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Meteorologia Agrícola
Tipologia: Notas de estudo
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Compartilhado em 01/09/2010
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LCE 306 - Meteorologia Agrícola
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO À METEOROLOGIA AGRÍCOLA
Meteorologia é o ramo da ciência que se ocupa dos fenômenos físicos da atmosfera (meteoros). Seu campo de atuação abrange o estudo das condições atmosféricas em dado instante, ou seja, das condições do tempo. Tais condições resultam da movimentação atmosférica, que é originada pela variação espacial das forças atuantes na massa de ar. Portanto, a atmosfera é um sistema dinâmico, em contínua movimentação, embora se tenha, em algumas situações, a sensação de que o ar esteja "parado". Mas isso ocorre esporadicamente em alguns locais e apenas por alguns instantes, em virtude do equilíbrio dinâmico das forças atuantes naquele local. Um dos desafios da ciência é prever, com razoável antecedência, os resultados dessa movimentação e suas possíveis conseqüências. A isso, denomina-se Previsão do Tempo , e essa é a parte visível da meteorologia, e que ganha cada vez mais espaço na tomada de decisões operacionais, principalmente nas atividades agrícolas cotidianas. Outro aspecto importante dessa movimentação atmosférica é sua descrição estatística, em termos de valores médios seqüenciais. Desse modo, faz-se uma descrição do ritmo anual mais provável de ocorrência dos fenômenos atmosféricos. É essa seqüência média que define o clima de um local, e que determina quais atividades são ali possíveis. Essa caracterização média define a Climatologia. Isto significa que a Meteorologia trabalha com valores instantâneos enquanto a Climatologia utiliza valores médios (de longo período). Tendo como critério a influência das condições atmosféricas sobre as atividades humanas, a Meteorologia possui divisões especializadas com objetivos bem focados sendo uma delas a Meteorologia Agrícola (ou Agrometeorologia ), voltada para as condições atmosféricas e suas conseqüências no ambiente rural. Este texto tem por objetivo descrever tópicos meteorológicos e climatológicos e suas aplicações às atividades rurais. As condições climatológicas indicam o tipo de atividade agrícola mais viável de um local, e as condições meteorológicas determinam o nível de produtividade para aquela atividade, num certo período, além de interferir na tomada de decisão com relação às diversas práticas agrícolas.
Do ponto de vista termodinâmico, (meio) ambiente é tudo que envolve e interage com um sistema. No caso da agricultura, a atmosfera, o solo, e a água fazem parte do ambiente, enquanto que as plantas, os animais, e os microrganismos são os sistemas. Do ponto de vista ecológico , costuma-se separá-los em meio biótico (plantas, animais e microrganismos) e abiótico (atmosfera, solo e água). A água faz parte tanto do meio biótico como do abiótico, sendo encontrada natural e simultaneamente nas três fases físicas (sólida, líquida, gasosa). A presença ou ausência da água afeta profundamente o balanço de energia do sistema. Havendo água em abundância, cerca de três quartos da energia solar disponível serão utilizados no processo de mudança de fase líquida para gasosa ( calor latente de evaporação ) com conseqüente amenização da temperatura (calor sensível). O planeta Terra pode ser comparado a uma gigantesca fábrica que contêm toda a matéria prima necessária para sua produção, e a energia para os diversos processos é provida diariamente pelo Sol. A captação da energia solar é feita pelas plantas e algas que, pela fotossíntese, transformam-na em produtos necessários à manutenção da vida na presente forma. Evidentemente, dentro desta “fábrica” existem inúmeros departamentos, que são os grandes sistemas ecológicos naturais. Cada departamento é constituído por diversas seções , que são agrupamentos de indivíduos, nem sempre da mesma espécie. Em geral, quanto mais próximo do equador terrestre, maior o número de espécies presentes, isto é, maior a biodiversidade natural, em função do ambiente.
