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A radiação solar em Portugal: sua importância como factor do clima
Autor(es): Morais, J. Custódio de
Publicado por: Museu Mineralógico e Geológico
URLpersistente: http://hdl.handle.net/10316.2/37919
Accessed : 2-Feb-2019 15:51:08
digitalis.uc.ptimpactum.uc.pt
PUBLICAÇÕES DO MUSEU MINERALÓGICO E GEOLÓGICODA
UNIVERSIDADE DE COIMBRA
N.° 13
Memóriase Notícias
COIMBRATIPOGRAFIA DA ATLÂNTIDA
1944
A Radiação Solar em Portugal
Sua importância como factor do clima
O estudo da radiação solar tem tomado nos últimos anos grande impulso, pois é do Sol que provém pràtica- mente toda a energia que se manifesta à superfície da Terra, e o seu conhecimento é fundamental no estudo da meteorologia.
O presente trabalho é uma síntese dos resultados publicados nos Observatórios das 3 Universidades, especialmente dos de Coimbra, aproveitando no fim os resultados dèste estudo para verificar a importância dèste factor no clima de alguns postos do continente português.
Em 1936 no Instituto Geofísico de Coimbra publicou-se o resultado das observações da radiação solar feitas em 1916 com o pirheliómetro de compensação de Angstrom (1), com uma pequena introdução mostrando que é nos primeiros tempos da primavera que se encontram os valores máximos
a) Variação durante o ano
RADIAÇÃO SOLAR DIRECTA, SÔBRE UMA SUPERFÍCIE NORMAL AOS RAIOS SOLARES
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da radiação, e notando que estes fenómenos são muito complexos e irregulares.
Um ano de observações aí publicado é muito pouco para tirar conclusões.
Actualmente está o Observador-chefe Dr. Sousa Brandão encarregado dêstes estudos, e dèle obtivemos uma nova série de 200 observações feitas de Julho de 1939 a Abril de 1942.
Pondo de parte a variação da chamada «constante solar», a principal causa da variação da intensidade dos raios solares está na massa de ar atravessada.
Nas observações publicadas, estas massas de ar veem, em geral, indicadas, mas para estudar as variações da radiação precisamos reduzir aquelas intensidades às mesmas massas de ar, para as tornar comparáveis.
A lei que regula o enfraquecimento da radiação é sensivelmente
l = I0 pm
em que l é a intensidade no instante da observação, I0 a constante solar, (ou intensidade antes de entrar na atmosfera) m a massa de ar atravessada pelos raios solares, tomando para unidade a massa atravessada na vertical, à pressão de 760 mm., p uma constante chamada coeficiente de transmissão.
Para compararmos as duas séries de observações temos de as reduzir às mesmas massas de ar, obtendo o quadro dos valores dos coeficientes de transmissão da série de 1916, em que m foi calculado pela fórmula de Bemporad (2), e as reduções aos mesmos valores de m pelo processo gráfico de Hand (2), ampliado por nós.
Não estão feitas as reduções à distância média do sol, atendendo a que se destinam os resultados só à comparação das 2 séries.
Os valores correspondentes da série mais moderna mos-
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tram valores dos coeficientes em média maiores, a que corresponde uma intensidade média também maior de 0,14 calorias por minuto e por centímetro quadrado.
No quadro da página seguinte expomos as médias das duas séries de observações, dando o mesmo pêso a cada observação.
Quadro dos coeficientes de transmissão
Série de 1916
Para o cálculo dêste quadro associámos os valores de m e I à volta de valores inteiros de m, e calculámos as médias correspondentes. Depois pelo cálculo algébrico calculámos os valores de I para m inteiro.
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Quadro dos valores de I e de p, média das 2 séries de observações de Coimbra
Como para o cálculo dêste quadro introduzimos uma correcção proveniente da distância variável da Terra ao Sol, os valores de p exprimem agora as condições de transparência da atmosfera. Vê-se nele : i) que os coeficientes calculados pela dita fórmula aumentam com a massa de ar, o que é geral nos outros observatórios.
