Universidade Federal de Santa Maria

Ci. e Nat., Santa Maria v.42, Special Edition: Micrometeorologia, e9, 2020

DOI:10.5902/2179460X45319

ISSN 2179-460X

Received: 01/06/20  Accepted: 01/06/20  Published: 28/08/20

 

by-nc-sa 


Special Edition

 

Estudo do regime térmico do solo em uma área de vegetação natural no bioma Pampa

 

Study of the soil thermal regime in an area of ​​natural vegetation in the Pampa biome

 

Lidiane Buligon I

Tamíres Zimmer II

Vanessa de Arruda Souza III

Débora Regina Roberti IV

 

I Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: prof.buligon@gmail.com.  

II Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: tz.tamireszimmer@gmail.com.

III Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil. E-mail: v.arruda.s@gmail.com.

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

 

 

RESUMO

Neste estudo é realizada uma análise da variabilidade térmica do solo em uma área de vegetação natural no bioma Pampa no Sul do Brasil. Os dados experimentais foram coletados no sítio experimental localizado em Santa Maria - RS (SMA). A modelagem híbrida é estabelecida a partir de uma solução analítica da equação da condução de calor e de dados experimentais. As propriedades térmicas do solo, condutividade térmica () e difusividade térmica (), foram estimadas para diferentes combinações do índice de claridade e umidade do solo. Os valores de  obtidos neste estudo são menores em condições secas e os maiores em condições úmidas. A partir do ciclo diário médio, o fenômeno de histerese é mais acentuado entre o fluxo de calor no solo () e a radiação solar global, em todos os intervalos de índice de claridade. A análise identificou melhores relações entre  e a temperatura do solo em 0,05 m e a temperatura do ar. As histereses apresentam o mesmo comportamento quando os dados são classificados por níveis de umidade do solo. Os resultados obtidos neste estudo podem ser utilizados em modelos que pretendem representar o comportamento das trocas de energia entre o solo-superfície-atmosfera.

Palavras-chave: Fluxo de calor no solo; Condutividade térmica do solo; Temperatura do solo.

 

 

ABSTRACT

This study analyzes the thermal variability of soil in a natural pasture area in the Pampa biome in southern Brazil.  The dataset was collected at the experimental site located in Santa Maria - RS (SMA). The hybrid model is based on an analytical solution of the heat conduction equation and in experimental data. Soil thermal properties, thermal conductivity (), and thermal diffusivity () were estimated for different combinations of the clearness index and soil moisture. The  values obtained in this study are the lowest in dry conditions and the highest ones in wet conditions. From the average daily cycles, the hysteresis phenomenon is more pronounced between soil heat flux () and global solar radiation for all clearness index ranges. The present analysis identied better relations between  and temperature soil temperature at 0,05 m and air temperature. Hysteresis exhibit the same behavior when data are classied by soil moisture. The results obtained here can be used in models that intend to represent the behavior of energy exchange between the soil-surface atmosphere.

Keywords: Soil heat flux; Thermal conductivity; Soil Temperature.

 

 

1 INTRODUÇÃO

A caracterização térmica de um solo é necessária para descrever o armazenamento e a transferência de energia entre a superfície e o subsolo e, consequentemente, para fechamento do balanço de energia na superfície. O fluxo de calor no solo () é um importante componente do balanço energético da superfície, influenciando a troca de energia entre a superfície terrestre e a atmosfera (HEUSINKVELD et al., 2004).

O processo de transferência de energia da superfície para o subsolo é controlado por diversos fatores, tais como a disponibilidade de energia, as variações de temperatura do solo e as propriedades térmicas do solo como a condutividade térmica () e a difusividade térmica () (AN et al., 2016). Estas variáveis impactam significativamente a variabilidade do  em diferentes escalas espaço-temporais. Além disso, diferentes condições climáticas podem influenciar na condução térmica no solo in situ.

A relação entre G e as variáveis atmosféricas e de solo podem gerar o fenômeno de histerese. Este fenômeno pode ser considerado como a dependência de uma variável de resposta não apenas no valor de uma variável de direção, mas também em sua história passada. Assim, os loops de histerese resultantes podem demonstrar importantes informações na descrição do fenômeno físico (NIU et al., 2011).