A agricultura é um sistema tecnológico artificial desenvolvido pelo homem com o objetivo de se obter alimento, fibra, e energia em quantidade suficiente para garantir sua subsistência por um certo período. As plantas foram gradativamente sendo domesticadas até permitir que extensas áreas fossem cobertas com indivíduos com mesma composição genética. Nessa condição, a interação com o ambiente depende do estádio de desenvolvimento das plantas visto que, num dado instante, todos os indivíduos daquela comunidade têm a mesma idade, com porte semelhante, e também com mesma suscetibilidade aos rigores impostos pelo meio. Quanto mais homogênea for a população de plantas, maior será sua suscetibilidade às condições ambientais. O ritmo da disponibilidade de energia e de água de uma região determina o seu potencial de produtividade agrícola. A energia radiante e a temperatura afetam o desenvolvimento e o crescimento dos vegetais, dos insetos e dos microrganismos. A produção de biomassa está diretamente relacionada à disponibilidade energética no meio, que condiciona a produtividade potencial de cada cultura. A estimativa da potencialidade produtiva das culturas em uma região é feita com modelos agroclimáticos , que também podem servir de subsídio para a previsão de safras. A duração das fases e do ciclo de desenvolvimento dos vegetais e dos insetos é condicionada pela temperatura , e pelo tempo que ela permanece dentro de limites específicos. Um índice bioclimático que tem sido usado para estudar essa relação é denominado de graus-dias , ou seja, quantos graus de temperatura ocorreram
durante um dia e que efetivamente contribuíram de maneira positiva com o metabolismo do organismo considerado_._ O efeito térmico é fundamental para a produção das frutíferas de clima temperado, que necessitam entrar em repouso durante o inverno, e para tal exigem certo número de horas de frio , para quebrar a dormência das gemas e retomarem o crescimento vegetativo e o desenvolvimento após o inverno. O fotoperíodo (número máximo possível de horas de brilho solar) é outro condicionante ambiental que exerce influência no desenvolvimento das plantas, pois algumas espécies só iniciam a fase reprodutiva quando da ocorrência de um certo valor de fotoperíodo por elas exigido. O ritmo anual desses elementos permite a escolha de melhores épocas de semeadura, visando ajustar o ciclo das culturas anuais às melhores condições locais de clima, minimizando-se riscos de adversidades meteorológicas, para que expressem sua potencialidade produtiva. O ciclo vital dos fitopatógenos é constituído por fases típicas, no caso de fungos, por exemplo: pré- penetração, penetração, pós-invasão, e liberação / dispersão de esporos. Com exceção da pós-invasão, as outras fases, por ocorrerem fora da planta, são totalmente dependentes das condições ambientais, pois temperatura e duração do molhamento da parte aérea das plantas, por orvalho ou chuva, são essenciais para a germinação dos esporos e sua penetração nos tecidos vegetais. O vento e a chuva atuam como agente de dispersão carregando esporos, além do vento causar lesões nas plantas, por atrito e agitação, e que favorecem a penetração de patógenos nos tecidos. Conhecendo-se os efeitos desses elementos condicionantes das infestações, pode-se inferir a existência de condições ambientais favoráveis ou não para ocorrência de pragas e de doenças, como base para seu controle e orientação quanto a esquemas de alerta fitossanitários eficientes, econômica e ambientalmente, de aplicação de defensivos agrícolas. A disponibilidade de água depende do balanço entre chuva e evapotranspiração , sendo esta última dependente das condições da superfície (tipo de cobertura, tipo de solo) e da demanda atmosférica (disponibilidade energética, umidade do ar, e velocidade do vento). A disponibilidade hídrica no solo pode ser quantificada pelo balanço hídrico climatológico , evidenciando as flutuações temporais de períodos com excedente e com deficiência , permitindo planejamento das atividades agrícolas, visando minimizar perdas. Também o teor de açúcares, a qualidade de bebida e de fibras, e o aspecto dos frutos são afetados pelas condições ambientais. As exigências hídricas das culturas e sua relação com as condições ambientais embasam o suporte ao planejamento e quantificação da irrigação. As condições meteorológicas representam fatores exógenos que afetam a fecundidade, o período de gestação e, portanto, a eficiência reprodutiva dos animais. Durante sua vida, o animal responde diretamente às condições físicas do ambiente, que podem lhe causar estresse físico por excesso ou deficiência de chuvas, por temperaturas elevadas ou baixas, por ventos fortes e constantes. As condições de conforto térmico afetam diretamente seu ganho de massa corporal (produção de carne), bem como de outros produtos (leite e ovos), além da sua qualidade (lã). Há também efeitos indiretos, causados pelo clima, sobre o crescimento das pastagens e surtos de doenças.
Das atividades econômicas, a agricultura é sem dúvida aquela com maior dependência das condições do tempo e do clima. As condições atmosféricas afetam todas as etapas das atividades agrícolas, desde o preparo do solo para semeadura até a colheita, o transporte, e o preparo e o armazenamento dos produtos. As conseqüências de situações meteorológicas adversas levam constantemente a graves impactos sociais, e a enormes prejuízos econômicos, muitas vezes difíceis de serem quantificados. Mesmo em países com tecnologia avançada e com organização social suficiente para diminuir esses impactos, os rigores meteorológicos muitas vezes causam enormes prejuízos econômicos. Como as condições adversas do tempo são freqüentes e muitas vezes imprevisíveis a médio e longo prazo, a agricultura constitui-se em atividade de grande risco. Exemplos são as ocorrências de secas prolongadas, os “veranicos” (períodos secos dentro de uma estação úmida), as geadas, e os períodos de chuva excessiva muitas vezes acompanhadas de granizo. Segundo Smith (1975), a “ Meteorologia Agrícola tem por objetivo colocar a ciência da Meteorologia à serviço da agricultura em todas suas formas e facetas, para melhorar o uso da terra, para ajudar a produzir o máximo de alimentos e a evitar o abuso irreversível dos recursos da terra”. Tendo essa descrição em mente, o objetivo do presente texto é fornecer conhecimentos necessários para se analisar e entender as relações entre o ambiente natural e as atividades agrícolas, visando maximizar a exploração econômica dos recursos, porém consciente da necessidade de preservação do ambiente para gerações futuras. Os conceitos aqui apresentados e discutidos são fundamentais para se atingir o desenvolvimento auto-sustentado ou eco-desenvolvimento , isto é, para se atingir equilíbrio entre aumento da produção e respeito aos ecossistemas (Martins, 1997).
