Por que os meteorologistas precisam da temperatura do solo?



No post de hoje falaremos das medições de temperatura do solo e da importância dessas medições para os meteorologistas. Cortesia de Shutterstock

Sei que muitos dos meus leitores visitam o meu blog porque gostam dos meus posts sobre meteorologia. E eu não quero desapontá-los, por isso faço questão de escrever sobre o assunto. As vezes me falta inspiração para escrever sobre meteorologia, porém me sobra inspiração para escrever sobre outros temas. No entanto, saiba que esse blog é sim fiel a suas raízes e sempre temos posts relacionados com essa fantástica área do conhecimento.

Hoje vou falar sobre a importância das medições da temperatura do solo para os meteorologistas.  Quando a gente fala em temperatura, no contexto da Meteorologia, quase que na maioria das vezes estamos falando de temperatura do ar.

Temperatura é uma grandeza física que mensura o “grau de agitação médio” das moléculas de um sistema em equilíbrio térmico. Assim, é possível medir a temperatura de qualquer meio e para diversas aplicações técnico-científicas. E para cada aplicação, o termômetro terá um design próprio para a finalidade.

Para a Meteorologia, na maioria dos casos nos importamos com a temperatura do ar e é a temperatura do ar que é divulgada quando apresentamos a previsão do tempo. No entanto os meteorologistas, dependendo do estudo que realizam, também necessitam da temperatura da superfície do mar ou da temperatura do solo.

A temperatura do ar pode ser medida em diversas alturas. Em geral, o valor apresentado é para uma altura de aproximadamente 1,5m-2,0m do solo. No entanto, a temperatura do ar medida bem na superfície do solo, exatamente na interface entre a atmosfera e a superfície,  possui valores bem diferentes.

E além de medirmos a temperatura exatamente no ‘limite’ entre solo e atmosfera, os meteorologistas também monitoram a temperatura em outras profundidades, com termômetros “enterrados” no solo. Veja a imagem abaixo (Figura 1). Na Figura 1, temos termômetros que medem a temperatura do solo em diferentes profundidades (da esquerda para a direta: superfície, 5cm, 10cm, 20cm, 30cm e 40cm).

Os termômetros fabricados para medir a temperatura do solo estão disponíveis em ao menos dois tipos de tecnologia. Podem ser sensores eletrônicos que devem enterrados nas profundidades designadas (por exemplo, para medir a temperatura a uma profundidade de 30cm, um sensor eletrônico próprio deve ser enterrado nessa profundidade). E podem ser termômetros de mercúrio (como os da Figura 1). No entanto, os termômetros de mercúrio estão com os anos contados como consequência da Convenção de Minamata (que será assunto de outro post).  Como ainda demora alguns anos para que os termômetros de mercúrio sejam totalmente banidos, eles ainda são fabricados e utilizados.

Figura 1: Termômetros que medem a temperatura do solo em diferentes profundidades (da esquerda para a direta: superfície, 5cm, 10cm, 20cm, 30cm e 40cm). Os termômetros da imagem estão instalados na Estação Meteorológica do IAG-USP

Os termômetros de mercúrio designados para medir a temperatura do solo possuem um vidro reforçado. Nesses quase 8 anos de experiência com esse tipo de termômetro, digo para vocês que nunca presenciei nenhum caso de contaminação do solo. Quando o vidro externo quebra, ainda há o vidro do capilar e o mercúrio não vasa. E claro, o termômetro nesse caso deve logo ser substituído.

Esses termômetros são compridos e possuem um comprimento compatível com a profundidade que deverá medir. A Figura 2 mostra uma ilustração de um desses termômetros em perfil, indicando essa característica. O termômetro de solo tem o comprimento necessário para garantir que seu bulbo fique na profundidade necessária.

Figura 2: Imagem obtida a partir de uma apostila do curso de Engenharia Agronômica na UFRPE. Na ilustração, vemos um termômetro de solo em perfil. Ele é ligeiramente inclinado e apoiado em um suporte. A parte enterrada do termômetro tem um comprimento de acordo com a profundidade que se pretende fazer a medida de temperatura.

