1. Introdução. 2. Fatores que Afetam a Evaporação

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1 ULA 11 EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO 1. Introdução A evaporação é o processo físico no qual um líquido ou sólido passa para o estado gasoso (vapor). A transpiração é o processo pelo qual as plantas retiram a umidade do solo e a libertam no ar sob a forma de vapor. Os processos só ocorrem se houver introdução de energia no sistema, proveniente do sol, da atmosfera, ou de ambos Mais da metade da precipitação que cai sobre os continentes volta à atmosfera através da ação conjunta desses dois processos, a evapotranspiração. Informações quantitativas desses processos, que constituem fase importante do ciclo hidrológico, são utilizadas na resolução de numerosos problemas que envolvem o manejo d água. Tanto o planejamento de áreas agrícolas de sequeiro ou irrigada, a previsão de cheias ou a construção e operação de reservatórios, requerem dados confiáveis de evaporação e/ou evapotranspiração. Entretanto, essas informações obtidas de medidas diretas para diferentes locais e condições meteorológicas distintas não existem em quantidade suficiente. Assim, estimativas baseadas em princípios físicos e principalmente equações empíricas são utilizadas como alternativas para suprir esta carência. Discutem-se a seguir os processos de evaporação e evapotranspiração, fornecendo alguns procedimentos de cálculo usuais. 2. Fatores que Afetam a Evaporação A quantidade evaporada a partir de uma superfície de água é proporcional à diferença entre a pressão de vapor na superfície e a pressão de vapor no ar das camadas adjacentes. No ar parado, a diferença da pressão de vapor rapidamente diminui e o processo de evaporação fica limitado pela difusão do vapor na atmosfera proveniente da superfície líquida. A turbulência provocada pelo vento e por convecção térmica afasta o vapor das camadas em contato com a superfície das águas e possibilita a continuidade da evaporação. As variáveis meteorológicas que interferem na evaporação de superfícies livres de água particularmente são: a radiação solar, a temperatura do ar, vento e pressão de vapor. A temperatura do ar está associada à radiação solar e, desta forma, correlaciona-se positivamente com a evaporação. O aumento da temperatura do ar influi favoravelmente na intensidade de evaporação, porque permite que uma maior quantidade de vapor de água esteja presente no mesmo volume de ar acima da superfície evaporante, conforme já foi visto no início do nosso curso. 1

2 3. Mensuração da Evaporação Os métodos normalmente usados para determinar a evaporação são: transferência de massa, balanço de energia, equações empíricas, balanço hídrico e evaporímetros(direto) Os métodos que aplicam os princípios da transferência de massa apresentam a dificuldade de obtenção das variáveis envolvidas Balanço Hídrico: aplica a equação da continuidade a um reservatório. Exige, portanto, conhecimento preciso e completo a respeito dos volumes aduzidos, dos caudais afluentes e do volume armazenado. A não ser que a evaporação seja da mesma ordem de grandeza dos outros fenômenos, e que não haja novas contribuições ou perdas não registradas, provenientes de escoamentos subsuperficiais, em geral, é muito impreciso por expressar os erros de cálculo das outras parcelas Empíricas: em princípio, medindo-se umidade, temperatura e vento em dois níveis acima de uma superfície de água, deve ser possível calcular o transporte de vapor ascendente, utilizando a teoria de turbulência. Muitas equações complexas já foram propostas para expressar essa relação. A equação abaixo, por exemplo, foi ajustada empiricamente para o Lago Hefner, nos EUA: E = 0, 03594V 8 [ es e 8 ] onde: E=quantidade evaporada em mm/dia, e s é a pressão de vapor(mm hg) à superfície da água, e e 8 e V 8 são respectivamente, a pressão do vapor e a velocidade do vento (km/h) a 8 metros da superfície Balanço Energético: expresso por: E = Hi H0 H ρ[ λ( 1+ R)] onde H i é o calor total recebido pelo lago, incluindo a radiação solar e o calor introduzido no lago pela água efluente: H 0 é o calor que sai do lago como radiação refletida e devolvida, bem como retirado pelas águas do reservatório; ρ é a densidade da água evaporada; λ o calor latente de vaporização e R a relação entre o calor utilizado pela evaporação e o transferido ao ar como calor sensível. O valor de R, conhecido como Razão de Bowen é dado por: R = 0. 61patm( Ts Ta ) 1000( e e ) s a 3.5. Evaporímetros: o método mais antigo para calcular evaporação de um lago é por meio dos evaporímetros ou cubas de evaporação. A mais usada é a cuba classe A do Weather Service, cujo diâmetro é de 1,22 m com profundidade 25,4 cm. A quantidade de água evaporada é medida diariamente por meio de uma ponta limnimétrica com extremidade em gancho. É evidente que a evaporação a partir de um recipiente difere substancialmente da que ocorre na superfície de um reservatório, principalmente devido à diferença de temperatura da água nos dois casos. O pequeno volume de água na cuba e o metal exposto ao sol contribuem para substanciais variações de temperatura da água, à medida que se altera a temperatura do ar e a radiação solar. Já nos lago, a grande massa de água e o efeito estabilizador das correntes 2

