Umidade do ar, Chuva, Vento - Apostilas - Agronomia, Notas de estudo de Agroflorestal

Baixe Umidade do ar, Chuva, Vento - Apostilas - Agronomia e outras Notas de estudo em PDF para Agroflorestal, somente na Docsity! Umidade do ar – Chuva – Vento LCE 306 – Meteorologia Agrícola Prof. Paulo Cesar Sentelhas Prof. Luiz Roberto Angelocci Aula # 7 ESALQ/USP – 2009 Umidade do ar LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Definições e Conceitos O teor de vapor d´água na atmosfera varia de 0 a 4% do volume de ar. Isso quer dizer que em uma dada massa de ar, o máximo de vapor d´água que ela pode reter é 4% de seu volume: • Caso a umidade corresponda a 0% do volume de ar ⇒ AR SECO • Caso a umidade corresponda a um valor entre 0% e 4% do volume de ar ⇒ AR ÚMIDO • Caso a umidade corresponda a 4% do volume de ar ⇒ AR SATURADO Ar Saturado: quando a taxa de escape de moléculas de água de uma superfície líquida para o ar se iguala à taxa de retorno de moléculas de vapor d´água do ar para a superfície líquida. Essa taxa é dependente da temperatura do sistema, a qual determina a capacidade máxima de vapor d´água que o ar pode reter. A figura a seguir ilustra esse processo, mostrando um sistema fechado, a 20ºC, no qual em (a) têm-se o ar seco. À medida que a evaporação ocorre, a pressão exercida pelo vapor d´água aumenta (b = ar úmido), até se atingir a condição de saturação para essa temperatura (c). Caso haja o aumento da temperatura do sistema, a capacidade máxima de retenção de vapor do ar aumenta, como mostra a figura (d). LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Manômetro Ar seco Água Ar Saturado Ar Saturado 14 g de vapor/kg de ar úmido 26,5 g de vapor/kg de ar úmido LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci De acordo com a lei de Dalton, a pressão atmosférica (Patm) é igual à soma das pressões parciais exercidas por todos os constituintes atmosféricos. Isso pode ser representado por: Patm = PN + PO + ... + PCO2 + PO3 + PH2Ov Resumindo: Patm = PAr Seco + PH2Ov A pressão parcial exercida pelo vapor d´água (PH2Ov) é simbolizada pela letra “e”. Para a condição de saturação, ou seja, para o máximo de vapor d´água que o ar pode reter, utilizamos o símbolo “es” e para a condição de ar úmido, ou seja, para a condição real de vapor d´água no ar, utilizamos o símbolo “ea”. Portanto, para chegarmos à umidade relativa (UR, em %), teremos a seguinte equação: UR = (ea / es) * 100 “ea” e “es” são expressos em unidade de pressão (atm, mmHg, mb, hPa ou kPa) 1 atm = 760 mmHg = 1013,3 mb = 1013,3 hPa = 101,33 kPa LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci A determinação da pressão real de vapor (ea) pode se dar de duas formas. A mais simples, é se conhecendo a umidade relativa e a temperatura do ar. Com a temperatura calcula-se es e assim chega-se a: ea = (UR * es) / 100 A outra forma é por meio da equação psicrométrica, conhecendo-se as temperaturas do bulbo seco (Ts) e do bulbo úmido (Tu), obtidas do conjunto psicrométrico: H = ρ Cp (Ts – Tu) e LE = (ρλE/Patm) (esTU – ea) Ts Tu LE H Conjunto Psicrométrico Como neste caso H = LE, tem-se que: ρ Cp (Ts – Tu) = (ρλE/Patm) (esTU – ea), ou seja (Cp Patm / λE) (Ts – Tu) = (esTU – ea) Portanto: ea = esTU – (Cp Patm / λE) (Ts – Tu) (Cp Patm / λE) = constante psicrométrica = γ ea = esTU – γ (Ts – Tu) γ = 0,067 kPa oC-1 para psicrômetros ventilados e γ = 0,081 kPa oC-1 para psicrômetros não ventilados LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Além da umidade relativa (UR), o conhecimento da pressão real e de saturação de vapor d´água no ar nos fornece outras informações bastante utilizadas nas ciências agronômicas, como: Déficit de saturação do ar ∆e = es – ea (kPa) Temperatura do Ponto de Orvalho To = (237,3 * Log ea/0,611) / (7,5 – Log ea/0,611) Razão de Mistura w = (0,622 * ea) / (Patm – ea) (g de vapor / g de ar) Umidade Absoluta UA = 2168 [ea / (273 + Ts)] (g/m3) Umidade de Saturação US = 2168 [es / (273 + Ts)] (g/m3) LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Exemplo: Ts = 28oC e Tu = 17oC (psicrômetro não ventilado) Patm = 94 kPa es = 0,611 * 10[(7,5*28)/(237,3+28)] = 3,78 kPa esTU = 0,611 * 10[(7,5*17)/(237,3+17)] = 1,94 kPa ea = 1,94 – 0,081 (28 – 17) = 1,05 kPa UR = (1,05/3,78) * 100 = 27,8% ∆e = 3,78 – 1,05 = 2,73 kPa To = (237,3 * Log 1,05/0,611) / (7,5 – Log 1,05/0,611) = 7,7oC UA = 2168 * 1,05/(273+28) = 7,56 g/m3 US = 2168 * 3,78/(273+28) = 27,23 g/m3 w = (0,622 * 1,05) / (94 – 1,05) = 0,007 g vapor/g ar LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Ventilador mecânico O psicrômetro Assmann é considerado padrão para a medida da umidade do ar. No entanto, este é um equipamento mecânico. Outras versões desse tipo de sensor vem sendo desenvolvidas, mas todas usando o princípio das medidas das temperaturas do bulbo seco e do Psicrômetro Assmann Termômetro de bulbo seco Termômetro de bulbo úmido Tubo por onde o ar é succionado bulbo úmido. As versões mais atuais dos psicrômetros envolvem medidas dessas temperaturas com o uso de termopares, em abrigos meteorológicos onde há um fluxo constante de ar. Esses psicrômetros possibilitam medidas automatizadas, o que facilita a determinação da UR. