SUMÁRIO
NDVI 114 4.3 Análise da Morfologia Urbana
5. O campo térmico urbano de Brasília – DF: Ilhas de Calor em Brasília – DF
1.5. Considerações Finais do Capítulo
A análise do ambiente urbano é fundamental para a compreensão do campo térmico. As trocas de energia por ondas longas e curtas existentes no meio urbano, entre os edifícios, entre as diferentes formas e entre os diversificados materiais de superfícies, dão origem ao clima urbano. Os dados dos materiais de superfícies expostos, tais como: albedo, emissividade, absortância e emitância, além de base para as análises do presente trabalho, devem servir também de fontes para futuras pesquisas e experimentos do clima urbano. Além da revisão de Morfologia Urbana, com as definições do fator W/H/L, FVC e dos Cânions Urbanos, os quais atuam diretamente no balanço de energia.
O cálculo do balanço de energia caracteriza a essência do aquecimento de áreas e a formação das ICU - “ilhas de calor urbanas”. A partir dele
foram desenvolvidos softwares, tais como o UMEP – Urban Multi-scale Environmental Predictor, plugin do QGis, também software livre. Esta ferramenta pode ser usada para uma variedade de aplicações relacionadas ao conforto térmico externo, consumo de energia urbana, mitigação de mudanças climáticas, entre outras, e será utilizada em trabalhos futuros oriundos deste.
47 2. Ilhas de Calor Urbanas
Consiste no aquecimento de áreas urbanas, densamente ocupadas e/ou impermeabilizadas, em relação a áreas do entorno com maior presença de vegetação, sejam rurais ou urbanas também. Entre as causas da formação das ilhas de calor urbanas – ICU - pode-se destacar: a elevada capacidade de armazenamento calorífico dos materiais das edificações, a produção do calor antropogênico, a diminuição da umidade do ar devido à pavimentação do solo, a redução na velocidade do ar originada pela rugosidade da superfície, o aumento da absorção da radiação solar e consequente alteração do albedo, entre outras (OKE, 2006; SANTAMOURIS, 2006; GARTLAND, 2010; ROMERO, 2011; STEWART e OKE, 2012).
Nocivas ao ambiente urbano, nos países tropicais, as ilhas de calor incorrem no aumento da demanda por energia para resfriamento mecânico (ar condicionado), na poluição do ar, nas emissões de gases de efeito estufa e até em doenças relacionadas ao calor. Gartland (2010) descreve cinco características em comum das ilhas de calor:
“1. (...) O ar no "dossel urbano", abaixo das copas das árvores e edifícios, pode ser até 6oC mais quente do que o
ar em áreas rurais;
2. (...) Superfícies artificiais absorvem mais calor do sol do que a vegetação natural;
3. Essas diferenças nas temperaturas do ar e na superfície são realçadas quando o dia está calmo e claro;
4. Áreas com menos vegetação e mais desenvolvidas tendem a ser mais quentes, e ilhas de calor tendem a ser mais intensas conforme o crescimento das cidades; 5. Ilhas de calor também apresentam ar mais quente na "camada limite", uma camada de ar de até 2.000m de altura”(GARTLAND, 2010, p. 11).
No Quadro 5, uma exposição detalhada dos processos de formação das Ilhas de Calor Urbanas por Stewart e Oke (2012):
Quadro 5 – Causas das Ilhas de Calor Urbanas Causas do efeito da ilha de calor urbana.
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1. Grande absorção de radiação solar devido à reflexão múltipla e à captura de radiação pelas paredes construidas e superfícies verticais na cidade. A maior absorção não é, como costuma ser assumida, devido unicamente ao menor albedo de materiais urbanos.
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2. Maior retenção de radiação infravermelha em canyons de rua devido a uma visão restrita do hemisfério radiante "fria" do céu. A visão do céu fica cada vez mais restrita com edifícios mais altos e mais compactos.
