MEDIDAS E MODELAGEM DA RADIAÇÃO PAR PARA O NORDESTE DO BRASIL

MEDIDAS E MODELAGEM DA RADIAÇÃO PAR PARA O

NORDESTE DO BRASIL

CHIGUERU TIBA*

SERGIO DA S. A. LEAL**

Departamento de Energia Nuclear da Universidade Federal de Pernambuco

Av. Prof. Luiz Freire, 1000 – CDU - CEP 50.740-540, Recife, PE, Brasil

Tel.:+5581 3453 6019, Fax: +55 81 32718250, Email: tiba@rce.neoline.com.br

*Professor Adjunto do Depto de Energia Nuclear

**Aluno de Mestrado do PROTEN-DEN-UFPE

RESUMO

A radiação solar fotossintéticamente ativa - conhecida por seu acrônimo em língua inglesa como PAR (Photosynthetically-active radiation) - incidente sobre a superfície terrestre é a força diretora principal de inúmeros processos biológicos e físicos relacionados à produção da biomassa de forma geral, da evolução da cobertura vegetal, da produtividade agrícola e de inúmeros aspectos ambientais, entre outros. Infelizmente no Brasil e particularmente no Nordeste do Brasil, as medidas da radiação PAR não fazem parte da rotina de medidas das estações meteorológicas e assim, são ainda mais raras do que medidas sobre irradiação solar. Neste contexto uma estação foi instalada em 2003 em Recife, PE para realizar medidas simultâneas da irradiação solar diária e irradiação PAR que permitissem a modelagem e a validação de uma relação entre esses dois parâmetros e com isso possibilitar a estimativa da radiação PAR onde houvesse somente informações sobre irradiação solar.

Outras três estações estão sendo instalados em Fernando de Noronha-PE, Pesqueira-PE e Xingo-SE, completando um grupo de 4 estações compreendidas entre latitudes 8 e 10° S e longitudes 34 a 38° O e com climatologias Tropical Equatorial diferenciadas: marítima-ilha, marítima-continental, Agreste e semi-árido.

ABSTRACT

Photosynthetically active solar radiation, known by its acronym in the English language as PAR, is the principal driving force of innumerable biological and physical processes related to biomass production, suchs as, the evolution of vegetal covering, agricultural productivity, and countless ambiental aspects, among others. Unfortunately in Brazil and particularly in the Northeast of Brazil, the PAR radiation measures are not a routine part of meteorological station measures, and therefore are still rarer than solar irradiation measures. In this context, a station was installed in Recife, Pernambuco in 2003, to carry out simultaneous measures of daily solar irradiation and PAR irradiation, wich permits the modelling and valuation of the relationship between these two parameters and thus makes the estimation of PAR radiation possible, where there used to be only information on solar irradiation.

Three others stations are being installed, one on Fernando de Noronha-PE, another in Pesqueira-PE, and the other in Xingó-SE, which complete a group of 4 between Latitudes 8° and 10° South and Longitudes 34° to 38° West, each having differentiated Equatorial Climates: island maritime, continental maritime, sylvan (Agreste)and semi-arid.

1. INTRODUÇÃO

Um dos fatores críticos no crescimento das plantas é o processo de conversão da energia solar luminosa compreendida na faixa do espectro de 400-700nm, em energia química, no processo conhecido como fotossíntese. A denominação específica desse espectro solar parcial como

radiação fotossinteticamente ativa, mais conhecida pelo seu acrônimo na língua inglesa como PAR (Photosynthetically active radiation), decorre desse fato. O crescimento e a produtividade das plantas estão regulados pela fotossíntese que por sua vez depende da quantidade da radiação PAR incidente e absorvida. Além disso, a quantidade da radiação PAR absorvida pelas plantas influencia também a troca de energia e água entre a superfície terrestre e a atmosfera e, portanto também impacta o processo regenerativo da atmosfera.

Infelizmente, apesar da sua grande importância, nas estações meteorológicas tradicionais a radiação PAR não faz parte das medidas de rotina. Assim, as informações sobre a radiação PAR são ainda mais escassas do que sobre a irradiação solar, conforme apontado por (TIBA et al., 2004).

A alternativa para essa situação é a estimação mediante o uso de outras variáveis meteorológicas mais comuns e disponíveis na localidade de interesse. Na literatura existem dois tipos de modelagem para a radiação PAR:

• Modelo de transferência radiativa e • Modelos empíricos

O primeiro tipo de modelagem é uma abordagem física do problema de transferência radiativa na atmosfera terrestre. Trata-se da interação da radiação solar na banda de 400-700 nm com a atmosfera terrestre: espalhamento de Rayleigh, absorção pelo de ozônio, vapor de água e aerossóis (GUEYMARD, 1989; OLSETH e SKARTVEIT, 1993). A relação dos valores medidos da radiação PAR e do espectro solar total (290-2700nm) é a base dos modelos empíricos (ALADOS et al., 1996).

