b) Fatores intrínsecos
7.3.1. Variação temporal e espacial da temperatura do ar
As variações temporal e espacial da temperatura do ar são condicionadas pelo balanço de energia na superfície. Assim, todos os fatores que afetam o balanço de energia influenciam também a temperatura do ar. Entre esses fatores destacam-se:
• na escala macroclimática, predominam os efeitos da irradiância solar, ventos, nebulosidade, transporte convectivo de calor, e concentração de vapor d’água na atmosfera;
• na escala topoclimática, a exposição e a configuração do terreno são os moduladores da temperatura do solo e do ar;
• na escala microclimática, o fator condicionante é a cobertura do terreno.
Para fins meteorológicos e climatológicos, a temperatura do ar é medida sob uma condição de referência, para que haja comparação entre diferentes locais. A condição padrão para a medida da temperatura do ar é: sobre área plana e gramada, a uma altura entre 1,5 a 2,0 m acima da superfície e dentro de um abrigo meteorológico que permita a livre passagem do ar e impeça a incidência de radiação solar nos equipamentos. Esse abrigo pode ser de venezianas, como nas Estações Meteorológicas Convencionais (Figura 7.4a), ou constituído de multi-placas, como nas Estações Meteorológicas Automáticas (Figura 7.4b).
a
b
Figura 7.4. Abrigos meteorológicos utilizados em Estações Meteorológicas Convencionais (a) e Automáticas (b) Sob essa condição de referência, o padrão médio de variação diária da temperatura do ar é bastante semelhante ao apresentado na Figura 7.5. Observa-se que a temperatura máxima ocorre com uma defasagem de 2 a 3 horas em relação ao horário de maior irradiância solar (12h), enquanto que a temperatura mínima ocorre um pouco antes do nascer do sol, em função do resfriamento noturno. Esse padrão pode ser alterado em função das condições macroclimáticas vigentes, como por exemplo a entrada de uma frente fria, ocorrência de chuvas, etc.
0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Hora Te m p e ra tur a do a r ( oC) Tmín Tmáx
7.4. Termometria
A temperatura é medida com termômetros, que podem ser divididos em 5 grupos, de acordo com o princípio físico utilizado pelo sensor de temperatura.
• Dilatação de líquido: os termômetros baseados neste princípio são os mais comuns, consistindo de um capilar de vidro, onde uma coluna de líquido (álcool ou mercúrio) se dilata/contrai com o aquecimento/resfriamento. Num posto agrometeorológico convencional, os termômetros de máxima, de mínima, geotermômetros e o conjunto psicrométrico são desse tipo.
O termômetro de máxima (Figura 7.6a), usa mercúrio como sensor, e tem uma constrição no capilar próximo à base da coluna para impedir que o mercúrio retorne para o bulbo quando a temperatura diminui. A coluna de mercúrio dilata-se quando há aumento da temperatura, até que a máxima seja atingida, e essa posição é mantida até que a leitura seja feita, geralmente nas horas mais frias do dia seguinte. O retorno do mercúrio ao bulbo só é possível com aplicação de uma força, agitando-se manualmente o termômetro, nas horas em que a temperatura seja mínima, para permitir que êle seja preparado para a próxima observação. Para se evitar efeito da gravidade sobre a movimentação da coluna, esse termômetro deve ficar disposto horizontalmente.
O termômetro de mínima (Figura 7.6a), tem o álcool como sensor, sendo seu bulbo em forma de U para
permitir maior contato com a atmosfera. Dentro da coluna de álcool há um pequeno halter de material leve, que somente se movimenta quando a coluna retrocede em direção ao bulbo, ou seja, em condições de diminuição da temperatura. Esse movimento só é possível se o halter estiver colocado junto ao menisco que se forma na interface álcool – ar dentro do termômetro. Para que o termômetro esteja apto a medir a temperatura mínima, o halter deve ser ajustado com o menisco nas horas mais quentes do dia, após a leitura da mínima. A temperatura mínima corresponde à extremidade do halter voltada para o menisco, que é o indicador da temperatura em qualquer instante. Obviamente, esse termômetro também deve ficar disposto horizontalmente para evitar movimentação indevida do halter.
Quando não se necessita de maior precisão nas medidas, pode-se utilizar um termômetro conjugado de máxima e mínima, tipo Six (Figura 7.6b). É um sensor de baixo custo, mas menos preciso que os termômetros meteorológicos. Esse instrumento é colocado verticalmente, e tem forma de U, contendo mercúrio na parte de baixo do U e álcool acima, em cada lado. Portanto, há uma interface mercúrio-álcool em cada lado. Um lado marca a temperatura máxima, e o outro a mínima. Como os líquidos se movimentam livremente, são necessários dois indicadores, um para a temperatura máxima, e outro para a mínima. Os indicadores são ajustados aos capilares de tal modo que eles não se movimentam com a ação da gravidade. A variação de temperatura só os deslocam para cima. Esses indicadores são movimentados pelas colunas de mercúrio, mas ficam imersos no álcool, e são imantados para permitir seu deslocamento forçado após as observações.