Com a crescente tendência na tentativa de se minimizar os efeitos adversos da exploração agrícola sobre o ambiente, com os consumidores impondo restrições e especificando condições de produção de alimentos, o planejamento do uso da terra com base nos aspectos forçantes do clima procura fornecer elementos para
CAPÍTULO 2. DEFINIÇÕES E CONCEITOS
A atmosfera é uma massa em contínuo movimento e isto induz variações nas condições predominantes numa região. O estado da atmosfera pode ser descrito por variáveis que caracterizam sua condição energética. Para um local, essa descrição pode ser tanto em termos instantâneos, definindo sua condição atual, como em termos estatísticos, definindo uma condição média. Portanto, introduz-se uma escala temporal na descrição das condições atmosféricas. Denomina-se tempo à descrição instantânea, enquanto que a descrição média é denominada de clima. Logo, tempo é o estado da atmosfera num local e instante, sendo caracterizado pelas condições de temperatura, pressão, concentração de vapor, velocidade e direção do vento, precipitação; e clima é a descrição média , valor mais provável, das condições atmosféricas nesse mesmo local. Com a descrição climática sabe-se antecipadamente que condições de tempo são predominantes (mais prováveis) na região e, consequentemente, quais atividades agrícolas têm maior possibilidade de êxito. Clima é uma descrição estática que expressa as condições médias (geralmente, mais de 30 anos) da seqüência do tempo num local. O ritmo das variações sazonais de temperatura, chuva, umidade do ar, etc, caracteriza o clima de uma região. O período mínimo de 30 anos foi escolhido pela Organização Meteorológica Mundial (OMM) com base em princípios estatísticos de tendência do valor médio. Desse modo, inclui-se anos com desvios para mais e para menos em todos os elementos do clima. Ao valor médio de 30 anos chama-se Normal Climatológica. A Figura 2.1 mostra a variação anual da temperatura do ar próximo da superfície (≈ 1,5m acima do solo) e da chuva na região de Piracicaba, SP. É uma visualização do ritmo desses elementos climáticos ao longo do ano. Provavelmente, nunca ocorreu um ano igual ao normal , mas esta é a descrição da seqüência das condições mais prováveis na região. Portanto, em termos médios, a temperatura da região varia entre o mínimo de 10 °C, em Julho, e o máximo de 30 °C, em Fevereiro. Com respeito à chuva, o período primavera-verão (Out - Mar) contribui com 78% do total anual. O período menos chuvoso corresponde às estações mais frias. Portanto, o clima de Piracicaba - SP apresenta verão chuvoso e quente, e inverno mais ameno e seco.
0
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Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Temperatura do ar (
o^ C)
Temp. média Temp. máxima Temp. mínima
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Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Chuva (mm/mês)
Figura 2.1 - Seqüência dos valores normais (1917 - 1999) de temperatura do ar e chuva em Piracicaba - SP.
Elementos são grandezas (variáveis) que caracterizam o estado da atmosfera, ou seja: radiação solar, temperatura, umidade relativa, pressão, velocidade e direção do vento, precipitação. Esse conjunto de variáveis descrevem as condições atmosféricas num dado local e instante. Fatores são agentes causais que condicionam os elementos climáticos. Fatores geográficos tais como latitude, altitude, continentalidade/oceanidade, tipo de corrente oceânica, afetam os elementos. Por exemplo, quanto maior a altitude menor a temperatura e a pressão. A radiação solar pode ser tomada ou como fator condicionador ou como elemento dependente da latitude, altitude, e época do ano.
A face da Terra voltada para o Sol (dia) está sempre mais quente que a face oposta (noite). Com o movimento de rotação da Terra, um local experimenta uma variação diária em suas condições meteorológicas (temperatura, pressão, nebulosidade, chuva, umidade relativa, etc). Essa variação diária ocorre em todos locais, com maior ou menor intensidade, e é um fenômeno natural. Em geral, quanto mais árido (seco) maior a variação diária da temperatura (calor sensível) e, consequentemente, da pressão. Portanto, essa é a escala diária de variação das condições meteorológicas.