Neste estudo é realizada uma análise da variabilidade térmica do solo em uma área de vegetação natural no bioma Pampa no Sul do Brasil. Os dados experimentais foram coletados no sítio experimental localizado em Santa Maria - RS (SMA). A metodologia utiliza uma modelagem híbrida que consiste em uma solução analítica da equação da condução de calor e de dados experimentais. As propriedades térmicas do solo, condutividade térmica e difusividade térmica, foram estimadas para diferentes combinações do índice de claridade (κt) e umidade do solo (). A partir dos ciclos diários médios, para os diferentes intervalos de índices de claridade da atmosfera, foram analisadas as relações entre o fluxo de calor no solo () e as variáveis atmosféricas, radiação solar global () e temperatura do ar (), e entre as variáveis do solo, temperatura do solo em 0,05 m () e em 0,15 m ().

 

 

2 Materiais e métodos

2.1 Descrição do sítio

O sítio experimental de Santa Maria (SMA), latitude: 29o43’27,502” S e longitude: 53o45’36,097” W; 88 m de altitude, localiza-se no Município de Santa Maria – RS em uma área experimental da Universidade Federal de Santa Maria, abrangendo 24 ha de vegetação natural no bioma Pampa (Figura 1) e faz parte da rede PELD - CNPq (Programa de Pesquisa Ecológica de Longa Duração). A vegetação encontrada na área de estudo é utilizada como pastagem para bovinos de corte e consiste principalmente de gramíneas nativas. Foi realizada uma análise das propriedades físicas do solo na área experimental do sítio, onde se obteve as seguintes características: 33,95% areia, 29,09% de argila e 36,94% de silte, e classificação de textura Franco-argilosa. Os valores médios das propriedades físicas do solo nas profundidades de 0,05 m e 0,10 m são: capacidade de campo () de 0,32 m3m−3, ponto de murcha permanente () de 0,11 m3m−3, porosidade do solo () de 0,45 m3m−3 e densidade do solo () igual a 1372 kgm−3. O clima, segundo a classificação de Köppen (PEEL; FINLAYSON; MCMAHON, 2007), pertence à zona do franco Cfa.

 

2.2 Dados experimentais

Os dados atmosféricos e de solo foram coletados no período de 01 de setembro de 2014 a 31 de agosto de 2016. A radiação global () e a temperatura do ar () foram medidas pelos seguintes sensores a 3 m de altura: CNR4 (Kipp e Zonen) e HMP155 (Vaisala). O fluxo de calor no solo () foi medido a 0,10 m de profundidade, através do sensor HFP01SC (Hukseflux), a temperatura do solo foi medida a 0,05 m () e a 0,15 m () de profundidade pelo sensor T108 (Campbell Scientific), e a umidade do solo () foi medida a 0,10 m de profundidade pelo sensor CS616 (Campbell Scientific).

 

2.3 Classificação dos dados experimentais

O conjunto de dados experimentais foi subdividido usando intervalos de índice de claridade da atmosfera (κt) e a umidade do solo ().

O κt é definido como a razão entre a radiação de onda curta recebida em uma superfície horizontal próxima à superfície do solo (radiação solar global, ) e a radiação de onda curta que teoricamente seria recebida na mesma superfície horizontal acima da atmosfera (MARTHEWS; MALHI; IWATA, 2012).

 

Figura 1 – Imagem da localização e instrumentação da torre de fluxo instalada na área de estudo

 

Segundo Kuye e Jagtap (1992) pode-se classificar o céu como:

CS = céu claro se κt ≥ 0,65;

CP = céu parcialmente nublado se 0,3 < κt < 0,65;

CD = céu nublado se κt ≤ 0,3.

O índice de umidade no solo () foi obtido a partir do valor da água facilmente disponível (AFD), tal metodologia é adaptada de Allen et al., (1998). O valor encontrado da AFD que a cultura consegue extrair da zona da raiz sem sofrer de estresse hídrico foi de 0,13 m3m−3. Sendo assim, o índice de umidade foi considerado:

W = solo úmido se  ≥ 0,13 m3m−3;

D = solo seco se  < 0,13 m3m−3.

