Agrometeorologia 2011

Tema 5 (25 e 28/04/2011)

Aspectos Agrometeorológicos da Planta na Atmosfera

Transferência de calor e da água do solo para a atmosfera; fluxo de calor do

solo. Água e crescimento das plantas: Evaporação e evapotranspiração; cáculo

de evaporação e evapotranspiração o método de cálculo Penman-Monteith;

modelo da evapotranspiração. Balanço hídrico; modelo do balanço. Orvalho,

Nevoeiro e humidade; granizo. Relação entre água e rendimento da planta.

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Recapitulando a aula anterior

Prática 3

O Clima e as Plantas Cultivadas

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Transferência de calor e da água do solo para a atmosfera

O ciclo da água (conhecido cientificamente como o ciclo hidrológico: Figura 1) refere-se à troca contínua de água na hidrosfera, entre a atmosfera, a água do solo, águas superficiais, subterrâneas e das plantas.

Ou pode ser definido como a sequência fechada de fenómenos pelos quais a água passa do globo terrestre para a atmosfera, na fase de vapor, e regressa àquele, nas fases líquida e sólida.

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Figura 1: Esquema do Ciclo Hidrológico (ou ciclo da água).

A água se move perpetuamente através de cada uma destas regiões no ciclo da água constituindo os seguintes processos de transferência:

Evaporação dos oceanos e outros corpos d'água no ar e transpiração das plantas terrestres e animais para o ar.

Precipitação, pela condensação do vapor de água do ar e caindo para a terra ou no mar.

o TPC: Formas de Precipitação. Escoamento da terra geralmente atinge o mar.

De toda a precipitação que ocorre sobre os continentes, 57% evapora, enquanto nos oceanos a evaporação corresponde a 112% do total precipitado.

Numa região semi-árida, cerca de 96% da precipitação total anual pode evaporar. A taxa de evaporação diária pode variar numa faixa de 0 a 12 mm por dia.

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As estimativas de evaporação são críticas em projectos de reservatórios e planeamento agrícola. Por exemplo, a evaporação no lago Nasser, formado pela barragem Assuã, é da ordem de 15% da vazão anual média do Rio Nilo. As perdas de água dessa amplitude influenciam o projecto, a operação e a gestão dos recursos hídricos que afectam diversos países.

Deste modo, a Evaporação Potencial corresponde a máxima evaporação possível de uma determinada área. É importante para analisar as perdas de água de um reservatório.

A Evaporação Potencial é um valor de referência pois caracteriza a perda de água como se toda a vegetação fosse duma espécie vegetal padronizada.

A Evapotranspiração Real representa a perda de água que realmente ocorre na bacia considerando a vegetação existente.

A Evapotranspiração de uma cultura (Etm ) – é a evapotranspiração de uma cultura qualquer, em qualquer fase de desenvolvimento, desde o plantio (sementeira) até a colheita, quando não houver restrição de água no solo.

Etm função IAF

IAF – Índice de área foliar:

relação entre a área das folhas e a área de solo coberta pela planta.

IAF AF AP o AF = área foliar

(cm2) por planta.

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o AP = área de projecção ( cm 2 )

ETm Kc Eto Kc = Coeficiente de cultura (varia com o estágio de

desenvolvimento).

Da superfície para a atmosfera

O ciclo da água inicia-se com a energia solar que incide na Terra.

A transferência da água da superfície terrestre para a atmosfera, passando do estado líquido ao estado gasoso, processa-se através da evaporação directa, por transpiração das plantas e dos animais e por sublimação.

A vegetação tem um papel importante neste ciclo, pois uma parte da água que cai é absorvida pelas raízes e acaba por voltar à atmosfera pela transpiração ou pela simples e directa evaporação.

Durante esta alteração do seu estado físico absorve calor, armazenando energia solar na molécula de vapor de água à medida que sobe à atmosfera.

Dado a influência da energia solar no processo de evaporação, a água evapora-se em particular

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durante os períodos mais quentes do dia e em particular nas zonas mais quentes da Terra.

