Dinâmica do microclima e fluxo de calor sensível armazenado no dossel vegetativo da caatinga no semiárido do Brasil

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(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS CLIMÁTICAS. DINÂMICA DO MICROCLIMA E FLUXO DE CALOR SENSÍVEL ARMAZENADO NO DOSSEL VEGETATIVO DA CAATINGA NO SEMIÁRIDO DO BRASIL. RÊNIO LEITE DE ANDRADE. Natal 2015 RÊNIO LEITE DE ANDRADE.

(2) Dinâmica do microclima e fluxo de calor sensível armazenado no dossel vegetativo da caatinga no semiárido do Brasil. Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Climáticas, do Centro de Ciências Exatas e da Terra da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ciências Climáticas. Orientador: Prof. Dr. Fernando Moreira da Silva.. Comissão Examinadora: __________________________________ Prof. Dr. Fernando Moreira da Silva Orientador – UFRN - Presidente da Banca __________________________________ Prof. Dra. Marcia Regina Farias da Silva UERN – Examinador Externo __________________________________ Pesq. Dr. Marcos Aurelio Ferreira dos Santos INPE - Examinador Externo __________________________________ Prof. Dr. Arthur Mattos UFRN - Examinador Interno _________________________________ Prof. Dr. George Santos Marinho UFRN - Examinador Interno. NATAL 2015.

(3) DEUS, Dedico. A minha mãe Maria de Lourdes Leite de Andrade e ao meu pai Raimundo Ferreira de Andrade (in memorian), minha irmã Tereza Vitória e a toda minha família. Essa conquista também é de vocês! Ofereço....

(4) AGRADECIMENTOS A Deus, principalmente, por minha vida e por me conceder a oportunidade de está concluindo mais uma etapa na minha vida acadêmica. Aos meus pais Raimundo Ferreira de Andrade (In Memoria) e Maria de Lourdes Leite de Andrade e a minha irmã Tereza Vitória que me conduziram para que eu alcançasse meus objetivos, incentivando-me nos momentos difíceis para que não desistisse dos meus sonhos, por todo amor, carinho e compreensão muito obrigado. A minha família como todo, que me apoiou e fortaleceu para que eu atingisse mais essa vitória. Ao meu orientador, Prof. Dr. Fernando Moreira da Silva pela amizade, compreensão, paciência e acolhimento, durante o curso e execução deste trabalho, sem tal apoio, não seria possível a realização do mesmo. Ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Climáticas – PPGCC, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, pela disponibilidade de infraestruturas de material e de recursos humanos. A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela concessão da bolsa de estudo. Aos professores do Programa de Pós Graduação em Ciências Climáticas pelos ensinamentos, sugestões, contribuições e conselhos concedidos. Aos amigos de faculdade, Bruce, João Gualberto, Marcos Aurélio, em fim a todos que conviveram comigo e, em especial, a Darlan e Francisco Raimundo (Lampadinha) pela confiança, respeito e sinceridade passada na nossa amizade. A todos o meu muito obrigado.. “Você me pede na carta que eu desapareça.

(5) que eu nunca mais te procure Pra sempre te esqueça Posso fazer sua vontade atender seu pedido mas esquecer, é bobagem é tempo perdido Ainda ontem chorei de saudade Relendo a carta, sentindo o perfume Mas que fazer com essa dor que me invade Mato esse amor ou me mata o ciúme O dia inteiro te odeio, te busco, te caço Mas em meu sonho de noite, eu te beijo e te abraço Porque os sonhos são meus, ninguém rouba e nem tira Melhor sonhar na verdade Que amar na mentira”. Ainda Ontem Chorei de Saudade Moacyr Franco.

(6) RESUMO ANDRADE, RÊNIO LEITE. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Maio, 2015. Dinâmica do microclima e fluxo de calor sensível armazenado no dossel vegetativo da caatinga no semiárido do Brasil. Orientador: Prof. Dr. Fernando Moreira da Silva. No presente trabalho, utilizaram-se dados do Experimento Cariri coletados em região de caatinga nativa no município de São João do Cariri estado da Paraíba nas coordenadas de 7º22'45,1"S e 36º31'47,2"W com altitude de 458 m. As medidas microclimáticas foram realizadas em duas épocas, nos período de 01 a 13 de janeiro de 2002 (Período Chuvoso) e 07 a 19 de setembro de 2002 (Período Seco). O objetivo deste trabalho foi realizar a caracterização microclimática e comportamento do fluxo de calor sensível armazenado no dossel vegetativo. O estudo microclimático envolveu a medição das seguintes variáveis meteorológicas: precipitação; saldo de radiação; radiação solar global; temperatura do ar no dossel vegetativo e fora do dossel vegetativo; fluxo de calor no solo vegetado e não vegetado e umidade relativa do ar. Foram comparadas as médias durante o período experimental por meio da análise de variância e estatística descritiva. Os resultados referentes às variáveis estudadas durante o período experimental e submetidos à análise estatística revelaram efeitos significativos a 1% pelo teste F. O saldo de radiação médio foi superior durante o período seco quando comparado ao período chuvoso, com médias 163,20 Wm-2 e 44,26 Wm-2, respectivamente. No período noturno o saldo de radiação foi negativo enquanto que durante o dia foi positivo. A radiação solar global durante o período chuvoso foi menor do que no período seco, com médias de 208,27 Wm-2 e 265,49 Wm-2, respectivamente. As temperaturas do ar dentro do dossel vegetativo foram maiores que a temperatura do ar fora do dossel vegetativo em ambos os períodos estudados. O fluxo médio de calor no solo foi superior no solo não vegetado quando comparado ao solo vegetado, com médias no período chuvoso de 26,79 Wm-2 e 6,52 Wm-2, respectivamente em ambos os períodos estudados. Para o período seco o fluxo de calor médio foi de 30,50 Wm-2 solo não vegetado e 3,88 Wm-2 no solo vegetado. A umidade relativa do ar no período chuvoso foi maior do que no período seco com médias de 79,60% e 62,73%, respectivamente. O fluxo de calor sensível armazenado no dossel vegetativo não revelou efeito significativo a 5% entre o período seco e chuvoso, com média de -0,011 Wm-2 no período chuvoso e -0,017 Wm-2 no período seco. PALAVRAS – CHAVE: Fluxo de energia; Micrometeorologia; Temperatura do dossel..

(7) ABSTRACT ANDRADE, RÊNIO LEITE. Federal University of the Rio Grande of the Norte. May, 2015. Dynamics of microclimate and sensible heat flux stored in the canopy of caatinga in the semiarid region of Brazil. Adviser: Dr. Fernando Moreira da Silva.. In this study, we used the data of Cariri Experiment collected in native caatinga region in the municipality of São João do Cariri, Paraíba state, in the coordinates of 7º22'45.1 "S and 36º31'47.2" W with altitude of 458 m . Microclimate measurements were taken at two stages in the period from 01 to 13 January 2002 (rainy period) and 07 to 19 September 2002 (dry Period). The objective of this work was the microclimate characterization and behavior of the sensible heat flux stored in the canopy. The microclimate study involved the measurement of the following meteorological variables: precipitation; radiation; solar radiation; air temperature in the canopy and out of the canopy; heat flow in non-vegetated and vegetated soil and air relative humidity. We compared the average during the experimental period by analysis of variance and descriptive statistics. The results for the variables studied during the experimental period and submitted to statistical analyzes revealed significant effect from 1% by F test. The average net radiation was higher during the dry season when compared to the rainy season with average of 163.20 Wm-2 and 44.26 Wm-2, respectively. At night the net radiation was negative while during the day was positive. The global solar radiation during the rainy season was lower than in the dry season with an average of 208.27 Wm-2 and 265.49 Wm-2, respectively. At nighttime the net radiation was negative while during the day was positive. The air temperature inside of the canopy are higher than the temperature of the air outside the canopy in both periods. The heat flow in the medium soil was higher in nonvegetated soil when compared to vegetated soil in the rainy season with an average of 26.79 Wm-2 and 6.52 Wm-2, respectively in both periods studied. For the dry period showed average of 30.50 Wm-2 to non-vegetated soil 3.88 Wm-2 to vegetated soil. The relative humidity in the rainy season was higher than in the dry season with averages of 79.60% and 62.73%, respectively. The sensible heat flux stored in the canopy revealed no significant effect of 5% between the dry and rainy season by F test, with an average of -0.011 Wm-2 in the rainy season and -0.017 Wm-2 in the dry season. KEY - WORDS: Energies fluxes; Micrometeorology; Canopy temperature..

