Estudo sobre o albedo em diferentes tipos de superfície

Andyara Oliveira Callegare

E-mail: andy.callegare@gmail.com

Carla Rosa Lopes E-mail: carlinha_mdp@hotmail.com

Luana Jucélia de Souza

E-mail: luana_pdc@hotmail.com

Mayara Carvalho Brizolla E-mail: mayarabrizolla@yahoo.com.br

Vanessa Honorata

E-mail: vhonorata_galega@hotmail.com

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Av.Mauro Ramos, 950, Centro - Florianópolis

Resumo: Como proposta este artigo científico visa compreender a Radiação Solar e sua importância para a Meteorologia. Mediante estudo pôde-se compreender como funciona o Balanço de radiação. Neste balanço, além de existir a energia incidente, há também a absorvida e há aquela que se perde para a atmosfera. A parte que é refletida pelos corpos é denominada albedo. Neste trabalho desenvolveu-se uma pesquisa com o fim de analisar diferentes superfícies. Com a coleta de dados obtiveram-se diferentes resultados com relação às áreas analisadas. O estudo foi realizado coletando medidas de albedo no IFSC e na Costeira do Pirajubaé num período de cinco dias, com dias de sol e dias nublados. O resultado obtido foi à diferença entre os locais, na grama, brita e concreto o valor encontrado foi de 0,26 no IFSC e 0,18 no asfalto e com pouca variação no dia de chuva.

Palavras chaves: Radiação Solar, Balanço de Radiação, Albedo, Piranômetro.

Abstract: As a proposal this article aims to understand the Solar Radiation and its importance to the Meteorology. With this study it could be understood how the Energy Balance works. In this balance, in addition to incident energy, there is lost in the atmosphere. That is reflected by “bodys” is called albedo. In this work, it was developed a research with the objective of analyzing different surfaces. With the collected data it was obtained different results in relation to analysed areas. The study was done collecting albedo measures at IFSC and in the Costeira do Piajubaé in 5 sunny and cloudy days. The results were differences among places, grass, gravel and concrete. The values that is found was 0,26 at IFSC and 0,18 in asphalt, and a little variation in rainy days.

Key Words: Solar radiation, Energy Balance, Albedo, Pyranometer.

1 Introdução

Além de ser a estrela mais próxima da Terra, o Sol fornece 99,97% da energia consumida pelo sistema Terra-atmosfera, sendo inquestionável a sua importância para o equilíbrio necessário para a criação e à manutenção da vida. O estudo do albedo mostra a frágil relação existente entre o balanço de energia quando um ambiente sofre alteração num processo de urbanização, assim “absorvendo” mais energia e aumentando a temperatura do local.

A Lei de Stefan-Boltzaman prova que o fluxo de radiação de um corpo negro é diretamente proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta, descrita pela equação (1):

4TS

S é a intensidade total da radiação emitida em w m-2

a constante de Boltzmann equivalente 5,67 x 10-8 w m-2 K-4

T é a temperatura absoluta Fo corpo em Kelvin

2 Fundamentação Teórica

2.1 O Sol

Como qualquer outra estrela, o Sol é esfera de gases incandescentes composto em sua maioria por Hidrogênio e Helio, que irradia energia gerada em seu núcleo através de reação de fusão nuclear. A fusão nuclear é quando se unem prótons e nêutrons de outros átomos e se forma um novo núcleo atômico de peso superior àqueles anteriores. Nesse processo uma pequena parcela de massa é perdida e convertida em uma enorme quantidade de energia que é liberada; o Sol funde quatro átomos de Hidrogênio para formar um de Hélio. Para existir a fusão nuclear é necessário que a força de repulsão elétrica entre os átomos seja inferior a de atração da nuclear forte, para que isso aconteça é necessário altas temperaturas, em torno de 14.000.000 °C, denominando, assim, a fusão nuclear também de reação termonuclear.

A Lei de Wien prova que o comprimento de onda de máxima intensidade de emissão de um corpo negro é inversamente proporcional a temperatura absoluta do corpo, descrita pela equação (2):

(2)

Em que:

é o comprimento de onda que

gera o pico em metros,

é a temperatura do corpo negro

em kelvin (k), e

é a constante de proporcionalidade,

chamada constante de dispersão de

Wien, em kelvin-metros.

Considerando a temperatura absoluta do sol como um corpo negro a 6.000°C, o máximo de sua emissão é emitido em 0,5µ, ou seja, entre as cores verdes e azuis.

2.2 Leis da Radiação

A lei de Planck define que para a radiação de um corpo negro é possível exprimir a radiância espectral em função do comprimento de onda e da temperatura do corpo negro mediante a equação 3.