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3. Grande absorção e liberação tardia de calor por edifícios e superfícies pavimentadas na cidade. Muitas vezes, incorretamente atribuído apenas às propriedades térmicas dos materiais, esse efeito também se deve à radiação solar e infravermelha "retida" e às perdas convectivas reduzidas na camada do dossel onde o fluxo de ar é retardado.
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4. Grande parte da radiação solar absorvida na superfície é convertida em formas de calor sensíveis e não latentes. Este efeito é devido à substituição de solos úmidos e plantas por superfícies pavimentadas e impermeabilizadas e um declínio resultante na evaporação da superfície.
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5. Grande liberação de calor sensível e latente da combustão de combustíveis para transporte urbano, processamento industrial e aquecimento / resfriamento doméstico. O calor e a umidade também são liberados do metabolismo humano, mas isso geralmente é um componente menor do balanço energético da superfície.
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Os critérios para a classificação da qualidade do clima urbano, da ilha de calor e das zonas de ventilação propostos por Katzschner (1997) estão no
Quadro 6. O autor propõe a análise a partir de diferentes tipos de uso e ocupação do solo, estruturas urbanas e situação topográfica na área.
Quadro 6 – Critérios para um sistema de classificação de clima urbano
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Em “Ilhas de Calor: como mitigar zonas de calor em áreas urbanas”, Lisa Gartland (2010) estabelece a linha do tempo dos estudos acerca da temática, enumerando uma sequência temporal de autores em diversos continentes (Quadro 7), no sentido de comparar e relacionar o processo de formação destas “áreas aquecidas” nas cidades. A autora define o que são as ilhas de calor em áreas urbanas, utilizando o modelo clássico do Balanço Energético para apontar as causas, abordando os aspectos empíricos e teóricos da temática.
Quadro 7 – Os primeiros estudos sobre “Ilhas de Calor”
Autor Período Cidade Observações
Luke Howard 1818 - 1833 Londres Cidade e campo Emilien Renou 1855 – 1862 - 1868 Paris Cidade e campo Wilhelm Schmidt 1917 - 1929 Viena Cidade e campo Mitchell 1953 - 1961 EUA Cidade e campo
Fonte: Adaptado de Gartland, 2010, p. 9.
Para a exposição do fenômeno ilhas de calor, Gartland (2010, p. 12 a 23) analisou cerca de 15 (quinze) estudos realizados ao redor do mundo sobre o tema e seus respectivos métodos, tais como (Quadro 8):
Quadro 8 – Estudos recentes sobre “Ilhas de Calor”
Autores Período Cidade Observações
1. Morris e Simmonds 2000 Melbourne Austrália Temperatura do ar em dezembro de 1997, janeiro e fevereiro de 1998 (verão) e junho, julho e agosto de 1998 (inverno). Medições realizadas no Centro Comercial e no Aeroporto, nos horários 6 h, 12 h, 18 h, 24 h.
2. Steinecke 1999 Reykjavík Islândia
4ºC negativos de ilha de calor, a cidade é mais fria que as áreas rurais circundantes.
3. Brazel et al. 2000
Phoenix Arizona EUA
Maior arborização e irrigação em áreas desenvolvidas provocam o efeito “oásis”, temperaturas 1 a 2ºC mais frias que as áreas rurais circundantes durante o dia, sendo que durante à noite ocorre uma inversão, quando o efeito “ilha de calor” provoca de 3 a 8ºC à mais na área urbana em relação à rural.
4. Todhunter 1996
Minneapolis St Paul
26 localidades em Minneapolis – St Paul. Lugares com mais graus-dia de resfriamento apresentaram temperaturas mais elevadas e ilhas de calor mais intensas.
5. Yamashita,
1996 1990
Tóquio Japão
Temperaturas medidas a partir de trens em movimento ao longo de 16 linhas ferroviárias em Tóquio e em áreas circundantes. Em agosto, à noite, a intensidade da ilha de calor era de 3ºC sobre a área metropolitana de Tóquio. Em novembro, pela manhã, uma intensidade de 5ºC.
