ar do solo

AR DO SOLO E AERAÇÃO

COMPOSIÇÃO variável

ESTRUTURA não há

PROPRIEDADES

PRESSÃO

VISCOSIDADE

DIFUSÃO

PERMEABILIDADE

AERAÇÃO DO SOLO –

Processo de troca de O2 e CO2 bem como de formas

voláteis de N, S e hidrocarbonetos com a atmosfera

Gases do solo:- No estado livre - poros- Dissolvidos na fase gasosa- Adsorvido na fase sólida

COMO ESTUDAR AERAÇÃO

1. POROSIDADE DE AERAÇÃO

2. CONCENTRAÇÃO DE GÁS

3. COMPOSIÇÃO DO AR DO SOLO

4. POTENCIAL REDOX, Eh

5. MEDIÇÃO DA RESPIRAÇÃO DO SOLO

Par = PT - Uv

Por que a fração com ar muda?

* Umidade * Secagem * Contração

* Expansão * Preparo * Compactação

* Dispersão * Agregação

1. POROSIDADE DE AERAÇÃO

Entre 5 e 20% pode limitarrespiração radicular

Na média próximo a 10%após 3 dias de drenagem

Ar ocluso – Continuidade - crosta

1. POROSIDADE DE AERAÇÃO

Volume de ar, água e poros relacionados a Ds,para diferentes umidades (0,1; 0,2 e 0,3 g/g)

1. POROSIDADE DE AERAÇÃO

CAPACIDADE DE AR

Arenosos 25 % ou >

Francos 15 - 20 %

Argilosos Agregados 20 - 30 %

Argilosos retém muita água 10 % ou <

Argilosos compactados 5 %

1. POROSIDADE DE AERAÇÃO

CCPTCar

2. CONCENTRAÇÃO DE GÁS

C - concentração do gás kg/m3

M - massa molar 0,032 kg para O2

R - constante dos gases 8,314 J/mol.K

T - temperatura absoluta K

p - pressão parcial Pa =

volume 0,21% x pressão atmosférica (101.325 Pa)

A pressão atmosférica (760 mmHg = 1 atm) é a soma das pressões parciais de cada gás.

pRT

MC

Do cosmos (Universo)

Oxigênio = 0,1

H + He = 99,86

O + H + He + C + N = 99,99

3. COMPOSIÇÃO DO AR % volume

Do ar seco próximo ao solo

Oxigênio = 20,95

Nitrogênio = 78,08

Gás carbônico = 0,033

Argônio = 0,934

3. COMPOSIÇÃO DO AR DO SOLO

Varia em composição e concentração no espaço e no tempo

Composto por O2, CO2, N2, NH3, NO, NO2

Difere do ar atmosférico

Umidade Rel = 100 % N2 = 79 % O2 + CO2 = 21 %

CO2 Atmosfera = 0,033 % solo úmido = 3,6 %O2 Atmosfera = 20,95 % solo saturado = 0 até 17 %

3. COMPOSIÇÃO DO AR DO SOLO

Quando:

CO2 > 5 % ou

O2 < 15 %

reduz o crescimento das raízes e parte área

O limite superior crítico é 10 % de CO2

VARIA COM

• Matéria Orgânica - conteúdo e composição

• Época do ano

• Temperatura

• Umidade

• Profundidade

• Crescimento de raízes

• Atividade microbiológica

• pH

• Taxas de trocas gasosas

3. COMPOSIÇÃO DO AR DO SOLO

Variação sazonal da respiração e temperatura do soloem Rothamsted (Curi, 1975) Cromatógrafo gasoso

4. POTENCIAL REDOX, Eh

• Potencial em Volts requerido em uma célula elétrica para produzir

oxidação em um ânodo e redução em um cátodo. Medido em

relação a um eletrodo de H padrão, que é considerado zero.