Uma escala maior de variação das condições meteorológicas é a anual , que é devida ao posicionamento relativo entre a Terra e o Sol, gerando as estações do ano. As diferenças sazonais são mais intensas à medida que se afasta da linha do Equador. Na região equatorial, em função de uma certa constância de incidência da radiação solar ao longo do ano, as distinções entre as estações são menos intensas. À medida que se caminha em direção aos pólos, há acentuação nessa intensidade. Note-se que a radiação solar é o principal elemento controlador das variações tanto na escala diária como na anual. Essas são variações que ocorrem com uma periodicidade (ciclo) previsível. Nesse ponto, é importante fazer distinção entre as variações que ocorrem rotineiramente e aquelas que indicam mudanças no clima. Quando se fala em mudança climática , fala-se de tendências que ocorrem nas condições regionais, num período razoavelmente longo de tempo (décadas, séculos), para uma grande região. Os causadores dessa mudança são os fenômenos naturais (vulcões, atividade solar), sem qualquer influência humana, e mais aqueles desencadeados realmente pelas atividades humanas (desmatamento, poluição, urbanização). A necessidade de incorporar novas áreas na produção de alimentos pressiona o desmatamento e sua substituição por plantas de ciclo menor. A Figura 2.4 é uma representação da variação do total anual de chuvas ocorridas em Piracicaba - SP, desde 1917 até 1999. Percebe-se que períodos razoavelmente longos (15 a 25 anos) de tendência de aumento foram interrompidos por quedas bruscas nos totais de chuvas. Nota-se que, de 1917 até 1930 houve aumento significativo no total de chuva anual que passou de 1110mm para cerca de 1600mm. Embora tenha ocorrido uma flutuação muito grande, a tendência geral foi de aumento. Entre 1933 e 1948, houve tendência semelhante ao período anterior. Entre 1952 e 1965, e entre 1969 e 1975 a tendência de aumento se repetiu. De 1977 até 1982, houve um aumento brusco seguido de uma queda igualmente brusca. De 1983 até 1999, a flutuação esteve ao redor do valor médio. A tendência do século como um todo foi de leve aumento no total anual das chuvas. O pico de chuva de 1983 (2018mm) foi imediatamente após o episódio do El Niño mais intenso até então, e as chuvas de outono-inverno representaram 45% do total anual. Nota-se, por este exemplo, que a análise de períodos relativamente curtos (10 a 20 anos) invariavelmente conduz a conclusões inconsistentes.
500
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Figura 2.4 - Seqüência dos totais anuais de chuva em Piracicaba - SP.
Essa análise mostra que o total anual de chuvas em Piracicaba - SP teve pouco efeito da substituição da floresta nativa por cultivos agrícolas, principalmente pela cana-de-açúcar. No entanto, isso não é prova de que não haja tal associação, mas apenas que a localização geográfica da região mascarou qualquer associação entre porcentagem de cobertura florestal e índices pluviométricos. Análise semelhante deve ser feita com a temperatura do ar. É obvio que tais tendências adquirem importância quando diversos locais mostram variações num mesmo sentido (aumento ou decréscimo). No entanto, é importante ter em mente que algumas tendências detectadas num local podem indicar que o fenômeno seja global, como é o caso da concentração de CO 2 no Havaí (Capítulo 3).
Os fenômenos atmosféricos ocorrem de forma continuada, havendo influência de uma escala sobre outra. No entanto, visando a facilitar o entendimento de suas ocorrências e os efeitos possíveis da ação humana, pode-se separá-las em três grandes categorias, ou seja, macro , meso , e micro -escala, que são importantes para a previsão do tempo e para o manejo agrícola. A macro-escala trata dos fenômenos em escala regional ou geográfica, caracterizando o clima de grandes áreas pelos fatores geográficos (Latitude, Altitude, etc.). Nessa escala, descreve-se, por exemplo, o ( macro )clima de uma região. Esta escala é o foco quando se fala em mudança climática.
Trópico de Câncer (23o^ 27’N) - 22/
Equador - 21/03 e 23/
Trópico de Capricórnio (23o^ 27’S) - 22/
a
Trópico de Câncer (23o^ 27’N) - 22/
Equador - 21/03 e 23/
Trópico de Capricórnio (23o^ 27’S) - 22/
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Trópico de Câncer (23o^ 27’N) - 22/
Equador - 21/03 e 23/
Trópico de Capricórnio (23o^ 27’S) - 22/
c
Figura 2.2- Como três observadores vêem o sol ao meio dia, em diferentes latitudes e épocas do ano.
A duração do período luminoso (fotoperíodo), além de sua importância em determinar o total diário de radiação solar incidente sobre um local na Terra (ver Capítulo 5 – Radiação Solar), é importante fator ecológico, pois grande número de espécies vegetais apresenta processo de desenvolvimento que responde a esse fator (fotoperiodismo). Com os movimentos da Terra, verifica-se que os raios solares atingem a superfície terrestre com diferentes ângulos, em diferentes horas e épocas do ano. O ângulo formado pela linha vertical imaginária que passa pela cabeça do observador e os raios solares é o Ângulo Zenital representado por Z na Figura 2.3. Esse ângulo determina a quantidade de energia solar que atinge a superfície terrestre naquele instante. Tomando-se como referência uma área unitária (A (^) N ) igual a 1 m^2 , quando os raios solares incidem perpendicularmente sobre ela, a quantidade de energia solar S se distribui sobre 1 m^2 , determinando uma intensidade IN = S / A (^) N. Quando os raios solares se inclinam a mesma energia S se distribui sobre uma área maior (A (^) Z), resultando numa intensidade IZ = S / A (^) Z. A relação IZ / IN = AN / A (^) Z = cos Z define a Lei do Cosseno de Lambert. Desse modo, se Z = 0°, I (^) Z é igual a IN , pois cos 0° = 1. Quando Z = 90 o^ , condição observada no nascer e no pôr do sol, I (^) Z é igual a zero (cos 90° = 0). Essa lei possibilita o entendimento do porquê da variação diária e sazonal da intensidade da radiação solar.
