Universidade Federal de Santa Maria

Ci. e Nat., Santa Maria v.42, Special Edition: Micrometeorologia, e5, 2020

DOI:10.5902/2179460X45265

ISSN 2179-460X

Received: 29/05/20  Accepted: 29/05/20  Published: 28/08/20

 

by-nc-sa 


Special Edition

 

Avaliação dos parâmetros de turbulência em fluxos de metano para uma área de arroz irrigado no sul do Brasil

 

Evaluation of turbulence parameters in methane fluxes for an irrigated rice paddy

 

Cristiano Maboni I

Débora Regina Roberti II

Tiago Bremm III

Lucas Augusto Fagundes IV

Gustavo Pujol Veck V

Michel Stefanello VI

 

I Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: cristianomaboni@hotmail.com.

II Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: debora@ufsm.br.

III Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: bremm.tiago@gmail.com.

IV Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: lucasaugustofagundes@gmail.com.

V Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: veeckgp@gmail.com.

VI Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: michelstefanello@gmail.com. 

 

 

RESUMO

O metano (CH4) é um dos principais gases que potencializam o efeito estufa. Uma importante fonte de emissão do CH4 é a produção do arroz em ambientes inundados. Neste trabalho, a metodologia da Covariância dos Vórtices (Eddy Covariance) foi utilizada para a estimativa dos fluxos superficiais de CH4 em uma lavoura de arroz irrigado por inundação no Sul do Brasil (lat: -30.2771 N; long: -53.1479 W; altitude – 40,5 m). Na ocorrência de baixa turbulência esta metodologia pode gerar dados não realísticos de fluxos. Nesta situação, é recomendado a remoção do fluxos, ou seja, descarte dos fluxos na serie de dados. Em geral, utiliza-se a escala da velocidade de fricção (u*) para a remoção dos fluxos de CH4 em situações de baixa turbulência. No entanto, u* é um fluxo e o uso do desvio padrão das flutuações da velocidade (σw ) pode ser uma alternativa. O objetivo desse trabalho é mostrar o comportamento do fluxo de CH4 com a velocidade de fricção, com o desvio padrão das flutuações da velocidade vertical e com variáveis atmosféricas e de solo num área de cultivo de arroz irrigado por inundação.

Palavras-chave: Covariância dos Vórtices; Metano; Turbulência.

 

 

ABSTRACT

Methane (CH4) is one of the main greenhouse gases. An important source of CH4 emission is flooded rice paddy. In this paper, the Eddy Covariance methodology was used to estimate the surface fluxes of CH4 in a flooded rice paddy in the Southern Brazil (lat: -30.2771 N; long: -53.1479 W; altitude - 40.5 m). In the event of low turbulence, this method can generate unrealistic flux data. In this situation, it is recommended remove the flux of the dataset. In general, the friction velocity (u*) is used to remove CH4 flux in low turbulence situations. However, u* is a flux and the use of the standard deviation of vertical velocity fluctuations (σw) can be an alternative. The objective of this work is to analyze the behavior of CH4 flux with friction velocity (u*), with the standard deviation of vertical velocity fluctuations (σw), and with atmospheric and soil variables in a flooded rice paddy.

Keywords: Eddy Covariance; Methane; Turbulence.

 

 

1 Introdução

O metano (CH4), um dos principais gases que potencializam o efeito estufa, vem ganhando destaque na comunidade acadêmica com pesquisas que buscam entender seu processo de emissão e absorção. O ano de 2019 foi eleito como o ano do metano (AmeriFlux, 2019) a fim de incentivar pesquisas neste assunto.

O CH4 é emitido principalmente na queima de combustíveis fósseis e na decomposição de matéria orgânica por bactérias anaeróbias presentes no sistema digestivo de animais ruminantes e em solos alagados como pântanos e lavouras de arroz. A produção do arroz em ambientes inundados é responsável por 11% das emissões antropogênicas para a atmosfera (RUNKLE, 2018). Neste trabalho, pretendemos estudar os fluxo de CH4 entre um cultivo de arroz irrigado e a atmosfera no sul do Brasil. Para tanto, utilizamos a metodologia da Covariância dos Vórtices (EC do inglês Eddy Covariance) que possibilita a realização das medições a longo prazo, de forma contínua, representando áreas com aproximadamente 200 a 300 m de raio, sem interferir na dinâmica das trocas gasosas entre a fonte de emissão e a atmosfera (ALBERTO, 2014 e BALDOCCHI, 2012).