• Tendência de um solução doar elétrons para substâncias reduzíveis

ou aceitar elétrons de substâncias oxidáveis

• Quanto mais fortemente redutora uma substância, menor é o seu

potencial redox

• Utilizado para avaliar o estado de aeração do solo

4. POTENCIAL REDOX, Eh

AERÓBICO

Glucose ácido pirúvico

C6H12O6 2 CH3COCOOH + 4 H+ + 4 e-

O2 + 4 H+ + 4 e- 2 H2O

4. POTENCIAL REDOX, Eh

ANAERÓBICO Denitrificação

Nitrato Nitrito Óx. Nitroso N elementar

NO3- NO2

- N2O N2

NO3- + 2H+ + 2e- NO2

- + H2O

2NO2- + 8H+ + 6e- N2 + 4H2O

Redução Mn Mangânica Manganoso Mn+4 + 2e- Mn+2

Redução Fe Férrica Ferroso Fe+3 + e- Fe+2

Redução S Sulfato Gás Sulfídrico SO42- H2S

Metano CH4

4. POTENCIAL REDOX, Eh

São tóxicos para as plantas:

Sulfato ferroso

Ethylene (C2H4)

Álcools

Ácidos: Acético, Nítrico, Fenólico

Diminui a permeabilidade das raízes à água

5. MEDIÇÃO DA RESPIRAÇÃO DO SOLO

TAXA DE RESPIRAÇÃO

LABORATÓRIO 0,75 mol de O2 /m3.12 hs ou 24 g/m3dia

CAMPO 8 g/m3.12 hs.dia Inglaterra

1. Perfil com 50 cm profundidade e 15 % de porosidade com ar = 75 L/m2

2. Se 20 % é O2 Resulta em 15 L/m2 de O2

3. Um gás na temperatura e pressão padrão ocupa 22,4 L/mol

4. 1 mol de O2 = 32 g Assim 22,4 L 32,0 g O2

15 L 21,4 g O2

5. Se o consumo de O2 pela respiração do solo for 10 g/m2.dia

6. A reserva inicial duraria 2,1 dias.

Respirômetro de solo em Rothamsted (Curi, 1975)

5. MEDIÇÃO DA RESPIRAÇÃO DO SOLO

Consumo de O2 e liberação de CO2 em solo descoberto e cultivado com Kale (g.m-2.dia-1).Rothamsted

5. RESPIRAÇÃO DO SOLO

Solo Janeiro Julho

Cultivado Descoberto Cultivado Descoberto

Consumo de O2 2,0 0,7 24 12

Liberação de CO2 3,0 1,2 35 16

Temperatura do solo a 10 cm

3ºC 17ºC

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

PROCESSOS

→ CONVECÇÃO - Fluxo de massa. Gradiente de pressão

→ DIFUSÃO - Gradiente de pressão parcial = 90%

A. FLUXO CONVECTIVO

Diferença de pressão atmosférica = 1/100

Gradiente de temperatura = 1/240

Rajadas de vento = = 1/1000

Penetração da água = 1/12 a 1/60

Flutuação do lençol freático

Extração de água pelas plantas

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

Considerando:

ar = densidade do ar; mar = massa específica do ar; M = massa molar

p = pressão; V = volume; n = número de moles do gás;

R = constante universal dos gases; T =Temperatura

Assim:

A equação mostra que ar varia diretamente com a pressão e esta aumenta exponencialmente

na direção do campo de força.

pTR

mar .

.

A. FLUXO CONVECTIVO

Pressão de ar no campo gravitacional

TRnVpMnmV

mar

ar

arar ....

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

p = pressão total de gases ou pressão parcial de gases em atm ou bar

z = altitude em km

M= massa molar; R = constante universal dos gases; T =Temperatura

RT

Mgz

atm epp

Considerando:

Mar = 28,8 g/mol

g = 9,81 m/s2

R= 8,3144 J/mol.K

T = 293 K

A. FLUXO CONVECTIVO

Pressão de ar no campo gravitacional

z

atm epp 12,0

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

•Equação para fluxo convectivo no estado transiente

com

qv = volume de ar no fluxo convectivo; qm = massa de ar no fluxo convectivo

= densidade do ar; k = permeabilidade do espaço poroso; M= massa molar

= viscosidade do ar; n = número de moles do gás; m = peso molecular ou massa específica

R = constante universal dos gases; T =Temperatura; P = pressão; V = volume

2

2

.dx

Pd

dt

dP

mRT

dx

dPqv .

A. FLUXO CONVECTIVO

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

•A condutividade do solo ao ar depende da quantidade, continuidade

e geometria do espaço poroso não ocupado por água

•É aproximadamente 15 vezes maior que a condutividade hidráulica.

dx

dPqv .