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Higrógrafos mecânicos Umidade Relativa do ar Os higrógrafos mecânicos, normalmente associados ao termógrafo bimetálico, usam como elemento sensor, para umidade do ar, o cabelo humano, o qual tem a propriedade de se dilatar e contrair em função da umidade do ar. Esses equipamentos são empregados para a obtenção de medidas contínuas nas estações meteorológicas convencionais e registram os valores de UR no higrograma. Esse equipamento requer calibrações freqüentes, pois o cabelo vai perdendo elasticidade com o tempo. Temperatura do ar LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Sensor capacitivo de UR Esse sensor é empregado nas estações meteorológicas automáticas. O sensor constitui-se de um filme de polímero que ao absorver vapor d´água do ar altera a capacitância de um circuito ativo. Requer calibração e limpeza periódicas. Medida da Umidade do ar em Condições Padrões Os sensores de UR, para medidas rotineiras, devem ser instalados dentro dos abrigos meteorológicos (1,5 a 2,0 m de altura), tanto nas estações convencionais como nas automáticas Abrigos meteorológico – Estação Convencional Abrigo meteorológico – Estação Automática LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Variação temporal da umidade do ar - escala anual Variação Anual da UR (%) 100 Na escala anual, a UR média mensal acompanha basicamente o regime de chuvas, pois havendo água na superfície haverá vapor d´água no ar. Observa-se na figura abaixo que nas três localidades analisadas, a UR média mensal é maior na estação chuvosa e menor na estação seca. No entanto, em Manaus a UR é sempre maior que nas duas outras localidades, devido à estação seca ser mais curta e menos intensa. Em Piracicaba e em Brasília, a UR média mensal é praticamente igual na estação chuvosa, porém menor em Brasília na estação seca, o que se deve ao fato da estiagem ser muito mais intensa e prolongada nessa região do que em Piracicaba. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 J F M A M J J A S O N D Mês M éd ia m en sa l d a U R (% ) Piracicaba, SP Manaus, AM Brasília, DF LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Variação espacial da umidade do ar Também segue o regime de chuvas das regiões. No estado de São Paulo a UR média anual é maior na faixa litorânea e menor no norte e noroeste do estado. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Determinação da Duração do Período de Molhamento (DPM) DPM é o tempo em que as surperfícies vegetais (folhas, frutos, flores e colmo) se apresentam com molhamento, o qual é principalmente proveniente da condensação de orvalho. Essa variável é de extrema importância no contexto da fitossanidade vegetal, já que ela é fundamental para o processo infeccioso de doenças fúngicas e bacterianas. Lesões causadas por doenças em folhas e frutos A DPM, portanto, tem relação direta com a umidade do ar, já que somente haverá condensação quando a umidade relativa estiver próxima de 100%. A DPM pode ser medida por sensores ou estimada em função do tempo (número de horas) em que a UR ficou acima de 90%. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Estimativa da Duração do Período de Molhamento (DPM) O método mais comum para a estimativa da DPM é por meio do número de horas com UR maior do que 90% (NHUR>90%). Esse método funciona bem para climas úmidos, como o do Estado de São Paulo. No entanto, para climas semi-áridos é necessário se reduzir o limiar para se considerar a superfície com orvalho. DPM = NHUR>90% DPM = 8h DPM = 10h DPM = 17h DPM = 17h DPM = 11h LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Precipitação Pluvial (Chuva) LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Ciclo Hidrológico A precipitação pluvial, ou simplesmente chuva, é a forma principal pela qual a água retorna da atmosfera para a superfície terrestre, após os processos de evaporação/transpiração e condensação, completando assim o “Ciclo Hidrológico”. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Além dos núcleos de condensação, há necessidade de que o ar fique saturado de vapor, o que ocorre por duas vias: aumento da pressão de vapor d´água no ar e resfriamento do ar (mais eficiente e comum). Esse resfriamento do ar se dá normalmente por processo adiabático, ou seja, a parcela de ar sobe e se resfria devido à expansão interna, que se deve à redução de pressão. A taxa de decréscimo da temperatura do ar com a elevação é denominada de GRADIENTE ADIABÁTICO (Γ): Γar seco = - 0,98oC / 100m Γar saturado = - 0,4oC / 100m Γar úmido = - 0,6oC / 100m A ascensão de uma parcela de ar irá depender das condições atmosféricas. Isso explica por que em alguns dias ocorre formação intensa de nuvens pelo processo convectivo e em outros dias não. Quando as condições atmosféricas favorecem a formação dos movimentos convectivos e, conseqüentemente, a formação de nuvens, a atmosfera é dita “instável”, ao passo que sob condições desfavoráveis à formação de nuvens, a atmosfera é dita “estável”. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Temp Temp Z (m) Z (m)Atmosfera Instável Atmosfera Estável Γadiabático Γreal Γadiabático Γreal Temp Z (m) Atmosfera Neutra Essas figuras exemplificam o que ocorre com os movimentos convectivos nas três condições atmosféricas: instável, estável e neutra. Observe que na condição estável a ascensão da parcela de ar é inibida, não havendo, portanto, possibilidade de formação de nuvens. Nas outras condições há movimentos ascendentes, sendo mais intensos na condição de instabilidade atmosférica. Γreal Γadiabático= LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Formação das Chuvas O processo de condensação por si só não é capaz de promover a ocorrência de precipitação, pois nesse processo são formadas gotículas muito pequenas, denominadas de elementos de nuvem, que permanecem em suspensão na atmosfera, não tendo massa suficiente para vencer a força de flutuação térmica. Para que haja a precipitação deve haver a formação de gotas maiores, denominadas de elementos de precipitação, resultantes da coalescência das gotas menores, que ocorre devido a diferenças de temperatura, tamanho, cargas elétricas e, também, devido ao próprio movimento turbulento. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Chuva Orográfica Ocorrem em regiões onde barreiras orográficas forçam a elevação do ar úmido, provocando convecção forçada, resultando em resfriamento adiabático e em chuva na face a barlavento. Na face a sotavento, ocorre a sombra de chuva, ou seja, ausência de chuvas devido ao efeito orográfico. Santos – P = 2153 mm/ano Cubatão – P = 2530 mm/ano Serra a 350m – P = 3151mm/ano Serra a 500m – P = 3387 mm/ano Serra a 850m – P = 3874 mm/ano S.C. do Sul – P = 1289 mm/ano Exemplo do efeito orográfico na Serra do Mar, no Estado de São Paulo LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Medida da Chuva A medida da chuva é feita pontualmente em estações meteorológicas, tanto automáticas como convencionais. O equipamento básico para a medida da chuva é o pluviômetro, o qual tem diversos tipos (formato, tamanho, sistema de medida/registro). A unidade de medida da chuva é a altura pluviométrica (h), que normalmente é expressa em milímetros (mm). Em alguns países são utilizadas outras unidades, como a polegaga (inches – in.), sendo 1mm = 0,039 in. A altura pluviométrica (h) é dada pela seguinte relação: h = Volume precipitado / Área de captação Se 1 litro de água for captado por uma área de 1 m2, a lâmina de água coletada terá a altura de 1mm. Em outras palavras, 1mm = 1L / 1m2. Portanto, se um pluviômetro coletar 52 mm, isso corresponderá a 52 litros por 1m2. h = 1L / 1m2 = 1.000 cm3 / 10.000 cm2 = 0,1 cm = 1mm LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Equipamentos para medida da chuva Pluviômetros Ville de Paris (A = 490 cm2) KCCI (A = 176 cm 2) SR (A = 15 cm2) Os pluviômetros são instrumentos normalmente operados em estações meteorológicas convencionais ou mini-estações termo-pluviométricas. O pluviômetro padrão utilizado na rede de postos do Brasil é o Ville de Paris (foto da esquerda). Outros tipos de pluviômetro (fotos do centro e da direita) são comercializados ao um custo menor e tem por finalidade monitorar as chuvas em propriedades agrícolas. A durabilidade desses pluviômetros e sua precisão, em função da menor área de captação, são menores do que a dos pluviômetros padrões. A área de captação mínima recomendável é de 100 cm2. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Variabilidade Espacial das Chuvas As figuras mostram a variabilidade espacial das chuvas em três dias consecutivos. Observe as chuvas causadas por um sistema frontal avançando da Argentina para o Brasil. Na escala diária, a variabilidade espacial depende dos sistemas meteorológicos que atuam na região. Esses sistemas são em suma a resultante da interação dos fatores determinantes do clima nas três escalas estudadas. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Variabilidade Espacial das Chuvas A variabilidade espacial das chuvas na escala diária, gera também a variabilidade espacial na escala mensal, que por sua vez gera tal variabilidade na escala anual. A figura ao lado ilustra a chuva acumulada no mês de novembro de 2004. Observa-se que os maiores índices pluviométricos foram observados no oeste do Paraná, no Acre e no sudoeste do Amazonas. Por outro lado, os menores índices de chuva foram observados no extremo norte da Região Norte, entre o Pará e Roraima, e também nos estados nordestinos do CE, RN, PB, PE e AL. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Variabilidade Espacial e Temporal das Chuvas Como dito anteriormente, a variabilidade espacial das chuvas na escala diária, gera também a variabilidade espacial na escala mensal, que por sua vez gera tal variabilidade na escala anual. Essa variabilidade ao longo do tempo é denominada variabilidade temporal. Vento: velocidade e direção LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Como já discutido anteriormente, os ventos se originam em decorrência da diferença de pressão atmosférica entre duas regiões. Os fatores da macroescala são responsáveis pela formação dos ventos predominantes, enquanto que os fatores da topo e da microescala tem influência na formação dos ventos locais. O vento, especialmente a sua velocidade, tem efeitos consideráveis em vários aspectos relacionados à agricultura, atuando tanto de modo favorável como desfavorável. Logicamente, os efeitos desfavoráveis são os mais relevantes nos estudos envolvendo a agricultura, e nesse caso os ventos excessivos podem ser controlados com o uso dos quebra ventos (estrutura natural ou artificial destinada a reduzir a velocidade do vento). Para tanto é necessário se conhecer sua direção e velocidade. Além disso, a velocidade Vento: velocidade e direção do vento é muito importante no processo de evapotranspiração, exercendo grande influência no consumo hídrico das plantas. Essa variável será também muito útil na estimativa da evapotranspiração das culturas e, conseqüentemente, para o manejo da irrigação. LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Medida do Vento Direção do vento A direção do vento é indicada pela direção de onde o vento é proveniente, ou seja, de onde ele vem. A direção é expressa tanto em termos da direção de onde ele provém comoem termos do azimute, isto é, do ângulo que o vetor da direção forma com o Norte geográfico local. Assim, um vento de SE terá um ângulo variando entre 91 e 179º. 0o 90o 180o 270o 1 a 89o 91 a 179o181 a 269o 271 a 359o Medida do Vento LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci D ir eç ão D is tâ n ci a p er co rr id a (k m ) Anemograma, obtido pelo Anemógrafo Universal, do vendaval ocorrido em 29/03/2006 em Piracicaba. Neste dia, a rajada máxima do vento chegou a cerca de 44 m/s, o que correspondeu a 158 km/h, recorde observado na cidade. D is tâ n ci a p er co rr id a R aj ad a in st an tâ n ea (m /s ) LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Escala de Vento de Belfort Grau Descrição Velocidade (km/h) 0 Calmaria 0 – 2 1 Vento Calmo 2 – 6 2 Brisa Amena 7 – 11 3 Brisa Leve 12 – 19 Essa escala ajuda a interpretar os dados de velocidade máxima do vento (rajadas) medidos nas estações meteorológicas convencionais (a 10 m de altura) 4 Brisa Moderada 20 – 29 5 Brisa Forte 30 – 39 6 Vento Forte 40 – 50 7 Vento Muito Forte 51 – 61 8 Vento Fortíssimo 62 – 74 9 Temporal 75 – 87 10 Temporal Forte 88 – 101 11 Temporal Muito Forte 102- 117 12 Tornado, Furacão > 118 LCE 360 - Meteorologia Agrícola Sentelhas/Angelocci Teste rápido #7 1) Comente sobre a variabilidade espacial e temporal da umidade e da chuva. Qual a relação entre elas? 2) Calcule as variáveis es, ea, UR, ∆e e To, a partir dos seguintes dados obtidos ás 14h de um mesmo dia: no interior de uma estufa plástica (Ts = 38oC e Tu = 27oC) e na condição externa (posto meteorológico – Ts = 27oC e Tu = 21,5oC). Explique o que está ocorrendo. 3) Um pluviômetro com coletor de diâmetro de 15 cm mediu uma chuva de 2338 ml. Qual a altura pluviométrica em mm e em polegadas? 4) A estação meteorológica observou uma rajada de vento de 20,4 m/s. Qual a velocidade desse vento em km/h e qual sua classificação de acordo com a escala de Belfort?