(8) LISTA DE FIGURAS. Página Figura 01. Nova Delimitação do Semiárido do Nordeste Brasileiro.. Figura 02. Cactáceas (a), arbustos (b), flores da caatinga (c), árvores (d) e plantas 10. 07. da caatinga no início do período chuvoso (e) e plantas em pleno período chuvoso (f). Figura 03. Esquema do balanço de energia em cobertura vegetal no ciclo diurno, 23 em dia sem chuva.. Figura 04. Localização geográfica do município de São João do Cariri-PB.. Figura 05. Tipos de clima do estado da Paraíba, segundo a classificação de 27. 26. Koppen. Figura 06. Vista da torre experimental instalada em São João do Cariri-PB, área 28 de caatinga nativa.. Figura 07. Regra de decisão para o teste de F ao nível de α% de probabilidade.. Figura 08. Comportamento dos valores diários médio da precipitação pluvial 36. 34. durante o período chuvoso no bioma caatinga em São João do CaririPB, em 2002. Figura 09. Comportamento horário do saldo de radiação durante o período 39 chuvoso e seco no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002.. Figura 10. Comportamento horário da radiação solar global (Rg) durante o período 42 chuvoso e seco no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002.. Figura 11. Comportamento horário da temperatura do ar no dossel vegetativo e 45 fora do dossel vegetativo durante o período chuvoso no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002.. Figura 12. Comportamento horário da temperatura do ar no dossel vegetativo e 46 fora do dossel vegetativo durante o período seco no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002..

(9) Figura 13. Comportamento horário do fluxo de calor no solo durante o período 49 chuvoso no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002.. Figura 14. Comportamento horário do fluxo de calor no solo durante o período 50 seco no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002.. Figura 15. Comportamento horário do fluxo de calor sensível armazenado pelo 52 dossel vegetativo durante o período chuvoso no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002.. Figura 16. Comportamento horário do fluxo de calor sensível armazenado pelo 53 dossel vegetativo durante o período seco no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002.. Figura 17. Comportamento horário da umidade relativa do ar durante o período 56 chuvoso e seco no bioma caatinga em São João do Cariri-PB, em 2002..

(10) LISTA DE TABELAS Página Tabela 01 Análise de variância.. 33. Tabela 02 Valores médios do saldo de radiação (Wm-2) em vegetação de caatinga. 37. no período chuvoso e seco no município de São João do Cariri – PB. Tabela 03 Análise de variância para o saldo de radiação.. 40. Tabela 04 Valores médios da radiação solar global (Wm-2) em vegetação de. 41. caatinga no período chuvoso e seco no município de São João do Cariri – PB. Tabela 05 Análise de variância para radiação solar global.. 43. Tabela 06 Valores médios da temperatura do ar (0C) dentro e fora do dossel. 44. vegetativo em vegetação de caatinga no período chuvoso e seco no município de São João do Cariri – PB. Tabela 07 Análise de variância para temperatura do ar.. 47. Tabela 08 Valores médios do fluxo de calor no solo (Wm-2) em solo vegetado e. 48. não vegetado na caatinga no período chuvoso e seco no município de São João do Cariri – PB. Tabela 09 Análise de variância para o fluxo de calor no solo.. 50. Tabela 10 Valores médios do fluxo de calor sensível armazenado no dossel. 51. vegetativo (Wm-2) em vegetação de caatinga no período chuvoso e seco no município de São João do Cariri – PB. Tabela 11 Análise de variância para o fluxo de calor sensível armazenado no. 54. dossel vegetativo. Tabela 12 Valores médios da umidade relativa do ar (%) em vegetação de. 54. caatinga no período chuvoso e seco no município de São João do Cariri – PB. Tabela 13 Análise de variância para umidade relativa do ar.. 57.

(11) SUMÁRIO Página RESUMO. I. ABSTRACT. II. LISTA DE FIGURAS. III. LISTA DE TABELAS. VII. SUMÁRIO. IX. 1.. INTRODUÇÃO. 01. 2.. OBJETIVOS 2.1 Geral. 05. 2.2 Específicos. 05. 3.. HIPÓTESE. 06. 4.. REVISÃO DE LITERATURA 4.1 O Semiárido do Nordeste Brasileiro. 07. 4.2 O Bioma Caatinga. 09. 4.3 Fatores que determinam o microclima. 12. 4.4 Caracterização das variáveis meteorológicos estudadas. 16. 4.5 Influências das variáveis meteorológicas no dossel vegetativo. 21. 4.6 Radiação solar no dossel vegetativo. 21. 4.7 Balanço de Energia em Superfícies Vegetadas. 22. 4.8 Campanhas observacionais em áreas de caatinga. 24.

(12) MATERIAL E PROCEDIMENTOS. 26. 5.1 Área experimental e clima. 26. 5.2 O Experimento Cariri. 28. 5.3 Disponibilidade de dados. 29. 5.4 Avaliações microclimáticas. 29. 5.5 Fluxo de calor armazenado no dossel vegetativo. 30. 5.6 Análise estatística. 31. RESULTADOS E DISCUSSÕES. 36. 6.1 Variáveis Meteorológicas. 36. 6.1.1 Precipitação. 36. 6.1.2 Saldo de radiação. 36. 6.1.3 Radiação solar global. 40. 6.1.4 Temperatura do ar. 43. 6.1.5 Fluxo de calor no solo. 47. 6.1.6 Fluxo de calor sensível armazenado no dossel vegetativo. 51. 6.1.7 Umidade relativa do ar. 54. 7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES. 58. 8. REFERÊNCIAS. 60. 5.. 6.

(13) 1. 1. INTRODUÇÃO Os ecossistemas áridos e semiáridos ocupam cerca de 20% das terras emersas do globo terrestre e ocorrem em grande parte do continente Africano, Sulamericano, Australiano, na Índia, no Sudeste Asiático e nas regiões temperadas da América do Norte (JELTSCH et., 2006). Essa ampla distribuição é acompanhada de diferentes condições climáticas, com precipitação média anual que varia de menos de 100 mm, nas áreas mais secas, a pouco mais de 1000 mm, e de mudanças edáficas e topográficas, as quais tornam único o conjunto de processos que envolvem a dinâmica de espécies nesses ambientes (JELTSCH et al., 2000), bem como as características fisionômicas e estruturais da vegetação desses ecossistemas. Liu et al., (2012) consideram a quantidade de precipitação como o fator de maior influência em áreas semiáridas, afetando a dinâmica da fauna e flora anuais e perenes. A cobertura do dossel vegetativo, em áreas semiáridas, é apontada na literatura como, além da chuva, outro importante fator natural, por desempenhar, geralmente, impacto favorável nas condições microclimática, na diversidade, na fenologia e na produtividade das ervas (GROUZIS e AKPO, 1997). O domínio geoecológico das caatingas ocupa uma área de 1.037.517 km², sob as latitudes subequatoriais, compreendidas entre 2º 45’ e 17º 21’ S. Sua área corresponde a 70% da Região Nordeste e a 13% do território brasileiro, dentro do denominado Polígono das Secas e engloba os estados Nordestinos do Piauí, Ceará, Rio Grande do Norte, Paraíba, Pernambuco, Alagoas, Sergipe e Bahia, além da região Norte do estado de Minas Gerais (ALVES, 2007). A caatinga é o principal bioma existente na região Nordeste. O clima da região semiárida apresenta como característica marcante a irregularidade do regime pluviométrico, com duas estações definidas: a estação chuvosa (verão) que dura de três a cinco meses e a estação seca (primavera-verão) que dura de sete a nove meses. As chuvas são intensas e irregulares no tempo e no espaço, provocando periodicamente a ocorrência de secas prolongadas (ANDRADE, 2008). A vegetação de caatinga constitui-se na expressão sintética dos elementos físicos e climáticos, uma vegetação singular cujos elementos florísticos expressam uma morfologia, anatomia e mecanismo fisiológico convenientes para resistir ao ambiente xérico, caracterizado por regiões que expressa uma condição de sobrevivência ligada a um ambiente semiárido, ecologicamente com deficiência hídrica, cuja água disponível às plantas procede unicamente do curto período da estação chuvosa, já que seus solos são incapazes de acumular água (SOUTO, 2006)..