(3)

Em que: é a radiancia espectral em J•s-1•m-

2•sr-1•Hz-1

é a frequência em hertz é a temperatura do corpo negro

em kelvin é a constante de Planck em

joule/hertz é a velocidade da luz em

metros/segundo é o número de Euler é a constante de Boltzamann

2.3 Radiação Solar

Radiação solar é a energia liberada durante o processo de fusão nuclear no sol, é transportada através de ondas eletromagnéticas em todas as direções, podendo ser observada em vários comprimentos de ondas ou faixas espectrais, que são: ondas de radio (>10 cm), microondas (10- 0,01cm), infravermelho (0.01 - 7 x 10-5 cm), luz visível (7 x 10-5 - 4 x 10-5 cm), raios ultravioleta (4 x 10-5 - 10-7 cm ), raios x (10-7 - 10-9 cm), na figura 1 pode-se perceber a relação entre o comprimento de onda e a freqüência das faixas espectrais. O Sol emite a maior parte de sua energia na faixa do visível.

Fonte:http://www.ibb.unesp.br/nadi/Museu1_interacao/Museu1_interacao_interdependencia/Imagens/espectro_solar.jpgl. Acesso em 20 de outubro de 2010. FIGURA 1: Espectro eletromagnético

Quando essa radiação atinge a atmosfera algumas faixas espectrais não conseguem penetrá-la e o que entra pode ainda sofrer desvios ou ser absorvida (figura 2). A Atmosfera é praticamente transparente na faixa do visível, porém outros efeitos impedem que a radiação chegue diretamente até a superfície, podendo ser espalhada ou absorvida. O espalhamento ocorre devido aos gases e aerossóis que dispersam a radiação em todas as direções, enquanto a absorção converte a radiação em calor devido à ação de alguns gases, absorvendo fortemente o ultravioleta e em alguns comprimentos específicos do infravermelho.

Fonte:

http://www.cresesb.cepel.br/tutorial/images/tutorial_solar/Image71.gif acesso em 19 de outubro de 2010. FIGURA 2: Radiação no topo da atmosfera e no nível do mar.

O total de radiação que atinge o solo, ou seja, a radiação global, é a soma de toda a radiação direta, aquela que atingiu o solo sem sofrer desvios, com a radiação difusa, aquela que foi desviada de seu caminho original e atingiu o solo.

A quantidade de energia média de radiação solar que atinge o topo da atmosfera por unidade de tempo e por unidade de área é a chamada constante solar cujo valor médio é 1367W/m² considerando a distancia média entre a Terra e o Sol de 150 milhões de quilômetros e que os raios solares estejam chegando perpendiculares. Essa quantidade varia diariamente conforme a latitude, no equador os raios chegam paralelos e, portanto, nessa região se obtém o valor máximo de energia por metro quadrado. Quanto mais inclinados, esses raios estiverem incidindo nos pólos, menor será energia por área, conforme mostra a figura 3. As estações do ano também fazem variar a quantidade de energia que chega devido a inclinação em 23,45° da Terra em relação a orbita ao redor do sol conforme mostra a figura 4, sendo em Janeiro mais intensa no hemisfério sul, figura 5, e em Julho no hemisfério norte. A orbita descrita pela Terra ao redor do sol é uma elipse, com o Sol em um dos focos, portanto a Terra fica mais próxima do Sol em Janeiro, afetando também os valores de energia que chega.

Fonte: http://www.tempoagora.com.br/images/m_climaticas/mc_osol_05.gif acesso em 19 de outubro de 2010. FIGURA 3: Movimento da Terra ao redor do Sol.

Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/tempo/verao1.jpg acesso em 19 de outubro de 2010. FIGURA 4: Incidência de raios solares no verão do hemisfério sul.

Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/estacoes/e2.jpg acesso em 19 de outubro de 2010. FIGURA 5: Incidência dos raios solares em superfícies inclinadas

O balanço de radiação se refere a toda energia proveniente do sol que chega à superfície do planeta e interage com o mesmo. Calcula-se este pela diferença entre a energia proveniente do sol que é absorvida pela Terra e a emitida por um dado corpo ou superfície. De acordo com j.O Ayoade (1986), o Balanço de radiação de dia é positivo ( a energia é mais absorvida do que perdida para a atmosfera) e negativo à noite ( não há fonte de energia, portanto, se perde facilmente a energia adquirida). Portanto o balanço de radiação é positivo é entre as latitudes de 30° N e 40°N e, negativo no restante.