2) que êles são maiores no inverno do que no verão, isto é, há mais transparência da atmosfera no inverno.
Atribui-se êste facto à maior tensão do vapor de água atmosférico no verão, e também, segundo Linke, às correntes de convecção atmosférica (3) que são maiores no verão.
Para vêr a influência da tensão do vapor de água existente na atmosfera servimo-nos do gráfico de Kimball (4) aproveitando as observações de 1916.
Obtivemos para m = 1,5 os valores de p no inverno maiores do que no verão em cêrca de 4%.
Devemos notar que os valores de p calculados pelo
método de Kimball, tomando em conta os valores da tensão do vapor, são menores do que os valores observados, o que só significa que a atmosfera em Coimbra é muito pura, pois é uma cidade com pequena indústria.
Concorre, como dissemos, para esta irregularidade o pequeno número de observações.
Façamos agora o mesmo cálculo para as medidas feitas no Porto (Serra do Pilar), reduzindo os valores de / e m que andam à volta de m inteiro, pela média aritmética, e calculando em seguida pela álgebra os valores de / e p para m inteiro. Obtivemos o quadro 3, para o que demos ás médias mensais o mesmo pêso, embora não resultem do mesmo número de observações (5).
Quadro dos valores de I e de p para valores inteiros de m, deduzidos das obs. da Serra do Pilar no ano de 1939 a 1942
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Da comparação deste quadro com o anterior resulta que a transparência da atmosfera ê nas duas cidades sensivelmente a mesma, pelo menos nas épocas em que são feitas as observações, que excluem os dias de sol encoberto.
Os valores médios da intensidade e dos coeficientes de transparência são:
Para comparação calculámos também os coeficientes de transmissão para Madrid, deduzidos do período de Setembro de 1910 a Agosto de 1924. Verifica-se que eles são sensivelmente iguais aos de Coimbra e Porto, estando em geral abaixo dos nossos 0.02, mas tais diferenças estão abaixo dos erros das observações.
b ) Variação durante o dia
Com o fim de investigar esta variação, utilizámos das observações de Coimbra aqueles dias em que houve observações de manhã e de tarde, mas não muito perto do meio dia verdadeiro, para comparar as intensidades da radiação, ou a turvação da atmosfera, na manhã e na tarde.
Aproveitámos para êste estudo o novo factor de turvação de Linke (3), que exprime, na opinião deste autor, melhor que qualquer outro as condições de transparência atmosférica.
Diz que êle é sensivelmente independente das massas de ar, e que a uma variação no seu valor corresponde uma variação nas condições atmosféricas.
em que I0 é a constante solar, I a intensidade observada, e I w =i é a intensidade numa atmosfera correspondente em que a massa de água precipitável é I cm. c.
Para o cálculo dêste factor publicou o autor um gráfico com as entradas: I (reduzida à distância média da Terra ao Sol) e massa do ar m.
Com èste gráfico obtivemos os valores:
Com este factor a comparação da turvação da atmosfera é feita não com uma atmosfera pura e sêca (atmosfera de Rayleigh) mas com uma que tem i cm. de água precipitável. O seu valor é
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Na série moderna usámos 12 observações de inverno e 14 de verão, e na série antiga 3o de Janeiro e 15 de Junho.
Nota-se que a turvação é maior no verão do que no inverno, e também que a turvação aumenta com a tensão de vapor (pois as observações antigas indicam êste elemento na hora da observação). Em geral há mais turvação de manhã do que de tarde.
RADIAÇÃO GLOBAL SOBRE UMA SUPERFÍCIE HORIZONTAL
a ) Radiação difusa
A radiação global abrange não só a radiação directa do sol, mas também a radiação do céu, com ou sem nuvens.
