DETERMINAÇÃO DE DIFUSIVIDADE TÉRMICA DO SOLO EM SÃO JOÃO DO CARIRI-PB
Adma Raia Silva (1); Tantravahi V. Ramana Rao; Vajapeyam S. Srinivasan (1) Bolsista - REENGE - CCT - UFPB
ABSTACT
Soil temperature measurements at different depths are routine in climatological stations, but few studies are available that utilize such measurements to gain insight of the properties of the soil. Soil temperature is an important factor that affects the formation of the soil, the retention of water, the decomposition of organic and mineral components and the liberation of nutrients for the plants, among others. In particular the thermal conductivity, the thermal difusivity and the soil heat flux, play an important role in the energy relations of the soil-plant-atmosphere system. In this work, soil temperatures for the depths between 02 and 50 cm at three different standard hours of the day, observed at the climatological station of São João do Cariri - PB, for the year of 1996, have been used to determine the amplitude, thermal diffusivity, damping depth and the velocity of propagation of heat.
The soil thermal diffusivity for the layer of 02-15 cm, varied between 2.5 x 10-5 e 8.0 x 10-5 cm2 s-1.
Key words: Thermal diffusivity, Soil temperature, Damping depth
1 - INTRODUÇÃO
As medições de temperatura do solo nas diversas profundidades são rotineiras em estações meteorológicas, mas, poucos são os estudos que têm se beneficiado de tais observações. A não utilização de tal acervo de dados deve-se principalmente pôr não considerar o fator térmico como limitante na produção agrícola, dando-se maior ênfase ao fator hídrico. Dentre as propriedades, a condutividade térmica, a difusividade térmica e o fluxo de calor no solo, destacam-se como mais importantes, dado o papel que desempenham nas relações de energia do sistema solo planta -atmosfera.
A temperatura do solo é ainda um dos elementos importantes na caracterização do microclima e do solo, sendo seu estudo justificável para vários propósitos, como, no estudo de balanço de radiação na superfície, nos processos de evaporação e condensação, e seu papel na atuação como modificador das condições da camada de ar em contato com o solo (RAMANA RAO, 1966). Assim, é indispensável o estudo do comportamento térmico do solo, especialmente na região Nordeste, onde se conhece muito pouco a este respeito (FIDELES FILHO, 1988; MOREIRA, 1994).
A difusividade térmica é uma medida mais apropriada para saber com qual rapidez as variações na temperatura da superfície do solo são transmitidas para as camadas mais profundas do solo. A presença da umidade no solo modifica a amplitude de temperatura ao nível de superfície, por causa do aumento na evaporação do solo. Os solo úmidos tem valores maiores de capacidade de calor e condutividade térmica.
2 - MATERIAIS E MÉTODOS
Foram utilizados dados de temperatura do solo obtidos nas profundidades de 02, 05, 10, 15, 20 e 50 cm, nos três horários padrões de 12, 18 e 24 TMG(hora local = TMG - 3h), da estação climatológica de São João do Cariri - PB, instalada e operada pelo Departamento de Engenharia Civil do Campus II da UFPB. O solo desta região é classificado como bruno não cálcico vértico (Solos rasos, moderado a imperfeitamente drenados e textura média pedregosos, apresentando fertilidade natural média a alta).
A partir dos dados coletados, foram realizados os estudos das características térmicas do solo, utilizando-se para isto a Equação de Fourier para a condução de calor num meio homogêneo e unidimensional dada por SELLERS, (1965). A difusividade térmica (k) do solo em função de
amplitudes(A1 e A2) nas profundidades de Z1 e Z2 é dada por:
k = (w/2) {(Z2 -Z1)/ln(A1/A2)}2 (1)
Os subscritos 1 e 2 identificam os dois níveis de profundidades diferentes em que são observadas as temperaturas. A profundidade de amortecimento (D) e a velocidade de propagação (V) são determinados a partir das expressões:
D = {2k/w}0,5 (2)
V = {2wk}0,5 (3)
onde w é a frequência radial.
3 - RESULTADOS
A partir dos dados diários de temperatura do solo nu, para todos os meses do ano de 1996, foram obtidas as amplitudes para cada horário e em todas as profundidades.