(14) 2. As avaliações microclimáticas realizadas numa floresta são de relevância para se compreender a dinâmica dos fluxos de energia. Dentre as variáveis meteorológicas, destaca-se a radiação solar, que, inclusive, serve para subsidiar as classificações ecofisiológicas de espécies florestais (BUDOWSKI, 1965; WHITMORE, 1983). Entretanto, de acordo com KIMMINS (1987), as temperaturas do ar e do solo e a umidade atmosférica, dentre outras, também, influenciam o estabelecimento, crescimento e desenvolvimento das espécies no interior da floresta. O conhecimento dos mecanismos de troca de energia entre a superfície e a atmosfera é de fundamental importância para a compreensão do microclima de uma região. A energia radiativa proveniente do Sol é a fonte primária do sistema atmosfera-superfície e o principal componente do balanço radiativo na superfície. O balanço de energia na superfície é determinado pela energia disponível no sistema, que por sua vez é particionada entre os fluxos turbulentos de calor e o armazenamento pelo meio (OKE, 1987). Estudos de trocas de energia entre a superfície e a atmosfera são importantes, não só para caracterizar o microclima local, como identificar interações existentes entre elas. Além disso, possibilita conhecer variações do tempo e do clima da região, assim como, pode auxiliar na identificação de efeitos de atividades antropogênicas, como o desmatamento e queimadas, ou fatores naturais, sobre diferentes questões ambientais da região. Esse tipo de estudo é fundamental por fornecer informações sobre a quantidade de umidade transferida para a atmosfera por uma área vegetada, seja por uma vegetação rasteira ou de médio porte (OLIVEIRA et al., 2006). O balanço de radiação à superfície consiste na contabilização da energia radiante incidente menos àquela emitida pela superfície. Seu estudo é importante e fundamental, porque correspondem à energia disponível para os processos físico-químicos que ocorrem no sistema solo-planta-atmosfera, principalmente os processos de aquecimento/esfriamento do ar e do solo, evapotranspiração e fotossíntese das plantas (PONTES, 1997). Os processos radiativos em superfície são de grande importância no processo de redistribuição de umidade e calor no solo e na atmosfera, e que se manifesta não apenas localmente, mas também em escala global (ROERINK et al., 2000). Bowen (1926) desenvolveu o método do balanço de energia baseado no quociente entre os fluxos de calor sensível e latente, os quais combinam as variáveis atmosféricas e a energia disponível. O conhecimento dos componentes do balanço de energia sobre superfícies cultivadas é de grande importância para a estimativa das perdas de água por evapotranspiração e caracterização do microclima local..

(15) 3. A maioria dos trabalhos sobre balanço de energia, com base na razão Bowen (1926), não contabiliza o fluxo de calor armazenado no dossel da planta (DAAMEN e DUGAS, 1999; SILVA, 2000; TEIXEIRA, 2001). O argumento geralmente utilizado é que esse componente do balanço de energia é muito pequeno em comparação aos demais fluxos de energia. Entretanto, espera-se que se a planta tiver um dossel bastante desenvolvido, o calor armazenado por ela pode apresentar uma contribuição considerável no cálculo do balanço de energia. Segundo Heilman e Brittin (1989) o balanço de energia, ao contrário de outros métodos, não necessita de informações sobre a velocidade do vento nem de propriedades aerodinâmicas da superfície do solo, visto que os fluxos são independentes da estabilidade do ar atmosférico, quando é considerada a igualdade entre os coeficientes de transferência turbulenta de calor latente e sensível. A maior exigência desse método é que os gradientes de temperatura e umidade devem ser medidos dentro da camada limite interna, de preferência na parte da camada limite em equilíbrio com a superfície. As florestas são os ecossistemas mais biodiversos do planeta. No entanto, quando se faz um passeio pela floresta, essa biodiversidade é pouco evidente pelo simples fato de que a maioria das atividades nas florestas ocorre no dossel vegetativo sobre uma camada de sobreposição de ramos e folhas. Além de o dossel ser o “habitat” da biodiversidade florestal, ele é a fonte de energia da floresta, com milhares de folhas agindo como painéis solares em miniatura, para converter luz solar em energia fotossinteticamente ativa. Por causa da altíssima taxa de fotossíntese, as plantas geram rendimentos mais elevados de frutos, sementes, flores e folhas, que atraem e oferecem suporte à ampla diversidade de vida animal. Além disso, como o principal lugar de intercâmbio de calor, vapor d'água e gases atmosféricos, o dossel também desempenha um papel importante no controle climático regional e global (LOWMAN, 2008). A variação de energia armazenada no dossel (fluxos do calor sensível e latente) pode ser um componente significativo do saldo de energia em floresta alta, devido aos grandes volumes de ar e biomassa no dossel. Apesar desses estudos, ainda não se sabe se os fluxos de calor sensível e latente são componentes significativas no balanço de energia em florestas tropicais. As preocupações recentes da vulnerabilidade das florestas ao aquecimento global Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (IPCC-WG-1, 2007). Uma descrição das características da turbulência atmosférica na camada superficial sobre dosséis de florestas é essencial para o entendimento do ambiente micro meteorológico da superfície..

(16) 4. Grande parte do conhecimento adquirido até o presente sobre a dinâmica da atmosfera no Nordeste resulta de estudos realizados utilizando informações que permitem diagnosticar apenas a circulação atmosférica de grande escala. Por outro lado, atividades regionais como aquelas ligadas ao setor agropecuário necessitam de informações meteorológicas e climatológicas ao nível sub-regional, inclusive. Uma das grandes dificuldades encontradas pelos pesquisadores é a ausência de uma rede de coleta de dados adequada, o que impede a realização de pesquisas hidrológicas e/ou meteorológicas com a confiabilidade necessária para avaliar o grau de vulnerabilidade de ecossistemas frágeis como a caatinga decorrente das ações antrópicas. Somente através da utilização de modelos regionais é possível avaliar o impacto das mudanças na cobertura e uso do solo em áreas de tensão ecológica. Simulações numéricas de impactos ambientais na área do Nordeste e, em particular, em sua porção semiárida, exigem a utilização de diferentes dados, tanto no processo de realização dos experimentos numéricos quanto na validação de seus resultados. Sem o ajuste adequado os modelos numéricos podem gerar resultados pouco realistas. Apenas com informações precisas sobre os mecanismos de troca de energia e água entre o bioma caatinga e a atmosfera é possível avaliar o efeito das alterações na cobertura e uso da terra sobre o balanço de energia em superfície. Entretanto, o ponto crítico da realização desses estudos foi sempre a carência de informações precisas sobre a vegetação nativa da região..

