Agrometeorologia 2011

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.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
2
( cm ) por planta.
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o

AP
=
área
de
2
projecção ( cm )
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 cm 2 min 1.
 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
dissipação:
mecanismos
importantes
para
a
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:
Rn  G  H  E 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  c p K H
T
z
H
LE
, onde
e LE  LK E
q
z
 c p = calor específico á pressão constante
  = densidade do ar
T

= gradiente de temperatura
z
 k H = coeficiente de transferência de calor
sensível
q

= gradiente de temperatura
z
 K E = coefeciente de transferência de calor
latente
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 Logo, se  
H
LE

c p K H
LK E
 Eliminando
os
KH T
 cp
LK E  q
T
z
q
z
termos
comuns,
teríamos:
 Admitindo que K H  K E , teríamos   c p
 
T
L q
ou
dt
dq
  = constante psicrométrica = 0.66
 dt = gradiente de temperatura
 dq = gradiente de humidade
 Se  
H
LE
mb
C
donde H  LE
 Como a equação do balanço da energia é dada pela
fórmula R n  H  G  LE  0
 Substituindo ficaria:
R n  LE  G  LE  0 ,
Rn  LE 1    G  0,
LE 1    Rn  G
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LE 
 Donde H 
Rn  G
1

Rn  G
1 
é o fluxo de calor sensível.
1
 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
Indirecto
Directo
Evaporímetro
Tanque classe A-USWB
1 - Tanque GGI-3000
2
2 - Tanque de 20 m
3 - Tanque fluente
Atômetros
1 - Livingstone
2 - Bellani
3 - Piché
Evapógrafo de balança
Metodo de Penman
1 - Metodo de transferencia de massa
2- Metodo da energia
3 - Metodo de balanco hidrico
4 - Metodo das formulas empiricas
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 (
 = Constante psicométrica (= 0.67
EP rad
EP aer
mb

C
mb
)
C
= Balanço energético (radiação incidente-radiação emitida)
= Termo aerodinâmico

Ou
ET 


Ra 1
0.25 0.25  0.5
 1


n
N
T
0.26 1.0 
4
0.1  0.9
U
160
es T
n
0.34
N
e
0.044
e
)
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R a = 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 )
4
T = Radiação emitida pela superfície terrestre à temperatura (T )
T = Temperatura média máxima e mínima do dia ( C )
km
U = Velocidade do vento (
)
dia
e = Pressão de vapor médio ( mb )
e s 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.
a
Método empírico: ETP  b Tm
I   0,2Tmi 1.514 somatorio dos 12 meses do ano ;
a  6,75 10
b =(
N
8
I
3
7.71 10
6
I
2
 0.01791 I  0.492 ;
) (factor de ajuste do comprimento do dia);
12
mm
ETP = evapotranspiração potencial (
);
m es
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
--------------------------------------------------------------------------------------------