BALANÇO DE RADIAÇÃO EM UMA FLORESTA EM FUNÇÃO DA DECLIVIDADE E ORIENTAÇÃO DAS ENCOSTAS José Eduardo Macedo Pezzopane Departamento de Engenharia Rural – UFES Campus Universitário, Alegre-ES, 29500-000 e-mail:
[email protected] Aristides Ribeiro Departamento de Engenharia Agrícola – UFV Campus Universitário, Viçosa-MG – 36571-000 e-mail:
[email protected] Geraldo Gonçalves dos Reis Departamento de Engenharia Florestal – UFV Campus Universitário, Viçosa-MG – 36571-000 e-mail:
[email protected] Maria das Graças Ferreira Reis Departamento de Engenharia Florestal – UFV Campus Universitário, Viçosa-MG – 36571-000 e-mail:
[email protected]
ABSTRACT The influence of the relief on the radiation balance in a secondary natural forest , at the Mata do Paraiso Experimental Forest Station, in Viçosa-MG, Brazil, was investigated. The net radiation between the original topography and the same area considered plane was compared for summer and winter clear-days. Although significant variation between pixels was observed, the global radiation for the study area decreased only 5.6% in winter days, when this was considered smooth, and 3.0% for summer days. In spite of a significant spatial fluctuation in the solar radiance between ramps, especially for winter days, the average values, which represent the whole test area, were similar to the values obtained when a completely plane area was considered. The existence of ramps in the forest with different orientations have produced a compensatory effect which may explain these results. INTRODUÇÃO Os estudos do balanço de radiação consideram, quase sempre, a condição de superfície plana no tratamento da incidência dos raios solares. Entretanto, a inclinação da superfície tem uma influência significativa na contabilização do saldo de radiação que, por sua vez, determina a energia disponível para processos como evapotranspiração, aquecimento e resfriamento do ar e solo e a fotossíntese. Em terreno não plano, a irradiância solar varia em função do grau de inclinação e orientação do terreno em relação à passagem solar, principalmente no caso de maiores latitudes. Assim, este trabalho teve como objetivo verificar a influência da condição de relevo no balanço de radiação na Estação Experimental Mata do Paraíso, em Viçosa-MG, através de comparações entre os balanços de radiação solar de ondas curtas, considerando a área de estudo plana, e levando em consideração a inclinação e orientação naturais das encostas. MATERIAL E MÉTODOS O presente estudo foi desenvolvido com base nas características topográficas da Estação Experimental Mata do Paraíso, pertencente ao Departamento de Engenharia Florestal da Universidade Federal de Viçosa, localizada no Município de Viçosa, MG (latitude = 20o 45’ sul, longitude = 42o 55’ oeste e altitude média = 690 m). De acordo com a classificação de Koppën, o clima da região é classificado como Cwb, apresentando chuva mal distribuída ao longo do ano, com verão chuvoso e inverno seco.
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O mapa de altitude foi elaborado sobre uma carta-base planialtimétrica na escala 1:10.000, publicada por CASTRO (1980). Sobre o mapa foi sobreposta uma grade, cujas quadrículas representaram 50 x 50 m. Cada quadrícula recebeu um valor de altitude determinado através da interpolação das isolinhas da carta planialtimétrica. Utilizando um Sistema de Informação Geográfica (SIG), foi gerado um mapa digital de altitude da área de estudo. Ainda, através de ferramentas do SIG, foram elaborados os mapas de inclinação e azimute das encostas, considerando cada célula como uma rampa. Os mapas com a inclinação e orientação de cada rampa foram exportados para uma planilha eletrônica de cálculo para a aplicação de modelos, com o objetivo de determinar o balanço de radiação na área de estudo. No cálculo do balanço de radiação foram utilizados dados meteorológicos medidos em Viçosa nos dias 17 de fevereiro e 11 de junho de 1994. Os modelos utilizados estão de acordo com ALVES et al. (1983), IQBAL (1983) e VIANELLO e ALVES (1991). No presente trabalho o albedo adotado foi de 14%, considerado como representativo para florestas tropicais, de acordo com LEITÃO (1994). Na determinação da irradiância solar total incidente em uma superfície inclinada, foram utilizados totais horários de irradiação solar direta (I) e difusa (D) que, após os cálculos para cada uma das rampa, foram somados fornecendo, assim, o saldo diário total de energia em ondas curtas. A irradiância solar horária incidente em uma superfície inclinada (Fg) foi calculada da seguinte maneira: Fg = In . cos θ + D sendo, In = I / cos z cos z = sen φ. sen δ + cos φ . cos δ. cos h δ = 23,45 . sen [360/365 (284+n)] cos θ = A cos h + B sen h + C A = cos φ . cos δ . cos i + sen i . cos α . cos δ . sen φ B = sen i . cos δ . sen α C = sen φ . sen δ . cos i – sen i . cos α . sen δ . cos φ nas quais, In = Irradiância solar direta em uma superfície normal aos raios solares; z = ângulo zenital, definido como o complemento da elevação do sol, variando entre 0o a ± 