A relação entre a radiação PAR e a irradiação solar em todo o espectro depende das condições climáticas locais como: pressão atmosférica, ângulo de elevação solar, turbidez e água precipitável. O modelo empírico proposto por (ALADOS et al., 1996) foi testado e validado para Almeria-Espanha, um local situado no Hemisfério Norte em clima temperado (36,830 N, 2,410 L). Existe uma diferença significativa do ponto de vista climatológico entre Almeria e os locais do Nordeste onde estão sendo realizadas as medidas. Assim, por exemplo, a quantidade de vapor de água precipitável é muito maior no NE, em algumas épocas do ano várias vezes maior, o que pode afetar de forma significativa a faixa infravermelha do espectro total. Nesse sentido não só é necessário verificar cuidadosamente o funcionamento do modelo proposto, como também é necessária uma calibração local do modelo.

2. ESTAÇÕES DE MEDIDAS E INSTRUMENTAÇÃO

Na Tabela 1 são mostradas as estações de medidas da radiação PAR e irradiação solar em todo espectro. As estações estão localizadas em uma estreita faixa em latitudes, porém em longitudes que correspondem às diversidades climáticas do Nordeste do Brasil: Equatorial Marítimo-Ilha, Equatorial Marítimo-Continente, Equatorial Semi-Árido e Equatorial "Ägreste” que é uma transição entre as duas regiões anteriores.

Tabela 1 – Estações de medidas simultâneas da radiação PAR e Irradiação solar Coordenadas geográficas

Estações

Latitude Longitude Altitude (m)

Clima

Fernando de Noronha-PE 30 _{51’ 32}0 _{25’ 57 Equatorial - Ilha}

Recife-PE 80 _{3’ 34}0 _{55’ 7 Equatorial–Marítimo Continental}

Pesqueira -PE 80 _{24’ 36}0 _{46’ 639 Equatorial – “ Agreste”}

Xingo-SE 90 _{34’ 38}0 _{04’ 230 Equatorial – Semi-Árido}

As medidas foram realizadas no plano horizontal, em escala de minuto no período de Abril de 2003 a Abril de 2004 em Recife. Os sensores utilizados para as medidas da radiação PAR e

irradiação solar total foram os modelos LI-190SA e LI-200SA ambos fabricados pelo LICOR. Os sensores foram acoplados a um sistema de aquisição de dados da CAMPBELL, modelo CR-10X.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A radiação PAR, é definida como a densidade de fluxo de fótons , isto é a quantidade de fótons no espectro de 400-700 nm que incide sobre uma superfície unitária por unidade de tempo. A unidade desse fluxo radiométrico é definida como:

p

I

1 µmol fótons m-2 _s-1_=6,022x1017 _{fótons m}-2 _s-1_{= 1µE m}-2 _s-1

A integração de ao longo de uma hora resulta , quantidade de fótons incidente sobre uma superfície unitária ao longo de uma hora, e ao longo do dia resulta em que é a quantidade de fótons incidente sobre uma superfície unitária ao longo do dia. A irradiação solar horária é representada por e a irradiação solar diária, é definida como a quantidade de energia em todo espectro solar que incide sobre uma superfície unitária ao longo do dia.

p I q_p p Q t I H_t

3.1 Comportamento sazonal

As medidas experimentais da radiação PAR diária, média mensal, Q e irradiação solar diária, _p

média mensal, H em um plano horizontal para todas as condições do céu podem ser vistas na _t

Figura 1. Na Figura 2 pode ser visto o comportamento sazonal da relação Q_p H_T.

(b)

Fig. 1 – Radiação PAR mensal (a) e Irradiação solar mensal (b) sobre uma superfície horizontal em Recife no período Abril 2003 a Dezembro 2003.

Fig. 2 – Comportamento sazonal da relação Q_p H_T em Recife no período Abril 2003 a

Dezembro 2003.

Os resultados de valores mais altos para o período mais seco e quentes e mais baixos para o período mais frio e úmido confirmam os resultados obtidos por outros autores para Atenas-Grécia e Almeria-Espanha (PAPAIOANNOU et al., 1993; ALADOS et al., 1996). É o efeito da quantidade de vapor de água precipitável na atmosfera que tem fortes picos de ressonância de absorção no espectro infravermelho. Cabe lembrar que os valores da Figura 2 não refletem médias de longo prazo, portanto, podem refletir as variabilidades mensais interanuais, como por exemplo, no caso de abril cujo valor é atipicamente alto.

