INFLUÊNCIA DA RADIAÇÃO E TURBULÊNCIA NO BALANÇO DE CALOR DE UMA CAMADA DE AR

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(1)INFLUÊNCIA DA RADIAÇÃO E TURBULÊNCIA NO BALANÇO DE CALOR DE UMA CAMADA DE AR. Artur Henrique Rodrigues 1 Luiz Eduardo Medeiros 2. Resumo: Os dados de radiação, temperatura e turbulência utilizados na pesquisa foram obtidos através da segunda fase do experimento FLOSSII, que foi realizado em North Park ao Sul de Walden, EUA. A coleta de dados teve início no dia 20 de Novembro de 2002 e termino em 02 de abril de 2003, contudo, na pesquisa foram utilizados dados de apenas de 53 dias, sendo os níveis da camada de ar de 4 m a 25 m. A análise dos resultados mostrou que radiativamente a camada de ar se resfriou durante o dia e durante a noite. Com a relação à turbulência a tendência da camada foi de se resfriar durante a noite e aquecer durante o dia. A média noturna do resfriamento radiativo foi de -1,191 Kh-1, do resfriamento turbulento 0,687 Kh-1 e do resfriamento total -0,691 Kh-1. Esses valores mostram que o balanço de calor ficou próximo de ser fechado. A pequena diferença pode ter acontecido por que não foi considerado a advecção térmica no balanço de calor, outro contribuinte pode ter sido a não simetria dos sensores de radiação (radiômetro) e turbulência (anemômetro), já que eles não estavam em alturas coincidentes na camada. Diante disso, é possível dizer que o objetivo da pesquisa foi alcançado, onde ficou perceptível que a radiação e a turbulência contribuem significativamente para o balanço de energia de uma camada de ar.. Palavras-chave: Radiação, Turbulência, Temperatura. Modalidade de Participação: Iniciação Científica. INFLUÊNCIA DA RADIAÇÃO E TURBULÊNCIA NO BALANÇO DE CALOR DE UMA CAMADA DE AR 1 Aluno de graduação. artur.ar.10@gmail.com. Autor principal 2 Docente. luizmedeiros@unipampa.edu.br. Orientador. Anais do 9º SALÃO INTERNACIONAL DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO - SIEPE Universidade Federal do Pampa | Santana do Livramento, 21 a 23 de novembro de 2017.

(2) X. INFLUÊNCIA DA RADIAÇÃO E TURBULÊNCIA NO BALANÇO DE CALOR DE UMA CAMADA DE AR 1. INTRODUÇÃO A divergência ou convergência do fluxo de energia que circula uma região pode resultar no aquecimento ou resfriamento de uma camada qualquer de ar. A transferência de energia acontece essencialmente de três formas, condução, advecção e radiação. O processo de condução na maior parte das vezes não é considerado, pois o fluxo de energia de uma camada de ar é predominantemente associado a advecção e radiação. A (Eq.1) mostra o balanço de energia para uma camada de ar próxima a superfície da terra. $$$$$$ ò6$ s ò3 òS"6" F ® ÏÁçå ;6$ F L F ,,,,1 :8$Áçäç ãç ãäå òP òV é% òV ãç ãçä å 6 5. 7. 'Mä :s;. 8. Na equação, os termos representam respectivamente, a tendência de temperatura durante o período, a advecção térmica horizontal, a divergência/convergência do fluxo de calor sensível e o a divergência/convergência do fluxo radiativo de calor. No trabalho será considerado no balanço de energia a divergência/convergência do fluxo radiativo que age sempre no sentido de diminuir a temperatura da camada e o fluxo turbulento vertical de calor sensível que está relacionado ao processo de mistura na camada. Diante disso o trabalho tem o objetivo de estudar a relação entre a divergência do fluxo de calor radiativo e turbulento para o balanço de energia para uma camada de ar. 2. METODOLOGIA O trabalho tem como objetivo verificar o balanço de calor de uma camada de ar. A metodologia aqui apresentada baseia-se na análise de dados coletados experimentalmente. 2.1.. SÍTIO EXPERIMENTAL. Os dados obtidos para esse trabalho é resultado da segunda fase do projeto FLOSSII, (Fluxes Over Snow Surfaces), que estudou a meteorologia na região de North Park ao sul de Walden, no estado do Colorado, nos Estados Unidos, sendo a coleta realizada de 20 de Novembro de 2002 até 02 de abril de 2003. No local onde a torre micrometeorológica foi instalada havia predominância de grama e encontrava-se a uma altitude de 2476 m. Essa torre possuía 34 m de altura com diversos sensores em diferentes níveis: Sensores de temperatura do ar (0.5 m, 1 m, 2 m, 5 m, 10 m, 20 m e 30 m); sensores anemômetro sônico de vento de três componentes (1 m, 2 m, 5 m, 10 m,15 m, 20 m, 30 m). Além desses, haviam radiômetros de onda-longa, apontados para baixo e para cima.