Um dos problemas no uso da metodologia está em realizar as estimativas nos períodos noturnos, momento em que a turbulência geralmente diminui consideravelmente (MARC AUBINET, 2008). Para esses períodos, o vento fraco pode acarretar em uma subestimativa dos fluxos. Em geral, nestas situações os dados de fluxos precisam ser removidos da análise, por não serem confiáveis. A filtragem para a remoção dos dados de metano para períodos de baixa turbulência em geral é realizada utilizando a escala da velocidade de fricção (u*). No entanto, u* é um fluxo e o uso do desvio padrão das flutuações da velocidade (σw) pode ser uma alternativa. Neste trabalho analisaremos o comportamento do fluxo de CH4 com a velocidade de fricção (u*), com o desvio padrão das flutuações da velocidade vertical (σw) e com variáveis atmosféricas e de solo.

 

 

2 Metodologia

Neste trabalho serão utilizados os dados atmosféricos coletados em uma torre micrometeorológica numa área de cultivo comercial de arroz irrigado por inundação no município de Cachoeira do Sul (CAS), estado do Rio Grande do Sul, Brasil (lat: -30.2771 N; long: -53.1479 W; altitude – 40,5 m). O período de estudo foi de 05 de Novembro de 2015 a 30 de Maio de 2016. A instrumentação na torre micrometeorológica de relevância para este estudo é composta por (altura do sensor na torre, fabricante, modelo): componentes do vento e temperatura do ar (3m; CSAT 3, Campbell Scientific Inc., Logan, UT) e CH4 analisador de gás (3 m; LiCor, LI7700) ambos medindo em alta frequência (10Hz) e demais sensores medindo na frequência de 1 min: Temperatura do ar (3 m; CS215, Campbell Scientific, Inc., USA) Temperature de superfície (0.05 m; SI-111, Apogee Instruments, Inc., USA); Temperatura do solo (0,05 m, T-108, Campbell Scientific, Inc., USA); Precipitação (6m; TB4 Rain Gauge; Campbell Scientific Inc., Logan, Utah) e Radiação solar incidente (5,6 m, CGR3, Kipp Zonen B.V., NLD). Mais detalhes do sítio experimental e dos processamentos dos dados são encontrados em Diaz (2019) e Souza (2019).

A metodologia da Covariância dos Vórtices (Eddy Covariance) foi utilizada na quantificação dos fluxos superficiais de metano (CH4) utilizando os dados de alta frequência da concentração de (CH4) e da velocidade vertical do vento. Os fluxos foram estimados em média de 30 minutos no software EddyPro R versão 7.03 (Li-Cor, Lincoln, Nebraska) utilizando diversos testes de controle de qualidade, conforme Vickers (1997) e Mauder (2013) tais como: remoção de pico, co-espectro, resolução de amplitude, drop-out, limites absolutos, skewness and kurtosis, descontinuidade, atraso temporal, vento estacionário e indicador de intensidade do sinal relativo (RSSI) menor que 15%. O software EddyPro R também aplica dupla rotação (WILCZAK, 2001) e correção do efeito de densidade (WEBB, 1980), mitigação de fluxo devido à configuração instrumental (GASH, 1996) e correção de filtro passa alta e baixa de acordo com as metodologias de Moncrieff (2004) e Moncrieff  (1997). Também foram removidos fluxos extremos (menor que -1 μ mol m−2 s−1 e maior que 1 μ mol m−2 s−1) e fluxos durante a precipitação mais um intervalo de tempo de 30 minutos para a secagem dos equipamentos, evitando dados errôneos decorrente da interferência no funcionamento dos sensores. Para a análise realizada neste trabalho serão utilizados apenas dados noturnos, ou seja, quando a radiação solar incidente é zero.

 

 

3 Resultados e Discussão

A figura 1 mostra a relação dos fluxos noturnos de metano (CH4) do cultivo do arroz em Cachoeira do Sul com a velocidade de fricção (u*) separados em diferentes períodos de desenvolvimento da lavoura (vegetativo [05/11/15 a 10/11/2016], reprodutivo [11/01/16 a 20/03/16], maturação [21/03/16 a 19/04/16], pousio [20/04/16 a 30/05/16] e total [05/11/15 a 30/05/16]). Para todo o período e para o período vegetativo do arroz é observado um crescimento do fluxo do CH4 seguido por um decréscimo desses valores com o aumento de u* (figura 1a, 1b) para baixos valores os menores valores de u*, após um certo limite, os fluxos tem menor variabilidade. Nos períodos reprodutivos e de maturação do arroz (figura 1c, 1d), o valor do fluxo de CH4 decresce com o aumento da turbulência, até um certo limite, também com menor variabilidade para os maiores valores de turbulência. O período de pousio da lavoura (figura 1e) os fluxos se mantiveram praticamente constante para todo valor de u*.

Acevedo, (2009) discutem que o uso de u* como escala de turbulência para correção de fluxos é questionada, pois o u* é, ele próprio, um fluxo e, portanto, seu valor é altamente dependente da escala temporal usada para a análise. Eles sugerem o uso o desvio padrão das flutuações da velocidade vertical. A figura 2 mostra a relação do fluxo noturno de metano (CH4) com o desvio padrão das flutuações da velocidade vertical do vento (σ w ) também separados em diferentes períodos de desenvolvimento da lavoura. Os resultados obtidos mostram um comportamento similar quando do uso da velocidade de fricção, com exceção do período vegetativo (figura 1b), onde para baixa turbulência o fluxo aumenta com o aumento de σw.