6. Montavez et
al. 2000
Granada Espanha
Medições em 84 localidades pela cidade, considerando a intensidade do uso do solo. Mapeamento dos picos de temperatura de acordo com
50 os maiores índices entre altura dos
edifícios e largura das ruas. Comprovação do efeito arrefecimento de um parque urbano.
7. Schott e Schimminger, 1981
1978 Búfallo Nova York
O programa Explorer Mission 1 de 1978 foi um dos primeiros a ter os dados gerados por um satélite utilizado para observar o calor urbano. Um radiômetro de mapeamento de capacidade calorífica mediu as temperaturas de superfície da região.
8. Gorsevski et
al. 1998
Sacramento Califórnia
Imagem obtida pela NASA (National Aeronautics and Space Administration), por meio de um Laser Jet equipado com um ATLAS (sensor avançado de aplicativos térmicos e terrestres). A resolução de 10 metros por pixel permite identificar construções individualmente. 9. Imamura, 1989; Kawashima et al., 2000; e Watkins et al., 2002 2002 Tóquio Japão
Foram encontradas relações entre as temperaturas de superfície medidas a partir de sensores remotos e as temperaturas do ar em diferentes cidades. 10. Tumanov et al., 1999 1994 Bucareste Romênia
Medições em duas estações urbano- rurais, em dias nublados e com ventos, sendo que a diferença de temperatura de apenas 1ºC à noite; e em dias claros e calmos, a intensidade da ilha de calor apresenta-se bem maior, chegando a 3,6ºC.
11. Bornstein 1968 Nova York Um helicóptero sobrevoou a cidade, fazendo medições verticais de temperaturas e de pressão em locais
específicos. As temperaturas foram medidas ao pôr do sol em dia claro e calmo de verão.
12. Godowitch et
al., 1985 1975
St. Louis Missouri
Medições verticais de temperatura a partir de voos de helicóptero sobre a cidade.
Fonte: Adaptado de Gartland, 2010, p. 12 a 23.
Para abordar as causas da ilha de calor, Gartland (2010, p. 27) baseia-se no modelo clássico do Balanço Energético (Equação 4), que por sua vez considera a primeira lei da termodinâmica – “a energia nunca é perdida”. Equação 4:
Convecção + Evaporação + Armazenamento de Calor = Calor Antropogênico + Saldo de Radiação
Sendo:
• Convecção, a energia que é transferida de uma superfície sólida para uma fluida, nesse caso da superfície terrestre para o ar acima dela;
• Evaporação, a energia transmitida a partir da superfície terrestre em forma de vapor d’água;
• Armazenamento de Calor, depende de duas propriedades dos materiais: a condutividade térmica e a capacidade calorífica; • Calor Antropogênico, representa o calor “produzido pelo
51 • Saldo de Radiação (Equação 5), abrange quatro processos de
radiação distintos que acontecem na superfície terrestre (GARTLAND, 2010, p. 28):
Equação 5:
Saldo de Radiação =
Radiação Solar Global - Radiação Solar Refletida + Radiação Atmosférica – Radiação da Superfície
Sendo:
• Radiação Solar Global, a quantidade de energia radiada pelo sol; • Radiação Solar Refletida, a quantidade de energia que é refletida a partir de uma superfície, de acordo com a refletância do material;
• Radiação Atmosférica é o calor emitido por partículas presentes na atmosfera (gotículas de vapor d’água, nuvens, poluição e poeira);
• Radiação da Superfície é o calor radiado a partir de uma superfície. Uma superfície mais quente, por exemplo, radia mais energia.
Gartland (2010) comprovou o ganho de calor em áreas urbanas decorrentes de atividades antropogênicas (Quadro 9).