90o; h = ângulo horário, definido como o ângulo entre o plano meridiano local e o plano meridiano celeste que contém o sol. Esse ângulo apresenta uma variação de 15o por hora, sendo igual a zero ao meio-dia solar, assumindo valores negativos no período da manhã e positivo no período da tarde; φ = latitude local, variando de 0o a ± 90o, positiva no Hemisfério Norte e negativa no Hemisfério Sul; δ = declinação do sol, variando de 0o a ± 23o27’, positiva quando o Sol culmina no Hemisfério Norte e negativa quando culmina no Hemisfério Sul; n = número do dia do ano, variando de 1 a 365 para o período de 01 janeiro a 31 de dezembro ; i = ângulo de inclinação da superfície, variando de 0o a ± 90o; α = azimute da superfície inclinada, tomada em relação ao Sul, variando de 0o a ± 180o, positivo a oeste e negativo a leste. O balanço de ondas curtas (BOC) foi calculado da seguinte maneira: BOC = Rg (1 – a) sendo, Rg = radiação solar global em uma superfície horizontal (substituído por Fg no caso de uma superfície inclinada); a = albedo da superfície. O balanço de ondas longas (BOL) foi calculado de acordo com modelo de Brunt, ou seja: BOL = 4,8989 . 10-9 . T4 (0,09 e1/2 – 0,56) . (0,1 + 0,9 ins/N) 208
sendo, BOL = balanço de ondas longas (MJ.m-2.dia); T = temperatura média do ar (K); e = pressão média de vapor d’água (mmHg) ins/N = razão de insolação; Finalmente o saldo de radiação (Rn), ou balanço de radiação, foi calculado utilizando-se os valores de BOC e BOL, da seguinte maneira: Rn = BOC + BOL RESULTADOS E DISCUSSÃO A área total da Estação Experimental Mata do Paraíso, de acordo com o resultado da digitalização da carta planialtimétrica original, é 200 ha. Entretanto, durante a execução do modelo para a determinação da inclinação das rampas houve uma influência da bordadura, uma vez que não existiam dados disponíveis de altitude das áreas vizinhas. Sendo assim, foram eliminadas as células que sofreram tal influência e a área para a realização do presente estudo limitou-se a 171 ha. A Figura 1 ilustra o comportamento espacial da altitude dentro da área experimental, sendo o maior valor, 880 m e o menor, 710 m. É possível perceber a presença de um vale que corta praticamente toda a extensão da área de estudo no sentido Sudeste-Noroeste, resultando em presença acentuada de encostas com orientação para o Sudoeste e para o Nordeste. A divisão em classes de inclinação de rampa mostra a ocorrência de 26 % da área total com rampas pouco inclinadas (até 10o), principalmente na região do vale, além da presença dominante de rampas com inclinação entre 10 e 20o (52 %) e, 22% de rampas, com inclinação acima de 20o. A divisão em classes de orientação dessas rampas mostra que 43, 22, 19 e 16 % são voltadas para as direções Sudoeste, Nordeste, Noroeste e Sudeste, respectivamente.
Norte
Figura 1 – Representação da área da Estação Experimental Mata do Paraíso, Viçosa-MG.
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A determinação da inclinação e orientação de cada pixel da área de estudo e a medição da irradiância solar horária (I e D, respectivamente) incidente em uma superfície plana, possibilitaram o cálculo da radiação solar em todas as encostas da Estação Experimental, representada por 685 pixels. No cálculo, foram utilizados os dados de irradiância solar direta desde o nascer-do-sol para uma superfície plana. Entretanto, os dados só foram considerados no somatório de energia incidente na rampa após o “nascer-do-sol” na rampa, ou seja, quando cos θ > 0. O mesmo procedimento foi adotado para o “pôr-do-sol”. No caso da radiação difusa, os valores foram sempre contabilizados devido ao seu aspecto multi-direcional. Nos dois dias escolhidos para o estudo não ocorreu a presença de nuvens, o que resultou em altos valores de radiação solar direta e baixos no caso da radiação difusa na superfície horizontal. No dia 11 de junho de 1994, a irradiância solar global medida pelo piranômetro (superfície horizontal) foi igual a 16,0 MJ.m-2.dia-1, sendo 14,37 MJ.m-2.dia-1 contribuição da irradiância solar direta. A média observada entre todas as rampas estudadas (685) foi 15,1 MJ.m-2.dia-1, ou seja, apenas 5,6 % menor em relação a superfície horizontal. Entretanto, a figura 2 mostra que existe uma grande flutuação espacial dos valores de radiação solar na área de estudo. Alguns valores extraídos da planilha (Quadro 1) mostram que encostas voltadas para o Norte receberam valores elevados de radiação solar em relação à superfície horizontal e, principalmente, em relação às encostas voltadas para o Sul. Isto é explicado pelo movimento aparente do sol que, nesta época do ano, é mais voltado para a direção Norte. Portanto, pode-se dizer que apesar de uma flutuação espacial significativa da irradiância solar entre as rampas, o comportamento médio (representando toda a área de estudo) foi semelhante ao observado quando se considerou toda a área completamente plana, provavelmente pelo fato de existir inúmeras situações de orientações e inclinações de rampas o que causaria um efeito compensativo entre elas.