Az
A N
S
Figura 2.3 – Ângulo zenital (Z).Inclinação dos raios solares (S)
CAPÍTULO 3. A ATMOSFERA TERRESTRE
A atmosfera terrestre é o envelope gasoso relativamente fino, que envolve o planeta sendo de fundamental importância à vida na Terra pois atua como sede dos fenômenos meteorológicos e também como determinante da qualidade e da quantidade da radiação solar que atinge a superfície. A atmosfera pode ser dividida verticalmente em camadas em função de suas características físicas e químicas, por exemplo, temperatura, concentração de gases. A atmosfera é subdividida nas seguintes camadas (Figura 3.1): Troposfera (camada onde ocorrem os fenômenos meteorológicos), Tropopausa (isotermia), Estratosfera (camada onde ocorre a absorção dos raios UV pelo O 3 ), Estratopausa, Mesosfera, Mesopausa e Termosfera.
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 (oC)
0
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km
Tropopausa
Estratopausa
Mesopausa
Troposfera
Estratosfera
Mesosfera
Termosfera
Ozonosfera
Figura 3.1. Estrutura vertical idealizada da atmosfera terrestre e variação da temperatura.
Basicamente, a atmosfera pode ser considerada como constituída majoritariamente por dois gases: nitrogênio (78% em volume) e oxigênio (21%). São também seus constituintes naturais os gases inertes: argônio, criptônio, helio, neônio, e xenônio. Esses sete gases formam a matriz atmosférica. Existe ainda na atmosfera um grande número de gases de importância física, química, e biológica, entre os quais se destaca dióxido de carbono (CO 2 ), ozônio (O 3 ), e vapor d'água. Os gases atmosféricos naturais fazem parte de ciclos geológicos, sempre com tendência a um equilíbrio dinâmico, em que os oceanos e florestas atuam, na maioria das vezes, como reservatórios, tanto para suprir deficiências como para absorver excessos. Grosseiramente, pode-se dizer que existem sítios de produção (fontes) e sítios de consumo (drenos) desses gases, havendo reciclagem natural. É importante notar que num determinado instante um sítio pode ser fonte e no momento seguinte atuar como dreno. A natureza é dinâmica, com mudanças contínuas, sempre à procura de um equilíbrio. Por exemplo, uma floresta é primariamente fonte de oxigênio durante o período de brilho solar, quando predomina o processo de fotossíntese, e sabidamente um dreno para o mesmo oxigênio durante o período noturno, quando só há o processo respiratório. O balanço ao fim de um período é que vai determinar se ela é basicamente fonte ou dreno.
oxidante, sendo danoso aos seres vivos, principalmente mucosas e tecidos tenros. No entanto, a queima incompleta de combustíveis fósseis injeta ozônio diretamente na biosfera (camada da troposfera que abriga os seres vivos). Essa fonte artificial aumenta sua concentração acima de limites suportáveis, tornando-o um poluente altamente perigoso. Não é difícil imaginar que a concentração do ozônio natural é maior no lado ensolarado (dia) da Terra que no lado sombreado (noite), visto que sua formação depende de radiação UV, e que sua dissociação depende da radiação terrestre. Portanto, o ozônio tem efeito significativo no balanço energético da atmosfera e, por conseqüência, da superfície terrestre. Recentemente, a dinâmica do ozônio ganhou mais um aspecto negativo pelo uso indiscriminado de Clorofluorcarbonetos (CFC) na sociedade moderna. Os CFCs são moléculas artificiais, bastante estáveis, não tóxicas, não inflamáveis, e utilizadas principalmente na refrigeração (gás refrigerante das geladeiras), nos sprays (aerossóis dispersantes pressurizados), em isolantes térmicos (isopor), e como solventes na indústria microeletrônica. Aparentemente, CFC é uma maravilha química , com número ilimitado de aplicações. No entanto, quando atingida por radiação UV, a molécula de CFC se dissocia liberando o cloro (Cl), que tem alta afinidade pelo ozônio. Estima-se que um átomo de cloro seja capaz de destruir dezenas de milhares de moléculas de ozônio. Portanto, o aumento no uso de CFCs resultou na redução da camada de ozônio. Portanto, uma molécula praticamente inerte torna - se altamente reativa na presença de raios solares. O Protocolo de Montreal (acordo internacional para redução de poluentes) prevê que a emissão de CFC deve ser severamente reduzida nos próximos anos. Tais ações foram impulsionadas pela detecção da existência de um buraco de ozônio sobre a Antártida, de tamanho duas vezes maior que o território dos Estados Unidos. Depois de muitos experimentos e análise, um painel de mais de 100 cientistas de 10 países, trabalhando por 16 meses, concluiu que os CFCs foram e são os maiores responsáveis pela destruição da camada de ozônio. Outro constituinte atmosférico de importância vital para os seres vivos é o dióxido de carbono (CO 2 ), que é utilizado pelos