 

Figura 1 – Relação entre o fluxo de metano (CH4) noturno e a velocidade de fricção (u*) para o cultivo de arroz irrigado por inundação no Sul do Brasil: (a) todo o período do estudo, (b) período vegetativo, (c) período reprodutivo, (d) o período de maturação e (e) o período de pousio, ou seja, sem cultivo do arroz. Os pontos em vermelho representam a média do fluxo de CH4 e do u*

 

Figura 2 – Fluxo de metano (CH4) noturno versus o desvio padrão das flutuações da velocidade vertical do vento (σw) para o cultivo de arroz irrigado por inundação no Sul do Brasil: (a) todo o período do estudo, (b) período vegetativo, (c) período reprodutivo, (d) o período de maturação e (e) o período de pousio, ou seja, sem cultivo do arroz. Os pontos em vermelho representam a média do fluxo de CH4 e do (σw)

 

Portanto, observa-se similar comportamento do fluxo de metano para baixos valores de u* ou σw, ou seja períodos de pouca turbulência, no cultivo de arroz no sul do Brasil. Essas situações podem estar associadas a condição de vento fraco e de forte estabilidade atmosférica. Na camada limite estável, os movimentos de submeso (escalas variando entre os maiores turbilhões turbulentos (alguns metros em situações estáveis) e os menores movimentos de mesoescala (1-2 Km) (LARRY MAHRT, 2014)) são frequentemente observados(VICKERS, 2003). Nessa condição a turbulência é muito reduzida e os movimentos de larga escala desempenham um papel importante na dinâmica do escoamento. Portanto, o calculo dos fluxos turbulentos usando uma janela temporal de 30 minutos pode levar em consideração contribuições randômicas de baixa frequência (VERCAUTEREN, 2015). Esta contribuição pode gerar valores não físicos imprevisíveis para os fluxos turbulentos noturno. Isso deve ser melhor investigado em trabalhos futuros.

De modo geral, em todos os períodos analisados é possível obter um valor limite de maior variação dos fluxos de metano com os parâmetros de turbulência. Para o u*, este limite foi de 0,04 m s-1 e para o σw 0,05 m s-1.

 

Figura 3 – Relação entre o fluxo de metano (CH4) noturno e a temperatura do ar (Tair), temperatura de superfície (Tskin) e temperatura do solo a 0.05 m (Tsoil) para o período vegetativo do arroz ((a), (b), (c)) e período reprodutivo do arroz ((d), (e), (f)), respectivamente. Os pontos em vermelho representam a média do fluxo de CH4 e dos escalares em intervalos de 20 pontos

 

Foi realizada a comparação do comportamento do fluxo de metano com as variáveis atmosféricas e de solo para o período vegetativo e reprodutivo do arroz (figura 3), períodos com maior quantidade de dados para análise. Durante o período reprodutivo do arroz é observado maior variações das amplitudes do fluxo de metano com a temperatura do ar (Tair), temperatura do solo a 0.05 m (Tsoil) e temperatura de superfície (Tskin) (Figuras 5d, 5e, 5f). No entanto, o comportamento médio entre o fluxo de CH4 e as variáveis foi similar nos dois períodos, exceto para os menores valores das temperaturas no período reprodutivo, destacado em verde na figura. Desta forma, é possível obter relações matemáticas que descrevam esse comportamento de forma a representar os períodos do cultivo de arroz. Esta descrição matemática pode ser utilizada para fechamento de falhas devidas ao processamento e em períodos de baixa turbulência.

 

 

4 Conclusão

A relação do fluxo noturno de metano (CH4) tanto para a velocidade de fricção (u*) quanto para o desvio padrão das flutuações da velocidade vertical do vento (σw), apresentaram comportamentos similares entre si. A relação do fluxo noturno de CH4 com a temperatura do ar, temperatura de superfície e temperatura do solo a 0.05 m, mostraram dependência acentuada nos períodos analisados, reprodutivo e vegetativo, o que pode facilitar a representação matemática dos fluxos de metano com as variáveis ambientais que possam ser utilizadas em para fechamento de falhas nos dados gerados inclusive por períodos de baixa turbulência.

 

 

Agradecimentos

Os autores agradecem aos auxílios recebidos pelas agências de fomento brasileira (CAPES-Código de Financiamento 001, CNPq, FAPERGS) em especial aos projetos CAPES/Modelagem #88881.148662 / 2017-01; CAPES/ANA-DPB #88887.144979 / 2017-00; CNPq 401426/2016-5; FAPERGS 17/2551-0001124-4 e 16/2551-0000102-2.

 

 

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