Quadro 1. Valores de radiação solar extraídos da Figura 2, e seus respectivos valores de inclinação (i) e azimute (α) da rampa. linha coluna Radiação solar diária (MJ.m-2.dia-1) i (graus) α (graus) 16,0 28 18 21,0 22 -179 (Norte) 17 14 9,2 23 21 (Sudoeste)
Os mesmo cálculos realizados com dados medidos no dia 17 de fevereiro de 1994, indicaram que a radiação solar média nas rampas foi 26,3 MJ.m-2.dia-1 em comparação a 27,2 MJ.m-2.dia-1 na superfície horizontal, resultando em uma diferença de apenas 3%, ou seja, um resultado semelhante ao observado em dia de inverno. A diferença, neste caso, é que não houve flutuação espacial marcante, como no dia de inverno, como mostra a Figura 3. Este fato é justamente devido ao movimento aparente do sol mais vertical, neste dia. Assumindo um albedo de 14%, o balanço de ondas curtas no dia de inverno (11 de junho de 1994) foi de 13,76 MJ.m-2.dia-1, considerando a área de estudo completamente plana e, de 12,97 MJ.m-2.dia-1, considerando as condições reais de relevo do terreno. Como o balanço de ondas longas foi -7,53 MJ.m-2.dia-1, os balanços de radiação (Rn) foram, respectivamente, 6,23 e 5,49 MJ.m-2.dia-1, para a superfície horizontal e para a média das rampas, o que gerou em uma diferença de aproximadamente 12%. Esta diferença pode ocorrer em razão do maior percentual de encostas Sudeste e Sudoeste (59%) em relação a encostas Noroeste e Nordeste (41%). Para o dia 17 de fevereiro de 1994 os valores de BOC (23,39 contra 22,62 MJ.m-2.dia-1 ) e Rn (17,02 contra 16,25 MJ.m-2.dia-1) também foram menores quando foi considerada a condição real de relevo, entretanto as diferença diminuiu para aproximadamente 5%. A proposta de consideração das condições topográficas da superfície (declividade e orientação) no cálculo do balanço de radiação visa um tratamento mais próximo da realidade de campo. O cálculo individual de irradiância solar global, para cada encosta da área de estudo, mostrou que, no inverno, a disponibilidade energética pode ser bem diferente daquela quando se considera a superfície completamente plana. Entretanto, visando maior precisão na estimativa dos componentes do balanço de radiação em rampas, outros aspectos deveriam ser observados. A disponibilidade energética em uma encosta pode não ser apenas resultado de sua geometria, podendo existir uma contribuição da radiação refletida por outras encostas. Neste mesmo sentido, outro ponto importante é o de que o sombreamento provocado por área mais com maior altitude altera significativamente o balanço de radiação nas áreas com menor altitude. Um outro aspecto a ser estudado deve ser o comportamento do albedo. Este foi considerado de mesma magnitude, entretanto, existe uma variação de albedo ao longo do ano na floresta, devido ao movimento aparente do sol e, também, devido as mudanças nas características espectrais da superfície, por tratar-se de uma floresta semidecidual. Além disso, a própria declividade e orientação da encosta produzem em diferentes valores de albedo 210
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42 43 44 45
Figura 2 – Planilha com valores de radiação solar global (MJ/m-2.dia-1) em cada rampa na Estação Experimental Mata do Paraíso, Viçosa,MG, no dia 11 de julho de 1994 (a primeira coluna e a primeira linha, indicam respectivamente a localização das linhas e colunas). 211
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26,9
27,0
27,1
27,1
27,0
26,9
26,8
42 43 44 45
26,1
Figura 3 – Planilha com valores de radiação solar global (MJ/m-2.dia-1) em cada rampa na Estação Experimental Mata do Paraíso, Viçosa,MG, no dia 17 de janeiro de 1994 (a primeira coluna e a primeira linha, indicam respectivamente a localização das linhas e colunas). 212