vegetais no processo fotossintético. Os oceanos são os principais reservatórios de CO 2. O processo de fotossíntese representa um " dreno" para o CO 2 , enquanto que a respiração (vegetal e animal) constitui-se em " fonte". Portanto, o manejo de exploração do solo afeta o ciclo do CO2. A concentração de CO 2 atmosférico tem aumentado significativamente desde o século passado, em função da queima de combustíveis fósseis, e do desmatamento e queima da biomassa. O monitoramento contínuo da concentração de CO 2 tem sido feito no Observatório de Mauna Loa, Havai (meio do oceano Pacifico), isto é, uma área isolada das grandes fontes industriais. Portanto, a concentração ali encontrada é representativa da tendência global e não apenas resultante de um problema local. A Figura 3.2, tirada de Rosenzweig & Hillel (1998), mostra que em 1958 a concentração estava ao redor de 315 ppmv, com tendência crescente, estando atualmente com cerca de 360 ppmv. Mas se o CO 2 faz parte do metabolismo das plantas e animais, qual é então a preocupação com o aumento em sua concentração? Experimentos mostram que realmente a taxa de fotossíntese aumenta quando se aumenta a concentração de CO 2 no ambiente; logo, o aumento detectado no Havaí deve ser benéfico às plantas. Porém, a preocupação não é com a fotossíntese, mas com outra propriedade da molécula de CO2. Ela é um excelente absorvedor de radiação de ondas longas terrestre, e este fato traz preocupação pois aumento em sua concentração significa balanço de energia atmosférico mais positivo, com temperatura ambiente mais elevada. Esse é o efeito estufa ; isto é, a energia entra na atmosfera mas tem dificuldade para sair.
Concentração m édia m ensal CO 2 - Mauna Loa - Haw aii
310
340
370
1958 1963 1969 1975 1981 1987 1993 1998
(ppmv)
Figura 3.2 - Concentração de CO 2 atmosférico em Mauna Loa, Havaí.
Um constituinte atmosférico de fundamental importância é o vapor d’água. A água é o único elemento que se encontra na natureza, nos três estados físicos (sólido, líquido, gasoso), simultaneamente. Mesmo na atmosfera não é incomum encontrar gelo, água, e vapor dentro de uma nuvem. A água funciona como termorregulador , evitando flutuações muito intensas da temperatura do ambiente. A distribuição da água na atmosfera varia tanto espacial como temporalmente. Nos desertos e nas regiões geladas, o teor de vapor d’água é extremamente baixo. Nas regiões
tropicais, próximas de oceanos quentes, sua concentração é elevada. Regiões próximas a oceânos frios também apresentam baixo teor de umidade atmosférica. O ciclo da água é de vital importância na redistribuição de energia na escala global. Para se evaporar 1 kg de água são necessários 2,45 MJ de energia ( calor latente de evaporação ). Essa energia é provida pelo ambiente. Logo, há uma redução na temperatura local. O vapor d’água resultante sobe na atmosfera até uma altura com condições de provocar sua condensação (liquifação). Ao condensar, há liberação daquela energia utilizada na evaporação, resultando em aquecimento da atmosfera naquele nível. A condensação da água na atmosfera provoca o aparecimento de nuvens, que são transportadas pelo sistema circulatório, levando consigo o calor liberado. Há, portanto, transporte de energia associado com o processo evaporativo. Por exemplo, a região amazônica é rica em água e em energia solar. O ciclo da água nesta região funciona como um exportador de calor e umidade em direção às regiões de maior latitude (em direção aos pólos).
Ao atravessar a atmosfera a radiação solar interage com seus constituintes (naturais e artificiais) resultando em modificação na quantidade, na qualidade, e na direção dos raios solares que atingem a superfície terrestre. Essa interação ocorre de dois modos principais: absorção e difusão ( espalhamento ). Esses modos de interação dependem do comprimento de onda (λ, nm) da radiação e do tamanho do constituinte atmosférico. Há, portanto, uma interação seletiva que depende das condições atmosféricas do local. A radiação solar apresenta um espectro continuo de comprimentos de onda que, do ponto de vista biológico, pode ser separado em três faixas (bandas) distintas:
A radiação visível é subdividida de acordo com as cores características que aparecem no arco íris. Em ordem crescente de λ tem-se as cores violeta , azul , verde , amarelo , laranja , e vermelho. A radiação visível é aquela utilizada pelas plantas no processo fotossintético sendo, denominada de fotossinteticamente ativa (RFA, ou PAR). Isto não significa que a radiação IVP não seja importante. Fitocromos e hormônios são (des)ativados por essa radiação, e afetam tanto o crescimento como o desenvolvimento das plantas. Os efeitos da radiação IVP são mais qualitativos do que quantitativos, como ocorre no fotoperiodismo.
