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
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 identified better relations
between
and
temperature soil temperature at 0,05 m and air temperature. Hysteresis exhibit
the same behavior when data are classified 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 |
||
|
|
|
|
|
|
|
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.
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