PERDAS RADIATIVAS E TAXA DE RESFRIAMENTO NOTURNO NA CIDADE DE SÃO
PAULO – SP
Emerson Galvani1, Nadia G. B. de Lima2
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: egalvani@usp.br.
2
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 Campbell3 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
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.
80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 105,0 110,0 115,0 120,0 125,0 130,0 1800183019001930200020302100213022002230230023302400 30 10 0 130200230300330400430500530600630700 26 e 27 de junho de 2006 (KJ m -2) Eatm Eter
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.
14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 18,5 18 00 18 25 18 50 19 15 19 40 20 05 20 30 20 55 21 20 21 45 22 10 22 35 23 00 23 25 23 50 15 40 105 130 155 220 245 310 533 400 425 450 551 540 605 630 655 Temper atur a do ar ( oC) Tmédia=16,5 oC
Noite com cobertura de céu limpo 26 e 27 de junho de 2006.
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 -400,0 -350,0 -300,0 -250,0 -200,0 -150,0 -100,0 -50,0 0,0
Saldo de Onda Longa Acumulado (kJ m-2 ) T axa d e "r esf riam ent o" A cu m ul ada ( oC)
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.
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 oC 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. 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 105,0 110,0 115,0 120,0 125,0 130,0 18001830190 0 19302000203 0 210021302200223 0 2300233 0 2400 3010 0 130200 230300 330 400430500 530600630 700 (K J m -2) Eatm Eter 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 18 00 18 25 18 50 19 15 19 40 20 05 20 30 20 55 21 20 21 45 22 10 22 35 23 00 23 25 23 50 15 40 105 130 155 220 245 310 533 400 425 450 551 540 605 630 655 T em p er at u ra do ar ( oC) Tmédia=15,2 oC 19,4 oC 13,6 oC
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. TR (oC) = 0,0016*(Eatm - Eter) - 1,3532 R2 = 0,885 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0
Saldo de Onda Longa Acumulado (kJ m-2)
T a x a de r e sfr iam ento A c u m u lad a ( oC)
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.
Referencias Bibliográficas
ALADOS-ARBOLEDAS, L. Estimation of hourly values of downward atmospheric radiation under cloudless skies during day- and night- time conditions. Theoretical and Applied Climatology 48, 127–131, 1993.
ANGSTROM, A. A study of the radiation of the atmosphere. Smithsonian Institution Miscellaneous Collections 65, 159–161. 1918.
BERGER, X., BURIOT, D., GARNIER, F. About the equivalent radiative temperature for clear skies. Solar Energy 32, 725–733. 1984.
BRUNT, D. Notes on radiation in the atmosphere. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 58, 389–418. 1932.
BRUTSAERT, W. On a derivable formula for long-wave radiation from clear skies. Water Resources Research 11, 742–744. 1975.
CRAWFORD, T.M., DUCHON, C.E. An improved parameterization for estimating efective atmospheric emissivity for use in calculating daytime downwelling longwave radiation. Journal of Applied Meteorology, v.38, 474–480, 1999.
CULF, A.D., NASH, J.H.C. Longwave radiation from clear skies in Niger: a comparison of observations with simple formulas. Journal of Applied Meteorology 32, 539–547. 1993.
GALVANI, E. Radiação atmosférica e terrestre de onda longa: uma abordagem didática. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA FÍSICA APLICADA, 11, São Paulo, Anais... São Paulo, Departamento de Geografia – USP, 2004, p.2203-2209.
IDSO, S.B., JACKSON, R.D. Thermal radiation from the atmosphere. Journal of Geophysical Research 74, 5397–5403. 1969.
Intergovernmental Panel on Climate Change [IPCC]. In: J.T. Houghton et al. (Eds.), Climate Change 2001: The scientific Basis, Cambridge University Press, New York. 2001.
IZIOMON, M.G.; MAYER, H.; MATZARAKIS, A. Downward atmospheric long wave irradiance under clear and cloudy skies: Measurement and parameterization. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, v.65, 1107– 1116, 2003.
MACHADO, A.; AZEVEDO, T. R. de. Observações não-convencionais da radiação atmosférica na cuaso e imediações. In: SEMINÁRIO DE PESQUISA EM GEOGRAFIA FÍSICA, 2, São Paulo. Anais... São Paulo: Programa de Pós-Graduação em Geografia Física – FFLCH – USP, 2004. p. 657-662.
PRATA, A.J. A new long-wave formula for estimating downward clear-sky radiations at the surface. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 122, 1127–1151. 1996.
SWINBANK, W.C. Long-wave radiation from clear skies. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 89, 339–348. 1963.
Sítios consultados:
<http://www.kippzonen.com/pages/706/3/CNR1> - acesso em julho de 2006 <http://www.on.org> - acesso em julho de 2006
