de onda da energia eletromagnética incidente e/ou re-irradiada. 2.2. Absorção atmosférica O processo de absorção ocorre quando a soma da energia espalhada com a energia transmitida é menor que a energia incidente. A energia absorvida, causadora dessa diferença, pode alterar a temperatura, a composição química e inúmeras outras propriedades da partícula. Na “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 8 atmosfera, os principais agentes absorvedores são o vapor d’água e dióxido de carbono, responsáveis pela absorção da radiação na região do infravermelho e microondas, e o ozônio, responsável pela absorção na região do ultravioleta (Figura 4). A Figura 5 mostra um resumo da absorção realizada por diferentes constituintes atmosféricos. Percebe-se que a atmosfera é praticamente transparente (absorção nula) à radiação solar na faixa de 0,3 a 0,8µm (faixa do visível). Sendo a atmosfera praticamente transparente à radiação solar e praticamente opaco à radiação terrestre o efeito resultante é denominado ‘efeito estufa’. As nuvens (vapor d’água ou H2O), exercem papel importantíssimo no balanço de radiação do Planeta. Elas refletem intensamente a radiação solar, e absorvem, também, intensamente a radiação terrestre. Desta forma, a presença de nuvens impedirá a ocorrência de grande aquecimento diurno, assim como, a ocorrência de grande resfriamento noturno. Figura 5. Espectros de absorção para o vapor d’água (H2O), gás carbônico (CO2), ozônio (O3), O2, N2O e para toda a atmosfera. 3. Irradiância Solar Direta (Idir), Difusa (Idif) e Global (Rg) Vimos que a radiação solar, ao atravessar a atmosfera, interage com a mesma, e parte dessa radiação é espalhada nas outras direções, além daquela de incidência. A parcela da energia radiante incidente no “topo” da atmosfera, e que “chega diretamente” à superfície do solo, é chamada radiação direta, e a densidade de fluxo correspondente a tal radiação é denominada irradiância solar direta (Idir). A outra parcela de energia radiante proveniente das demais direções, constitui a irradiância “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 9 solar difusa (Idif). Por exemplo, num dia com céu totalmente encoberto (nublado) haverá o predomínio apenas da Idif. Para a estimativa de Rg em determinado instante do dia, pode-se utilizar a equação abaixo: Rg= Idir . cos z + Idif onde z, é o ângulo zenital dosol. Em muitos projetos de engenharia é necessário conhecer a irradiância solar global diária sobre a superfície horizontal ao nível do solo. Dentre as diversas expressões empíricas apresentadas na literatura para estimar a irradiância solar global, a de uso mais difundido é aquela proposta em 1924, por Angström, e mais tarde modificada por Prescott, isto é: )/()].(.[ 2mMJ N nbaRR og += em que, Ro é a irradiância solar global diária no topo da atmosfera (MJ/m²); a e b são coeficientes empíricos, obtidos estatisticamente para uma determinada localidade; n é a duração do brilho solar observado no dia (horas); e N é o fotoperíodo (horas). Fotoperíodo (N): é a duração do período diurno (comprimento do dia), ou seja, é o intervalo (em horas) entre o nascer e o pôr do Sol. Os animais domésticos podem estar enquadrados em categorias específicas, de acordo com a influência das estações do ano (diferentes fotoperíodos). Aves e cavalos, por exemplo, tendem a ter seu processo reprodutivo desencadeado na primavera, quando o fotoperíodo natural está aumentando (chamados reprodutores de dias longos). Por isso, na indústria avícola, o manejo de luz tem sido aplicado com sucesso para aumentar a quantidade de ovos produzidos e a produção de aves pesadas. Outra influência importante do fotoperíodo é na mudança de penas nas aves, que geralmente ocorre uma vez por ano, no outono. Carneiros e cabras são reprodutores de dias curtos, pois o processo ocorre geralmente no outono. “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 10 Tabela 1. Irradiância solar (MJ/m²) interceptada no topo da atmosfera no 15º dia de cada mês. Tabela 2. Duração do fotoperíodo (horas) do dia 