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