A partir das classificações acima os dados experimentais foram separados por: céu claro com solo seco (CSD); céu claro com solo úmido (CSW); céu parcialmente nublado com solo seco (CPD); céu parcialmente nublado com solo úmido (CPW); céu nublado com solo seco (CDD) e céu nublado com solo úmido (CDW).

 

2.4 Modelo: Equação de Condução Térmica Clássica

A equação que descreve a transferência de calor no solo por condução em um meio isotrópico unidimensional pode ser escrita como:

,

(1)

sendo  a temperatura do solo (K),  o tempo (s),  a capacidade térmica volumétrica (Jm−3K−1),  a condutividade térmica (Wm−1K−1) e  a profundidade da superfície do solo (m). O termo entre parênteses da Eq.(1), conhecida como a lei de Fourier da condução de calor (CARSLAW; JAEGER, 1959), é definido como o fluxo de calor no solo,  (Wm−2), em uma profundidade . Assumindo que  e  são independentes da profundidade e do tempo a Eq.(1) pode ser reescrita na forma:

     

(2)

com  (m2s−1) a difusividade térmica do solo.

A solução da Eq.(2) proposta por Carslaw e Jaeger (1959) é dada por:

,

(3)

sendo que  1 representa a profundidade da primeira medida () e  2 a profundidade da segunda medida (),  é a temperatura média do solo na profundidade ,  são as amplitudes de temperatura e  as mudanças de fase, ambas em ,  1, 2. Além disso,  (radh−1) é a velocidade angular de rotação da Terra (,  representa o período do ciclo fundamental de 24 horas).

A difusividade térmica do solo () conforme propõe Horton, Wierenga e Nielsen (1983), pode ser explicitamente resolvida a partir da Eq.(3) expressa da seguinte maneira:

(4)

,

(5)

onde o sub-índice  refere-se ao método da amplitude e o sub-índice  ao método de mudança de fase. Sendo assim, substituindo a Eq.(3) na lei de Fourier da condução de calor e utilizando as Equações (4) ou (5) calcula-se o fluxo de calor no solo em função da profundidade e do tempo, dada pela equação:

,

(6)

para  1, 2, representando as profundidades  e , respectivamente, e  é a média diária do gradiente de temperatura (Km−1).

A difusividade térmica do solo,  (m2s−1), é estimada utilizando os dados experimentais de temperatura do solo e dos métodos da amplitude () e da mudança de fase () pelas Eqs.(4) e (5), respectivamente. Para tanto, os parâmetros , ,  e  foram ajustados a Eq.(3) a partir da média diária dos dados experimentais da temperatura do solo nas profundidades  0,05 m e  0,15 m, usando o método dos Mínimos Quadrados. Portanto, foram obtidos um valor de  e um valor de  para todo o conjunto de dados.

O  experimental foi estimado invertendo a Eq.(6) e utilizando os valores horários experimentais de temperatura do solo e fluxo de calor no solo, com os valores de  obtidos anteriormente pelos métodos da amplitude e mudança de fase.

 

 

3 Resultados e Discussão

Na Tabela 1 são apresentados os valores médios das propriedades térmicas do solo obtidas usando o método da amplitude e da mudança de fase para as diferentes combinações do índice de claridade e umidade do solo.

A difusividade térmica do solo () apresenta valores diferentes entre os métodos. Os valores de  apresentaram maiores valores quando comparados a  para todo o período de estudo e para todas as classificações dos dados experimentais. Os resultados encontrados nesta pesquisa foram semelhantes há alguns estudos reportados na literatura. Otunla e Oladiran (2013) estimaram  para um solo com textura de areia argilosa na Nigéria, para 13 dias durante a transição da estação seca para a chuvosa, encontrando valores médios de 4,49 x10−7 m2s−1 e 5,93 x10−7 m2s−1 para o método da amplitude e mudança de fase, respectivamente. Wang, Gao e Horton (2010) encontraram valores médios de  iguais a 2,06 x10−7 m2s−1 (método da amplitude) e 4,24 x10−7 m2s−1 (método da mudança de fase) para 7 dias de dados em um solo predominantemente franco médio com uma alta proporção de silte localizado na China.