15 de cada mês para diversas latitudes. Para localidades que não possuem os coeficientes a e b, e que estejam entre as latitudes de 0° a 60°, foi elaborado estimativas para os coeficientes: a= 0,29 . cosΦ e b= 0,52 sendo Φ a latitude do local. Exemplo: Determinar a irradiância solar global diária (Rg), para o dia 15 de janeiro e numa localidade na latitude de 14°00’ Sul. Considere a insolação do dia de 8,4h. “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 11 Solução: a= 0,29 . cos(-14°) = 0,28 b= 0,52 )](*[* N nbaRR og += 2/38,25)] 7,12 4,8(*52,028,0[*69,40 mMJRg =+= 3.1. Irradiância solar difusa Um objeto sombreado da luz solar direta seria iluminado pela radiação espalhada (difusa) e não ficaria no escuro. Nas altas latitudes a irradiação difusa é muito importante. Nas latitudes médias, pode contribuir com 30 a 40% da irradiação solar global. Os efeitos biológicos da irradiação difusa podem ser consideravelmente mais significantes do que o valor de sua energia. Por exemplo, a difusa penetra na comunidade vegetal mais efetivamente do que a irradiação direta. O animal pode estar na sombra de uma árvore, em campo aberto, isso significaria que ele não recebe radiação solar direta, mas a irradiância difusa e a refletida podem atingi-lo numa proporção de cerca de 40%. 4. Influência da radiação nos animais 4.1. Radiação e conforto térmico É inquestionável que as trocas térmicas por radiação entre os animais e seu meio ambiente assumem uma importância fundamental em climas tropicais. Em muitos casos, constituem a diferença entre um ambiente tolerável e outro insuportável. As fontes de radiação térmica que rodeiam um animal são constituídas pelo sol, abrigos, cercas, solo, edifícios, enfim, todo e qualquer objeto ou superfície, cuja temperatura esteja acima do zero absoluto (0°K ou -273°C). Na Figura 6 algumas dessas fontes são indicadas para animais em campo aberto. Observamos que um animal pode trocar energia térmica por radiação com um número considerável de corpos diferentes, alguns dos quais constituídos por superfícies não físicas ou apenas virtuais, como o céu aberto. Para que se possa quantificar a radiação trocada pelo animal, temos de reduzir essa complexidade estrutural do ambiente a uma superfície padrão, única, o que se consegue supondo que o animal esteja no centro de um envoltório esférico infinitamente grande, cuja superfície interna seja um corpo negro mantido a uma temperatura conhecida como temperatura radiante média (TRM). A TRM é a temperatura média do conjunto de todas as superfícies reais e virtuais ao redor de um animal em um dado local. Normalmente, as trocas radiantes em construções são quantificadas pela carga térmica radiante (CTR), cujo cálculo se baseia na TRM e expressa a radiação total recebida pelo corpo, neste caso um globo negro, de todo o ambiente: CTR = σ . TRM4 “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 12 em que CTR é a carga térmica de radiação (W/m²); σ é a constante de Stephan-Boltzmann (W/m²K4); e TRM é a temperatura radiante média (K). Figura 6. Fontes de radiação sobre um animal em campo aberto: a) radiação direta; b) radiação de ondas curtas refletida pelas nuvens; c) radiação atmosférica; d) radiação de ondas curtas; e) radiação de ondas longas emitida por corpos e objetos vizinhos; f) radiação de ondas longas emitida pelo solo; g) radiação de ondas curtas refletida pelo solo (Fonte: Silva, 2000). ( ) )( 100 51,2100 4/14 KTTTUTRM g +−= em que, U é a velocidade do vento (m/s); Tg é a temperatura do globo negro (K); e T é a temperatura do ar ou do bulbo seco (K). O termômetro de globo de Vernon, também conhecido como globo negro, termômetro de globo ou globo-termômetro (ver item 5) é o aparelho usado para a obtenção de Tg. A temperatura indicada pelo globo, que é colocado no lugar que um animal ocuparia no espaço, provê uma estimativa dos efeitos combinados da energia térmica radiante procedente do meio ambiente em todas as direções possíveis, da temperatura do ar e da velocidade do vento, dando assim uma medida do conforto térmico proporcionado pelo ambiente nessas determinadas condições, desde que se suponha não haver trocas térmicas por evaporação entre o ambiente e o animal considerado. 