(17) 5. 2. OBJETIVOS 2.1 Geral Avaliar o comportamento micrometeorológico em superfície vegetada e não vegetada em região de caatinga nativa de São João do Cariri, no Estado da Paraíba. 2.2 Específicos ● Avaliar o saldo de radiação, radiação global e umidade relativa do ar em dois eventos, seco e chuvoso em área de caatinga nativa; ● Analisar os comportamentos horários de temperatura do ar no dossel vegetativo e fora do dossel vegetativo em período seco e chuvoso; ● Avaliar o fluxo de calor no solo vegetado e não vegetado na caatinga em período seco e chuvoso; ● Avaliar o fluxo de calor sensível armazenado no dossel vegetativo em dois eventos, seco e chuvoso..

(18) 6. 3. HIPÓTESE Como a região da caatinga é fortemente influenciada sazonalmente pelo regime de chuvas, espera-se que o microclima, o fluxo de calor no solo e o fluxo de calor sensível armazenado no dossel vegetativo apresentem padrões diferentes entre os períodos secos e chuvosos. Estudos dessa natureza têm sido amplamente realizados para diversos ecossistemas, porém para a caatinga é deficiente foi verificado para a caatinga, a qual está inserida em uma região cujas características climáticas e de vegetação são escassas podendo desta forma apresentar ampla variabilidade do microclima e dos fluxos de calor sensível armazenado..

(19) 7. 4. REVISÃO DE LITERATURA 4.1 O Semiárido do Nordeste Brasileiro O semiárido brasileiro ocupa aproximadamente 980.000 km2, uma vasta área equivalente a 48 % da área total da região Nordeste e 13 % do território nacional, segundo Ab’Saber (1996), Barbosa (2000) e MINISTÉRIO DA INTEGRAÇÃO REGIONAL - MIN (2005). O semiárido brasileiro é um dos maiores, mais populosos e mais úmidos do mundo. Vivem nessa região 22 milhões de pessoas, sendo 8 milhões na zona rural (IBGE, 2010). Nove estados compõem a região do semiárido: Norte de Minas Gerais, sertões da Bahia, Sergipe, Alagoas, Pernambuco, Paraíba, Rio Grande do Norte, Ceará e Piauí (Figura 01), ocupando uma área equivalente aos territórios de França e Alemanha, somados (NOGUEIRA, 1994). Sendo o semiárido do Nordeste brasileiro considerado uma das regiões com limitação hídrica mais populosa do mundo, o que resulta em sérias limitações às atividades humanas em termos sociais, econômicos e ambientais.. FONTE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística/IBGE (2011). Figura 01. Nova Delimitação do Semiárido do Nordeste Brasileiro..

(20) 8. Conforme dados do MINISTÉRIO DA INTEGRAÇÃO REGIONAL (2005), estudos recentes não consideram mais a falta de chuva como único fator que delimita o semiárido brasileiro, sendo ampliado para três os critérios utilizados para delimitar esta região: precipitação anual inferior a 800 mm; índice de aridez de até 0,5, calculado pelo balanço hídrico que relaciona as precipitações e a evapotranspiração potencial no período entre 1961 a 1990; e risco de seca maior que 60 %, tomando-se por base o período entre 1970 e 1990. Desta forma, a região é caracterizada pela irregularidade das chuvas, longos períodos de seca e com forte deficiência hídrica, intermitência dos rios, solos rasos e ecossistema xerófilos. As condições ecológicas típicas desta região estão representadas nas ecorregiões, onde a vegetação predominante é a Caatinga. Segundo Ab’sáber (1999), os atributos que dão similaridades às regiões semiáridas são sempre de origem climática, hídrica e fitogeográfica: baixos níveis de umidade, escassez de chuvas anuais, irregularidade no ritmo das precipitações ao longo dos anos; prolongados períodos de carência hídrica; solos problemáticos tanto do ponto de vista físico quanto do geoquímico e ausência de rios perenes, sobretudo no que se refere às drenagens autóctones. A vegetação predominante do semiárido nordestino é a caatinga, que, botanicamente, constitui-se em um complexo vegetal rico em espécies lenhosas e herbáceas, sendo as primeiras caducifólias e as últimas anuais, em sua maioria. As espécies lenhosas, arbustos e árvores de pequeno porte, dominam a paisagem da caatinga em seus diferentes sítios ecológicos. A diversidade dos tipos de caatinga pode ser determinada pelo jogo mais sensível dos fatores físicos, acrescido dos biológicos. Enquanto o clima semiárido determina a ocorrência do tipo de vegetação, a altitude e as formas do relevo, aliadas às formações superficiais, são os fatores determinantes da variação nos tipos de caatinga (GOMES, 1980). Os solos são rasos, com boa fertilidade química e pH neutro, podendo tornar-se alcalino nas áreas calcárias Chaves e Kinjo (1987), estando, segundo Jacomine (1996) e EMBRAPA (1999), sujeitos à erosão em função da intensidade das chuvas torrenciais, baixa permeabilidade e profundidade efetiva. Na área representada pelo semiárido, no estado da Paraíba, predominam os solos de relevos suavemente ondulado e ondulado do tipo LITOSSOLOS, PLANOSSOLOS, ARGISSOLOS e CAMBISSOLOS associados à LUVISSOLOS (SUPERINTENDÊNCIA DE ADMINISTRAÇÃO DO MEIO AMBIENTE - SUDEMA, 2004). Segundo Mendes (1992), a região semiárida apresenta como característica marcante, apenas duas estações que se comportam da seguinte maneira: a estação chuvosa, com duração de três a cinco meses e a estação seca, com intervalo de sete a nove meses. A umidade relativa.

(21) 9. do ar apresenta-se em torno de 60 % no período chuvoso, enquanto que no período de estiagem decresce para 40 %, entretanto, os mesmos autores afirmam que dependendo da localização, a evapotranspiração atinge até 2000 mm anuais, com balanço hídrico deficitário, em virtude, principalmente, da alta evaporação. 4.2 O Bioma Caatinga O termo caatinga é uma denominação típica do Nordeste semiárido brasileiro e tem origem indígena (caa - mata; tinga - branca, clara, aberta), significando mata branca (NASCIMENTO, 1998). A área que o bioma caatinga ocupa representa aproximadamente 11% do território brasileiro e abrange, principalmente, a região semiárida do Nordeste concentrando-se, sobretudo, nos estados do Bahia, Piauí, Ceará, Rio Grande do Norte, Paraíba e Pernambuco (ANDRADE et al., 2005). Essa abrangência implica em que as plantas se desenvolvem em diferentes substratos sendo, portanto, bastante heterogênea quanto à fisionomia e estrutura. A predominância de uma determinada espécie depende da natureza do substrato e da rigidez do clima (RIZZINI, 1997). Embora exista um grande número de espécies, em sua maioria as plantas são constituídas por cactáceas, arbustos e árvores. Diferentes aspectos da vegetação podem ser vistos na Figura 02 (a-d). Uma característica marcante das plantas da caatinga é a forte alteração na estrutura do dossel onde as plantas perdem as folhas e entram na fase de dormência vegetativa, no período de estiagem (Figura 2-e e 2-f).. (a). (b).