O ciclo diário de temperatura do solo varia dependendo da profundidade do termômetro em questão. A Figura 3 mostra um ótimo exemplo, referente a dados reais de temperatura do solo do dia 30/07/2017 de um ponto na cidade de São Paulo-SP (dados da Estação Meteorológica do IAG-USP). No gráfico da Figura 3 podemos ver 6 linhas de cores diferentes, cada uma correspondente a uma profundidade.  A linha correspondente à temperatura na superfície (azul com losangos) indica que é a que possui maior amplitude térmica (diferença entre temperatura máxima e temperatura mínima). Quanto maior a profundidade, menor a amplitude térmica, tanto que a linha correspondente à 40cm de profundidade (laranja com bolinhas) é quase uma “linha reta”, indicando que a temperatura variou muito pouco ao longo do dia.

Além dessa questão referente à amplitude térmica, a Figura 3 mostra que o “pico” (valor máximo de temperatura) se desloca conforme vamos avançando em profundidade:

  • Na superfície (linha azul com losangos), o pico ocorre por volta das 12h.
  • Em 5cm de profundidade (linha vermelha com quadrados), o pico ocorre entre 13h e 14h.
  • Em 10cm de profundidae (linha verde com triângulos), o pico ocorre entre 15h e 16h.
  • Em 20cm de profundidade (linha roxa com X), o pico parece ocorrer entre 18h e 17h
  • Em 30cm de profundidade e 40cm de profundidade (linha azul com * e linha laranja com círculos, respectivamente) não parece haver um pico aparente. No entanto, pode ser que seja possível identificar um ciclo completo com mais de 24h de dados.

A Lei de Fick explica o que ocorre nas primeiras dezenas de centímetros do solo. O calor é difundido da superfície do solo em direção às maiores profundidades. Claro que existe um limite para essa difusão de calor: quanto mais quente estiver a superfície, mais calor pode ser difundido para as próximas dezenas de centímetros de profundidade. O “limite” para essa difusão de calor parece estar em torno de 1m de profundidade.

Figura 3 – Dados reais de temperatura do solo em diferentes profundidades (mesmas profundidades dos termômetros apresentados na Figura 1: superfície, 5cm, 10cm, 20cm, 30cm e 40cm). Os dados são do dia 30/07/2017, de um ponto na São Paulo-SP (dados da Estação Meteorológica do IAG-USP)

É preciso ressaltar também que o tipo de solo vai influenciar no quanto vai ocorrer o aquecimento da superfície e das camadas abaixo dela. A superfície da areia, por exemplo, absorve bastante radiação solar e fica muito quente, no entanto ela não é uma difusora de calor muito boa. Tanto que basta cavar alguns centímetros para perceber que ela está bem menos quente que a superfície. Há um coeficiente de difusão de calor diferente para cada tipo de solo, e essa informação entra na aplicação da Lei de Fick.

A superfície da Terra aquece a atmosfera

Precisamos lembrar que a atmosfera (os gases que compõe o ar atmosférico) é praticamente “transparente” para a radiação solar. Isso significa que o ar (lembrando que o ar é um conjunto de gases) pouco absorve radiação solar, exceto por alguns gases que compõe o ar, como por exemplo o dióxido de carbono (CO2) e o vapor d’água, pois esses sim absorvem radiação solar. O que na verdade aquece a atmosfera é a superfície da Terra.

Em outras palavras, a radiação solar (energia solar) é absorvida pela superfície da Terra. A superfície da Terra vai então emitir radiação de onda longa (calor) e assim aquecer a atmosfera. Por essa razão, a temperatura máxima da superfície do solo ocorre por volta do 12h (conforme vimos na Figura 3), porém a temperatura máxima do ar ocorre entre 14h e 16h, já que o solo primeiramente absorve a radiação solar e apenas depois aquece a atmosfera.

A Figura 4 a seguir mostra uma comparação entre a temperatura do bulbo seco (temperatura do ar, numa altura de aproximadamente 1,5m do chão) e a temperatura da superfície do solo. Observe como o pico de temperatura da superfície do solo (linha azul com losangos) ocorre por volta das 12h, conforme mencionamos antes. Por outro lado, o pico de temperatura do ar (linha vermelha com quadrados) ocorre por volta das 15h.