4.2. Importância das características da capa externa A capa externa dos animais terrestres, constituída pelo pelame (conjunto de pêlos) ou velo (capa de lã) nos mamíferos, e penas e penugem nas aves, assume uma importância fundamental para as trocas térmicas entre o organismo e o ambiente. Nas regiões circumpolares e durante o inverno nas regiões temperadas, a função do isolamento térmico do pelame predomina e é “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 13 particularmente importante; nas regiões tropicais, a capa externa dos animais assume funções mais ligadas à proteção mecânica da epiderme, ao mimetismo1 e à proteção contra a radiação solar. Wright (1954) menciona a chamada regra de Wilson, segundo a qual há um gradiente entre os diversos tipos de pelame espesso e lanoso dos animais de climas frios, e os tipos de pêlos curtos, grossos e assentados dos animais de climas quentes. Tais contrastes representariam adaptações óbvias ao tipo de clima e poderiam ocorrer mesmo dentro de uma mesma raça, entre animais criados em diferentes ambientes. 4.3. Radiação e pigmentação térmica A importância da pigmentação e de outras características do pelame para as trocas térmicas radiantes nos animais tem sido objeto de considerável discussão. Geralmente aceita-se que animais com pelame escuro estejam mais sujeitos ao estresse de calor que os de pelame claro. Em geral, considera-se que uma capa de pigmentação escura apresenta maior absorvidade para a radiação solar de ondas curtas e, portanto,armazena maior quantidade de energia térmica, resultando em maior estresse para os animais do que uma capa de coloração clara (que representaria maior refletividade). A Tabela 3 mostra os resultados encontrados de absorção em diferentes cores de pelame de raças bovinas. Tabela 3. Cor do pelame e absorção média de calor proveniente da radiação (Fonte: Muller, 1982). Raça Cor do pelame Absorção média (%) White Zebu Simental Africânder Sussex Aberdeen Angus Branca Cremoso Vermelho Vermelho escuro Preta 49 50 78 83 89 Hutchinson e Brown (1969) desenvolveram sua pesquisa considerando comprimentos de onda entre 0,1 e 2,2µm (abrangendo desde a radiação ultravioleta até a infravermelha). O material era constituído por amostras de pele bovina seca, cobertas com pelame de diversas espessuras e cores. Os resultados mostraram que os pelames brancos, densos e acamados foram os mais reflectantes à radiação ultravioleta, seguindo-se pelames brancos menos densos e mais eretos. Pelames negros foram os mais absorventes nessa faixa e também na faixa de luz visível, sem grandes diferenças quanto à morfologia da pelagem. A Tabela 4 mostra esses resultados. Tabela 4. Absorvidade de pelames bovinos à radiação entre 0,31 e 2,1µm. Medidas feitas nos pelames in situ. Tipo de pelame Absorvidade Branco, muito denso, bem assentado Branco, denso e ereto 0,45 0,54 1 Capacidade que têm certos animais e plantas de adaptar-se à cor do ambiente. “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 14 Branco, pouco denso e bem ereto Marrom, pouco denso, pêlos inclinados Marrom, lanoso, pêlos inclinados Negro, denso, assentado Negro, pouco denso, ereto 0,58 0,81 0,84 0,91 0,92 A conclusão que pode ser tirada é que embora uma capa de coloração clara seja mais reflectante, para que essa vantagem seja efetiva os elementos da capa (pêlos, penas) devem ser densamente distribuídos e posicionados em ângulo baixo sobre a epiderme, de modo a minimizar a transmissão das ondas curtas através da capa. Em ovinos, a superfície do velo absorve energia térmica durante o dia e a elimina por radiação durante as noites claras, resultando na condensação de água sobre o velo quando sua temperatura atinge o ponto de orvalho. 