PERDAS RADIATIVAS E TAXA DE RESFRIAMENTO NOTURNO NA

PERDAS RADIATIVAS E TAXA DE RESFRIAMENTO NOTURNO NA CIDADE DE SÃO
PAULO – SP
Emerson Galvani 1 , Nadia G. B. de Lima 2
Resumo: No presente trabalho avaliou-se a taxa de resfriamento noturno e sua relação com as
perdas radiativas na cidade de São Paulo, SP em duas noites com cobertura de céu claro e
encoberto. As datas foram 26 e 27 de maio (dia nublado) e 25 e 26 de maio de 2006 (dia com
cobertura de céu limpo). O intervalo de observação foi entre o ocaso e o nascer do sol,
aproxidamente entre 18h00min as 07h00min do dia posterior. Observa-se em noites de céu
nublado que a taxa de resfriamento é inferior àquela em dia com cobertura de céu limpo. Para o
dia com cobertura de céu limpo a taxa de resfriamento foi da ordem de -0,5 oC.h-1.
Palavras-Chave: temperatura do ar, resfriamento noturno, saldo de onda longa.
Introdução
A radiação de onda longa é o fluxo radiante de energia resultante da emissão dos gases
atmosféricos e de superfícies líquidas e sólidas dispostos sobre a superfície terrestre. Todos os
objetos sobre a superfície terrestre apresentam temperatura mais reduzida que a do sol, assim
esta radiação emitida apresentam comprimentos de onda maiores que a desta estrela. O intervalo
de comprimento de onda emitida pela superfície e pela atmosfera terrestre apresentam-se entre 4
e 100 μm sendo denominados, portanto de radiação de onda longa. A dificuldade no
monitoramento da radiação de onda longa resulta do fato que o próprio sensor emite comprimento
de onda e intensidade semelhante àquela proveniente da atmosfera e da superfície terrestre.
Sendo necessário, portanto, correções dos valores gerados pelo sensor que dependem da
obtenção da temperatura do sensor.
A radiação atmosférica e terrestre de onda longa constitui-se em importante componente no
balanço global de radiação e de energia. A sua avaliação e modelagem são necessárias para: (a)
previsão de resfriamento noturno, formação de nevoeiros e ocorrência de geadas, variação de
temperatura noturna e cobertura de nuvens, (b) estudos de balanço de energia e radiação, (c)
projetos de sistemas de refrigeração e também (d) determinação de variabilidade climática e
aquecimento global (CRAWFORD; DUCHON,1999; IPCC, 2001).
A radiação eletromagnética, da faixa do infravermelho (comprimento de onda entre 4,0 e 50,0 µm)
emitida pela atmosfera e superfície terrestre constitui-se em uma componente de difícil e cara
mensuração. A avaliação desta componente é efetuada com auxilio de pirgêometros. Este
instrumento permite obter a componente de onda longa atmosférica e a terrestre separadamente.
Também é possível a combinação desses dois sensores em um único instrumento denominado de
saldo pirgêometro que terá como resultante o saldo de radiação de onda longa (SRol). Na
1
Prof. Dr. Departamento de Geografia – FFLCH/USP. Av. Lineu Prestes, 338, CEP 05508-900, São Paulo, SP. Email:
[email protected].
2
Pós-graduanda em Geografia Física - Departamento de Geografia – FFLCH/USP. E-mail: [email protected].
tentativa de modelar a componente atmosférica de onda longa, diversos pesquisadores
apresentam suas propostas, a saber: Angstrom (1918), Brunt (1932), Swinbank (1963), Idso e
Jackson (1969), Brutsaert (1975), Berger et al. (1984), Culf e Nash (1993), Alados-Arboledas
(1993), Prata (1996), Crawford e Duchon (1999) ambos citados por Iziomona et al. (2003).
O objetivo do presente trabalho é avaliar as taxas de resfriamento noturno em noites com
cobertura de céu nublado e limpo na cidade de São Paulo e associar estas taxas ao saldo de
radiação de onda longa baseado em medidas de emissividade atmosférica e terrestre.
Material e Métodos.