O comportamento térmico do solo para a profundidade de 2 cm para diferentes horários (12, 18 e 24 TMG) está apresentado na Figura 1. A temperatura média mensal alcançou valores máximos no horário de 18 TMG e valores mínimos no horário de 24 TMG durante o ano inteiro. A temperatura máxima ocorreu no mês de dezembro e a mínima no mês de julho. A Figura 2 mostra os valores de temperatura média mensal para a profundidade de 15 cm. O solo apresenta valores máximos da temperatura no horário de 18 TMG mas os valores mínimos ocorreram no horário de 12 TMG. Na profundidade de 20 cm, não existem diferenças visíveis nas temperaturas médias mensais entre os valores encontrados nos horários de 18 e 24 TMG. Os valores de temperatura de solo, no horário de 12 TMG, foram inferiores do que aqueles observados nos horários de 18 e 24 TMG, conforme esta mostrada na Figura 3, durante o ano inteiro. A variação média mensal da temperatura do solo a profundidade de 50 cm está apresentada na Figura 04. Para os meses de janeiro a junho, as temperaturas do solo no horário de 18 TMG foram menores do que aquelas nos horários de 12 e 24 TMG, mas, ocorreu o contrario nos meses de julho a dezembro.
A partir desses dados de temperatura do solo, foram obtidas as amplitudes anuais para todas as profundidades, nos três horários, e estão apresentadas na Tabela 1. Em geral, as amplitudes diminuíram com o aumento da profundidade, no horário de 18 TMG (Hora Local: 15:00 h), quando a superfície é mais quente do que nos horários de 12 e 24 TMG. No horário de 18 TMG, para o ciclo anual, a temperatura do solo para a camada mais próximo à superfície, entre as profundidades de 02 e
05 cm variou entre 26 e 520 C e a variação para a profundidade de 50 cm foi entre 26 e 35,60 C. Isto
confirma a diminuição de amplitude com a profundidade. No horário de 12 TMG as camadas superficiais começam aquecer, mas, o fluxo de calor é de baixo para cima nas camadas mais profundas. No horário de 24 TMG, a superfície fica mais fria, por causa das perdas radiacionais, e o
fluxo de calor é de baixo para cima. As amplitudes diminuíram de 130 C a 4,80 C para as profundidades de 2 cm a 50 cm.
A máxima, a mínima e a amplitude da onda da temperatura para as diversas profundidades e para o ciclo anual estão apresentadas na Tabela 2. A temperatura máxima e a amplitude diminuíram com o aumento da profundidade. A temperatura mínima aumentou com o aumento da profundidade, exceto para a profundidade de 20 cm.
Na Tabela 3 estão apresentados os valores de difusividade térmica para diferentes camadas de solo. Os valores de difusividade térmica para as camadas superficiais, entre 02 e 15 cm, varia de 2,5 X
10-5 a 8 X 10-5 cm2 . s-1. Para as camadas mais grossas, os valores de difusividade térmica ficam mais
altas. A camada de 15 - 20 cm, mostrou um valor de difusividade térmica de 114 X 10-5 cm2.s-1.
A Figura 05 mostra a relação entre a precipitação total mensal em mm e o valor médio mensal
de coeficiente de difusividade térmica (k x 1000 cm2 .s-1) para a camada de 02 a 20 cm de
profundidade do solo. Estas duas variáveis têm uma boa semelhança. A difusividade térmica aumenta ou diminui de acordo com a umidade do solo que varia com a precipitação.
A profundidade de amortecimento e a velocidade de propagação da onda de calor, calculada através da difusividade térmica da camada de 02 - 05 cm, foram 16 cm e 0,27 cm/dia, respectivamente. Normalmente, estes valores devem ser calculados utilizando o valor da difusividade térmica de uma camada fina próxima á superfície do solo. Entretanto pela falta destes dados a difusividade térmica foi calculada a partir das observações das temperaturas da camada entre 02 e 05 cm do solo.
4 - CONCLUSÕES
A temperatura máxima e amplitude de temperatura diminuíram com a profundidade. Em geral, a temperatura mínima aumentou com a profundidade. A difusividade térmica para as camadas entre
profundidades de 02 e 15cm, variou entre 2,5 x 10-5 e 8,0 x 10-5 cm2 s-1. A profundidade de
amortecimento e a velocidade de propagação da onda de calor, calculadas através da difusividade térmica da camada 02 - 05cm, foram 16cm e 0,27 cm/dia respectivamente.