Nos dias em que houve em Coimbra medida da radiação directa para aferição dos valores registados nos instrumentos, fez-se também a medida da radiação difusa sobre uma superfície horizontal, tirando à radiação global a componente vertical da radiação directa sobre a superfície horizontal.
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No gráfico n.° 1 resumimos os resultados destas medidas, tomando como abcissas as massas de ar, e ordenadas as intensidades da radiação global no instante da observação.
Os números colocados nos vários meses indicam o número de observações donde foram deduzidos, e estão ligados aos pontos que representam a intensidade da radiação difusa.
Os pontos isolados correspondem a observações únicas.As observações com massas de ar perto de 3 vão resu
midas na última vertical com 5 observações.Vê-se no gráfico que a intensidade da radiação difusa
diminue um pouco com o aumento das massas de ar, e é menor no inverno com o valor médio o.13, do que no verão com o valor médio 0,17.
Esta variação depende mais da massa de ar do que da temperatura, como verificámos eliminando o efeito das massas de ar.
As relações das intensidades da radiação difusa para a global, deduzidas das curvas médias são:
Verão (Maio a Agosto).................
Inverno (Janeiro a Dezembro) .
para massas de ar inferiores a 3 (altura do sol maior que 20o), e dias claros.
Kimball (2) dá para Washington valores que se aproximam dêstes.
b) Radiação global
Em Coimbra esta radiação é medida (8) com o solarí- grafo de Gorczynski, (comparado várias vezes com o solarí- metro do mesmo autor), e na sua falta com o actinógrafo de Robitzch.
0 , 1 2
o,18
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Estes números exprimem a radiação total média, durante o dia, expressa em cal. gram. min. cm. q.
Vê-se na tabela que o fenómeno é bastante irregular de ano para ano, apresentando o máximo em Julho e o mínimo em Janeiro, com um pequeno mínimo secundário mi Junho.
Se tomarmos porém, não só os dias claros, mas todos 3s dias, o fenómeno é muito mais irregular, sendo os valores médios dos 5 anos (38 a 42) os seguintes:
Os resultados das medidas feitas só em dias claros, isto é, em que a curva do registrador é muito regular são:
No gráfico n.° 2 representámos por traços cheios estes valores da radiação global quere para os dias claros, quere para todos os dias. Vê-se bem, no mesmo gráfico, que a variação desta radiação acompanha a variação da percentagem das horas do brilho do sol.
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Na mesmo gráfico representamos com linhas pontuadas a radiação global média sôbre uma superfície horizontal, tirada dos quadros de Maurin (7) para a latitude de Coim-
bra, com os vários coeficientes de transparência I (sem atmosfera) 0,9 0,8 0,7.
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Vê-se que os valores dos dias claros mostram uma transparência aproximadamente igual a o,85 até Maio, e diminuindo um pouco em Junho começa de novo a subir tendo em Ou., No., e De. transparência acima de 0,9.
O facto da transparência do ar deduzida das observações globais ser inferior à deduzida das directas explica-se facilmente, pois que as radiações directas são deduzidas entre nós de observações com massas de ar em geral abaixo de 3, e como os coef. de transparência aumentam com as massas de ar e as massas de ar médias durante o dia são maiores que 3, a radiação global é recebida em média com maior coef. de transparência.
Nos gráficos de Kennedy (II) vê-se qual a massa de ar média durante os vários meses, para a nossa latitude :
com o valor médio 3.61, acima dos valores habituais das nossas observações.
No gráfico n.° 3 representamos os mesmos factos para o Porto deduzidos das observações de 3 anos (1940-41-42) para a radiação de todos os dias
Mostram êstes gráficos que a transparência no Porto é um pouco menor do que em Coimbra, mas esta deferença
O facto é porém mais complexo pois a mesma explicação não serve para Lisboa, onde parece haver também menor transparência, quando o número de dias de nevoeiro, é ainda menor.
de transparência não está de harmonia com o resultado das medidas directas, pois que então vimos que os coeficientes de transparência eram sensivelmente iguais.