Instrumental
Os valores de radiação de onda longa atmosférica e terrestre foram obtidos junto a estação
meteorológica instalada no Laboratório de Climatologia e Biogeografia do Departamento de
Geografia da Universidade de São Paulo – USP (Longitude: 46o43’ W, longitude: 23o33’ S e
altitude de 749 metros). A estação encontra-se instalada no teto do prédio em uma área coberta
com grama de 5 por 5m , totalizando 25 m2.
O instrumento utilizado foi um saldo radiômetro CNR1 da Kipp e Zonen. Este instrumento avalia
simultaneamente as componentes de radiação solar global e refletida (sensores superior e inferior
a esquerda da figura 01) e as componentes de onda longa atmosférica e terrestre (sensores
superior e inferior a direita da figura 01). Quando se trabalha com as componentes de onda longa
atmosférica e terrestre, individualmente, esse sensor é denominado de pirgeômetro.
Figura 01: Saldo radiômetro produzido pela Kipp e Zonen. (Fonte: http://www.kippzonen.com/pages/706/3/CNR1).
A temperatura do ar foi monitorada com um sensor Humicap 45C da Campbell 3 a dois metros do
solo e dentro do micro-abrigo 41003 10-Plate Gill Radiation Shield, do mesmo fabricante. Este
sensor registra a temperatura e a umidade relativa do ar em intervalos de 5 segundos sendo as
médias armazenadas em intervalos de cinco minutos. O mesmo intervalo de amostragem e
armazenamento foi utilizado para as componentes de radiação solar de onda curta e onda longa.
Os intervalos de observação foram obtidos entre o ocaso e o nascer do sol, aproxidamente entre
18h00min as 07h00min do dia posterior. Os dias analisados representam o intervalo entre os dias
3
A citação de marca comercial não expressa indicação desta por parte dos autores e da instituição.
24 a 27 de maio de 2006. A amostragem instantânea foi obtida na freqüência de cinco segundos
com valores integrados em intervalos de cinco minutos. A determinação da cobertura de nuvens
do período noturno foi efetuada considerando a relação Eatm e Eter. Sendo proposto os seguintes
intervalos:
- Se a relação entre Eatm/Eter (no período noturno) for igual ou superior a 0,98, será considerado
céu nublado;
- Se a relação entre Eatm/Eter (no período noturno) apresentar valor inferior a 0,98 e superior a
0,84, será considerado céu parcialmente nublado;
- Se a relação entre Eatm/Eter (no período noturno) apresentar valor inferior a 0,84 será
considerado céu limpo.
Esses intervalos foram obtidos pela observação visual de algumas noites específicas e também
observando as curvas de Eatm e Eter. Teoricamente, quando a relação Eatm/Eter se aproxima da
unidade isso implica que a temperatura da atmosfera (da base da nuvem em dias nublados)
equivale à temperatura da superfície terrestre. Estudo com série mais longa de observações deve
ser realizado para validar os intervalos sugeridos acima.
A taxa de resfriamento noturno será calculada pela diferença entre os valores de temperatura do
ar naquele momento e sua leitura anterior e o acumulado será a totalização dessa diferença entre
o ocaso e o nascer do sol. A perda radiativa de onda longa será obtida efetuando-se a
contabilização do saldo de radiação de onda longa (Eatm – Eter), também acumulado do ocaso ao
nascer do sol do dia posterior.
RESULTADOS E DUSCUSSÃO.
a) Noite com cobertura de céu encoberto.
A figura 02 apresenta os valores de emissividade atmosférica e terrestre para os dias 26 de maio
(das 18h00min as 24h00min) e 27 de junho de 2006 (das 00h05 min as 07h00min). Esse período
caracteriza-se por céu encoberto, pois a relação média entre Eatm/Eter é de 0,98 . Podemos
afirmar isso baseado no fato da emissividade atmosférica e terrestre estar próximo o que indica
diminuição de perdas radiativas. Esse período caracteriza-se por céu encoberto, pois a relação
média entre Eatm/Eter é de 0,98. A relação entre essas duas componentes se aproxima da
unidade, indicando que a temperatura da superfície se aproxima daquela da atmosfera. Em noites
com essas características as taxas de resfriamento noturno devem ser menores que aquelas para
noites de com cobertura de céu limpo.