Figura 4 – Temperatura da superfície do solo (linha azul com losangos) e temperatura do ar (temperatura do bulbo seco, linha vermelha com quadrados) para o dia 30/07/2017. Dados da Estação Meteorológica do IAG-USP

O que a Madonna tem a ver com isso?

Como vocês sabem, meus posts nunca são “normais”. De alguma maneira, eu preciso oferecer algum tipo de viagem mental sem psicotrópicos para os meus leitores. E agora vamos falar da Madonna. Da cantora, não da Virgem. Dentre os inúmeros sucessos da carreira dessa maravilhosa cantora, vou destacar a música La Isla Bonita, música que a cantora compôs em homenagem ao vilarejo de San Pedro, na ilha de Cayo Ambergris que pertence a Belize.

Bom, há um verso nessa música que eu realmente preciso destacar:

I want to be where the sun warms the sky

Madonna, minha querida! Você se equivocou: o sol não aquece o céu. Quem aquece o céu é a superfície da Terra, conforme explicamos antes (eu, torcendo para que a Madonna leia esse post). Mas tudo bem, você não é meteorologista ou de qualquer área correlata. Você não é meteorologista e aparece em programas de entrevista demonstrando que não sabe nada (ou ignora saber) sobre radiação solar.

Efeito Estufa

O efeito estufa acontece porque alguns gases atmosféricos tem a capacidade de absorver radiação solar. E graças ao efeito estufa, a vida na Terra é possível: sem o efeito estufa, a temperatura média da Terra seria bem mais baixa e teríamos uma zona habitável menor.

Gases como vapor d’água, metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) possuem essa capacidade de absorver radiação. O efeito estufa está sendo aumentado porque a atividade humana tem aumentado a concentração de alguns gases de efeito estufa na atmosfera (principalmente o CO2 e o CH4). E esse aumento do efeito estufa tem relação com o aquecimento global, que além do aumento da temperatura média da Terra, pode causar diversos efeitos negativos para os habitantes do planeta. E para saber um pouco mais sobre esses efeitos, principalmente para o caso da América Latina, leia esse post e esse post.

Não é de agora que o IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas) tem falado da importância do controle da emissão de gases de efeito estufa. Quando tivemos aquela grave crise hídrica em São Paulo, os olhos dos cientistas voltaram-se para uma das possíveis consequências das mudanças climáticas: mais pessoas podem ficar sem água potável. Além dos efeitos das mudanças climáticas propriamente ditas, a poluição das águas e a falta de proteção de áreas de nascentes (que muitas vezes possuem habitações irregulares e desmatamentos) fazem com que o risco de crise hídrica seja ainda maior. A crise de 2014 pode ter passado, porém nenhuma medida foi seriamente tomada e outras crises hídricas podem surgir, porém esse é assunto para outros posts.

Conclusão

A medição da temperatura do solo em diferentes profundidades é importante para a Meteorologia porque ajuda a estimar o fluxo de calor do solo para a atmosfera, que de modo geral podemos chamar de fluxo de calor sensível. Colo é o solo que na verdade aquece a atmosfera, estimar esse fluxo ajuda a entender também as variações de temperatura na atmosfera.

Além disso, medir a temperatura do solo em diferentes profundidades tem aplicações para a Agronomia, Botânica, Engenharia Civil, Geologia, etc. Em outras palavras, várias áreas do conhecimento podem utilizar esses dados em seus estudos, ajudando desde a escolha do tipo certo de semente para um determinado cultivo em uma determinada localidade até na eficiência térmica de construções.

Informações adicionais

Eu editei meu texto para recomendar um ótimo link para vocês. Vou deixar abaixo a mensagem do Vinícius, do Monolito Nimbus:

Muito legal esse post, até lembrei de um estudo que eu tinha feito por conta própria sobre a propagação de calor no solo com base em umas equações do livro de física-matemática. O livro também propões uma comparação entre estações do ano. Vou deixar o link: http://www.monolitonimbus.com.br/variacoes-da-temperatura-no-solo/