(22) 10. (c). (d). (e). (f). FONTE: http://fatosefotosdacaatinga.blogspot.com Figura 02. Cactáceas (a), arbustos (b), flores da caatinga (c), árvores (d) e plantas da caatinga no início do período chuvoso (e) e plantas em pleno período chuvoso (f). Segundo a Conservation Internacional do Brasil (2003), a caatinga apresenta-se como uma exceção às demais paisagens do continente Sul-americano, cercada de ecossistemas florestais. O clima extremo e imprevisível exige que plantas estejam adaptadas a longos períodos de estiagem e também a enchentes. A caatinga, de acordo com Branco (1994), também tem denominação de mata seca ou mata branca, tipo de vegetação característica de regiões de baixa altitude e precipitação pluvial mal distribuída, em média de 500 mm ao ano, e temperatura oscilante entre 18° e 40° C. A caatinga constitui o único bioma exclusivamente brasileiro, o que significa dizer que parte de sua flora e fauna é endêmica, ou seja, não é encontrada em nenhum outro lugar do mundo (RODAL e SAMPAIO, 2002), é caracterizada pela floresta seca composta de vegetação xerófila de porte arbóreo, arbustivo e herbáceo, com ampla variação de fisionomia e flora e elevada diversidade de espécies, pertencentes às famílias Caesalpiniaceae, Mimosaceae, Euphorbiaceae, Fabaceae e Cactaceae..

(23) 11. A caatinga apresenta grande variação fisionômica, principalmente quanto à densidade e ao porte das plantas. Mudanças em escala local, a poucas dezenas de metros, são facilmente reconhecíveis e geralmente ligadas a uma alteração ambiental claramente identificável. É o caso do maior porte das plantas nos vales e do menor sobre lajedos e solos rasos, em consequência da maior e menor disponibilidade hídrica (AMORIM, 2005). A caatinga apresenta-se subdividida ecologicamente em VI unidades, cada uma com vários tipos. A unidade I é representada por uma floresta alta de caatinga que tem como área de distribuição o norte de Minas Gerais e centro sul da Bahia, geralmente em rochas calcárias ou cristalinas. A unidade II representa a típica caatinga florestal, com um estrato arbóreo não muito denso com alturas entre 7 e 15m. A unidade III representa uma floresta baixa de caatinga que ocorre em solos arenosos e profundos, com índice pluviométrico variando de 900mm a 600mm. Na unidade IV predomina o porte baixo e a baixa densidade de indivíduos, com poucas espécies arbustivo-arbóreas. A unidade V é representada pela caatinga arbustiva espalhada em pequenas manchas de solo em toda região semiárida, especialmente em rochas metamórficas, com áreas comuns no oeste de Pernambuco, onde os solos são pedregosos ou rasos e arenosos, em superfície levemente ondulada. A unidade VI é representante das florestas ciliares da Caatinga que ocorrem nos principais rios dos semiáridos nordestino (ANDRADE-LIMA, 1981). Comenta Duque (1980) que na caatinga, a associação florística com o solo e a atmosfera forma uma simbiose, em função do regime de economia de água para manter as funções em equilíbrio; o adensamento das espécies protege o solo no inverno com sua folhagem verdes e no verão com folhas secas, sendo que, parte alimenta os animais e o restante, após reciclagem natural, adubando o solo. Segundo Souto (2006), a caatinga constitui - se na expressão sintética dos elementos físicos e climáticos, numa vegetação singular cujos elementos florísticos expressam uma morfologia, anatomia e mecanismos fisiológicos para resistir ao ambiente xérico, ou seja, o xerofilismo que expressa uma condição de sobrevivência ligada a um ambiente seco, cuja água disponível às plantas resulta da estação chuvosa, uma vez que os solos são incapazes de armazená-la. As altas temperaturas, os solos queimados e as plantas retorcidas, de acordo com MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE - MMA (2002) são elementos inseparáveis da paisagem da caatinga, que é constituída por elementos lenhosos que perdem as folhas na estação seca (caducifólias) e se acham mais ou menos dispersos. É grande a correlação da caatinga com o clima, ao qual se deve atribuir a maior parte de suas características..

(24) 12. Segundo Araújo Filho e Carvalho (1995), a caatinga se constitui em um rico complexo vegetativo em espécies lenhosas, caducifólias e herbáceas, anuais, em sua grande maioria, no qual são observados três mecanismos de adaptação à seca: 1- a resistência das espécies que permanecem enfolhadas durante o período de estiagem; 2- a tolerância das espécies caducifólias que perdem as folhas no início da estação seca; 3- o escape das plantas anuais que completam o ciclo fenológico durante a época chuvosa. Em virtude das condições climáticas, a vegetação endêmica é ramificada, com um aspecto arbustivo, tendo folhas pequenas ou modificadas em espinhos, de modo a evitar a evapotranspiração (perda de água pela epiderme), ocorrendo a perda de folhas na época seca (caducifolia). É uma mistura de estratos herbáceo, arbustivo e arbóreo de pequeno porte, tortuosa, espinhenta e resistente às secas. A vegetação é distribuída de forma irregular, contrastando áreas que se assemelham a florestas, com áreas com solo quase descoberto. Apresenta uma grande biodiversidade com espécies de portes e arranjos fitosociológicos variados que o torna bastante complexo, no qual pouco se conhece sobre a sua dinâmica. 4.3 Fatores que determinam o microclima Microclima pode ser definido como o clima próximo à superfície. No caso de uma floresta, os estudos microclimáticos envolvem a caracterização do ambiente que se estende desde alguns metros acima do dossel vegetativo até o interior destas, no sub-bosque ou nas primeiras camadas do solo. A caracterização do microclima de uma superfície qualquer envolve a análise do comportamento de variáveis como radiação solar, temperatura e umidade do ar e solo, velocidade do vento dentre outras. Em cultivos agrícolas, pastagem ou floresta, o microclima afeta diretamente o crescimento e desenvolvimento das plantas (JONES, 1992). As condições microclimáticas em uma comunidade vegetal são controladas pelo balanço de energia em sua superfície. O balanço de energia pode ser definido como partição do saldo de radiação (Rn), em fluxo de calor sensível (H), fluxo de calor latente (LE), fluxo de calor para o solo (G) além da energia utilizada no processo fotossintético (P) e do calor armazenado nas plantas (S). No balanço de energia, a superfície passa a ser fonte ou dreno de energia em função do comportamento do saldo de radiação. Se Rn é positivo, a superfície comporta-se como fonte de calor, ou seja, fornece calor sensível para as camadas próximas (aquecendo o ar) e calor latente, por meio da evaporação, além de fornecer calor para o solo. Isto é o que ocorre durante o dia, pois como foi visto anteriormente Rn é positivo durante o dia. À noite, como Rn é negativo, a superfície comporta-se como sumidouro de energia, resfriando o ar adjacente a.

(25) 13. esta superfície e o solo. De maneira resumida, este é o balanço de energia que condiciona o microclima próximo a uma superfície qualquer (ROSENBERG et al., 1983). Porém, este balanço apresenta somente componentes verticais, podendo ser alterado pelos fluxos horizontais de energia, ou seja, pela advecção. Por outro lado, duas superfícies podem apresentar saldos de radiação parecidos, mas com partição de energia completamente diferente, uma vez que características como a densidade de cobertura vegetal, área transpiracional, fisiologia das plantas, teor de água no solo, entre outras, podem modificar os fluxos de calor sensível, latente e de transferência de calor para o solo (GEIGER, 1960). Microclima no interior e exterior de florestas As diferentes características entre as superfícies promovem alterações no saldo de radiação e, consequentemente, no balanço de energia, modificando, assim, as características microclimáticas. Comparando o microclima acima da copa das árvores e sobre pastagem, Ribeiro (1994) e Reschke (1997) observaram amplitudes diárias da temperatura do ar e défice de pressão de vapor maiores nas áreas de pastagens. Estes trabalhos relatam valores bem diferenciados, mas todos mostram maior amplitude térmica durante a estação seca. Comparando a temperatura do ar observada sobre floresta e pastagem, Ribeiro (1994) verificou que o comportamento ao longo do dia é semelhante, mas a amplitude é significativamente diferente. Acima do dossel da floresta, a temperatura mínima é maior e a temperatura máxima é menor, o mesmo acontecendo com o défice de pressão de vapor. Wright et al., (1996) estudaram o comportamento da amplitude térmica diária em três locais diferentes, ao longo do ano, acima de floresta e de pastagem. Em todos os locais, a amplitude térmica foi maior sobre a pastagem, tendo sido explicado, parcialmente, pela baixa rugosidade da pastagem e mudanças nos fluxos do balanço de energia. À noite, a temperatura sobre a pastagem é mais baixa devido a menor eficiência para quebrar a inversão térmica. Durante o dia, principalmente na estação seca, a maior temperatura diurna é observada sobre a pastagem devido à redução da evaporação (menor fluxo de calor latente), com consequente aumento do calor sensível (aquecimento do ar). As pequenas diferenças encontradas entre os locais estudados, acima do dossel da floresta, podem ser, também, devido à altura de instalação dos sensores, que não foi a mesma em todos os locais, e também devido a variação da rugosidade das superfícies..