A evaporação é elevada nos oceanos que estão sob a influência das altas subtropicais.

Nos oceanos equatoriais, onde a precipitação é abundante, a evaporação é menos intensa.

Nos continentes, os locais onde a precipitação é mais elevada existem florestas e onde a precipitação é mais baixa, existem desertos.

Em terra, em algumas partes dos continentes, a precipitação é maior que a evaporação e em outras regiões ocorre o contrário, contudo predomina a precipitação, sendo que os oceanos cobrem o terreno evaporando mais água que recebem pela precipitação.

Da atmosfera de volta à superfície O vapor de água é transportado pela circulação

atmosférica e condensa-se após percursos muito variáveis, que podem ultrapassar 1000 km.

Poderá regressar à superfície terrestre numa das formas de precipitação, como voltar à atmosfera mesmo antes de alcançar a superfície terrestre (através de chuva miúda quente).

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Em situações menos vulgares, poderá ainda transformar-se em neve e cair em cima de uma montanha e permanecer lá 1000 anos.

Toda esta movimentação é influenciada pelo movimento de rotação da Terra e das correntes atmosféricas.

A água que atinge o solo tem diferentes destinos. Parte é devolvida à atmosfera através da evaporação, parte infiltra-se no interior do solo, alimentando os lençóis freáticos.

O restante, escorre sobre a superfície em direcção às áreas de altitudes mais baixas, alimentando directamente os lagos, riachos, rios, mares e oceanos.

A infiltração é assim importante, para regular a vazão dos rios, distribuindo-a ao longo de todo o ano, evitando, assim, os fluxos repentinos, que provocam inundações.

Caindo sobre uma superfície coberta com vegetação, parte da chuva fica retida nas folhas. A água interceptada evapora, voltando à atmosfera na forma de vapor.

O ciclo hidrológico actua como um agente modelador da crosta terrestre devido à erosão e ao transporte e deposição de sedimentos por via hidráulica, condicionando a cobertura vegetal e, de modo mais genérico, toda a vida na terra.

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O ciclo hidrológico é, pois, um dos pilares fundamentais do ambiente, assemelhando-se, no seu funcionamento, a um sistema de destilação global.

O aquecimento das regiões tropicais devido à radiação solar provoca a evaporação contínua da água dos oceanos, que é transportada sob a forma de vapor pela circulação geral da atmosfera, para outras regiões.

Durante a transferência, parte do vapor de água condensa-se devido ao arrefecimento formando nuvens que originam a precipitação.

O retorno às regiões de origem resulta da acção conjunta da infiltração e escoamento superficial e subterrâneo proveniente dos rios e das correntes marítimas.

Água e Crescimento das Plantas Conforme o ambiente em que vivem, em relação à água,

as plantas são classificadas em três grupos: a) Hidrófitas b) Mesófitas c) Xerófitas

o As hidrófitas são as que normalmente crescem na água

ou nos charos.

o Alguns autores dividem as mesófitas verdadeiras-aquelas que atingem o ponto de murchamento permanente com a perda de 25% do seu conteúdo de água; e, mesófitas-

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xerófitas as que atingem esse ponto com perda de 25 a 50% de água.

o Essa classificação permite agrupar as plantas de forma apenas primária quando a sua viabilidade de adaptação em relação a disponibilidade de água, não podendo servir como um guia para um programa de irrigação de plantas cultivadas.

o Para isso é necessário conhecer as diversas reacções fisiológicas da cultura em relação a água.

o Kramer (1963) mostrou que a água é:

1) O maior constituinte fisiologicamente activo do tecido da planta.

2) Um reagente nos processos de fotossíntese e hidrólise, tal como a digestão do amido.

