ANÁLISE DA TÉCNICA DE TRIANGULAÇÃO DE POTÊNCIAS ÓPTICAS APLICADA A ESTIMATIVAS DE EVAPOTRANSPIRAÇÃO

Abstract

Evapotranspiration consists of the transpiration of plants and the evaporation of water from the soil. Understanding this phenomenon helps in the planning of crop management, allowing for optimal irrigation, avoiding water waste. Evapotranspiration occurs due to the process of transporting water vapor from the surface to the atmosphere, caused by latent heat flux, due to the absorption of solar energy. To estimate this flow there are several methods, including the Bowen ratio and the refractive index structure constant. Both methods were explored in this work, as they are efficient and widely disseminated and accepted. The refractive index constant method is based on measurements of refractive index fluctuations due to the sensitive heat flux caused by the heating of the air underlying the soil and plants. Knowing, then, that part of the solar energy has been absorbed by the ground and another part is responsible for the sensible heat flux, one can perform an energy balance and estimate the latent heat flux. In view of this dynamics, the determination of the sensible heat flux is performed by measuring the atmospheric turbulence. Atmospheric turbulence has three effects on a beam of light passing through the atmosphere: scintillation, widening of the optical beam, and beam wander. Commercial equipment is based on scintillation and is called scintillometers. In this work, the Optical Power Triangulation Technique was used, which takes into account the beam wander phenomenon, where, using three photodetectors, it is possible to triangulate the instantaneous position of the optical beam and its variation. The greater the variation of this position, the greater the atmospheric turbulence. Atmospheric turbulence has three effects on a beam of light passing through the atmosphere: scintillation, widening of the optical beam, and beam wander. Commercial equipment is based on scintillation and is called scintillometers. In this work, the Optical Power Triangulation Technique was used, which takes into account the beam wander phenomenon, where, using three photodetectors, it is possible to triangulate the instantaneous position of the optical beam and its variation. The greater the variation of this position, the greater the atmospheric turbulence. To prove the concept of this use of the Optical Power Triangulation Technique, experiments were carried out to verify its effectiveness in the measurement of atmospheric turbulence and the field analysis of the conditions necessary for its application to estimate the sensitive heat. As results achieved, there are real measurements of water vaporization in the laboratory, which, when compared to the latent heat flows surveyed in the field, present similar curves, demonstrating the applicability of the technique for evapotranspiration estimates. In addition, the necessary conditions for using the technique in the field were raised, through measurements made with a scintillometer and a micrometeorological station installed in the Ecological Reserve of Guapiaçu (RJ).

A evapotranspiração é constituída pela transpiração das plantas e pela evaporação da água do solo. O entendimento deste fenômeno auxilia no planejamento do manejo das culturas, possibilitando uma irrigação otimizada, evitando o desperdício de água. A evapotranspiração ocorre devido ao processo de transporte de vapor de água da superfície para a atmosfera, ocasionado pelo fluxo de calor latente, devido à absorção de energia solar. Para realizar a estimativa deste fluxo existem vários métodos, entre eles o de razão de Bowen e da constante de estrutura do índice de refração. Ambos métodos foram explorados neste trabalho, por se apresentarem eficientes e amplamente difundidos e aceitos. O método da constante do índice de refração se baseia nas medidas das flutuações do índice de refração devidas ao fluxo de calor sensível ocasionado pelo aquecimento do ar subjacente ao solo e às plantas. Sabendo-se, então, que parte da energia solar foi absorvida pelo solo e outra parte é responsável pelo fluxo de calor sensível, pode-se realizar um balanço de energia e estimar o fluxo de calor latente. Tendo em vista esta dinâmica, a determinação do fluxo de calor sensível é realizada medindo-se a turbulência atmosférica. A turbulência atmosférica apresenta três efeitos sobre um feixe de luz que atravessa a atmosfera: a cintilação, o alargamento do feixe óptico e a divagação do feixe óptico (beam wander). Os equipamentos comerciais baseiam-se na cintilação e são denominados cintilômetros. Neste trabalho, foi utilizada a Técnica de Triangulação de Potências Ópticas que leva em consideração o fenômeno do beam wander, onde, utilizando-se três fotodetectores, é possível triangular a posição instantânea do feixe óptico e sua variação. Assim, quanto maior a variação desta posição, maior será o nível de turbulência atmosférica. Esse trabalho demonstra a viabilidade e os aspectos técnicos do uso da técnica de triangulação de potências óticas para mensurar os fluxos de calor. Foram realizados experimentos em laboratório e em campo que verificaram a efetividade da técnica. Como resultados alcançados, verificou-se que medidas de fluxo de calor em laboratório quando comparadas aos fluxos levantados em campo apresentam curvas semelhantes, demonstrando a aplicabilidade da Técnica para estimativas de evapotranspiração. Adicionalmente, foram levantadas as condições necessárias à utilização da técnica em campo, por meio de medidas realizadas com um cintilômetro e uma estação micrometeorológica instalados na Reserva Ecológica de Guapiaçu (REGUA).