(26) 14. Os trabalhos de Bastable et al., (1993), Ribeiro (1994), Wright et al., (1996) e Reschke (1997) compararam medidas realizadas em área de pastagem com medidas acima das copas das árvores dentro da camada limite. Medições no interior da floresta deverão apresentar, provavelmente, diferenças ainda maior pelo fato do dossel comportar-se como proteção. Comparando a temperatura do solo sob uma floresta em relação a solo desnudo ou coberto por uma camada menos densa, como, por exemplo, pastagem ou cultivo agrícola de pequeno porte, espera-se menor valor de temperatura no interior da floresta, além de uma menor amplitude térmica diária. Comparando floresta com pastagem, Souza, Pinheiro Araújo, (1996) observaram que a temperatura do solo (a 20 cm de profundidade) sob pastagem foi 3,7 0. C maior em relação a floresta, às 10:00 h, na estação seca, quando as diferenças são mais. pronunciadas. Estudando o fluxo de calor no solo sob floresta e em pastagem, Reschke (1997) verificou que as diferenças são maiores na estação seca, quando a pastagem apresenta flutuação significativa do fluxo de calor ao longo do dia. Isto é causado, provavelmente, pela presença de nuvens no verão, que reduz a radiação solar incidente, além de maior umidade no solo no período chuvoso que altera os componentes do balanço de energia. Avaliações microclimáticas comparando o interior da floresta com áreas abertas, geralmente uma pastagem, são interessantes, para dar uma ideia das modificações ambientais provocadas pela retirada da floresta. Essa informação é importante para o entendimento do manejo da regeneração natural. Comparando o microclima, a um metro de altura do solo, dentro de uma floresta e sobre pastagem na Costa Rica, Holl (1999) verificou que a área de pastagem apresentou maior temperatura do ar e maior défice de pressão de vapor. Cestaro (1988), comparando medidas micrometeorológicas no interior de Mata de Araucária e pastagem, observou uma acentuada diminuição da amplitude térmica do solo na mata, além de pequenas alterações na temperatura e umidade relativa do ar. As diferenças microclimáticas entre o interior da floresta e áreas abertas na região de clima temperado apresentam a mesma tendência observada nos trópicos, mas com diferente magnitude devido à modificação da disponibilidade energética. Em floresta na América do Norte (latitude 48o), Chen et al., (1993) observaram um aumento significativo da temperatura do solo e do défice de pressão de vapor após o seu corte em relação aos valores medidos no interior da floresta. Também verificaram que na zona de transição, entre a área explorada e a remanescente, existe um gradiente de radiação solar, no entanto, os valores de temperatura e défice de pressão de vapor foram semelhantes aos da área explorada..

(27) 15. A abertura de clareira promove modificação microambiental importante para o processo de sucessão ecológica em floresta. A maior disponibilidade energética numa clareira favorece a ocorrência de maior temperatura do ar e do solo comparado à superfície abaixo de floresta fechada. Trabalhando em floresta tropical chuvosa, Ashton (1992) verificou que as clareiras apresentaram maior amplitude térmica do ar, mas as maiores diferenças foram verificadas no solo, principalmente em dias claros, tendo sido observado aumento de até 9 oC na temperatura do solo na clareira, em comparação com o sub-bosque da floresta. Em floresta temperada, também, ocorrem modificações ambientais provocadas pelo surgimento de clareiras. Freitas e Enright (1995) verificaram aumento de 3,5 oC na temperatura máxima do ar e de 7,6 hPa no défice de pressão de vapor no interior de clareiras de maior tamanho (250 m2 ). Por outro lado, uma clareira de menor porte apresentou comportamento intermediário entre a clareira maior e o sub-bosque no interior da floresta. A retirada total da floresta e a abertura de clareira provocam modificações ambientais significativas, que podem ser expressas por variações na radiação solar, temperatura e umidade do ar e solo. O conhecimento da magnitude dessas modificações é de extrema importância para o conhecimento do microclima da floresta como um todo. 4.4 Caracterização das variáveis meteorológicas estudadas Balanço de radiação A energia proveniente do Sol é o fator mais importante para o desenvolvimento dos processos físicos que influenciam as condições de tempo e clima. De maneira geral, todos os fenômenos físicos, químicos e biológicos ocorridos no solo estão direta ou indiretamente relacionados com a quantidade de radiação solar incidente sobre a sua superfície (LEITÃO et al., 2000). O saldo de radiação sobre um dossel vegetal representa a quantidade de energia na forma de ondas eletromagnéticas que este dispõe para repartir entre os fluxos de energia necessários aos processos de evapotranspiração, aquecimento do ar, aquecimento do solo e fotossíntese (TUBELIS et al., 1980). A circulação atmosférica, que é responsável pelas condições meteorológicas num certo instante, também é regida pela disponibilidade de energia proveniente do Sol (QUERINO et al., 2006). O balanço de radiação à superfície é a contabilização entre ganhos e perdas de energia radiante, ou seja, entre os fluxos descendentes e ascendentes de radiação. A quantidade de energia que fica retida na superfície e que será utilizada nos fenômenos físicos e biológicos, denomina-se saldo de radiação (LEIVAS, 2007). Essa energia é a diferença entre os fluxos.

(28) 16. totais da radiação incidente e a perdida (emitida e/ou refletida) por uma superfície, medida, normalmente, em plano horizontal. Ao longo do dia, nas horas de brilho solar, o saldo de radiação em uma superfície qualquer tende a ser positivo, pois os fluxos incidentes (global e atmosférico) são superiores às frações refletidas e emitidas. Por outro lado, durante a noite, é comum que esses valores sejam negativos, pois o fluxo incidente passa a ser apenas atmosférico e a energia emitida pela superfície, superior a este, resultando em um saldo de radiação negativo (MONTEITH e UNSWORTH, 1990; PEZZOPANE et al., 1995). Para Oyama (2002) a vegetação exerce uma forte influência na radiação solar, designadamente ao reduzirem a radiação devido ao consumo de energia nos seus processos fisiológicos, nos quais a energia radiante é utilizada na síntese dos constituintes da planta. Parte da radiação absorvida pela copa das árvores é utilizada no processo de evapotranspiração pelas folhas. De fato, a vegetação desempenha o papel de termoregulador da temperatura do ar, contribuindo também para o aumento do teor de umidade. Segundo Andrade et al., (2007) o saldo de radiação é uma informação de suma importância, visto que, é a variável básica na estimativa da evapotranspiração (ET) e no cálculo do balanço hídrico, que são essenciais para a utilização racional dos recursos hídricos. Borges (2002) diz que o balanço de radiação em superfícies vegetadas é um parâmetro para determinações de perdas de água e de acumulação de matéria seca pelos vegetais, além de caracterizar o seu microclima. Essas medidas possibilitam, também, a caracterização dos estados de conforto térmico e hídrico bem como muitas reações bioquímicas e biofísicas. Segundo Silva et al., (2010) é natural que em áreas com solo exposto ocorra maior reflexão da radiação incidente do que em solos cobertos com vegetação e sobre superfícies com água. Em condições de baixa umidade, a superfície tem baixo poder de retenção da radiação, sendo grande parte devolvida para a atmosfera na forma de radiação refletida. Precipitação, temperatura e umidade do ar A precipitação, na forma de chuva, neve e granizo, é o principal mecanismo natural de restabelecimento dos recursos hídricos da superfície terrestre. A distribuição temporal das precipitações condiciona o clima regional. As precipitações podem ser orográficas (em regiões com grandes variações de altitude), convectivas (em épocas de grande intensidade de radiação) e frontais (devido à penetração de massas de ar polares) (PILLAR, 2007). O aquecimento e resfriamento do ar são determinados pelo balanço de radiação da superfície do solo e vegetação. As trocas de calor do ar com as superfícies se dão por condução e convecção, gerando movimentos turbulentos do ar (vento). Junto com o calor, o.