4.4. Radiação térmica no interior de abrigos Quando se constrói um abrigo ou uma instalação qualquer para os animais, leva-se em consideração apenas a economia na construção, a aparência arquitetônica, a adequação a rotinas de trabalho ou de higiene. Em um incidente ocorrido na Califórnia em 1977, mais de 700 vacas leiteiras morreram no Vale do Chino num período de 3 dias, devido ao intenso calor e levada umidade do ar. Nessa ocasião, observou-se que nos locais onde havia abrigo e sombra para as vacas a ocorrência de mortes foi de apenas 1/3 da verificada nos locais sem esses abrigos. As perdas na produção nas vacas que tinham acesso à sombra foram também 50% menores do que as registradas nas vacas sem acesso à sombra. A proteção proporcionada pela sombra é uma barreira contra a radiação térmica e não contra o calor propriamente dito, já que essa proteção não altera a temperatura do ar. Dados os elevados níveis de radiação solar nas zonas intertropicais, essa proteção é essencial e há inúmeras pesquisas que atestam essa informação. A proteção efetiva proporcionada pela sombra de um abrigo depende da radiação proveniente do sol, do céu aberto, do solo e das demais superfícies que rodeiam os animais, além da estrutura da sombra em si. Cada porção dessas superfícies ao redor dos animais irradia energia térmica numa intensidade que depende da sua temperatura e emissividade. Pode-se afirmar que os fatores que influenciam a carga térmica radiante (CRT) no interior de abrigos para bovinos são a orientação azimutal da construção, altura do teto, altura do animal e sua localização sob o abrigo, existência de paredes e o material de cobertura. Abrigos cujo eixo longitudinal é orientado no sentido norte-sul apresentam em geral a vantagem de se manterem secos mais facilmente, mas proporcionam maior CRT interna, uma vez que tanto de manhã como à tarde recebem o sol direto numa grande área de parede lateral. Se não houver paredes, o aquecimento será menor. A existência de paredes bloqueia a entrada de radiação térmica de origem externa, porém essa vantagem é diminuída pela menor ventilação, pelo incremento “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 15 do calor devido a fontes internas de radiação (os próprios animais) e ainda pela possibilidade de o material das paredes absorver grande quantidade de radiação externa e transmitir a energia para o interior. Toda a superfície da construção constitui uma fonte importante de radiação térmica sobre os animais, especialmente em dias ensolarados. Os materiais usados na construção de abrigos devem possuir elevada refletividade na superfície exterior, exposta à radiação incidente; baixa condutividade térmica, para evitar a transmissão da energia térmica para o interior do abrigo; e estrutura da superfície favorável à dissipação de calor por convecção. A Figura 8 mostra um exemplo de experimento quanto ao efeito de diferentes coberturas no conforto térmico de vacas leiteiras. No caso, são abrigos com cobertura de cimento amianto e cimento celulose. Figura 8. Vista do experimento com abrigos para animais realizado na USP. Tabela 5. Carga térmica radiante (CTR) medida sob abrigos cobertos por diferentes tipos de material. (Fonte: adaptado de Kelly & Bond, 1958, e citado por Silva, 2000). A vantagem da pintura interna negra é que uma superfície refletante iria transferir uma boa parcela da radiosidade do piso diretamente sobre o animal no interior do abrigo. Além disso, uma superfície negra apresenta maior absorvidade ao calor emitido pelo corpo do animal. Por outro lado, se a temperatura da superfície interna do teto for maior que a externa (acontece se o material for um metal bom condutor térmico), então pode acontecer que a pintura negra no interior cause um aumento “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 16 na emissão de radiação sobre os animais. Daí o interesse num isolamento térmico adequado, obtido pelo uso de chapas mistas. 