Em escala diária a relação Q_p H_T decresce com o crescimento de KT, ou seja, para dias com alta irradiação solar e pouca quantidade de vapor de água na atmosfera. A Figura 3 demonstra este fato.

Fig. 3 - A relação Q_p H_T em função do índice de claridade diária, KT .

3.2 Comportamento horário

As medidas experimentais da radiação PAR, e irradiação solar horária, , em função da altitude solar, para todas as condições do céu e no período de Abril a Dezembro de 2003 podem ser vistas na Figura 4.

p

q It

(b)

Fig. 4 – Radiação PAR horária (a) e Irradiação solar horária (b) sobre uma superfície horizontal em Recife no período Abril a Dezembro de 2003.

Na Figura 5 pode ser visto o comportamento horário da relação q_p I_t para Abril a Dezembro de 2003.

A relação q_p I_t atinge um máximo por volta do nascer do sol e um mínimo 2 horas após ao meio solar em um comportamento correspondente a variação diária da umidade relativa (AGUIAR,

Fig. 5 – A relação q_p I_tpara Abril a Dezembro de 2003.

1995). Este fato mostra a importância do efeito da quantidade de vapor de água precipitável na atmosfera nessa relação.

4. MODELAGEM DA RELAÇÃO ENTRE A RADIAÇÃO PAR E IRRADIAÇÃO

SOLAR PARA TODAS AS CONDIÇÕES DO CÉU

Modelagem da relação

q

I

(horária)

A Figura 4 mostra que a radiação solar PAR e a irradiação solar horária têm uma dependência com altitude solar bastante similar assim podemos utilizar uma mesma expressão matemática para ambos. O modelo proposto para

q

I

(

)

onde, α é a altitude solar e A1, A2, B1 e B2 são constantes empíricas com validade local. Utilizando os dados mostrados na Figura 4 as seguintes equações resultam para

q

I

(

)

4685588

sin

α

q

=

O quociente entre essas duas equações resulta: 07 , 0 ) ( 99 , 1 − = sinα I q t p (µE/J) (5)

A Figura 6 mostra a radiação solar PAR medida de Janeiro a Abril de 2004, para todas as condições do céu e também a curva prevista pela equação (5).

Figure 6 - Radiação solar PAR medida (Janeiro a Abril de 2004) para todas as condições do céu e a curva prevista pelo modelo.

5. CONCLUSÕES

A análise dos dados de medidas da radiação solar PAR e irradiação solar global diária em Recife no período de Abril de 2003 a Abril de 2004 mostrou o caráter sazonal da relação entre a radiação PAR e Irradiação Solar : mais alto nos meses de verão e mais baixo nos meses de inverno. Em nível diário e horário mostrou que para índices de claridade diário maior, ou ângulos de elevação mais altos a relação entre a radiação PAR e Irradiância diminuem provavelmente devido à diminuição da umidade do ar. Também foi obtido um modelo diário para a relação entre a radiação solar PAR e irradiação solar global para todas as condições de céu em Recife, PE. A utilização simultânea desse modelo com a irradiação solar horária seja medida ou estimada permitirá estimar o valor correspondente da radiação PAR em uma região vizinha de Recife que seja homogêneo climaticamente e fitogeograficamente (200Km na direção N-S).

PALAVRAS CHAVES

ENERGIA SOLAR RADIAÇÃO SOLAR PAR

ESTIMAÇÃO DA RADIAÇÃO PAR

AGRADECIMENTOS

Agradecemos o apoio recebido pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico, CNPq.

REFERÊNCIAS

Aguiar, R. Séries Sintéticas de Parâmetros Meteorológicos. Tese de Doutorado, Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial, Instituto de tecnologias Energéticas, Departamento de Energias Renováveis, Lisboa, Portugal, 1995, 521p.

Alados, I., Foyo-Moreno, I. e Alados-Arboledas, L.. Photosynthetically active radiation:

measurements and modelling. Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 78, (1966), pp. 121-131.

Gueymar, C., A two-band model for the calculation of clear sky solar irradiance, illuminance,

and photosynthetically-active radiation at the Earth’s surface. Solar Energy, Vol. 43, (1989),

pp. 253-265.

Olseth, J.A. e Skartveit, A.. Luminous efficacy models and their application for calculation of

photosynthetically-active radiation. Solar Energy, Vol. 52, (1993), pp. 391-399.

Papaionnou, G., Papanikolaou, N., Retails, D..Relationships of phtosynthetically radiation and

shortwave irradiance, Theor. Appl. Climatol., Vol. 48, (1993), pp. 23-27.

Tiba, C., Fraidenraich, N., Grossi Gallegos, H, and Lyra, F. J. M.. CD ROM Atlas Solarimétrico