Quadro 9 – Estudos recentes sobre “Ilhas de Calor”
Autores Período Cidade Observações
1. Balling e Brazel, 1988; Brazel et al., 2000 1988 Phoenix Arizona
Nem todas as cidades possuem níveis de evaporação reduzidos, porém, elas ainda assim sofrem com as ilhas de calor em decorrência de outras causas. Phoenix, no Arizona e Negev em Israel, tendem a apresentar níveis de evaporação mais elevados do que os desertos que as cercam por terem sido planejadas com muitas árvores e gramados que são molhados e irrigados regularmente. 2. Pearlmutter et al., 1999 1999 Negev Israel 3. Khan e Simpson, 2001 1996 Brisbane Austrália
Estimativas mais recentes de ganhos de calor antropogênico incluem áreas urbanas, suburbanas e rurais, no mês de dezembro (verão). O padrão diário apresenta valor de pico de 65 W/m2, sendo que antes de 1980
este valor ficaria entre 20-45 W/m2.
4. Ichinose et
al., 1999 1999
Tóquio Japão
Em regiões mais densamente povoadas e com maior intensidade de energia urbana, foram encontrados níveis mais elevados de até 400 W/m2 no verão e de até 1590 W/m2
no inverno.
Fonte: Adaptado de Gartland, 2010, p. 30 e 35.
Os cinco métodos básicos utilizados para medir os efeitos da urbanização, segundo Gartland (2010, p. 37), são:
52 • Estações fixas; • Transectos Móveis; • Sensoriamento Remoto; • Sensoriamento Vertical; • Balanços de Energia.
Segundo as escalas de análise do clima urbano expostas anteriormente, Oke (2006) estabelece dois diferentes tipos de ilha de calor: de superfície e atmosférica. A ilha de calor de superfície se refere ao aquecimento relativo das superfícies urbanas. A ilha de calor atmosférica (Figura 17) se forma nas seguintes camadas:
• Camada dossel urbano (CDU): próxima às superfícies da cidade, se estendendo verticalmente desde o solo até a influência do edifício mais alto. Compreende a camada de ar onde as pessoas vivem (EPA, 2008);
• Camada limite urbana (CLU): situa-se acima do dossel, formando um domo de ar aquecido sobre a cidade, que pode ter sua forma modificada pelo vento (VOOGT, 2007).
Esta é uma importante definição, no sentido de identificar que o presente trabalho direciona-se à análise das ICU de Superfície – na Camada Dossel Urbano ou Urban Canopy Layer (UCL).
Figura 17 - Ilha de calor urbana atmosférica
Fonte: Adaptado de Voogt e Oke, 2003, p. 1. Disponível em:
http://www.actionbioscience.org/environment/voogt.html. Acesso em 15/06/2017.
As principais diferenças entre essas categorias de ICU estão relacionadas no Quadro 10, baseadas no desenvolvimento temporal, intensidade, método de identificação e representação.
53 Quadro 10 - Ilha de Calor Urbana de Superfície e Atmosférica
Características ICU Superfície ICU Atmosférica
Desenvolvimento Temporal
Presente em todas as horas do dia e da noite
Pode ser pequena ou inexistente durante o dia
Mais intensa durante o dia e no verão
Mais intensa durante a noite e no inverno
Intensidade (amplitude térmica)
Maior variação
espacial e temporal Menor variação: Dia: 10 a 15ºC Dia: -1 a 3ºC Noite: 5 a 10ºC Noite: 7 a 12ºC
Método de Identificação
Medição indireta: Medição direta:
Sensoriamento remoto
Estação meteorológica fixa
Transectos em rede de estações móveis Representação Típica Imagem termal Mapa isotérmico
Gráfico de temperatura
Fonte: Adaptado de EPA, 2008, p.2.
Gartland (2010, p. 37) acrescenta que as medições são importantes, contudo não conduzem às medidas para mitigar as ilhas de calor e é aí que a simulação se faz necessária. Diferentes modelos de simulação vêm sendo utilizados no sentido de diminuir as temperaturas, o consumo de energia e a poluição do ar. Existem modelos específicos de simulação para observar edifícios individualmente, cânions urbanos e áreas urbanas mais extensas. No próximo capítulo seguem as possibilidades de mitigação de Ilhas de Calor Urbanas.