4.5. Radiação refletida e emitida pelo solo Quando a radiação solar atinge a superfície do solo, uma parte é refletida e a outra absorvida. A porção refletida retorna ao espaço ou é interceptada por animais ou objetos; a quantidade dessa radiação refletida pode ser estimada se forem conhecidas a intensidade da radiação solar e a absorvidade (αs) solar do pavimento. A porção de energia térmica procedente do sol e que é absorvida pelo solo aquece-o, resultando na emissão, pelo solo, de radiação infravermelha de ondas longas, de comprimento proporcional à temperatura do solo (Lei de Wien). Esse aquecimento é responsável pela manutenção da temperatura ambiente à noite. Solos recobertos com pavimento de concreto absorvem menos energia solar do que solos nus e também emitem menos energia, mas podem contribuir para uma carga térmica radiante considerável, já que são bastante reflectantes. Já uma camada de asfalto contribui para manter alta a temperatura local: a absorvidade solar do asfalto é elevada (0,93) e a emissividade (ε) também é alta (0,90 a 0,98). 4.6. Influência da cobertura vegetal Um efeito importante da cobertura vegetal, em particular nas pastagens, é o isolamento térmico proporcionado ao solo, evitando seu aquecimento excessivo pela radiação solar e alterando a reflexão dessa radiação sobre os animais e objetos. O efeito dacobertura vegetal implica a existência de propriedades reflectantes na vegetação, que devem contribuir de forma importante para o conforto térmico dos animais. O estudo de Kelly et al. (1950) citado por Silva (2000), mostrou que o plantio de grama ao redor dos abrigos resulta em cerca de 270W/m² a menos de radiação térmica do que se o solo estivesse nu. Apesar da proteção contra a radiação solar direta, a carga térmica radiante recebida por um animal à sombra pode ser significativa. A Tabela 7 mostra os resultados de observações efetuadas ao longo de um ano em Jaboticabal (SP), usando quatro diferentes tipos de árvores (Waldige, 1994, citado por Silva, 2000). As diferenças entre tipos foram significativas e as respectivas médias apresentam valores de magnitude pouco menores que a da carga térmica radiante (CRT) medida ao sol. Em todos os casos o terreno era completamente coberto por grama até grande distância das árvores, de modo que a radiação procedente do solo foi bem menor que a da atmosfera. A radiação de ondas longas procedente do solo e de objetos vizinhos aos animais pode ser convenientemente estimada através de um globo de Vernon (ver item 5) colocado à altura em que se acharia o centro do corpo de um animal. O globo deve ser protegido da radiação solar direta e da radiação difusa de origem celeste, colocando-se sobre ele uma placa circular de isopor. “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 17 Tabela 7. Carga térmica radiante (CTR, W/m²) ao sol e à sombra de quatro diferentes tipos de árvores, determinada por globos de Vernon a uma altura de 0,8m acima do solo em Jaboticabal (SP). (Fonte: Waldige, 1994, citado por Silva, 2000) Tipos de árvore: (1) Mangueira, copa baixa e ampla, sombra densa. (2) Mangueira de porte pequeno, sombra densa. (3) Casuarina SP., Aleurite mollucana, Caesalpinia peltophoroides, todas de copa alta e espessa, sombra rala. (4) Pinus sp., copa alta e estreita, sombra comprida e pouco densa. 5. Instrumentos de medição da radiação e insolação Os aparelhos que medem radiação solar são denominados de solarímetros, piranômetros, radiômetros e actinógrafos. As medidas são efetuadas por instrumentos que utilizam diversos princípios físicos, desde geração de uma corrente elétrica até dilatação de metais. Os piranômetros destinam-se a medir a quantidade de radiação solar que atinge uma superfície plana. São usados para determinar a radiação solar global, e eventualmente, tem sido empregados para estimar a radiação difusa. Neste último caso, o sensor é protegido da radiação direta por meio de uma faixa de metal curva, cuja inclinação deve ser ajustada de modo a acompanhar o movimento aparente do sol (Figura 9c). Mas essa faixa constitui, igualmente, um anteparo parcial a radiação difusa, exigindo a aplicação de um fator de correção para compensá-lo. “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 18 9a 9b 9c Figura 9. Exemplos de piranômetros mais difundidos para medição da radiação