Uma das causas desta menor transparência no Porto deve estar no maior número de dias com nevoeiro pois há nesta cidade em média (9) 188 dias com nevoeiro, ao passo que em Coimbra há só 64, e naturalmente nestes dias não há observações de radiação directa.
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Para ilucidação publicamos o quadro (das normais de 3o anos) dos elementos que podem influir na radiação:
Uma das causas das anomalias da radiação deve estar no pequeno número de anos de observações, pois Hand (10) num artigo passando em revista o estudo da radiação solar traça curvas médias de várias estações americanas, onde a mais regular, de Madison, resulta de 26 anos de observações. Estas curvas são muito mais irregulares do que as nossas, pois, emquanto as nossas representam só médias mensais, aquelas representam médias semanais.
Nas nossas curvas, apesar de deduzidas de pequeno número de anos nota-se :
1.° — que o máximo absoluto para os dias de céu claro tem lugar em Julho e o mínimo em Janeiro, havendo outro máximo em Maio.
2.0 — nas médias de todos os dias há uma máximo único no mês de Julho, e mínimo em Janeiro.
E a variação de nebulosidade que introduz a grande variação da radiação global, pois que em geral as nuvens refletem para o espaço a radiação que nos interrompem.
Deve-se porém notar que nem sempre assim sucede, pois que quando as nuvens são tipo Cu e Cb (8) os valo
res da radiação elevam-se no registo, pois há reflexão para baixo.
Porisso a curva da radiação dos dias claros não é a envolvente da curva de todos os dias.
Durante o dia passa-se um fenómeno análogo ao que se passa durante o ano, isto é, na segunda metade do dia a intensidade da radiação é um pouco superior à da primeira metade, como se vê no
Para compararmos as 3 estações portuguesas : Coimbra, Porto e Lisboa, visto que em Coimbra se separam os dias claros partimos destas medidas para calcularmos os coefi-
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cientes de transparência, tanto mais que êles se aproximam bastante dos deduzidos na radiação directa.
Os valores dêstes coef. deduzimo-los da comparação dos quadros de Maurin com os valores obtidos em Coimbra. Partindo dêstes coef. deduzimos, pelos mesmos quadros, os valores da radiação global para as várias latitudes do Continente.
Quadro da radiação global para os dias claros e para as várias latitudes de Portugal continental
Tem-se procurado uma relação algébrica simples entre a radiação global para os dias claros, e a radiação global para todos os dias, por intermédio das horas do brilho do sol, pois esta grandeza determina-se há muitos anos em vários postos.
Teremos assim maneira de calcular a radiação global para estes postos, desde que pelo quadro anterior conheçamos a radiação global para os dias claros e a percentagem de horas de insolação.
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Usa-se para isso a fórmula de Angstrom
Estes valores de a são cerca do duplo dos valores apresentados em Estocolmo, Paris, Washington, isto é, entre nós, num clima de transição para o clima mediterrâneo, tem menos influência a nebulosidade, pois que o primeiro factor na fórmula de Angstrom é maior do que nos climas mais frios.
Aproveitando êstes valores de a calculámos para Lisboa e Porto a radiação global. Comparando-os depois com os valores desta radiação ai observados, nota-se que os valores calculados são em geral superiores aos observados, facto já
Conhecendo em Coimbra Q, Q0 deduzimos os valores de a para os vários meses, e supondo-os constantes em todo o Pais podemos calcular para os vários postos a radiação Q (para todos os dias) em função da radiação calculada no quadro anterior.
de brilho do sol.Nesta fórmula há dois termos ; o primeiro corresponde
aos dias sem sol (s = o), e o segundo é função de nebulosidade.
em que Q representa a intensidade da radiação global para todos os dias, Q0 idem para os dias claros, a um coeficiente
a calcular experimentalmente, a percentagem de horas
atrás notado ao compararmos a radiação global de Coimbra com a do Porto.