3) O solvente no qual sais, açucar e outros se deslocam

de uma célula para outra, de um órgão para outro o outro e

4) Um elemento essencial para a manutenção da turgência, necessária para o crescimento da céula. Além disso a água é necessária para a transpiração, que, embora não exercendo uma função útil no crescimento e desenvolvimento da planta, desempenha diversos efeitos benéficos.

o As deficiências da água não só reduzem o rendimento como também alteram a forma de crescimento.

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o Em geral a profundidade do enraizamento diminui com o aumento de humidade no solo.

o Em condições de humidade escassa as raízes tendem a ser mais profundas, tornam-se mais finas e mais longas.

o As irrigações frequentes podem conduzir a um desenvolvimento superficial das raízes, oque é inconveniente quando ocorrem secas.

o O rendimento económico, a floração, e a produção de sementes são afectados pelas condições de humidade.

Evapotranspiração o Transferência de Água do Solo para a Atmosfera

O balanço da água das culturas irrigadas ensina-nos

que a maior porção de água na zona das raízes é perdida na forma de vapor para a atmosfera.

Perdas de água ocorridas directamente na superfície do solo são chamadas evaporação, enquanto a transpiração se refere as perdas de água das plantas.

Fisicamente ambos os processos são idênticas, porque ambos envolvem a troca de fase de água, da forma líquida para forma de vapor e o transporte para a atmosfera.

O conceito de evapotranspiração refere-se ao total da perda de água para a atmosfera, da surperfície do solo e das plantas.

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Em termos gerais a palavra evaporação significa toda a perda de água na forma de vapor idenpedentemente da natureza da superfície.

Dois modelos físicos descrevem a evaporação na natureza:

Primeiramente, a evaporação é um processo de transformação da água da fase líquida para a fase de vapor. A troca da fase de um grama de água a 20 C para a fase de vapor requer 585 calorias.

Essa energia é conhecida como calor latente de

vaporização.

Consequentemente o estudo do balanço de Energia da superfície pode ser usado para calcular a evaporação.

Em segundo lugar, a evaporação é um processo de transporte de vapor de água da superfície para a atmosfera.

Esta descrição da evaporação basea-se no balanço de massa e no balanço de momento de uma camada de ar acima da superfície.

Balanços de energia de massa e de momento são técnicas clássicas de engenharia usadas para resolver problemas de transporte.

Em meteorologia as mesmas técnicas são usadas

para descrever a evaporação.

Unidades:

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Para homogeneizar as dimensões e unidades nas equações dos balanços de massa e energia, considera-se a energia como a quantidade física básica.

Assim todos os termos nas equações de balanço serão densidades de fluxo de energia expressos

em calorias cm2

min1.

Dividindo pelo calor latente de vaporização convertemos a densidade de fluxo de energia em densidade de fluxo de água.

Balanço da energia – como uma superfície não tem por si só capacidade calorífica, a radiação líquida absorvida pela superfície deve ser totalmente dissipada.

Existem três mecanismos importantes para a dissipação:

1) A energia usada para elevar a temperatura do solo

e das plantas é chamada densidade de fluxo de calor do solo, G;

2) A energia usada para aquecer o ar acima da superfície ou densidade do fluxo de calor sensível, H;

3) E a energia usada para a evaporação ou densidade e fluxo do calor latente, E.

Em geral, deveia-se incluir também a energia usada

pelas pantas na fotossíntese, mas isto representa apenas

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1 ou 2% da radiação líquida podendo assim ser

desprezado.

A equação de balanço da energia da superfície vem:

RnG HE donde E Rn G H representa a evaporação

Radiação líquida – Quando a água é facilmente disponível

na superfície, E é o maior termo da equação.

Devido a essa condição pode-se dizer que, para uma primeira aproximação, a evaporação é proporcional a radiação líquida.

A importância dessa conclusão na prática é que para áreas extensas é quase impossível medir a evaporação ao passo que a radiação líquida é facilmente medida com o radiômetro líquido.

Fluxo de calor no solo - O fluxo de calor no solo depende da capacidade de calor e da condutibilidade térmica do substracto.