solar global (9a e 9b) e para medição da radiação solar difusa (9c). Apesar de não ser uma medida da irradiância solar, o número de horas de brilho solar, também conhecido como insolação (n), permite estimar valores diários de irradiância solar. O equipamento utilizado é o heliógrafo tipo Campbell-Stokes, constituído de uma esfera de cristal, ajustada sobre um suporte no qual uma tira de papelão é fixada. A convergência dos raios solares sobre a tira, quando há irradiância direta, produz sua queima, permitindo o registro do período de insolação. São três tiras registradoras (heliograma) que possuem uma escala de 30 em 30 minutos e devem ser utilizadas de acordo com a época do ano. Figura 10. Ilustração de um heliógrafo (esquerda) e as tiras utilizadas de acordo com a época do ano (direita). A ilustração da Figura11, mostra um heliograma com registro do número de horas de brilho solar no dia 5 de julho de 2007, em Florianópolis. Com base na queima da tira (heliograma) ocasionada pela incidência dos raios solares na esfera de cristal do heliógrafo, pode-se concluir que em grande parte do dia, houve pouca nebulosidade. A insolação começou em torno das 9h:30min e se estendeu até às 16h. Neste período, apenas por volta das 11h:30min até às 12h:30min o sol ficou encoberto pela nebulosidade. Assim, a insolação (horas de brilho solar) total do dia 5 de julho de “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 19 2007, em Florianópolis, foi de aproximadamente 5horas e 40minutos (n≈5,6h). Considera-se que possa haver obstáculos naturais (árvores, montanhas) que impeçam a incidência solar no heliógrafo ao nascer e pôr do sol. Figura 11. Exemplo de um heliograma após o seu uso, para o dia 5 de julho de 2007, em Florianópolis. Termômetro de Globo Negro ou Globo de Vernon: Os globos de Vernon são normalmente usados com a finalidade de avaliar o possível estresse, causado por radiação térmica, que sofreria um animal instalado no mesmo local. Trata-se de um modelo físico, que se refere apenas aos casos em que a termólise evaporativa seja desprezível nos animais considerados. Quando o animal a ser representado tem uma termólise significativa através de evaporação cutânea, o globo correspondente deve possuir uma superfície úmida, simulando um processo de sudação (informações sobre evaporação cutânea será visto no capítulo: ‘Evaporação’). O instrumento é constituído de uma esfera oca, de cobre, com 15 cm de diâmetro e 0,5 cm de espessura (dimensões mais comuns), pintada externamente com duas camadas de tinta preta fosca; em seu centro é instalado o elemento sensor de termopar (Fig. 12b) ou termômetro (Fig. 12a) para a leitura da temperatura. O globo possui emissividade elevada (≥ 98%) e reflexão baixíssima (menor que 2%), de forma a funcionar como um corpo negro em relação a radiação infravermelha. 12a 12b Figura 12. Ilustração de dois modelos de globo de Vernon. 6. Determinação da insolação em paredes verticais de construções: “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 20 Deseja-se conhecer o número possível de horas de incidência de radiação solar direta (insolação) sobre paredes verticais, em diferentes orientações. Informações deste tipo são muito úteis em construções urbanas e rurais. Procedimento: - Recorre-se ao ábaco (diagrama nomográfico) específico para a latitude de 45° Sul (Figura 13); - Seleciona-se a curva que representa a trajetória aparente do Sol para a data considerada (no exemplo, 21 de março), tem-se a curva 4; - Uma vez que as curvas numeradas de 1 a 7 representam as trajetórias aparentes do Sol, projetadas no plano horizonte local (PHL) do observador, os planos perpendiculares ao do diagrama, passando pelo seu centro, são os planos das paredes verticais. Portanto, para se determinar o período de incidência de radiação direta sobre uma face de uma parede vertical, basta acompanhar a trajetória aparente do Sol para a face em questão, contando, obviamente, o número de horas. Por exemplo, considere uma parede vertical de orientação sudeste-noroeste, na latitude de 