3 de convecção e do solo, em volta do reservatório, trazem como conseqüência uma amplitude muito menor na variação das temperaturas. Assim, é necessário corrigir o valor da evaporação (E p ) encontrado através das cubas. Estudos mostraram que a correlação entre a evaporação anual em um lago E r e a evaporação em uma cuba desse tipo E p apresenta valores na faixa 0.67 a 0,81(média=0,7), o que significa que E r /E p ~0,7. 4. Transpiração As plantas retiram água do solo por meio de suas raízes, transportam-na através de sua estrutura e eventualmente liberam-na através dos estômatos nas suas folhas. A transpiração é essencialmente a evaporação da água liberada pelas folhas dos vegetais. As quantidades de transpiração são, portanto, aproximadamente as mesmas da evaporação a partir de uma superfície ;livre de água, desde que o abastecimento hídrico à planta não seja limitado. A evaporação calculada, relativa a uma superfície livre, pode, portanto, ser tomada como indicativo da evapotranspiração potencial referente a uma superfície de solo com cobertura vegetal. A quantidade total de transpiração das plantas durante um longo período de tempo é limitada principalmente pela disponibilidade de água. Em regiões de elevada precipitação bem distribuída ao longo do ano, todas as plantas transpirarão na mesma proporção e as diferenças no total serão devidas à diversidade do período de crescimento de cada espécie. Onde o abastecimento de água for restrito e sazonal, a profundidade de raízes adquire grande importância. Nessas condições as gramíneas de raízes de raízes curtas murcham e morrem quando a superfície do solo fica seca, ao passo que os vegetais de raízes longas continuarão a retirar água das camadas profundas do solo. A vegetação de raízes longas transpira maior quantidade de água durante o ano. A prática demonstra que a transpiração não será reduzida em quantidade, por diminuição do teor de umidade do solo antes de ser atingido o pondo de murchamento do solo. 5. Evapotranspiração A evapotranspiração às vezes chamada de uso consuntivo ou evaporação total, inclui toda a água retirada de uma região, por transpiração das plantas e por evaporação, tanto do solo e da neve, como de superfícies de água. A evapotranspiração é importante para o balanço hídrico de uma bacia como um todo e, principalmente, para o balanço hídrico agrícola, que poderá envolver o cálculo da necessidade de irrigação. Evapotranspiração potencial (ETP): quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, na unidade de tempo, de uma superfície extensa completamente coberta de vegetação de porte baixo e bem suprida de água (Pennan, 1956). Evapotranspiração real (ETR): quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, nas condições reais (existentes) de fatores atmosféricos e umidade do solo. A evapotranspiração real é igual ou menor que a evapotranspiração potencial (ETR<ETP) (Gangopadhyaya et al, 1968). Informações confiáveis sobre evapotranspiração real são escassas e de difícil obtenção, pois demandam um longo tempo de observação e custam muito caro. Já a evapotranspiração potencial pode ser obtida a partir de modelos baseados em leis físicas e relações empíricas de forma rápida e suficientemente precisa. Várias teorias relacionam ETR e ETP em função da disponibilidade de água no solo. Não existe, entretanto, uma teoria que aceita universalmente. 3