em relação a superfícies planas. Uma rápida revisão de literatura mostra a existência de vários modelos que procuram estimar a radiação solar em rampas, principalmente em maiores altitudes onde, devido ao movimento aparente sol, é grande a diferença no balanço de radiação provocada pela inclinação da rampa (SHARP, 1982; SKARTVEIT e OLSETH, 1986, ROWLAND e MOORE, 1992). Como foi mostrado anteriormente, mais da metade das encostas da Estação Experimental apresenta uma inclinação entre 10 e 20º . Assim, calculou-se a radiação solar global em rampas com esta inclinação em quatro orientações (Norte, Sul, Leste e Oeste), para os dias 11 de junho e 17 de fevereiro de 1994. O resultado mostra que no verão, as diferenças entre as rampas não são marcantes, mas, no inverno, o comportamento é bem diferenciado em função da orientação da encosta. Nos horários de maior incidência de radiação solar a encosta norte recebeu uma quantidade bem maior de energia que as demais encostas, principalmente quando comparada com a encosta Sul. Como era de se esperar, a encosta Leste recebeu mais energia pela manhã em comparação com a encosta voltada para o Oeste, e, pela tarde, a situação foi oposta. Num dia de verão, os totais de radiação solar incidente foram 25,9; 26,5; 25,5; 26,2 e 27,1 MJ.m-2.dia-1 para as encostas Sul, Norte, Leste, Oeste e para uma superfície plana, respectivamente. Por outro lado, num dia de inverno, os totais de radiação solar incidente foram 11,3; 19,7; 15,1; 16,1 e 16,0 MJ.m-2.dia-1 para as encostas Sul, Norte, Leste, Oeste e para uma superfície plana, respectivamente. De maneira geral, os resultados obtidos mostram a importância da consideração das condições de relevo no tratamento do balanço de radiação sobre a superfície do terreno. GEIGER (1960) ilustra, com diversos exemplos, uma influência marcante da inclinação e da exposição de encostas na produtividade, qualidade e tamanho do ciclo de culturas agrícolas. De acordo com ROSENBERG et al. (1983), devido a modificação do movimento aparente do sol ao longo do ano, a influência da exposição no microclima próximo ao solo é muito grande. Em estudo realizado por HANNAH (1968) ficou evidente que, no hemisfério norte, a maior insolação na encosta sul provoca uma maior evapotranspiração (consumo de água), acentuando a deficiência hídrica da vegetação. Logicamente, a ocorrência ou não de deficiência hídrica ocorre em função da maior ou menor disponibilidade de água no solo. Estudos visando entender o processo de regeneração natural em florestas secundárias devem levar em consideração que o balanço de radiação não depende exclusivamente das características de dossel, mas também do movimento aparente do sol. Deve-se considerar também a declividade da encostas, principalmente em maiores latitudes. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALVES, A.R., VIANELLO, R.L., SEDIYAMA, G.C. et al. Irradiância solar global sobre superfícies inclinadas, em Viçosa, Minas Gerais. Revista Experientiae, v. 27, p.195-210, 1981. GEIGER, R. Manual de microclimatologia: o clima da camada de ar junto ao solo. Lisboa, Fund. Calouste Gulbenkian, 1960. 556p. HANNAH, P.R. Estimating site index for white and black pine in Indiana from soil and topographical factors. Journal of Forestry, v. 66, p.412-417, 1968. IQBAL, M. An Introduction to solar radiation. Academic Press, 1983. 390p. LEITÃO, M.M.V.B.R. Balanço de radiação em três ecossistemas da floresta amazônica: campina, campinarana e mata densa. São José dos Campos, 1994. 135p. Dissertação (Doutorado), Instituto Nacional de Pesquisa Espaciais. ROSENBERG, N., BLAD, B.L., VERNA, S.B. Microclimate: the biological environment. 2a ed., New York, Wiley-Interscience Publication, 1983. 495p. ROWLAND, J.D., MOORE, R.D. Modelling solar irradiance on sloping surface under leafless deciduous forests. . Agric. For. Meteorol., v. 60, p.111-132, 1992. SHARP, K. Calculation of monthly average insolation on a shade surface at any tilt and azimuth. Solar Energy, v. 28, p.531-538, 1982. SKARTVEIT, A., OLSETH,J.A. Moldelling slope irradiance at high latitudes. Solar Energy, v.36, p.333-344, 1986. VIANELLO, R.L., ALVES, A.R. Meteorologia básica e aplicações. Viçosa, UFV, Impr. Univ., 1991. 449p.
213