O lado da máxima termina num reservatório parcialmente cheio com álcool, para permitir a dilatação dos líquidos. O lado da mínima termina num reservatório totalmente cheio com álcool. Quando há elevação da temperatura, há dilatação tanto do mercúrio como do álcool, e há movimentação em direção ao reservatório parcialmente vazio (único caminho possível). Com esse movimento, o indicador da temperatura máxima é levado também para cima (lado parcialmente cheio). Quando há resfriamento, tanto o mercúrio como o álcool se contraem, mas o álcool se contrai mais, e a movimentação das colunas agora é em direção ao reservatório totalmente cheio de álcool. Esse lado marca a temperatura mínima.
a
50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 M á x im a M ín im ab
Figura 7.6.- Termômetro de máxima e mínima: (a) tipo padrão e (b) tipo Six.
Para se medir a temperatura do solo são usados termômetros especiais, denominados de geotermômetros (Figura 7.7). Esses termômetros têm vários tamanhos, dependendo da profundidade que se quer medir a temperatura. São termômetros normais de mercúrio, mas como o o bulbo sensor fica enterrado, a coluna contendo a escala de leitura é inclinada para facilitar a leitura. No caso de medidas acima de 50 cm de profundidade, usa-se um
termômetro envolvido por uma haste de madeira, com contato mínimo entre o termômetro e a haste, que pode ser removido para se fazer a leitura.
Figura 7.7. – Geotermômetros.
• Dilatação de sólido: esse instrumento baseia-se no princípio de que um sólido ao se aquecer sofre dilatação proporcional ao aquecimento. O mais comum é o Termógrafo constituído de placa metálica em forma de anel que ao se dilatar e se contrair, de acordo com as variações de temperatura do ar, um sistema de alavancas aciona uma pena sobre um diagrama, o qual está colocado sobre um sistema de relojoaria, permitindo o registro contínuo (diário ou semanal) da temperatura do ar (Figura 7.8). Também muito utilizados em postos agrometeorológicos convencionais.
Figura 7.8. Termohigrógrafo.
• Pares termoelétricos: o princípio físico de um termopar é o mesmo utilizado nos sensores de radiação solar. No caso do termopar, uma das junções (união de dois metais diferentes) é colocada no abrigo meteorológico, enquanto outra junção (tomada como referência) é colocada num sistema cuja temperatura é conhecida (temperatura de referência, normalmente medida em gelo fundente ou com termistor). Essa diferença de temperatura entre as duas junções gera uma força eletromotriz (f.e.m.) proporcional a ela, permitindo ótima precisão e sensibilidade de medida. Com uma constante de calibração o valor da f.e.m. é transformada em temperatura (Figura 7.9). No caso apresentado, os metais são o cobre e o constantan. Uma vantagem desse tipo de termômetro é que eles geram sinais elétricos que podem ser registrados ou armazenados em sistemas automatizados de aquisição de dados; outra vantagem é permitir miniaturização.
Gelo
Cobre Cobre
Constantan Registrador
Junção
Figura 7.9. Termopar de cobre-constantan
• Resistência elétrica: os termômetros de resistência elétrica baseiam-se no princípio de que a resistência elétrica de materiais varia com a temperatura. Os metais utilizados para construção desses termômetros são o níquel, a platina, o tungstênio, e o cobre. Um caso especial são os termistores, constituídos de material semicondutor, com coeficiente térmico negativo, e que permitem acoplamento em sistemas automatizados de coleta de dados.
• Radiação Infravermelho: baseia-se na detecção da radiação eletromagnética emitida pelos corpos terrestres (Lei de Stefan-Boltzmann). Esse instrumento é utilizado para detecção da temperatura da superfície de um corpo, sendo utilizado em satélites meteorológicos, mas são de pouca aplicação em postos agrometeorológicos.
Para se medir a temperatura do ar pode-se utilizar todos os tipos de termômetros, com exceção do infravermelho. Os de dilatação de líquido e de sólido são normalmente utilizados em postos agrometeorológicos convencionais, enquanto que os termopares e os termistores são utilizados em estações meteorológicas automáticas. A temperatura no interior do solo é medida com geotermômetros do tipo de dilatação de mercúrio. As observações devem ser feitas em solo gramado ou desnudo, numa área de 4x4m, nas profundidades de 2, 5, 10, 20, 40 e 100 cm. Os termopares e termistores também podem ser utilizados para a medida da temperatura do solo.