(29) 17. vento transfere vapor d'água, energia cinética, gás carbônico e poluentes. O movimento de massas de ar em escala continental determina em grande parte o clima regional. Latitude, altitude e distância de grandes corpos d'água (continentalidade) são os fatores mais importantes que afetam a variação geográfica da temperatura (PILLAR, 2007). A variação da temperatura do ar segue a variação do balanço de radiação. A temperatura máxima do ar próximo do solo ocorre simultaneamente com a temperatura máxima da superfície do solo; mas à medida que se afasta do solo há um retardamento do momento de máxima temperatura do ar (a 2 m de altura ocorre 2 horas após). Normalmente há um gradiente de temperatura decrescente com a altura e altitude (6,5º C/1000 m), porque o ar se resfria ao expandir-se durante a sua ascensão. Em noites com céu descoberto, devido ao resfriamento das superfícies e, consequente, resfriamento do ar das camadas inferiores, ocorre uma inversão desse gradiente térmico. Quando o ar das camadas inferiores atinge a temperatura de 0º C ocorre geada, podendo ou não dar origem à formação de gelo sobre as superfícies expostas (dependendo da umidade do ar). Vegetação densa influencia o perfil da inversão térmica porque a superfície ativa de irradiação passa a ser o topo do dossel (PILLAR, 2007). A umidade do ar diz respeito à quantidade de vapor de água presente na atmosfera - o que caracteriza se o ar é seco ou úmido, podendo variar de um dia para o outro (LAMBERTS, et al., 2005). A alta quantidade de vapor de água na atmosfera favorece a ocorrência de chuvas. Já com a umidade do ar baixa, é difícil chover. Temperatura e Fluxo de calor no solo A temperatura do solo influência processos como: germinação de sementes (reações bioquímicas); crescimento do sistema radicular (divisão celular); absorção de água e nutrientes (viscosidade da solução); decomposição da matéria orgânica entre outros. O comportamento diário e anual da temperatura em um perfil de solo é similar nas diversas regiões do globo, o que difere são os valores das temperaturas e a profundidade de extinção da onda diária e anual da temperatura, que são função do regime de radiação solar e das propriedades térmicas do solo. O teor de umidade afeta drasticamente as propriedades térmicas do solo, no sentido de acréscimos na condutividade térmica e no calor específico à medida que aumenta o teor de umidade do solo. (SCHÖFFEL, 2011). O fluxo de calor no solo representa a fração do saldo de radiação transferida por processos de condução ou difusão térmica, principalmente, da superfície para os níveis inferiores do solo e pode representar um acréscimo de energia para o meio, geralmente à.

(30) 18. noite; ou saída de energia do meio, no período diurno. O fluxo de calor no solo é função da temperatura do solo em diferentes níveis e da condutividade térmica do solo (REICHARDT, 1993). Para estudos de balanço de energia a quantificação do fluxo de calor no solo torna-se importante, pois representará a entrada/saída de energia de determinado meio, contribuindo, dessa forma, para o aumento/redução nos fluxos de calor latente e sensível, e consequentemente, aumentando/reduzindo as taxas de evaporação e transpiração. Diversos trabalhos mostram que o fluxo de calor no solo representa valores médios entre 4% e 6% da energia líquida disponível (CUNHA et al., 1996; BERGAMASCHI, 1994; TEIXEIRA et al., 1997; AZEVEDO et al., 1997). Contrário a essa afirmativa, alguns autores, considerando que a ordem de grandeza da variação da densidade de fluxo de calor no solo, para períodos iguais ou superiores a 10 dias, é suficientemente pequena, costuma-se desconsiderar esses valores em cálculos de estimativa de evapotranspiração (JENSEN, 1973; PEREIRA, 1990; SMITH, 1991). Segundo Galvani et al., (2001) o fluxo de calor para o interior do solo representa a fração do saldo de radiação que foi transferida para os níveis inferiores do solo e, geralmente, resulta em acréscimo de energia para o meio à noite, ou em diminuição, no período diurno. O fluxo de calor no solo (FCS) é função da temperatura em diferentes níveis e da condutividade térmica do solo, sendo influenciado, diretamente, pela variação da primeira. Em estudos de balanço de energia a quantificação do FCS torna-se importante, pois representará a entrada/saída de energia de determinado meio, contribuindo, assim, para o aumento e/ou redução nos fluxos de calor latente e sensível e, consequentemente, aumentar e/ou reduzir as taxas de evaporação e transpiração. Segundo Pillar (2007) as superfícies do solo e vegetação se esfriam, retirando calor da camada de ar em contato, invertendo o perfil vertical da temperatura do ar. No solo, o fluxo de calor passa a ser das camadas mais profundas para as mais superficiais. O balanço de radiação é o que determina flutuações na temperatura do solo, da vegetação e do ar, originando os fenômenos meteorológicos (movimentação do ar, evapotranspiração, precipitação, geadas, etc.). 4.5 Influências das variáveis meteorológicas no dossel vegetativo A camada Limite Atmosférica (CLA) é a parte mais baixa da atmosfera e é caracterizada pela interação da superfície, durante a partição de energia, através de processos mecânicos e térmicos, e a atmosfera livre pelo processo de arrastamento (FICH, 2004)..

(31) 19. Segundo Stull (1988), a camada-limite atmosférica inclui a porção da troposfera que é, diretamente, influenciada pela superfície terrestre, respondendo à ação dos forçantes mecânicos e térmicos. Nela ocorrem trocas diretas de energia com superfície, nas formas de momentum, calor e umidade. Esta camada recebe grande parte desse fluxo de calor e igualmente vapor d’água da superfície por meio dessas correntes turbulentos (OKE, 1987). A resposta da vegetação (resistência à seca, produtividade, etc) esta fortemente interligada a intermitência e imprevisibilidade da disponibilidade das chuvas (LAIO, 2001). A ocorrência e a quantidade de água em cada um dos eventos de precipitação são variáveis estocásticas. A capacidade da superfície em transmitir água para a atmosfera é a condutância. Ao nível individual das folhas dos vegetais, o controle das trocas gasosas é quantificada pela condutância estomática (Ce) que determina o limite da taxa de entrada de um fluxo de gás no por estomático (LARCHER, 2006). Para o dossel, a capacidade de transmitir água para a atmosfera pode ser expressa pela condutância de superfície (Cs), parâmetro determinado na prática por medidas de transpiração e de outros parâmetros meteorológicos atuantes sobre a vegetação. As taxas de momentum, fluxo de calor latente e água trocadas entre o dossel vegetativo e a camada superficial atmosférica, assim como folha/superfície do solo e ar em torno, são descrita utilizando a condutância aerodinâmica (Ca) e a condutância superficial (Cs) que representam o fluxo de vapor d’água de uma superfície evaporante (estômato vegetal e solo) (LECINA et al., 2003) A transferência de vapor no interior do dossel vegetativo é dependente da velocidade do vento, ou indiretamente da Ca, que segundo Grelle, Lindroth, Molder (1999) é função de parâmetros de turbulência enquanto a Ce é, principalmente, controlada pelas variáveis da evaporação como a radiação global e o déficit de pressão de vapor. Para Jones (1992), a Ca representa as condições de transpiração do dossel vegetativo como um todo. O índice de área foliar (IAF) é considerado um dos componentes inter-relacionados aos ciclos biogeoquímicos dos ecossistemas, pois caracteriza a interface dossel-atmosfera e está relacionado a interceptação da precipitação, ao microclima do dossel, a extinção da radiação, as trocas de água, carbono e energia com a atmosfera, e a interceptação da deposição atmosférica de nutrientes (SONNENTAG et al., 2007)..