 

Tabela 1 – Valores médios da condutividade térmica  (Wm−1K−1) (com o desvio padrão) e da difusividade térmica  (m2s−1) pelo método da amplitude e pelo método da mudança de fase para as diferentes classificações dos dados experimentais

 

Mét. Amplitude

Mét. Mudança de fase

 

(10-7)

(10-7)

Todo período

5,62

1,10±0,49

5,53

1,10±0,49

CSD

6,66

1,17±0,43

6,27

1,16±0,43

CSW

6,11

1,18±0,43

6,05

1,18±0,43

CPD

6,41

1,02±0,36

4,47

1,02±0,36

CPW

5,42

1,16±0,44

4,64

1,17±0,44

CDD

5,97

0,98±0,00

5,47

0,98±0,00

CDW

5,55

1,02±0,57

5,52

1,02±0,57

 

A condutividade térmica do solo () apresentou valores semelhantes para os dois métodos. Em todos os casos, o solo úmido apresentou os maiores valores de . Isto deve estar associado ao aumento da umidade do solo, que por sua vez ocasiona um maior transporte de energia na forma de calor, pois a parte porosa do solo, que no período seco estava preenchida com o ar, passa a ser preenchida com a água, permitindo um maior fluxo de calor por condução (PREVEDELLO,2015). Os valores de condutividade térmica obtidos neste estudo variaram de 0,98 Wm−1K−1 a 1,18 Wm−1K−1 (sem desvio padrão) em ambos os métodos avaliados, sendo menores em condições secas e os maiores em condições úmidas. A média para todo o período foi de  = 1,10±0,49 Wm−1K−1.

Figura 2 ilustra as relações entre o fluxo de calor no solo () e as variáveis radiação global (), temperatura do ar (), temperatura do solo a 0,05 m () e a 0,15 m () para o ciclo diário médio nos diferentes intervalos de índices de claridade da atmosfera e para a condição de solo seco. Para as classificações de solo úmido, o comportamento entre as variáveis foi semelhante ao solo seco, por isso serão omitidos D e W nas siglas. As variáveis são adimensionalizadas pelos seus valores máximos (RUBERT et al., 2018; ZHENG et al., 2014; ZUECCO et al., 2016).

 

Figura 2 – Fluxo de calor no solo () vs: (a) radiação global (), (b) temperatura do ar (), (c) temperatura do solo a 0,05 m (), (d) 0,15 m () para os diferentes índices de claridade da atmosfera. A seta indica as direções dia (6h às 12h) e noite (18h às 6h). São omitidos D e W nas siglas

 

Os loops de histerese mostraram comportamento horário para as variáveis  e , enquanto que para  e  o comportamento foi anti-horário. As maiores diferenças são obtidas entre CC e CD, e para o CP as relações são semelhantes ao CC. A relação de  com  e  para todas as condições e  para CD apresenta uma forma linear, mostrando melhor relação de  com estas variáveis. Os picos máximos de histerese para  e  ocorreram aproximadamente às 15h, horário local. Podemos observar que a curva durante à noite para CD em  e  é mais inclinada, representando perde a energia da camada superficial para a atmosfera mais rapidamente, revertendo a direção de . As curvas histeréticas entre  e  mostram uma defasagem entre o pico de  e de . , para as condições de CP e CD apresenta o pico máximo pela tarde aproximadamente às 13h, horário local, para CC o pico máximo ocorre às 12h, horário local.

O fenômeno da histerese é observado principalmente entre  e , uma vez que o loop de histerese possui uma forma circular mais aberta. Para temperaturas mais profundas do solo, o fenômeno é mais evidente nos casos de CS e CP. Nos outros casos, esta forma não é observada. A relação de  com a umidade do solo () não apresentou comportamento de histerese (dados não mostrados), uma vez que  não depende do comportamento diário, mas do ciclo de precipitação.