Quanto ao processo de absorção , a radiação UV é absorvida pelo oxigênio/ozônio, sendo quase que totalmente eliminada da radiação solar que atinge a superfície da Terra. Essa radiação é altamente energética, com alto poder de penetração, e causa distúrbios nas células vivas, principalmente em microrganismos. Em regiões altas, com atmosfera rarefeita sua incidência é maior que em regiões situadas ao nível do mar. Parte da radiação IVP é absorvida principalmente pelo vapor d’água; logo, quanto maior o teor de umidade no ar maior será essa absorção. Dias nublados apresentam menor proporção de IVP ao nível do solo que dias com céu limpo. O CO 2 também absorve IVP. Tais absorções afetam tanto a quantidade como a qualidade da radiação solar ao nível do superfície. A radiação visível passa quase que totalmente pela atmosfera, sem sofrer redução (absorção) em sua quantidade. A Figura 3.3 mostra a contribuição dos principais constituintes atmosféricos no espectro de absorção da radiação ao nível da superfície terrestre, e também o papel desses gases no efeito estufa devido à suas absortâncias nos comprimentos de ondas longas (λ > 4 μm).
Figura 3.3- Espectro de absorção da radiação solar pelos constituintes da atmosfera.Fonte: Vianello & Alves (1991).
CAPÍTULO 4. A ATMOSFERA EM MOVIMENTO
A atmosfera se movimenta em resposta a uma diferença de pressão entre duas regiões. A causa principal do aparecimento de pressões diferentes é a incidência e absorção dos raios solares de maneira distinta nas duas regiões. Na macroescala , pela posição relativa entre a Terra e o Sol, os raios solares são mais intensos e mais absorvidos na região equatorial do que nos pólos. Essa diferença em disponibilidade de energia gera superfícies mais aquecidas nas regiões intertropicais. O ar é um fluido cujas características resultam em expansão volumétrica à medida que a temperatura aumenta. Isto significa que um volume de ar mais quente é menos denso que o mesmo volume de ar mais frio. Ar menos denso tende a subir, exercendo menos força sobre a superfície. A força vertical exercida pela atmosfera sobre a superfície terrestre é denominada de pressão atmosférica. Pelo descrito acima pode-se inferir que a atmosfera é mais expandida no equador e mais contraída nos pólos. A parte ensolarada da Terra (dia) também tem atmosfera mais espessa que a parte escurecida (noite). A espessura da atmosfera varia continuamente ao redor da Terra. Portanto, a região equatorial sempre apresenta menor pressão atmosférica que os pólos. É por esse motivo que, na superfície, as massas frias (alta pressão) sempre avançam para as regiões mais aquecidas (baixa pressão). Em altitude, a circulação é no sentido contrário, formando uma célula. Essa movimentação redistribui a energia que “sobra” no equador para as regiões polares. Pela descrição bem simples apresentada acima, deduz-se que uma parcela (volume de controle) de ar está sujeita a três forças: 1) da gravidade ; 2) da flutuação térmica ; e, 3) do gradiente horizontal de pressão. A força de atração gravitacional é sempre direcionada no sentido do centro da Terra, prendendo a atmosfera ao redor de sua superfície, sendo a principal responsável pela pressão. A força devido à flutuação térmica contribui significativamente para a variação da pressão local, e sua contribuição pode ser tanto no sentido de aumentar como de diminuir o valor da pressão. A contribuição é positiva quando a superfície está fria, pois o ar em contacto com ela também está frio, e a força de flutuação térmica será direcionada para o centro da Terra, aumentando a pressão. Se a superfície estiver quente, o ar estará quente, e então essa força será direcionada para cima, diminuindo a pressão na superfície. A força devido ao gradiente horizontal de pressão é a responsável pela movimentação da atmosfera de uma região para outra. Como essas três forças atuam sobre a parcela de ar em qualquer situação (repouso ou movimento), elas são denominadas de forças primárias. No entanto, no momento que a massa de ar começa a se movimentar aparecem duas outras forças denominadas de secundárias. Uma, é a força devido ao atrito com a superfície. Essa força é sempre contrária ao sentido de movimentação, sendo resultante da rugosidade da superfície; portanto, seu efeito é de desaceleração do movimento. Outra, é uma força aparente devido ao movimento de rotação da Terra, e que é denominada de força de Coriolis. Essa força apenas muda a trajetória da massa de ar sem modificar sua velocidade. A força de Coriolis é sempre perpendicular à direção do movimento, e no hemisfério Sul desloca a trajetória para a esquerda. No hemisfério norte o deslocamento é para a direita. Isso explica porque os redemoinhos giram em sentidos diferentes nos dois hemisférios. É a força de Coriolis que determina o movimento rotatório dos sistemas atmosféricos (ciclones, anticiclones, tornados, furacões). Para entender o efeito da força de Coriolis, imagine um avião voando do pólo sul para um ponto situado no equador. Como a Terra gira de oeste para leste, a trajetória do avião será uma curva para a esquerda, pois o ponto de destino se desloca para a direita. Cerca de 85% da massa atmosférica está concentrada nos primeiros 10 km acima da superfície ( troposfera ). Portanto, os fenômenos meteorológicos mais importantes no dia-a-dia ocorrem