(3) na torre e próximo a torre (25 m, 4 m); radiômetros de onda-longa para baixo a 2 m. 2.2.. RESFRIAMENTO RADIATIVO. Os dados são obtidos através de um par de sensores a 4 m e outro par de sensores a 25 m, sendo em cada um dos níveis um sensor apontando para o céu e outro para o chão. É importante dizer que o trabalho considera que o campo radiativo de onda-longa varia somente na vertical, desta forma, os sensores apontados para o céu medem o fluxo de radiação que desce (atmosfera-terra) e os sensores que estão apontados para o chão medem o fluxo que sobe (terra-atmosfera). O cálculo da divergência/ convergência radiativa é obtido através da seguinte relação: &ERä 4=@ L k:4.9EJ:<6 ; F 4.9KQP:<6 ; F :4.9EJ:<5 F 4.9KQP:<5 ;o. s ¿D. :AMä :t;;. Onde in é o fluxo de radiação que desce (-), out é o fluxo de radiação que sobe (+), Þh é a espessura da camada (<6 F <5 ). Sabendo que o fluxo de energia de uma camada de ar pode convergir ou divergir energia, nesse trabalho o positivo indica que a camada está divergindo e o negativo está convergindo. O fluxo de energia de uma camada qualquer de ar pode ocorrer no sentido de convergir ou divergir energia. O positivo indica que está divergindo energia, e o negativo indica que a camada está convergindo. A convergência/divergência radiativa pode ser convertida para taxa de aquecimento por hora, através da equação: #MQA?EIAJPK L. &ERä 4=@ Û uxrr %L Û é. Sendo Cp é o calor específico do ar (1004 J kg-1 K-1), e ! é a densidade do ar (0,93 kg m-3). 2.3.. RESFRIAMENTO TURBULENTO. A obtenção do fluxo cinemático turbulento de calor sensível foi feita os níveis de 5 m e 20 m, através das medidas de temperatura e vento dos sensores anemômetros. A equação que descreve esse fluxo é dada por: $$$$$ F 9 % 6$ (QTKä PQN>QHAJPK L 96. Sabendo que W é a velocidade vertical, T a temperatura e a barra horizontal significa médias no tempo. Para o cálculo do fluxo turbulento da primeira camada havia um sensor em 5 m e outro sensor em 20 m. A divergência/convergência de fluxo turbulento de calor sensível foi calculada por:.

(4) &ERä 6QN L :&ERä 6QN>:<6 ; F &ERä 6QN>:<5 ;;. s ¿D. Além disso foi necessário multiplicar a divergência/convergência de fluxo turbulento por 3600 para se obter a taxa de aquecimento por hora (K h-1). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A imagem a seguir mostra a tendência de temperatura para a camada de ar. É importante ressaltar que todas figuras que serão mostradas nesse trabalho são referentes ao dia 13 de fevereiro de 2002, e que a noite inicia em 0 H e termina aproximadamente em 15 H (GMT).. Figura 1 - Evolução temporal da temperatura para as alturas de 20m (preto), 10m (vermelho) e 15 m (verde), 10m(azul) e a velocidade do vento 10 m (preto). Na Figura 1 fica claro que a temperatura é maior a medida que a altura aumenta durante a noite, isso indica que a camada possui uma certa estabilidade térmica durante o período. Já durante o dia é notável que o fenômeno é invertido e os níveis mais próximas ao chão ficam com temperaturas mais elevadas. Na mesma figura o vento age no sentido de diminuir a diferença de temperatura entre os níveis da camada, através da geração de turbulência.. Figura 2 - Painel superior: Fluxo radiativo (vermelho) de energia da camada próxima ao chão, fluxo turbulento (azul) da mesma camada. Painel inferior: Fluxo radiativo (vermelho) de energia da camada mais distante do chão, fluxo turbulento (azul) da mesma camada. A figura 2 mostra o fluxo líquido de energia através da camada de ar associados tanto a turbulência quanto a radiação. Na imagem percebe-se que há divergência de fluxo radiativo de energia durante todo o período. Isso pode ser explicado devido ao fato de que a radiação age sempre no sentido de resfriar a camada..

(5) A média do resfriamento radiativo foi de -1,191 Kh-1, a média do resfriamento turbulento -0,687 Kh-1, e a média do resfriamento total -0,691 Kh-1. Esses valores médios são referentes somente o período noturno.. Figura 3 ± Resfriamento radiativo (vermelho), resfriamento turbulento (azul), resfriamento total (preto). Os valores indicam o balanço ficou próximo de ser fechado para essa camada. A pequena discrepância no balanço pode ocorrido devido a não consideração da advecção térmica. Além disso, outro contribuinte para a diferença é que os sensores de radiação (radiômetro) e turbulência (anemômetro sônico) estavam colocados em alturas diferentes, e por isso as espessuras das camadas não coincidiam. Por fim é importante dizer que a técnica usada na obtenção dos dados é diferente. O sensor de radiação mede o fluxo referente a um volume de ar, enquanto que os sensores de velocidade do vento e temperatura representam valores menores que o volume da camada e próximas ao volume do sensor. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclui-se que radiativamente o ar se resfriou tanto no dia quanto na noite. A tendência da turbulência foi de resfriar durante a noite e aquecer durante o dia. Diante dos resultados apresentados é possível afirmar que a divergência/convergência radiativa e turbulenta representam uma parcela significativa para o balanço de calor de uma camada qualquer de ar. Vale a pena ressaltar que esses resultados estão de acordo com o estudo feito por Hoch (2005). 5. REFERÊNCIAS HOCH, S, W. Radiative flux divergence in the surface boundary layer. 2005. Tese (Doctor of natural Science) - SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY (ETH) ZURICH, 2005..

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