45°, conforme mostrado na Figura 13. Nos dias 21 de março e 23 de setembro (curva 4), a face da parede voltada para o nordeste recebe 8,3 horas de radiação solar direta, correspondentes ao período das 6h:00min até às 14h:18min, enquanto a face voltada para o sudoeste recebe apenas 3,7 horas, no período de 14h:18min até o pôr-do-sol, ou seja, 18 horas. “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 21 Figura 13. Exemplo de determinação da insolação em paredes verticais voltadas para sudoeste-noroeste, para os dias 21 de março e 23 de setembro, para latitude de 45° Sul. (Fonte:Vianello e Alves, 1991) 1- 22/dez 2- 18/jan e 26/nov 3- 15/fev e 28/out 4- 21/mar e 23/set 5- 15/abr e 29/ago 6- 15/mai e 30/jul 7- 21/jun BALANÇO DE RADIAÇÃO 1.Introdução Vimos que a radiação solar (predominantemente de ondas curtas), ao interagir com a atmosfera e a superfície, sofre processos de atenuação (absorção, difusão e reflexão), sendo que uma parte do que chega no limite externo da atmosfera (Ro) atinge a superfície, onde outra parte sofre também reflexão. Isto estabelece um balanço de radiação de ondas curtas (ganhos e perdas). A Figura 13 mostra um esquema desse balanço para o sistema atmosfera-superfície terrestre, com valores percentuais médios anuais e globais. A soma da radiação direta (23%) mais a difusa (29%) compõe a radiação global que chega a superfície (Rg), representando em média, 52% da radiação solar no topo da atmosfera (Ro). Uma fração é refletida pela superfície (em média 4%), determinando que o balanço de ondas curtas (atmosfera + superfície) represente, em média, 48% do valor de Ro. Portanto, o albedo (coeficiente de reflexão - r) terrestre é cerca de 35%. Figura 13. Representação esquemática do balanço médio de radiação de ondas curtas, na superfície terrestre (Fonte: Pereira et al., 2002). Entretanto, para uma superfície terrestre qualquer, a energia disponível para os processos biológicos e/ou físicos que neles ocorrem não depende somente desse balanço de ondas curtas, visto “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 22 que todos os corpos terrestres são também emissores de energia radiante, mas com um espectro predominantemente de comprimento de ondas longas (radiação terrestre). Para cada instante haverá um balanço de radiação que é característico da superfície (solo coberto por vegetação ou qualquer material, solo nu, superfície líquida, etc). Esse balanço de radiação Rn (chamado também de saldo de radiação ou radiação líquida) é composto do balanço de ondas curtas (BOC) e do balanço de ondas longas (BOL), ou seja: Rn = BOC + BOL Os princípios envolvidos na determinação do balanço de energia radiante são mostrados na Figura 14, exemplificando-se um caso de superfície natural plana e horizontal. Os princípios podem ser aplicados para qualquer tipo de superfície. Figura 14. Balanço global de radiação na superfície terrestre (superfície plana e horizontal). À esquerda da Figura 14, tem-se a representação do BOC. Nota-se que essa parte nada mais é do que uma simplificação da Figura 13, mostrando no final que a superfície recebe uma irradiância solar global Rg (radiação direta + difusa) e reflete (r Rg), sendo r o albedo da superfície. À direita, representa-se o BOL, composto pela radiação atmosférica (Ra), também denominada contra-radiação atmosférica, que depende da temperatura do ar, da quantidade de vapor d’água nela presente (pois o vapor d’água absorve ondas longas) e da cobertura de nuvens. A radiação emitida pela superfície do solo (Rs) em direção a atmosfera, denominada de emitância radiante da superfície, que depende da sua temperatura do solo e da sua emissividade ou poder emissor da superfície. Adotando-se como positivo o sentido dos fluxos que entram no sistema, e negativo o dos que saem, têm-se: BOC = Rg (1 – r) BOL = Ra – Rs Não se dispondo de aparelhos de medida, uma alternativa é o uso de equações empíricas para a estimativa do BOL. Dentre as propostas na literatura, a mais difundida é a de Brunt, com um fator de correção para o efeito da nebulosidade: 249 /).9,01,0).