Interação Biosfera-Atmosfera: Trocas de elementos entre Superfície Terrestre (vegetação, corpos d água e/ou áreas urbanas) e a atmosfera.

Texto

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(2) Motivação  Interação Biosfera-Atmosfera: Trocas de elementos entre Superfície Terrestre (vegetação, corpos d’água e/ou áreas urbanas) e a atmosfera..  Trocas: quantidade de matéria e/ou energia que se move de um compartimento (Biosfera) para outro (Atomsfera) em um determinado período de tempo..

(3) Motivação  Relevância:  Engenharia Mecânica (Processos de Camada Limite, Meânica de Fluidos)  Agronomia  Ecologia  Meteorologia  Eng. Ambiental  Hidrologia  Engenharia Florestal.

(4) Motivação  Trocas: Integração de fluxos no tempo e no espaço.  Fluxos:     . Momento Energia: Calor Sensível e Calor Latente (H2O) CO2 CH4 Outros gases.

(5) Fundamentação Teórica Mecânica dos Fluidos: Turbulência.

(6) Equações Básicas  Equação de Conservação de Momento (ui): Navier-Stokes. dui = dt Derivada total. Fi. +. Forças de campo. ρ. −1. ∂σ ij ∂x j. Forças de superfície. Efeito Coriolis 2 ∂ui ∂ui ∂ ui ∂ p −1 + uj =−gδ i 3 − 2Ωε ijkη juk − ρ +ν ∂t ∂x j ∂xi ∂x j 2. Forças de Campo. Forças de Superfície.

(7) Fundamentação Teórica: Equações Básicas  Equação de Conservação (transporte) de Escalar Genérico (c):. dc dt Derivada total. ∂2c νc 2 ∂xi Difusão molecular νc - difusividade. Sc. +. Fontes/Sorvedouros. dc ∂c ∂c ∂c ∂c ∂c ∂c = + ui = +u +v +w dt ∂t ∂xi ∂t ∂x ∂y ∂z Advecção.

(8) Equações Básicas  Equações de Navier-Stokes:. ∂u  Fortemente não-linear (momento): u ∂x  Não tem solução analítica geral  Escoamento turbulento caracterizado por vórtices de. diversas escalas de comprimento;.

(9) Equações Básicas  Equações de Conservação: Média de Reynolds. c= c + c′. 1 t 0 +T c = ∫ cdt T t0. Média temporal. u= u + u′ ; v = v + v′ ; w = w + w′ p= p + p′. θ= θv + θv′ v q= q + q′.

(10) Equações Básicas 40 35. Temperatura [C]. 30. Medição de Temperatura: uma leitura por segundo. 25 20 15 10 5 0 140.5. 141. 141.5. 142. 142.5 dia do ano. 143. 143.5. 144. 144.5.

(11) Equações Básicas 40 35. Temperatura [C]. 30 25 20 15 10 5 0 140.5. 141. 141.5. 142. 142.5 dia do ano. 143. 143.5. 144. 144.5.

(12) Equações Básicas 40 35. Temperatura [C]. 30 25 20 15 10 5 0 0. 5. 10. 15 tempo [min]. 20. 25. 30.

(13) Equações Básicas 40 35. Temperatura [C]. T= T + T ′. T. 30 25 20 15 10. T′. 5 0 0. 5. 10. 15 tempo [min]. 20. 25. 30.

(14) Equações Básicas  Equações de Conservação: Média de Reynolds. (. ∂ ui + ui′ ∂t. ) + u + u ′ ∂ (u + u ′ ) = ( ) ∂x  i. j. i. j. j. ∂ui ∂ui′ ∂u ∂u ∂u ′ ∂u ′ + + u j i + u j′ i + u j i + u j′ i =  ∂t ∂t ∂x j ∂x j ∂x j ∂x j. ∂ui ∂ui′ ∂u ∂u ∂u ′ ∂u ′ + + u j i + u j′ i + u j i + u j′ i =  ∂t ∂t ∂x j ∂x j ∂x j ∂x j ∂ui ∂ui ∂ui′u j′ + uj + =  ∂t ∂x j ∂x j. u′w ′ =. 1 t 0 +T u′w ′dt ∫ t 0 T.

(15) Equações Básicas  Equação de Conservação Média (aplicando Média de Reynolds):. ∂ui′c′ ∂ c ui ∂ c ∂2 c + = − +ν c 2 + Sq ∂t ∂xi ∂xi ∂xi. ui′c′ = u′c′ + v ′c′ + w ′c′. Fluxos Turbulentos.

(16) Equações Básicas  Simplificações (para variáveis com fontes distribuídas, momento, temperatura, vapor d’água):  Efeitos viscosos e de difusão molecular desprezíveis;  Componente vertical da velocidade média nula:. ∂ ∂  Homogeneidade horizontal: = = 0 ∂x ∂y. w=0.