Como a capacidade de calor das plantas tem a magnitude duas vezes menor que a do solo, a sua contribuição é desprezada.

A previsão do fluxo de calor no solo é difícil pois o mesmo é heterogénio e da porosidade multifásica.

Resultados experimentais mostram que no balanço da energia em períodos de uma ou mais semanas o fluxo de calor no solo é muito pequeno e pode ser desprezado.

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Fluxo de calor sensível - As leis que reagem o fluxo de calor nos gases podem ser usados para predizer o fluxo de calor sensível na atmosfera pois ela é um sistema aberto.

O fluxo de ar acima da superfície faz com que o mesmo seja continuamente renovado e mistura com o ar em camadas mais altas.

A técnica experimental não pode solucionar esse problema porque a medição da densidade do fluxo de calor sensível é impossível na prática.

Para solucionar esse problema, utilizam-se os artifícios que se seguem.

Relação de Bowen

Vimos que H

LE, onde

H c p KH

T

z e LE LKE

q

z

cp = calor específico á pressão constante

= densidade do ar

T

z = gradiente de temperatura

kH = coeficiente de transferência de calor

sensível

q

z = gradiente de temperatura

K E = coefeciente de transferência de calor

latente

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Logo, se H

LE

cp KH

T

z

LKE

q

z

Eliminando os termos comuns, teríamos:

c p

KH T

LKE q

Admitindo que KH KE , teríamos c p

T

Lq ou

dt

dq

= constante psicrométrica = 0.66mb

C

dt = gradiente de temperatura

dq = gradiente de humidade

Se H

LE donde H LE

Como a equação do balanço da energia é dada pela

fórmula Rn H G LE 0

Substituindo ficaria:

Rn LE G LE 0 ,

Rn LE 1 G 0,

LE 1 Rn G

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LE Rn G

1

Donde H Rn G

1

1

é o fluxo de calor sensível.

Variação Diurna dos Componentes do Balanço de Energia As figuras 1 e 2 mostram a variação diurna dos

componentes do balanço da energia.

Figura 1: Variação diurna dos termos do balanço de energia.

O balanço de energia mostrado na Figura 1 foi tomado

sobre um pequeno campo irrigado cujos arredores estavam secos.

Aqui a evaporação é maior do que a radiação líquida devido a energia de advecção, ou seja a corrente de ar quente e seco.

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A Figura 2 é típico de uma grande área irrigada ou em condições de sub-humidade.

Figura 2: Variação diurna dos termos do balanço de energia.

A evaporação é aproximadamente metade da radiação

líquida, entretanto, próximo ao nascer e pôr do Sol a evaporação é maior do que a radiação líquida.

Durante esses períodos, a evaporação extrai energia do ar e do solo. Os valores negativos, durante a noite, indicam condensação e formação de orvalho.

Cálculo da Evapotranspiração e da Evaporação Evaporação ( A ) – Processo físico do qual as moléculas

de água passam do estado líquido para o estado de vapor. No caso da água no planeta Terra ela ocorre nos oceanos, lagos, rios, solo e vegetação.

Transpiração (T ) – Processo de evaporação que ocorre através da superfície das plantas, em especial das folhas, através da abertura dos estômatos.

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A transpiração ocorre desde as raízes até as folhas pelo estabelecimento de um gradiente de potencial desde o solo até o ar. Quanto mais seco estiver o ar maior será esse gradiente.

A transpiração é a eliminação de água no estado de vapor. Todos os órgãos aéreos da planta transpiram: folhas, caules, flores e frutos. Mas o órgão mais importante da transpiração é a folha.

Folhas expostas ao sol absorvem energia e se aquecem. Às vezes o aquecimento é tão forte que acaba inibindo algumas actividades metabólicas, como a fotossíntese.

Ao evaporar-se, a água retira calor da superfície e passa a exercer um efeito importante na diminuição da temperatura, permitindo o resfriamento e retorno à actividade metabólica normal.