4 6. Mensuração da Evapotranspiração Dentre os procedimentos usualmente empregados para medir ou estimar a evapotranspiração, citam-se: medidas diretas, métodos baseados na temperatura, métodos baseados na radiação, método combinado e o balanço hídrico Medidas Diretas: Lisímetros Os lisímetros são tanques enterrados no solo, dentro dos quais medimos a taxa de infiltração e a evapotranspiração. É o método mais preciso para a determinação direta da Evapotranspiração, desde que sejam bem instalados. Existem diversos tipos de lisímetros que podem ser subdivididos em não pesáveis e pesáveis. Os lisímetros de drenagem ou percolação pertencem à categoria dos não pesáveis, e os lisímetros pesáveis subdividem-se em lisímetro de pesagem mecânica, flutuante e hidráulico. Por questões de simplicidade, decreve-se a seguir o lisímetro de drenagem ou percolação. Lisímetro de drenagem ou percolação: consiste de um tanque enterrado no solo, com dimensões mínimas de 1,5 m de diâmetro por 1,0 m de altura, com uma borda superior de 5 cm acima da superfície do solo. Do fundo do tanque sai um cano que conduzirá a água drenada até um recipiente. O tanque tem que ser cheio com o solo do local onde será instalado o lisímetro, mantendo a mesma ordem dos horizontes. No fundo do tanque, coloca-se uma camada de mais ou menos 10 cm de brita coberta com uma camada de areia grossa. Esta camada de brita tem finalidade de facilitar a drenagem de água que percola através do tanque. O tanque deve ser pintado interna e externamente para evitara problemas de corrosão. Após instalado, planta-se grama no tanque e na sua área externa. A Figura 1. ilustra esse tipo de lisímetro. Figura 1. Esquema ilustrativo de um lisímetro de percolação A evapotranspiração potencial para um período qualquer é dada pela equação: ETP I P D = + S onde: ETP=evapotranspiração potencial (mm); I=irrigação do tanque (litros); P=precipitação pluviométrica no tanque (litros); D=água drenada do tanque (litros); e S=área do tanque (m 2 ) 4

5 Como o movimento da água no solo é um processo relativamente lento, os lisímetros de percolação têm precisão para períodos mais ou menos longos Métodos Baseados na Temperatura: Thornthwaite: a equação do método baseada em dados de precipitação e escoamento para diversas bacias hidrográficas dos EUA, correlacionados com informações de temperatura é: t a ETP = D. 16.( 10 ) I onde ETP=evapotranspiração potencial para meses de 30 dias e comprimento de 12 horas (mm/mês); t=temperatura média mensal do ar ( 0 C) e D=comprimento médio dos dias do mês, em unidades de 12 horas(tabela 1); I=índice de calor anual, correspondente à soma dos 12 índices mensais. I 12 t = ( ), 5 i= a = 67, 510. I 7, I + 0, I + 0, 492 onde t i temperaturas do mês analisado em 0 C. A equação de Thornthwaite ganhou popularidade mundial, mais pelo fato de necessitar somente de dados de temperatura do ar, informação disponível em grande número de estações e mesmo em postos meteorológicos, do que pela sua precisão. Tabela 1. D - Comprimento dos dias do mês em unidades de 10 horas(tucci,1993). LATITUDE JAN FEV MAR ABR MAIO JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 10 N N S S S S S S S S Balanço Hídrico: a determinação da evapotranspiraçao real de uma região é feita medindo a vazão efluente dessa região (superficial e pelo solo) e subtraindo esse valor da vazão total de entrada na região (precipitação, afluxo superficial e pelo subsolo, bem como água importada). As alterações no armazenamento superficial e subterrâneo devem ser consideradas, quando não forem desprezíveis. 5