2.4 Albedo

Segundo Ferreira (2006), quando a radiação solar bate em uma superfície opaca, como uma rocha sólida, parte dela é refletida e outra absorvida. O albedo de uma superfície, que é a relação da energia refletida sobre a incidente, expressa a fração de radiação visível refletida pela superfície, ou seja, a capacidade das superfícies refletirem a radiação incidente sobre elas. Podem-se citar exemplos de superfícies que possuem um albedo muito alto, por exemplo: areia, neve e nuvens espessas e com grande desenvolvimento vertical (cumulus). Já em superfícies escuras como em asfaltos e florestas, sua absortância é maior que sua refletância, por isso o albedo é menor. Portanto o albedo varia conforme as propriedades físicas existente em várias superfícies do planeta.

2.5 Piranômetro

Esse equipamento (figura 6) mede a radiação de onda curta, ou seja, a radiação global (direta mais a difusa). Cuja unidade é expressa em W/m2. O Piranômetro consiste de uma série de termopares interligados, um encapsulamento, uma cúpula e um cabo.

Esses termopares são cobertos por uma camada absorvente preta. Esta camada absorve a radiação e converte em calor.

A energia resultante que flui é convertida em corrente que circula pelos termopares. O termopar está em paralelo com uma resistência, para se gerar uma tensão de saída. Para medir a radiação difusa um anteparo está acoplado ao sensor, a fim de evitar que a radiação direta atinja o elemento sensível do instrumento. As ondas curtas vindas do Sol incidem no sensor que registra o fluxo de energia obtido naquele determinado momento. O sensor utilizado nas pesquisas sobre o albedo possui um detector fotovoltaico de silício, cuja sua resposta espectral está ente 400 à 1100nm. A principal restrição deste instrumento é que o mesmo não mede a radiação infravermelha e ultravioleta próximos, apenas a parte do espectro visível (mede na faixa de espectro de luz entre 300 a 1100nm).

Fonte: Manual FIGURA 6: Modelo do Piranômetro de Silício.

Devem-se verificar alguns erros diretamente ligados ao sensor. Entre esses diversos erros, se destaca o de cosseno em que a correção é inexata no ângulo de inclinação do sol. No caso do modelo do Piranômetro Cs300, já há essa correção. O cosseno de resposta tem três variáveis que são elas: ± 4% em ângulo de 75 ° ± zênite 1% a 45 ° ângulo zenital. Esse instrumento mede na faixa de espectro de luz entre 300 a 1100nm.

Esse instrumento não mede diretamento o albedo, mas a energia incidênte na superfície (existe um instrumento próprio para as medições, chamado de Albedômetro).

3 Metodologia

Realizou-se uma pesquisa sobre o albedo de diferentes superfícies e em diversas condições de tempo, sol e chuva. Para se obter sucesso nas medições, foi necessário dois piranômetros acoplados, cada um com a face voltada para direções opostas; um deles perpendicularmente para cima para medir o fluxo de energia incidente; e outro para baixo para medir o fluxo de energia refletida pela superfície. A altura estipulada para fixar o instrumento foi de dois metros, assim estabelecendo um padrão para todas as superfícies medidas. Para registrar os dados, foi utilizado um datalogger CR800, o qual media o valor de radiação a cada um segundo e armazenava os valores médios a cada um minuto.

Inicialmente foi analisada a grama, no Instituto Federal de Santa

Catarina, as medições foram realizadas ininterruptamente por 10 dias, do dia 14 ao dia 26 de setembro. Enquanto a analise do asfalto foi realizado na Via Expressa Sul no bairro da Costeira do Pirajubaé, no período da manhã entre os horários das 10:30 às 11:30 no dia 30 de setembro.

Para a estimativa da radiação em dias sem nuvens foi feita uma media dos dias 17 e 18 de setembro, ambos sem nuvens na maior parte do dia. Para a estimativa da radiação em dias com chuva foi feita uma media dos dias 20 e 21 de setembro, ambos com tempo nublado na maior parte do dia e chuva no decorrer e solo molhado durante a maior parte do experimento.

Para o calculo do albedo na grama foi feita uma media dos valores obtidos entre as 10:30 até as 11:30 dos dias 17 e 18 de setembro para sem nuvens e dos dias 20 e 21 de setembro para os dias com chuva. No asfalto foi feita a media entre esse mesmo horário do dia 30 de setembro e somente pode-se ser analisado em dias em nuvens.

Calculou-se também a radiação teórica incidente e refletida para o dia 21 de setembro.

Como o Piranômetro não mede diretamente o Albedo foi utilizada a relação entre a radiação incidente e a radiação refletida para seu cálculo:

A = Rr/Ri

A: albedo Rr: Radiação refletida Ri: Radiação incidente

Para isso, foi utilizado um datalogger CR1000 para

armazenamento e processamento desses dados.