130,0
125,0
120,0
-2
(KJ m )
115,0
110,0
Eatm
Eter
105,0
100,0
95,0
90,0
85,0
18
0
18 0
3
19 0
00
19
3
20 0
0
20 0
3
21 0
00
21
3
22 0
0
22 0
3
23 0
00
23
3
24 0
00
30
10
0
13
0
20
0
23
0
30
0
33
0
40
0
43
0
50
0
53
0
60
0
63
0
70
0
80,0
26 e 27 de junho de 2006
Figura 02: Curvas de emissividade atmosférica (Eatm) e terrestre (Eter) para o período entre 18h00min do dia 26 de
maio a 07h00min do dia 27 de maio de 2006 em São Paulo, SP.
Fonte: Estação Meteorológica Automática do Laboratório de Climatologia e Biogeografia do Departamento de Geografia da USP.
A figura 03a apresenta a curva de temperatura do ar do ocaso do dia 26 ao nascer do sol do dia
27 de junho de 2006. Observa-se nesta figura que a temperatura do ar nesta noite não apresentou
redução significativa oscilando em torno da média (16,5 oC). Contabilizando a temperatura do ar
no horário do por do sol (16,7 oC) e aquela ao nascer do sol (17,5 oC) percebe-se uma taxa de
“resfriamento” positiva, ou seja, +0,8 oC. Neste caso o termo taxa de resfriamento pode não ser o
mais adequado, visto que, ocorreu acréscimo da temperatura do ar. Tal fato está associado ao
nascer do sol que neste dia ocorreu as 06h39min (www.on.br) em que os primeiros raios solares
contribuem para os ganhos de energia e aumento da temperatura.
A figura 03b apresenta a taxa de “resfriamento” e perda de energia acumulado do ocaso ao por do
sol do dia posterior (26 e 27 de maio). Para esta noite o acumulado do saldo de onda longa (que
representa as perdas de energia pela superfície) totalizaram 376,1 kJ.m-2. Esse valor é
relativamente baixo (da ordem de 1/10) em termos energéticos quando comparado a uma noite
com cobertura de céu limpo.
Noite com cobertura de céu limpo 26 e 27 de junho de 2006.
Noite com cobertura de céu limpo 26 e 27 de junho de 2006.
1,5
18,5
1,0
o
Taxa de "resfriamento" Acumulada ( C)
18,0
o
Temperatura do ar ( C)
17,5
17,0
o
Tmédia=16,5 C
16,5
16,0
15,5
15,0
14,5
0,5
0,0
-400,0
-350,0
-300,0
-250,0
-200,0
-150,0
-100,0
-50,0
0,0
-0,5
-1,0
14,0
655
630
605
540
515
450
425
400
335
310
245
220
155
40
130
15
105
2350
2325
2300
2235
2210
2145
2120
2055
2030
2005
1940
1915
1850
1825
1800
-1,5
Saldo de Onda Longa Acumulado (kJ m-2)
Figura 3: Variação da temperatura do ar (esquerda) e taxa de “resfriamento” noturno em função das perdas radiativas
(direita) para a data de 26 e 27 de junho de 2006.
Fonte: Estação Meteorológica Automática do Laboratório de Climatologia e Biogeografia do Departamento de Geografia da USP.
b) Noites com cobertura de céu limpo.
A figura 04 apresenta a variação noturna das componentes Eatm e Eter para uma noite com
cobertura de céu limpo. A relação obtida entre Eatm/Eter é da ordem de 0,81 o que significa que a
Etam representa 81% da Eter e que a temperatura da superfície era, significativamente superior
àquela da atmosfera. Conforme afirmam Crawford e Duchon (1999) o estudo das perdas
radiativas noturnas nos permite compreender a variação de temperatura noturna e a cobertura de
nuvens. Observa-se um distanciamento sistemático das componentes Eatm e Eter. Nesta situação
de cobertura de céu limpo a Eatm é proporcional da temperatura do topo da troposfera, ou seja,
da ordem de -40 oC, aproximadamente. A temperatura do ar registrado no ocaso do sol foi de 19,4
o
C e aquele obtida no nascer do sol do dia seguinte foi de 13,6 oC. A taxa de resfriamento noturno
foi da ordem de -5,8oC expressando uma taxa média de -0,5oC.h-1. As perdas radiativas para esta
noite integraram 3.412,8 kJ.m-2, representando uma média de 588 kJ para cada grau de redução
da temperatura do ar.
