Medição contínua do fluxo de calor sensível para a atmosfera

Abstract

Resumo: O objetivo principal deste trabalho é avaliar a capacidade de sistemas simples e robustos de medir continuamente o fluxo de calor sensível através da medição das flutuações da velocidade vertical do vento e das flutuações da temperatura do ar. A possibilidade da utilização de sensores mais lentos para a determinação dos fluxos de calor sensível e latente, quando comparados com sensores capazes de capturar todo o espectro de frequências da turbulência, é analisada. O fato de que os sensores lentos são mais baratos, mais robustos e mais leves do que os sensores sofisticados, aliado à existência de técnicas de correção de perdas de fluxo motivaram o interesse pela realização deste estudo. A fim de se alcançar o objetivo, foram montados dois sistemas de medição de covariâncias de turbulência. O primeiro sistema consiste em um anemómetro sônico para medir as flutuações da velocidade vertical do vento e de um sensor de temperatura (termopar) de alta precisão e baixo tempo de resposta para medir as flutuações da temperatura do ar. O segundo sistema consiste em um anemómetro com hélice de poliestireno, para a medição das flutuações da velocidade vertical do vento, e um termopar de fio mais grosso do que o usado no primeiro sistema, para a medição das flutuações da temperatura do ar. Utiliza-se ainda um higrómetro de criptônio para a medição das flutuações da densidade de vapor de água. Os experimentos foram realizados em Pinhais, região metropolitana de Curitiba e também em Santa Therezinha do Itaipu, região oeste do Paraná. Diversas outras grandezas médias foram medidas, tais como velocidade e direção do vento, temperatura do ar e umidade relativa. Uma vez realizadas as medições de turbulência, o método de Medição de Covariâncias Turbulentas (MCT) foi aplicado para os dois sistemas de medição. Os fluxos de calor sensível e de calor latente foram calculados, com os dados medidos analisados do ponto de vista estatístico, sendo obtidas as médias, desvios-padrão, covariâncias e coeficientes de correlação. Os valores medidos pelas duas metodologias foram então comparados e as equações e coeficientes de determinação das comparações foram determinados. Os resultados obtidos mostraram que os fluxos de calor sensível obtidos pelos dois sistemas de medição são fortemente correlacionados, tanto no experimento de Pinhais quanto no de Santa Therezinha do Itaipu.

Abstract: The main objective of this work is to assess the ability of simple and resilient systems to measure the sensible heat flux continuously with the eddy-correlation method. The performance of the simpler system is compared to that a standard sonic anemometer system which is able to capture the full frequency spectrum of the turbulence fluctuations in the atmosphere. The research was motivated by the existence of commercially available simple systems and the theoretical possibility of correcting their spectra for their slower time response. The two systems which were analyzed comprise a propeller anemometer plus a fast response (but reasonably for their slower time response. The two systems which were analyzed comprise a propeller anemometer plus a fast response (but reasonably thermocouple) versus a sonic anemometer together with a fragile fine wire thermocouple. A krypton hygrometer was also used to measure water vapor density fluctuations. Micrometeorological experiments were performed in Pinhais, near the city of Curitiba, and Santa Therezinha do Itaipu, in western Parana State, Brazil. Standard eddy-correlation analyses were applied to both systems, including the usual second-order turbulence statistics (means, standard deviations, correlation coefficients and variances/covariances). The sensible heat flux estimates from the two systems were compared: they are highly correlated, but due to the slower response of the propeller anemometer, the propeller system estimates axe around only 60 estimates.