4 Resultados

O resultado obtidos mediante a relação entre a radiação incidente a refletida é o albedo da determinada superfície. O primeiro solo analisando foi à grama, onde os sensores ficaram instalados na estação meteorológica automática do IFSC para coleta de dados. A figura 7 apresenta o resultado da estimativa da radiação recebida em dias sem nuvens e com chuva para a superfície da grama.

FIGURA 7: Radiação recebida e refletida na grama em dias com chuva e em dias sem nuvens.

A figura 8 apresenta o albedo calculado para os dias sem nuvens e com chuva para a superfície da grama.

FIGURA 8: Albedo da grama em dias com chuva e em dias sem nuvens.

Calculou-se a radiação teórica recebida no topo da atmosfera no dia 21 de Setembro de 2010 e a media da radiação recebida na grama durante os dias sem chuva, ou seja, dia 18 e 19 de Setembro de 2010 conforme na figura 9. Sendo notada que a radiação real será sempre inferior à da teórica, pois esta é estimada para os valores recebidos no topo da atmosfera.

FIGURA 9: Radiação teórica recebida x Radiação recebida na grama em dia sem nuvens.

No asfalto necessitou-se de um suporte para fixar os sensores à altura de dois metros para coleta de dados juntamente com datalogger na versão CR800 para armazenamento dos mesmos. A coleta foi realizada durante 1 hora no dia 30 de Setembro de 2010 sob a condição de tempo sem nuvens. A figura 10 mostra a comparação do resultado dos albedos calculados para a superfície da grama em dias sem nuvens e com chuva e para a superfície do asfalto em dia sem nuvens.

FIGURA 10: Comparação dos albedos em diferentes tipos de solo em dias com chuva e em dias sem nuvens.

A tabela 1 mostra os valores calculados para o albedo entre as 10:30 e 11:30 em dias sem nuvens, para a estimativa do mesmo em solo seco, e dos dias com chuva, para estimativa de solo molhado, na superfície da grama, enquanto o calculo para o asfalto somente pode ser estimado para solo seco. O albedo calculado para a superfície da grama em dias sem nuvens foi à média estimada entre os dias 17 e 18 de Setembro de 2010, enquanto as dos dias com chuva foi uma media estimada entre os dias, e o albedo do asfalto foi no dia 20 e 21 de Setembro de 2010, sem nuvens.

TABELA1: Valor do albedo em diferentes tipos de solo em dias com chuva e em dias sem nuvens

5 Conclusão

Com base na pesquisa, pôde-se concluir que para alguns ramos de

estudo da ciência, como por exemplo, a Agricultura, Geografia e a Meteorologia, o estudo da radiação solar e o balanço da mesma é importante devido à radiação ser a principal fonte de energia e manutenção da vida terrestre. Para a Agricultura, por exemplo, o estudo é fundamental para saber qual o período melhor para o plantio e para a colheita. Já para Geografia, é importante saber como se comporta o clima do planeta devido, a sua inclinação no plano da elíptica. Na Meteorologia, a radiação está diretamente relacionada com a temperatura do ar, do oceano, do solo e, assim, na determinação do albedo de cada superfície. Neste trabalho, o foco principal foi a determinação do albedo. Ao realizar a coleta de dados no intervalo de tempo de um e um segundo, notou-se que o albedo não varia nas mesmas condições de tempo, porém só nas mudanças de superfície para casa solo. Portanto, o valor do albedo observado é diferente, e assim o resultado analisado é que as áreas claras refletem muito mais do que as escuras.

6 Referências

FERREIRA, Artur Gonçalves. METEOROLOGIA PRÁTICA. Oficina de texto. São Paulo, 2006.

Coulson,Kinsell L.. Solar and Terrestrial Radiation, Academic Press, 1975.

VAREJÃO, A. M. Meteorologia e climatologia. Recife. Brasil, 2005.

VIANELLO, L. R. Meteorologia básica e aplicações. Universidade Federal de Viçosa, Impr. Univ, 1991.

MENDONÇA, Francisco; DANNI- OLIVEIRA, Inês Moresco.Climatologia. Noções básicas e climas no Brasil. São Paulo. Oficina de Textos, 2007.

Scielo proceedings An. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003. Disponível em: http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC0000000022000000100025&script=sci_arttext . Acesso em: 10/09/2010.

AYOADE, J.O., Iintrodução á Climatologia para os Trópicos. Ttradução de Maria Juraci Zani dos Santos; revisão de Suely Bastos; São Paulo, DIFEL, 1986

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Manual do sensor CS300 Pyranometer Campbell Scientific Companies.