130,0
20,0
o
19,4 C
125,0
19,0
120,0
95,0
90,0
16,0
14,0
85,0
13,0
80,0
12,0
18
0
18 0
3
19 0
0
19 0
3
20 0
0
20 0
3
21 0
0
21 0
3
22 0
0
22 0
3
23 0
0
23 0
3
24 0
00
30
10
0
13
0
20
0
23
0
30
0
33
0
40
0
43
0
50
0
53
0
60
0
63
0
70
0
Tmédia=15,2 oC
15,0
13,6 oC
400
425
450
515
540
605
630
655
100,0
17,0
40
105
130
155
220
245
310
335
Eatm
Eter
2120
2145
2210
2235
2300
2325
2350
15
105,0
1800
1825
1850
1915
1940
2005
2030
2055
(K J m -2 )
110,0
Tem peratura do ar ( o C)
18,0
115,0
Figura 4: Curvas de emissividade atmosférica e terrestre (esquerda) e taxa de resfriamento noturno (direita) para o
período entre 18h00min do dia 25 de maio a 07h00min do dia 26 de maio de 2006 em São Paulo, SP. Fonte: Estação
Meteorológica Automática do Laboratório de Climatologia e Biogeografia do Departamento de Geografia da USP.
A figura 05 apresenta a taxa de resfriamento noturno e sua relação com as perdas radiativas
acumuladas. Observa-se uma relação linear entre esses controles do clima com coeficiente
determinação da ordem de 0,89. Numericamente isso nos traduz que até 89% da taxa de
resfriamento noturno está associada às perdas radiativas noturnas. Isso explica porque noites
com cobertura de céu limpo tendem a apresentar temperaturas mínimas mais reduzidas na manhã
seguinte. Observando a relação linear entre esses dois elementos do clima infere-se a
possibilidade da estimativa da taxa de resfriamento noturno e, conhecendo-se a temperatura do ar
no ocaso do sol pode estimar a temperatura mínima do ar da manhã seguinte. Obviamente, essa
estimativa preconiza uma quantificação do saldo de radiação de onda longa, controle do clima de
difícil e onerosa mensuração. Assim, o que se apresenta contribuirá para o entendimento da
relação entre as perdas radiativas e a taxa de resfriamento noturno da superfície-atmosfera de
uma forma mais didática do que de prognóstico.
Noite com cobertura de céu limpo 25 e 26 de maio de 2006.
0
-3000
Taxa de resfriamento Acumulada (oC)
-3500
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
-1
-2
TR (oC) = 0,0016*(Eatm - Eter) - 1,3532
2
R = 0,885
-3
-4
-5
-6
-7
-2
Saldo de Onda Longa Acumulado (kJ m )
Figura 5: Taxa de resfriamento noturno para o período entre 18h00min do dia 25 de maio a 07h00min do dia 26 de maio
de 2006 em São Paulo, SP. Fonte: Estação Meteorológica Automática do Laboratório de Climatologia e Biogeografia do
Departamento de Geografia da USP.
Considerações Finais
A taxa de resfriamento noturno expressa as perdas radiativas da superfície terrestre evidenciando
estreita relação entre esses controles do clima. As noites com cobertura de céu limpo, com
elevadas perdas radiativas, resultam em temperaturas mínimas do ar mais reduzidas que aquelas
com cobertura de céu nublado. A taxa de resfriamento noturno em noite com céu limpo foi da
ordem de -0,5º.h-1, enquanto em noites de céu nublado a temperatura mínima do ar foi próxima
aquela registrada após o ocaso do sol.
Agradecimento: os autores agradecem ao técnico do Laboratório de Climatologia – LCB – USP, Rogério
Rozolen Alves que organizou os dados utilizados neste trabalho.
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Sítios consultados:
<http://www.kippzonen.com/pages/706/3/CNR1> - acesso em julho de 2006
<http://www.on.org> - acesso em julho de 2006