(17) Equações Básicas  Equações Simplificadas:. ∂p = − ρg ∂z ∂u ∂u′w ′ −1 ∂ p = −ρ + fv − ; ∂t ∂x ∂z ∂θv ∂w ′θv′ = − + Sθ ∂t ∂z. ∂q ∂w ′q′ = − + Sq ∂t ∂z. ∂v ∂v ′w ′ −1 ∂ p = −ρ − fu − ∂t ∂y ∂z. f = 2Ω sen (φ ) Parâmetro de Coriolis u′w ′; v ′w ′; w ′θv′ ; w ′q′. Fluxos turbulentos.

(18) Fundamentação Teórica Mecânica dos Fluidos: Turbulência. w′c′. uc w. uc e = uc w.

(19) Fundamentação Teórica 1 t 0 +T Fluxo Turbulento: w ′c′ = w ′c′dt ∫ T t0 Fluxo Turbulento (série temporal discreta):. 1 w ′c=′ w −w c −c ∑ N N. (. )(. ). Covariância.

(20) Interpretação Física.

(21) Instrumentação Anemômetro Sônico 3D. Analisador de Gases Infra-Vermelho CO2 e H2O.

(22) Instrumentação: Princípio de Funcionamento  Anemômetro: Sinal acústico é emitido pelos trandutores. A diferença de tempo entre a emissão e recepção em um sentido e o sentido inverso é causada pelo escoamento. Tridimensional mede U, V, W e θ  Analisador de Gases: Sinal infra-vermelho é emitido pela base e recebido no detector. Atenuação da radiação é proporcional a concentração dos gases. Normalmente usado mede CO2, H2O e CH4..

(23) Instrumentação: Anemômetros Sônicos Applied Technologies Inc. Gill Instruments. Campbell Scientific. R M Young.

(24) Instrumentação: Analisador de Gases. LI7500 CO2 e H2O aberto. LI7000 CO2 e H2O fechado. LI7700 CH4 aberto EC150 CO2 e H2O aberto.

(25) Instrumentação: Micro-logger Controle dos Instrumentos, Coleta e Tratamento dos dados.

(26) Instrumentação: Sistemas EC.

(27) Instrumentação: Aberto x Fechado Aberto (LI7500). Fechado (LI7000). Perdas de Fluxos. Separação espacial. Amortização de Frequência. Lipeza de Celula. Fácil, usuário. Moderada, usuário. Perda de dados devido a precipitação. Mais de 30%. Limitada pelo anemômetro. Potência requerida. 10W. ~50W (10 + 40). Calibração. Semanas a meses. 24 a 48h, pode ser automática.

(28) Metodologia: Cáculo de Fluxos F = ρ a w′s ′. Equação Geral. H = ρ a C p w′T ′. Calor Sensível [W/m2]. Mw Ma ρ a w′e′ L=λ P. Calor Latente (Fluxo de vapor d’água) [W/m2]. Fc = w′ρc′. Fluxo de CO2 [g/m2 s].

(29) Metodologia: Amostragem  Frequência e Tamanho da amostra para estatísticas? Espectro de Evapo-transpiração (Calor Latente, Fluxo de Vapor d’Água).

(30) Metodologia: Área de Pegada (Footprint)  Área representativa do fluxo?.

(31) Metodologia: Área de Pegada (Footprint)  Áera de Pegada em função da Altura dos Instrumentos.

(32) Metodologia: Área de Pegada (Footprint)  Áera de Pegada em função da Altura dos Instrumentos.

(33) Metodologia: Área de Pegada (Footprint)  Áera de Pegada em função da Rugosidade.

(34) Metodologia: Área de Pegada (Footprint)  Áera de Pegada em função da Estabilidade Atmosférica.

(35) Metodologia: Erros e Incertezas Frequency Response errors due to:. Other key error sources:. Time response Sensor separation Tube attenuation High pass filtering Low pass filtering Sensor response mismatch Digital sampling. Sensor time delay Spikes and noise Unleveled instrumentation Density Fluctuations Sonic heat flux errors Band-Broadening Data filling.

(36) Metodologia: Tratamento de erros.

(37) Metodologia: Resumo  Considerações:  Instrumentos capazes de dectetar pequenas alterações nas variáveis medidas com alta taxa de amostragem.  Fluxos são completamente turbulentos  Terreno horizontal e uniforme.  Medições em um ponto representam fluxos de área a montante.  Área de Pegada representativa da área de interesse..

(38) Redes de Medição de Fluxos  Fluxnet  Ameriflux  Euroflux  Asiaflux  LBA  Etc….

(39) Redes de Medição de Fluxos.

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