(56,009,0.(.108989,4 mMJ N n eTxBOL a +−= − “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 23 sendo, T a temperatura média diária do ar (K), ea a pressão real de vapor d’água diária (mmHg), n é duração do brilho solar observado no dia (horas); e N é a duração máxima da insolação diária ou o fotoperíodo (horas). Em função dos valores de cada um desses fluxos, Rn poderá ter valor positivo ou negativo. Durante o período diurno, o BOC é positivo, sendo nulo a noite. O sinal do BOL depende dos valores de Ra e Rs. Normalmente, o valor diário do BOL em uma superfície natural é negativo. Isso faz com que nas superfícies naturais, o valor diurno do BOC (maior do que o BOL) torne Rn positivo nesse período do dia (a superfície tem ganho líquido de energia) enquanto que a noite, sendo BOC=0 e o BOL negativo, tem-se Rn negativo (a superfície tem perda de energia). EXERCÍCIOS 1.Explique como podemos afirmar que a radiação solar é considerada de ondas curtas e a radiação terrestre é considerada de ondas longas. R.: Ver exemplo 1, da Lei de Wien. 2. Com base no registro do heliograma abaixo, obtido em Florianópolis, no dia 25 de dezembro de 2007, em Florianópolis (latitude: -27,83°), responda as seguintes questões: a) a insolação do dia (em horas). R: 2h e 30min, equivale a 2,5h. b) a radiação solar global do dia (Rg). O fotoperíodo do dia e a irradiância solar média diária no topo da atmosfera podem ser obtidas pela Tabela 1 e 2, respectivamente. R.:≈ 15,9 MJ/m² c) estime o saldo de radiação (Rn) para um solo com pastagem (albedo 0,25) e sabendo que a temperatura média do dia foi de 23°C e a pressão real de vapor d’água de 9,6mmHg.Explique o significado do resultado de Rn. R.: BOC=11,92 MJ/m², BOL=-2,78 MJ/m², Rn=-9,13MJ/m² 4. A epiderme dos animais se comporta como um corpo negro na faixa da radiação térmica. Nas primeiras semanas de vida o bovino tem uma temperatura interna de 38,3°C. Determine a potência de radiação emitida, o comprimento de onda no qual ocorre a máxima potência emitida e a potência emitida no comprimento de onda de 10µm. R.: Eb=533,47 w/m², E=37,24 w/m².µm, λmax=9,3µm 5. Cite alguns fatores que influenciam a transferência de CTR para o interior dos abrigos zootécnicos. 6. Com o objetivo de averiguar a perda de calor por radiação de coelhos no interior de um abrigo, você obteve que a temperatura média corporal de cada animal em duas datas foi de 39,5°C e 36,1°C. Para “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 24 cada uma das datas, determine qual seria a potência emissiva (Eb), o comprimento de onda na qual ocorre a máxima potência emissiva (λmax) e a potência emitida (E) no comprimento de onda de 8 µm (faixa do infravermelho) de cada animal. Considere a emissividade (Ɛ) de cada coelho como sendo 0,95. R.: Para t=39,5°C: Eb=515 w/m², E=36,4 w/m².µm, λmax=9,26µm; Para t=36,1°C: Eb=492,9 w/m², E=34,16 w/m².µm, λmax=9,37µm 7) A figura abaixo refere-se ao ábaco para um local na latitude de 25° Sul. Um abrigo para animais possui uma orientação conforme indicado na referida figura. Qual a insolação máxima possível a incidir na sua face voltada para o noroeste (NW) nos dias 15/maio e 15/fevereiro. A partir de qual hora, a insolação deixará de incidir na face voltada para o sudeste no dia 15/fevereiro? R: Insolação face NW: 9h:30min ou 9,5h (dia 15/maio). 1- 22/dez 2- 18/jan e 26/nov 3- 15/fev e 28/out 4- 21/mar e 23/set 5- 15/abr e 29/ago 6- 15/mai e 30/jul 7- 21/jun Bibliografia recomendada: “Radiação e Balanço de radiação” Bioclimatologia (ENR 7404) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 25 BAETA, F. da C.; SOUZA, C.F. Ambiência em edificações rurais: conforto animal. 2.ed. Editora UFV, 269p. 2010. PEREIRA, A.R.; ANGELOCCI, L.R.; SENTELHAS, P.C. Agrometeorologia: fundamentos e aplicações práticas. Editora Agropecuária, 478p. 2002 SILVA, R.G. Introdução à bioclimatologia animal. Nobel, 286p. 2000 VIANELLO, R.L.; ALVES, A.R. Meteorologia básica e aplicações. Editora UFV, 449p. 1991
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