A transpiração funciona como um regulador de temperatura foliar e pode ocorrer através dos estômatos da planta.

Estômatos são estruturas encontradas na epiderme dos órgãos aéreos das plantas.

O maior número de estômatos encontra-se nas folhas, mas também são encontrados nos caules, flores e frutos.

Demanda – é a forma como a atmosfera solicita água da

planta. Quando a demanda é maior as plantas murcham (mas não morrem). Elas tem a capacidade de voltarem ao seu estado normal logo que a demanda for menor (nas manhãs).

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Stress hídrico – é o efeito da falta de água na transpiração da planta.

Turgência – é o excesso de água. Tensão que mantém as plantas esticadas (turgias).

Resistência estomática – é a forma de resistência da planta.

Sendo assim, a evapotranspiração é o processo simultâneo de transferência de água para a atmosfera através da evaporação (E) e da transpiração (T).

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Métodos de obtenção da Evaporação

Directo Indirecto Evaporímetro Tanque classe A-USWB Metodo de Penman 1 - Tanque GGI-3000 1 - Metodo de transferencia de massa

2 - Tanque de 20 m2 2- Metodo da energia

3 - Tanque fluente 3 - Metodo de balanco hidrico Atômetros 4 - Metodo das formulas empiricas 1 - Livingstone

2 - Bellani

3 - Piché Evapógrafo de balança

Método de Penman Método Combinado (Balanço Energético+Aerodinâmico)

ET

EP rad

EP aer

ET = Evaporação potencial estimada da superfície (mm

dia)

= Inclinação da curva da pressão de vapor de saturação ( mb

C

)

= Constante psicométrica (= 0.67 mb

C

)

EP rad = Balanço energético (radiação incidente-radiação emitida)

EP aer = Termo aerodinâmico

Ou

ET

Ra 1 0.25 0.25 0.5

n

NT

40.1 0.9

n

N0.34 0.044 e

1

0.26 1.0

U

160es T e

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Ra = Radiação incidente no topo da atmosfera (mm

dia)

n = Número actual de horas de brilho solar (hr ) N = Número máximo possível de horas de brilho solar ( hr )

T4 = Radiação emitida pela superfície terrestre à temperatura (T )

T = Temperatura média máxima e mínima do dia ( C )

U = Velocidade do vento (km

dia)

e = Pressão de vapor médio (mb ) es T = Pressão de vapor de saturação à temperatura (T )

Métodos de obtenção da Evapotranspiração

Evapotranspiração Potencial Evapotranspiração Real Directo Directo Lisímetro ------------- Percolação Indirecto Pesagem Método do Balanço Hídrico Indirecto Método dos coeficientes de cultura Equação Thornthwaite Método de Blaney-Criddle Método de Penman

Método de Thornthwaite Correlação entre os dados da evapotranspiração medida e a temperatura do ar.

Método empírico: ETP b Tma

I 0,2Tmi 1.514 somatorio dos 12 meses do ano ;

a 6,75 108

I3

7.71 106

I2 0.01791 I 0.492 ;

b = (N

12) (factor de ajuste do comprimento do dia);

ETP = evapotranspiração potencial (mm

mes);

N = Máxima insolação diária (função da latitude e do mês);

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I = Índice de calor; Tm = Temperatura média diária

Método dos Lisímetros

Lisímetros: São tanques enterrados no solo, por meio dos quais se mede a evapotranspiração.

ETP P Q DR P : Precipitação Q : Drenagem DR : Variação da quantidade de água acumulada no lisímetro

Método do Balanço Hídrico

ETP P S DA

P : Precipitação S : Saída de água pela rede de drenagem DA : Variação do armazenamento Método dos Coeficientes de Cultura (estimativa da demanda real de água de uma cultura)

ETR kc ETP

ETR : Evapotranspiração real da fase (mm/período) kc : Coeficiente de cultura de fase (adimensional) ETP : Evapotranspiração potencial do period (mm/período)

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Próxima Aula:

Prática 4

05/05/2011

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