Note-se que a foi deduzido de 5 anos, e os valores de Q observados em Lisboa e Porto são deduzidos de 3 anos (1940-1-2).
Como aplicação da fórmula empírica de Angstrom, e dada a importância climática dos valores da radiação global, calculámos para vários postos o seu valor, partindo, como já dissemos, da percentagem da insolação.
Para ver a importância deste elemento na agricultura escolhemos, dos postos dos Anais do Observatório Central Meteorológico, 4 situados em regiões de culturas caracterís- ticas.
Viana como região do vinho verde.Régua como região do vinho do porto.Évora como região do trigo.Faro como região da amendoeira e figueira, marítima.
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Neste quadro os valores de Coimbra são os observados em 5 anos (média); os de Lisboa e Porto são os calculados dos mesmos 5 anos de insolação, e os outros são deduzidos só de 3 anos de observações (1940-41-42), não são por isso facilmente comparáveis.
Publicamos porisso o quadro da insolação nos 3 anos:
Radiação global diária
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Nota-se que :Viana tem muito menos radiação global que o Porto,
devido à sua maior latitude e menor insolação.
Insolação (1940-41-42) %
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Porto tem no verão menos radiação do que a Régua, apesar da mesma latitude, o que é devido à continentalidade desta, (maior insolação):
Régua logo em Junho tem mais insolação que Coimbra, (apesar da sua latitude mais alta) mas não iguala a de Lisboa, pois aqui há menor latitude e quási sempre mais insolação.
Évora apesar da mesma latitude tem no verão um pouco mais de insolação que Lisboa e se esta figura quási com a mesma radiação é porque a sua insolação de 5 anos (que foi utilizada no cálculo da radição) é superior à dos 3 anos que utilizámos para Évora.
RADIAÇÃO ABSORVIDA PELA ATMOSFERA E PELA TERRA, SEGUNDO SIMPSON
Uma grande parte da radiação solar que chega à terra é imediatamente reflectida pelas nuvens, e aquela que atinge o solo é em parte irradiada para a atmosfera e desta para o espaço.
Maurin (7) resume o método de Simpson para se avaliar aproximadamente a quantidade de energia solar absorvida pela atmosfera e a terra, como diferença entra a que chega à parte superior da atmosfera, e a que é depois emitida para o espaço.
Para calcular a energia recebida do sol utiliza a fórmula
em que S é a energia que atinge o limite superior da atmosfera, e a é a albedo, isto é, a fracção da energia da radiação solar que é enviada para o espaço. São valores crescentes com a percentagem da nebulosidade, um pouco
Note-se que êstes valores são deduzidos dos valores normais (de 3o anos) de nebulosidade para Porto, Moncorvo, Coimbra e Lisboa, e dos valores de 3 anos (40-41-42) para os outros postos.
maiores que esta para valores menores que o.3o, decrescendo em seguida para 0.60 quando a nebulosidade atinge o valor 0.80.
Para calcular a radiação emitida para o espaço supõe que a terra irradia como um corpo negro, e obtem os coeficientes R1 e R2 que permitem calcular respectivamente a energia irradiada para o espaço respectivamente com o céu claro e com nuvens, pela fórmula
em que C indica a nebulosidade.O quadro seguinte mostra para os vários postos os valo
res da energia absorvida, expressa por
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em calorias por cm. q. por dia.
Nos gráficos seguintes vê-se como as curvas de s (gráfico n. ° 4) e da temperatura (n.° 5) seguem quási paralelas (embora esta venha atrazada, nas nossas me'dias, um mês) visto que é desta energia absorvida que resulta a tempera-
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tura do ambiente, pondo de parte a empregada na evaporação, a absorvida pela vegetação, etc.