A. FLUXO CONVECTIVO

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

Devido a dificuldade é medido a permeabilidade ao ar, ou seja, um coeficiente que “governa” a convecção

PERMEABILIDADE

• Depende da distribuição e tamanho dos poros e obedece a Lei de

Poiseville:

• Fluxo varia com a quarta potência do raio dos poros

• Fornece informações de tamanho efetivo e continuidade dos poros

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

A. FLUXO CONVECTIVO - Medição

Permeâmetro com pressão variável e volume constante

k = (2.3 L..V / A.Pa) (log [p1 / p2] / ∆ t)

k = permeabilidade ao ar L = Comprimento da amostra

A = Área da seção transversal V = Volume da célula de ar

Pa = Pressão barométrica p = Pressão na célula de ar t = tempo

p1 e p2 = pressão no início e final do processo após transcorrido tempo ∆T

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

A. FLUXO CONVECTIVO - Permeabilidade

Permeâmetro com volume variável e pressão constante

k = (L./Af) (∆V/t)

k = permeabilidade ao ar L = Comprimento da amostra

A = Área da seção transversal V = Volume da célula de ar t = tempo

p1 e p2 = pressão no início e final do processo após transcorrido tempo ∆t

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

A. FLUXO CONVECTIVO - Permeabilidade

Apt

lVgK ll

..

..

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

A. FLUXO CONVECTIVO - Permeabilidade

10

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0P

C

Esc

Su

b

PD

PD

c

PC

Esc

Su

b

PD

PD

c

PC

Esc

Su

b

PD

PD

c

PC

Esc

Su

b

PD

PD

c

PC

Esc

Su

b

PD

PD

c

PC

Esc

Su

b

PD

PD

c

PC

Esc

Su

b

PD

PD

c

0-5 5-10 10-15 15-20 20-30 30-40 40-50

10

Solte campos de página aqui

Média de (cm s-1)

Profundidade (cm) Tratamento

(kPa)

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

A. FLUXO CONVECTIVO - Permeabilidade

Gradiente de pressão parcial dos gases nas fases gasosa e líquida

LEI DE FICK Jg = fluxo difusivo (kg/m2s)

D = coef de difusão (m2/s)

c = concentração (kg/m3)

Considerando a pressão parcial (P = N.m-2) ao invés da concentração

B = Relação da pressão parcial com a concentração

dx

dcDJg

dx

dP

B

DJg .

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

B. FLUXO DIFUSIVO

A difusividade no solo (Ds) é menor do que no ar atmosférico (Do), devido a

pequena porosidade de aeração (volume e continuidade)

Maior para gases de menor peso molecular

Varia com a temperatura e pressão

0,05 a 0,28 cm2/s

É pouco afetado pelo tamanho dos poros pois as moléculas são pequenas

É afetada pela tortuosidade e umidade (distância a percorrer)

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

B. FLUXO DIFUSIVO

Coeficientes de difusão Na temperatura e pressão padrões

(m-2.s-1)

CO2 no ar 1,64.10-5

O2 no ar 1,98.10-5

Vapor de H2O no ar 2,64.10-5

CO2 na água 1,6.10-9

O2 na água 1,9.10-9

N2 na água 2,3.10-9

NaCl na água 1,3.10-9

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

B. FLUXO DIFUSIVO – Coeficientes de difusão

BUCKINGHAN (1904)

PENMAN (1940)

BLAKE & PAGE ( 1948) entre 0,62 e 0,80 é 0 quando fa < 0,1

Van BAVEL (1952)

WESSELING (1962)

2. faDo

Ds

faDo

Ds.66,0

faDo

Ds.61,0

1,0).9,0( faDo

Ds

MOVIMENTO E TROCA DE GASES NO SOLO

B. FLUXO DIFUSIVO – Difusividade relativa

Múltiplo Nome Símbolo Múltiplo Nome Símbolo

100 pascal Pa

101 decapascal daPa 10–1 decipascal dPa

102 hectopascal hPa 10–2 centipascal cPa

103 quilopascal kPa 10–3 milipascal mPa

106 megapascal MPa 10–6 micropascal µPa

109 gigapascal GPa 10–9 nanopascal nPa

1012 terapascal TPa 10–12 picopascal pPa

1015 petapascal PPa 10–15 femtopascal fPa

1018 exapascal EPa 10–18 attopascal aPa

1021 zettapascal ZPa 10–21 zeptopascal zPa

1024 yottapascal YPa 10–24 yoctopascal yPa

1 J = 1 m3 Pa K−1 mol−1