5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
FIDELES FILHO, J. Estrutura Térmica de Solos do Nordeste do Brasil. UFPB, Campina Grande, 91 p. (Tese de Mestrado). 1988.
MOREIRA, A. A. Comportamento Térmico de Solos no Estado da Bahia. UFPB, Campina Grande, 105 p. (Dissertação de Mestrado). 1994.
RAMANA RAO, T.V. Heat Flow into the Soil. Andhra-University, Waltair, India, 62 p. M.sc. (Tech) Dissertation, 1966.
RAMANA RAO, T.V; & VIANELLO, R.L. Características Térmicas do Solo de Cachoeira Paulista-SP. S.J. dos Campos, INPE, 21 p. (Relatório-INPE-1106-PE 1080), 1977.
RAMANA RAO, T.V; SILVA, B. B. & MORERA, A. A. Características Térmicas do Solo Em Salvador-BA. VIII Congresso Brasileiro de Meteorologia e II Congresso Latino-Americano e Ibérico de Meteorologia, Belo Horizonte-MG. 18-25 de outubro. Volume 3, 686-689. 1994.
12 TMG 18 TMG 24 TMG
Tmáx Tmín Amp Tmáx Tmín Amp Tmáx Tmín Amp Profundidade
48,6 24,0 12,3 52,0 26,0 13,0 35,0 21,6 6,7 02 39,6 22,0 8,8 47,0 25,0 11,0 35,0 21,8 6,6 05 35,0 23,0 6,0 44,0 25,6 9,2 38,0 23,6 7,2 10 34,2 23,4 5,4 41,0 24,8 8,1 37,8 24,8 6,5 15 34,6 22,0 6,3 38,0 23,8 7,1 38,8 24,8 7,0 20 35,6 25,8 4,9 35,6 26,0 4,8 35,6 26,0 4,8 50
Tabela 1 - Tmáx, Tmín e Amplitude para diferentes profundidades e horários, para o ciclo anual.
Profundidade Tmáx Tmín Amplitude 02 52,0 21,6 15,2 05 47,0 21,8 12,6 10 44,0 23,0 10,5 15 41,0 23,4 8,8 20 38,8 22,0 8,4 50 35,6 25,8 4,9
Tabela 2 - Tmáx, Tmín e amplitude para diferentes profundidades, para o ciclo anual.
Camada Difusividade Térmica
02 – 05 2,54 x 10-5 02 – 10 4,65 x 10-5 02 – 15 5,62 x 10-5 02 – 20 9,15 x 10-5 02 – 50 17,86 x 10-5 05 – 10 7,47 x 10-5 05 – 15 7,71 x 10-5 05 – 20 13,60 x 10-5 05 – 50 22,56 x 10-5 10 – 15 7,96 x 10-5 10 – 20 19,95 x 10-5 10 – 50 27,36 x 10-5 15 – 20 114,77 x 10-5 15 – 50 35,50 x 10-5 20 – 50 30,78 x 10-5
Mês 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0
Jan fev mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
12 TMG 18 TMG 24 TMG
Figura 1 - Variação anual de temperatura
do solo a profundidade de 02 cm para os horários de 12, 18 e 24 TMG Mês 25,0 27,0 29,0 31,0 33,0 35,0 37,0 39,0
Jan fev mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
12TMG 18TMG 24TMG
Figura 2 - Variação anual de temperatura do solo a profundidade de 15 cm para os horários de 12, 18 e 24 TMG Mês 25,0 27,0 29,0 31,0 33,0 35,0 37,0 39,0
Jan fev mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
12TMG 18TMG 24TMG
Figura 3 - Variação anual de temperatura do solo a profundidade de 20 cm para os horários de 12, 18 e 24 TMG Mês 27,0 28,0 29,0 30,0 31,0 32,0 33,0 34,0 35,0
Jan fev mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
12TMG 18TMG 24TMG
Figura 4 - Variação anual de temperatura do solo a profundidade de 50 cm para os horários de 12, 18 e 24 TMG 0 20 40 60 80 100 120 140
jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez
Mê s
02 -20 cm Precipitação
Figura 5 - Relação entre a precipitação total mensal (mm) e o coeficiente de difusividade
térmica (cm2 s-1 ) para a camada entre