Se somarmos as calorias dêste quadro para os meses de verão, nota-se que o calor recebido na Régua só é excedido
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pelo recebido em Faro, com menor latitude, como mostra o quadro, e o calor recebido nas costas do Minho anda por metade daquele.
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Isto é, a partir da época em que o calor recebido pelo ambiente é igual ao emitido, (s = R), e que nas curvas vai indicado pela linha 0 — o, é a região da Régua a que recebe mais quantidade de calor, se exceptuarmos Faro, bastante a Sul.
Este elemento é muito mais importante, que a temperatura, mas, atentas as dificuldades das medidas de vários elementos que a compõem, Maurin considera a radiação global como a quantidade de energia que melhor parece definir os fenómenos térmicos à superfície da Terra.
Temos sempre crença na simplicidade dos fenómenos naturais, ou por outra, procuramos sempre a maneira de interpretar esses fenómenos por expressões matemàtica- mente simples.
Noutros tempos explicavam-se os movimentos dos plane
EXPRESSÕES DA TEMPERATURA E DA RADIAÇÃO GLOBAL EM COIMBRA PELAS
SÉRIES DE FOURIER
em que a0 é o seu valor médio, x o tempo expresso em arco contado a partir do meio de Janeiro (1 mês—3o°), são
tas pela teoria dos epiciclos, hoje, procuram-se expressões matematicamente simples, análogas à teoria dos epiciclos, como as séries de Fourier, para exprimir, embora não para explicar, vários fenómenos meteorológicos.
Para verificarmos até que ponto se podem exprimir estes ekmentos pelas séries de Fourier fizemos o cálculo dos seus coeficientes, e das diferenças (Δ) entre os valores observados e os valores calculados (Δ = obs.— calc.).
Para a temperatura calculamos aquêles coeficientes a partir dos valores normais de 75 anos (12) e a partir dos 5 anos em que houve medidas de radiação.
Para a radiação global fizemos o cálculo para todos os dias, e também para os dias claros.
Os coeficientes da fórmula dum elemento
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A temperatura normal dum dia dado será
com um erro médio inferior a o°,2 como se vê na tabela seguinte das diferenças Δ.
Na radiação global para os dias claros a média dos desvios atinge o valor de 10 calorias por dia, e este valor mais do que duplica para a radiação de todos os dias, tudo calculado a partir dos 5 anos de observações de 1938 a 42.
A temperatura média deduzida dos 5 anos em que houve observações de radiação mostra já uma média dos desvios maior do que o dobro dos outros.
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J. Custódio de Morais
BIBLIOGRAFIA
A radiação solar em Coimbra Inst. Geof. de Coimbra — 1936. A. Ferraz de Carvalho.Monthly Weather Review — Dec. 1937. Neste número I. Hand apresenta um resumo dos métodos empregados nos estudos da radiação solar, e dos resultados obtidos nos Estados Unidos, acentuando a importância deste estudo na meteorologia, na oceanografia, na agricultura, na biologia, na medicina e na engenharia, afirmando mesmo que, quando um dia se esgotarem as reservas de petróleos e carvões de terra, o homem se verá obrigado a utilizar directamente a energia solar, o que já se está fazendo em pequena escala.Handbuch der Geophysik Bde viii Lf 2 pág. 249. Berlim — 1943. Mont. We. Rev. — 1927, pág. 167; id — 1937, pág. 430.Boletins Mensais e Resumo Anual. Obs. da S.a do Pilar.— 1938 a 1942. Porto.Mon. We. Rev. Abril de 1927; idem, Dezembro de 1917.Maurin. Etude pratique des rayonements. Paris—1937.Estudos actinómetricos. Instituto Geofísico de Coimbra. Estão publicados os resultados das medidas dos anos de 1938-39-40.O clima de Portugal. Obs. do Inf. D. Luiz. Lisboa— 1942.Mon. We. Rev. Dez. — 1937.Mon We. Rev. Nov.— 1940.Clima de Coimbra. Normais etc. Inst. Geof. — 1942.
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