 

 

4 Conclusão

A influência do índice de claridade da atmosfera e umidade do solo nas variáveis e propriedades térmicas do solo foi investigada para uma área experimental localizada na região do bioma Pampa. As propriedades térmicas do solo foram estimadas através de uma metodologia híbrida, baseada em dados experimentais e métodos analíticos (método da amplitude e método da mudança de fase). Os resultados das propriedades térmicas do solo foram semelhantes nos dois métodos. Os valores médios das propriedades térmicas do solo estimadas foram próximos aos encontrados na literatura. Em geral, os valores de difusividade térmica do solo são menores no solo úmido, enquanto que para a condutividade térmica do solo são maiores, independentemente da classificação do índice de claridade. Os loops de histerese entre  e as variáveis ambientais e do solo foram analisadas em um ciclo diário médio. O índice de claridade da atmosfera influenciou a forma do ciclo de histerese, enquanto o solo seco e úmido não influencia nesse comportamento. O  apresenta melhor relação com  e  que com  e . Os resultados aqui apresentados têm importância na análise do fenômeno de transporte de energia para o subsolo e as curvas caraterísticas entre  e as variáveis analisadas podem ser utilizadas como base para análise de modelos que pretendem representar o comportamento das trocas de energia entre o solo-superfície-atmosfera.

 

 

Agradecimentos

Os autores agradecem aos auxílios recebidos pelas agências de fomento brasileira (CAPESCódigo 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.

 

 

Referências

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CARSLAW, HORATIO SCOTT AND JAEGER, J. C. Conduction of heat in solids. 2d ed. ed. [s.l.] Oxford: Clarendon Press, 1959.

HEUSINKVELD, B. G. et al. Surface energy balance closure in an arid region: Role of soil heat flux. Agricultural and Forest Meteorology, v. 122, n. 1–2, p. 21–37, 2004.

HORTON, R.; WIERENGA, P. J.; NIELSEN, D. R. Evaluation of Methods for Determining the Apparent Thermal Diffusivity of Soil Near the Surface1. Soil Science Society of America Journal, v. 47, n. 1, p. 25, 1983.

KUYE, A.; JAGTAP, S. S. Analysis of solar radiation data for Port Harcourt, Nigeria. Solar Energy, v. 49, n. 2, p. 139–145, 1992.

MARTHEWS, T. R.; MALHI, Y.; IWATA, H. Calculating downward longwave radiation under clear and cloudy conditions over a tropical lowland forest site: An evaluation of model schemes for hourly data. Theoretical and Applied Climatology, v. 107, n. 3–4, p. 461–477, 2012.

NIU, S.; LUO, Y.; FEI, S.; MONTAGNANI, L.; BOHRER, G.; JANSSENS, I. A.; GIELEN, B.; RAMBAL, S.; MOORS, E.; MATTEUCCI, G. Seasonal hysteresis of net ecosystem exchange in response to temperature change: patterns and causes. Global Change Biology, Wiley Online Library, v. 17, n. 10, p. 3102–3114, 2011.

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PREVEDELLO, C. L. Física do solo com problemas resolvidos-2Ed. [S.l.: s.n.], 2015.

RUBERT, G. C. et al. Evapotranspiration of the Brazilian Pampa biome: Seasonality and influential factors. Water (Switzerland), v. 10, n. 12, p. 1–18, 2018.

WANG, L.; GAO, Z.; HORTON, R. Comparison of six algorithms to determine the soil apparent thermal diffusivity at a site in the loess plateau of China. Soil Science, v. 175, n. 2, p. 51–60, 2010.

ZHENG, H. et al. Hysteresis responses of evapotranspiration to meteorological factors at a diel timescale: Patterns and causes. PLoS ONE, v. 9, n. 6, p. 1–10, 2014.

ZUECCO, G. et al. A versatile index to characterize hysteresis between hydrological variables at the runoff event timescale. Hydrological Processes, v. 30, n. 9, p. 1449–1466, 2016.



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