(32) 20. Os estudos da interação da radiação solar entre atmosfera e uma superfície reveste-se de grande importância para a compreensão dos processos de fisiologia vegetal, produtividade de biomassa e trocas turbulentas de energia e massa entre a área vegetada (culturas, floresta, pastagens) e a atmosfera (MARQUE FILHO, 1997) A radiação que penetra o dossel vegetativo denso é absorvida e espalhada, fortemente na parte superior do dossel, já em dossel pouco denso a radiação se espalha pela dossel vegetativo de maneira mais homogênea (LARCHER, 2006). A. radiação. incidente. sobre. uma. comunidade. vegetal. pode. influenciar. cumulativamente a utilização de água, armazenagem de glicose (fotossíntese), crescimento das plantas e atuar diretamente sobre a temperatura dos elementos do dossel vegetativo que, por sua vez, governa as taxas do processo bioquímicas (LEITÃO, 1994). Ao longo do dia, nas horas de brilho solar, o saldo de radiação em uma superfície qualquer tende a ser positivo, pois os fluxo incidentes (global e atmosférico) são superiores às frações refletida e emitidas. Por outro lado, durante a noite, é comum que esse valores sejam negativos, pois o fluxo incidente passa a ser apenas atmosféricos e a energia emitida pela superfície, superior a este, resultando e, saldo de radiação negativo (PEZZOPANE et al., 1995). O fluxo de saldo de radiação de onda longa é um mecanismo controlador da formação de geadas, enquanto a força dirigente da evapotranspiração é o fluxo liquido de radiação total (saldo de radiação), que fornece o calor latente de vaporização, embora a condução de calor e convecção contribua para a evapotranspiração (HEITOR, BIGA, ROSA et al., 1991).. 4.6 Radiação solar no dossel vegetativo A energia de radiação solar absorvida no dossel vegetativo torna-se uma variável de grande importância, pois diversos processos fisiológicos das plantas relacionam-se diretamente com a quantidade de Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR), radiação global incidente e temperatura do ar, influenciando na eficiência do desenvolvimento das plantas (CARON, 2003). A energia de radiação solar absorvida pelas plantas é fator determinante da taxa fotossintética e pode limitar a produção e o acúmulo de biomassa (PILAU, 2005). A PAR tende a decrescer exponencialmente no perfil do dossel, aumentando o índice de área foliar a partir do topo do mesmo. Com isso, a eficiência de interceptação da radiação.

(33) 21. aumenta com o crescimento da área foliar, estabilizando no momento em que se atinge o máximo de cobertura arbórea (PILAU, 2005). Espécies que apresentam folhas eretas têm um baixo coeficiente de extinção, ao passo de que folhas horizontais tendem a apresentar maiores valores deste coeficiente. Baixos valores do mesmo são mais eficazes na transmissão da radiação para o interior do dossel, podendo influenciar, diretamente, no aproveitamento da energia incidente (MÜLLER e BERGAMASCHI, 2005). Em média, cerca de 90% da matéria seca acumulada pelas plantas ao longo do seu ciclo é resultado da atividade fotossintética, a qual é diretamente influenciada pela disponibilidade de radiação solar do período de cultivo (BENINCASA, 2003). A utilização eficiente da radiação para cada espécie é influenciada pelo índice de área foliar, além de parâmetros físicos e biológicos que determinam a absorção da radiação incidente. O ângulo de inserção da folha, interceptação de luz por outras partes da planta, arranjo de folhas na planta e de plantas no campo, características de absorção de luz pela folha e quantidade de radiação incidente modificam a quantidade de radiação solar interceptada (ARGENTA et al., 2001). A maneira como a radiação é interceptada pelo dossel das plantas reflete na eficiência fotossintética e no desenvolvimento da cultura, portanto fatores como forma, densidade populacional e espaçamento afetam a distribuição da área foliar no dossel das plantas e, consequentemente, a quantidade de energia da radiação solar incidente (STEWART et al., 2003). 4.7 Balanço de Energia em Superfícies Vegetadas O balanço de energia das superfícies vegetadas permite dimensionar as trocas de massa e energia no sistema solo-planta-atmosfera, por meio do estudo da partição do saldo de radiação nos diversos processos que ocorrem na cultura. O método permite avaliar as alterações no microclima da vegetação em função dos estágios de desenvolvimento da cultura e em função das condições de solo e de atmosfera (FONTANA et al., 1991). O entendimento do balanço de energia numa superfície coberta por vegetação é importante para a compreensão dos processos climáticos envolvidos com esta vegetação e seus efeitos nas diversas escalas espaciais e temporais. Assim, considerando que a vegetação é relativamente homogênea, extensa e opaca à radiação e que a superfície é relativamente horizontal, o balanço de energia numa cobertura vegetal pode ser escrito em termos dos fluxos verticais de energia que passam pelo corpo vegetal..

(34) 22. Nas superfícies em que há presença de cobertura vegetal, o balanço de energia torna-se mais complexo devido às diversas complicações introduzidas pela distribuição espacial variável dos fluxos radiativos e de calor dentro do corpo da vegetação. Portanto, o balanço de energia deve ser tratado para o dossel inteiro, e não somente para a superfície, considerando os fluxos de Rn, H e LE no topo da vegetação e incluindo os termos de armazenamento. Assim, de acordo com as considerações feitas, a equação do balanço de energia para uma superfície vegetada, desprezando os fluxos horizontais, podem ser expressa por:. Rn  H  LE  G  S  P. (1). Sendo: Rn o saldo de radiação (energia disponível ao sistema analisado), LE e H são os fluxos verticais de calor latente e sensível, respectivamente; G é o fluxo de calor no solo, S é a energia armazenada no dossel vegetativo e P é a energia utilizada no processo fotossintético, representando menos de 2% do saldo de radiação. O balanço usualmente não fecha tanto por erros instrumentais nas medidas de cada termo, quanta pela não consideração da possível advecção. Como pode ser visto esquematicamente na Figura 03, dentre os termos não radiativos, o dominante é o fluxo de calor latente, que está aproximadamente em balanço com o saldo de radiação, enquanto o fluxo de calor sensível e o fluxo de calor no solo são de menor magnitude.. FONTE: (MICHILES, 2004). Figura 03. Esquema do balanço de energia em cobertura vegetal no ciclo diurno, em dia sem chuva. 4.8 Campanhas observacionais em áreas de caatinga A grande quantidade de dados gerados em campanhas observacionais na região amazônica já permite calibrar com grande precisão esquemas importantes de parametrização de superfície usados em modelos numéricos, a exemplo do SIB (Simple Biosphere Model) e.