nessa camada. Em altitude a atmosfera flui livremente, sem obstáculos, ou seja, a presença da superfície não é percebida, e os ventos têm grande velocidade (praticamente não há atrito). À medida que se aproxima da superfície sua presença vai se tornando cada vez mais notória, isto é, os ventos vão diminuindo rapidamente sua velocidade (atrito vai aumentando). Junto à superfície, o deslocamento da atmosfera é obstruído pela irregularidade do relevo, pela presença de árvores, plantações, cidades etc. Quanto mais rugosa for a composição da superfície maior será sua influência sobre os ventos. A velocidade é menor junto à superfície, mas a presença dos obstáculos cria redemoinhos que são proporcionais ao seu tamanho. A ocorrência de redemoinhos caracteriza escoamento turbulento (caótico). Por exemplo, uma cidade cria mais turbulência com seus arranha-céus que uma floresta; mas esta cria mais turbulência que um canavial, e assim sucessivamente. Essa turbulência é de origem mecânica. Como visto anteriormente, à medida que o Sol vai aquecendo a superfície, aparece uma força de flutuação térmica que estimula o aparecimento de ventos. Esse deslocamento vertical interfere com o deslocamento horizontal da atmosfera aumentando o movimento caótico. Essa turbulência é de origem térmica e a atmosfera é dita instável. Acontece que nas horas mais frias do dia a força de flutuação térmica inibe o desenvolvimento vertical, suprimindo a turbulência. Diz-se que nessas condições a atmosfera está estável. Portanto, a contribuição térmica pode ser tanto no sentido de aumentar (instável) como de reduzir (estável) a turbulência. Esse fato tem grande importância agronômica, pois os defensivos agrícolas devem ser aplicados nas horas de menor turbulência possível para permitir que tais produtos se depositem sobre a área alvo. É por esse motivo que a aplicação aérea sempre é feita na madrugada, um pouco antes do Sol nascer (hora mais fria do dia), para se evitar o espalhamento de produto (tóxico) para fora da área de aplicação.
Outro aspecto interessante da estrutura dos ventos é que a direção muda à medida que se afasta da superfície. Esse fenômeno é devido ao decréscimo do atrito com a altura. Logo, a força de Coriolis vai mudando a direção do vento à medida que o atrito diminui. Plotando-se a direção do vento em cada altura obtém-se uma espiral (de Ekman). Esse mesmo fenômeno ocorre com as correntes marítimas com velocidades maiores próximas à superfície e menores no fundo dos oceanos. Há, portanto, um acoplamento entre as correntes marítimas e a circulação atmosférica. O centro de uma massa aquecida possui baixa pressão. À medida que se afasta do centro a pressão vai aumentando. Linhas que ligam locais com mesma pressão são denominadas de isóbaras. A tendência natural é do vento soprar em direção ao centro de baixa pressão; ou seja, um centro de baixa pressão é uma região de convergência de ventos. Em virtude da influência da força de Coriolis, que atua perpendicularmente à direção dos ventos puxando-os para a esquerda, a direção final dos ventos passa a ser oblíqua às isóbaras e no sentido horário , caracterizando uma circulação ciclônica. Portanto, no hemisfério Sul, os ciclones (baixa pressão) têm circulação no sentido horário. Tornados e furacões têm circulação desse tipo. Os furacões, por suas dimensões avantajadas, aparecem nitidamente nas imagens dos satélites meteorológicos, mostrando o sentido de sua circulação, trajetória, e velocidade de deslocamento. Um centro de alta pressão , ou seja, um centro “exportador” de vento, tem circulação anti-horária caracterizando um anticiclone. Num anticiclone os gradientes de pressão não são tão elevados como num ciclone, daí as menores velocidades de ventos associados ao primeiro em relação ao segundo.
Na macro escala, os ventos de superfície estão associados à circulação geral da atmosfera, sendo função dos gradientes horizontais de pressão. Embora os campos de pressão e de ventos variem continuamente ao longo do tempo sobre a superfície, é possível verificar uma certa tendência, com ocorrência de faixas de alta e de baixas pressões. Na região do Equador existe uma faixa de baixas pressões, cujo centro fica, em média no ano, um pouco acima do círculo equatorial. Em torno da latitude de 30o, nos dois hemisférios, existe uma faixa de altas pressões (latitude de Cavalos). Entre as latitudes de 60 o^ e 70 o^ , nos dois hemisférios, existe uma faixa de baixas pressões, e os Pólos constituem-se em centros de alta pressão (Figura 4.1). Entre as faixas de pressões descritas acima, formam-se células de circulação em macro-escala. Os ventos formam-se devido às diferenças de pressão entre dois pontos, indo no sentido de maior para o de menor pressão. Nas regiões de transição, o ar ou se eleva (baixa pressão) ou desce verticalmente (alta pressão), formando as células com ramo superior em sentido contrário ao da superfície.
B^0 o
B
B
A
A
V entos de Le ste
V entos de Le ste
V entos de Oeste
V entos de Oeste
A lísios de Norde ste
A lísios de Sude ste
ZC IT
Latitude de C avalos
Latitude de C avalos
ZCET
ZC ET
Figura 4.1 - Representação esquemática simplificada da circulação geral da atmosfera.
O movimento de rotação da Terra faz com que os ventos sofram deflexão (desvio) em seu sentido, devido à força de Coriolis , como mostra o esquema abaixo:
