ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA RADIAÇÃO SOLAR NA CIDADE DE...

Por Miranda Muturule Muirene Joao | 14/03/2017 | Engenharia

ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA RADIAÇÃO SOLAR NA CIDADE DE NAMPULA PELO MODELO DE ANGSTRÖM NO PERÍODO DE 1999-2013.

Miranda Muturule Muirene João[1]

Momade Duarte Socrates

Resumo

Nos últimos anos tem se discutido muito sobre a variação da quantidade da radiação que chega a superfície terrestre, tendo em conta que a mesma facilita o homem nos processos físicos e dinâmicos da atmosfera, influenciando na agricultura e no aproveitamento da energia solar como fonte alternativa de energia. Este trabalho tem como objectivos estudar o Comportamento da Radiação Solar na cidade de Nampula pelo Modelo de Angström no período de 1999-2013. Recorreu-se esse modelo por este facilitar a determinação do comportamento da radiação solar que chega a superfície terrestre com muita precisão a partir da insolação. E para tal usou-se a relação entre a insolação diária, a radiação global diária e média mensal. Nesta ordem de ideia, a partir dos dados recolhidos no INAM, construiu-se os gráficos durante os quinze anos, notando-se que a variação da radiação não é tao significativa por causa do período ser muito curto, não só sendo uma zona em que as temperaturas são altas, fortes nebulosidades e precipitações frequentes causando uma atenuação da radiação solar. Nos primeiros cinco anos verificou-se que a radiação é uniforme, em que no mês de Outubro de 1999 teve o seu valor mínimo , diferentemente aos dois restantantes que tiveram um crescimento não muito diferente do primeiro com valores máximos de Em relação aos três gráficos o valor medio calculada pelo modelo de Angström neste estacão é ,em que o comportamento da rediacao é caracterizado por pequenas variações e as curvas sendo indenticas em meses.

           

Palavras – Chave: Angström, Radiação solar, Insolação.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CAPITULO I: INTRODUÇÃO

1.1. Contextualização

A energia é o elemento indispensável no desenvolvimento socioeconómico e cultural da humanidade em geral. É a chave para a realização de várias actividades da sociedade.

O sol é a principal fonte das energias renováveis e de tantas outras fontes de energias na Terra. São exemplos de energias renováveis a energia solar fotovoltaica, térmica, a eólica, hídrica, a biomassa, oceânica e planetária.   

Ao longo dos anos, o maior desafio para a ciência nessa área das energias renováveis, é maximizar a sua produção, em que para tal, quanto maior for o potencial da intensidade da radiação solar, pode se acreditar que maior será a produtividade com o uso correcto dos meios nos quais as produzem. Contudo, com os anos, todo indica que a intensidade da radiação solar tende a crescer, aumentando a radiação do calor, consequentemente o crescimento da temperatura média anual, criando um desconforto térmico ao homem.

Qualquer aplicação de uso da energia solar deve começar pelo estudo das variações ao longo do ano, em termos regionais e para diferentes condições de exposição. Estudos das intensidades e variações de radiação solar devem compreender medidas por um período mínimo de um ano. As séries temporais e espaciais das componentes da radiação incidente à superfície, permitem conhecer a energia diária, mensal e anual; entretanto, exigem medidas simultâneas de rotina em diferentes condições astronômicas, geográficas e climáticas. Em Moçambique, são poucas as estações meteorológicas que medem a radiação solar por causa da falta de instrumentos envolvidos, e nalguns casos por se encontrarem avariados, sendo por isso possível medir a insolação com o auxilio de métodos e modelos teóricos determina-se a radiação solar

O presente trabalho procurou estudar o comportamento da radiação solar ao nível da estação do INAM da cidade de Nampula nos últimos quinze anos.

Este trabalho está dividido em cinco capítulos, partindo da introdução onde são apresentados os objectivos, a revisão da literatura que traz as bases de sustentação, materiais e métodos que aborda a pari-passo os paços seguidos durante a pesquisa, resultados e discussão, as conclusões assim como as referências bibliográficas e os anexos.

1.2. Problematização

Em Moçambique, o nível de aquecimento durante os últimos anos tende a subir devido ao constante aumento da intensidade da radiação solar que chega a superfície terrestre de acordo com os dados recolhidos no Instituto Nacional de Meteorologia (INAM).

A radiação proveniente do Sol, também denominada de Radiação Eletromagnética (REM) é a principal fonte de energia que nos possibilita viver e discriminar o meio em que habitamos. Desta forma, o estudo e compreensão de grandezas radiométricas que permitem quantificar a REM que atinge a superfície terrestre é de extrema relevância, possibilitando a elaboração de pesquisas nas mais diversas áreas de estudo como às Geociências. É de extrema importância estudar a radiação solar, porque a energia chega a terra através do sol para exercer as funções vitais dos seres vivos, é igualmente um parâmetro de fundamental importância nos processos físicos e dinâmicos da atmosfera, influenciando na agricultura e no aproveitamento da energia solar como fonte alternativa de energia, é ainda fundamental para as plantas, principalmente na faixa de comprimento de onda visível, necessário para a fotossíntese, intervindo directamente sobre o crescimento dos vegetais, além de proporcionar vida a todos os seres vivos que habitam na terra. Neste todo processo oque se tem-se notado é que nos últimos anos ela chega com maior intensidade na superfície da terra criando um desconforto térmico, um aquecimento terrestre que tem causado o derretimento das calotas polares com consequente aumento do nível da água do mar provocando inundações em várias regiões da Terra. As alterações climáticas são a principal causa das secas, tempestades, furacões, intensificações dos fenómenos El-Nino e La-Nina, e entre outros. Face a isto levanta-se a seguinte questão de partida: Qual é o comportamento da radiação solar na cidade de Nampula, nos últimos 15 anos?

1.3. Objectivos:

1.3.1.Objectivo geral:

  • Estimar radiação solar global na cidade de Nampula pelo método de Angström no período de 1999-2013.

1.3.2. Objectivos específicos:

  • Analisar o comportamento da radiação solar observada no topo da atmosfera e determinada na superfície terrestre.
  • Identificar o nível de crescimento da radiação solar nos últimos 15 anos.
  • Provar a eficiência de modelo de Angström usado na determinação da radiação solar.

 Justificativa

Em Moçambique, nem todas as estações meteorológicas conseguem medir o número de horas do brilho solar (insolação), nisso, torna-se necessário recorrer a modelos que possam quantificar a radiação solar com base nos parâmetros disponíveis em quantidade. Neste caso escolheu-se o modelo de Angström por este utilizar um parâmetro de medição directa, a insolação, usada para a determinação da radiação solar nos locais que são o objecto de estudo.

Nesta ordem de ideia os instrumentos que a estação de Nampula usa para medir a radiação solar são: o Heliógrafo de Campbell-Stokes e um cartão que mede a insolação durante o dia, em que os dados são convertidos e transformados em radiação. Segundo o INAM a Província de Nampula é composta por três estacoes meteorológicas, Nampula cidade, Lumbo e de distrito de Angoche. A distância entre uma estacão com a outra deve ser igual a 150km.

A radiação solar ao atingir a superfície da terra aquece as moléculas de ar e água, estas por sua vez agitam-se, separando-se umas das outras. No movimento destas partículas ocorrem trocas de energia e transporte de massa da terra para atmosfera e vice-versa ainda na horizontal, através da evaporação e transpiração (circulação geral dos oceanos e da atmosfera), contribuindo para a formação das nuvens na atmosfera e posteriormente da precipitação (ciclo hidrológico), ainda para as variações do tempo e clima em geral (Lincx, 2004).

A radiação solar, participa na síntese da vitamina D na pele através dos raios solares na região ultravioleta (UV) que fixa cálcio nos ossos, combatendo o raquitismo, para além do conforto que proporciona ao organismo humano, ela fornece luz para a fotossíntese, processo pelo qual as plantas usam essa energia para crescer e eventualmente prover alimentos para outros seres através da cadeia alimentar (Guedes, 2004).

É de realçar que a radiação solar quando em excesso, pode causar problemas à vida, tais como: queimaduras, o fotoenvelhecimento, o cancro da pele humana e pode sofrer agressões severas quando exposta ao sol, principalmente pela radiação ultravioleta que compõe o espectro solar. Entretanto, a radiação UV é usada na medicina em algumas circunstâncias especiais para tratamento de infeções cutâneas quando nenhum outro tipo de tratamento se mostrar eficiente.

 

CAPÍTULO II: REVISÃO DA LITERATURA

2.1. Energia Solar

A Energia solar é qualquer tipo de captação de energia luminosa ou térmica do sol e a posterior transformação desta energia em alguma forma utilizada pelo homem, seja directamente para o aquecimento de água ou ainda como energia eléctrica ou mecânica. Durante o movimento de translação ao redor do sol, a terra recebe 1,410 w/m2 de energia, esta medição feita numa superfície normal (em ângulo recto) com o sol, disso 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é reflectido pelas nuvens, e ao passar pela atmosfera terrestre a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta (Thornton et al, 1999).

A terra recebe energia proveniente do sol quando a fonte de energia está associada à fusão termonuclear na medida em que quatro átomos de Hidrogénio se fundem, originando um átomo de Hélio, ocorrendo um processo de fusão nuclear, isto que acontece no interior do sol (equação 1). Nesse processo são emitidos fotões altamente energéticos, de forma de transferência de energia de parte mais interna até a superfície é realizada basicamente por meio de radiação electromagnética que é absorvida e reemitida por átomos e gases que constituem as camadas mais externas do sol. Ao se aproximar da superfície os gases quentes ao entrarem em contacto com camadas mais frias, sofrem expansão e tendem a ascender por sua vez sofrem movimentos descendentes para uma zona chamada zona de convecção onde a transferência de energia ocorre parcialmente por convecção e por radiação electromagnética (Solar Térmico, 2004).

                                                                              (1)

O único processo que pode gerar a enorme quantidade de energia produzida pelas estrelas e que faz isso durante o tempo em que a estrela brilha é o de fusão nuclear reação nuclear onde núcleos de baixa massa se fundem para produzir um núcleo de massa mais alta e energia.

Alem da equação acima, existe outra mais provável que ocorre no centro do sol chamada como cadeia pp em que a maior parte da energia nuclear das estrelas é produzida pela fusão de quatro (4) hidrogénios em um núcleo de hélio (equação 2) . Nesta ordem de ideia, esta energia surge na medida em que seis (6) protões eventualmente produzem quatro (4) Hidrogénios, um núcleo de Hélio, dois positrões, dois Neutrinos e dois Raios Gama.

111

2.2. Factor que contribuem para o aquecimento global

O clima do nosso planeta já não é mais o mesmo, nos meses que seriam para chover o sol esta saindo, nos meses que era para sair sol acaba chovendo, o clima está totalmente desgovernado e tudo isso é por causa do aquecimento que é o assunto que tem-se abordado actualmente. Eis alguns factores contribuintes param o aquecimento: A emissão de CO2 na atmosfera da Terra; Efeito estufa; O desmatamento; Queima de combustíveis fosse; Desenvolvimento urbano sem planejamento e a Desertificação.

Tudo isso esta causando um buraco, isto na camada de ozônio e ele são essências para o planeta, pois impede que os raios ultravioletas atinjam a superfície terrestre e se ele for rompido os raios ultravioletas causarão sérios danos aos seres humanos, como câncer de pele, deformação, atrofia, entre outros (D’AMELIO, 2006).

2.3. Distribuição Espectral da Radiação Solar

O Sol emite radiação electromagnética, cujos comprimentos de onda (λ) vão de centenas de metros até valores inferiores a 10-10 metros. A radiação electromagnética tem características ondulatórias e propaga-se no vácuo com uma mesma velocidade (c), e que tem o valor de 2,998x108 m /s (Arruda,2004). Por isso, entre o comprimento de onda (λ), e a frequência (υ), existe uma relação, dada pela expressão:

                                                                                                               (3)

O espectro da radiação é comumente dividido em três regiões principais em função do comprimento de onda. Assim entre ~ 0.4 e ~ 0.73 μm encontra-se a radiação visível (VIS) e que representa uma pequena faixa do espectro quando comparada com as outras faixas. A radiação do comprimento de onda (c.d.o) inferior a 0.4 μm é chamada radiação ultravioleta (UV), e radiação com c.d.o superior a 0.73 μm é chamada de radiação infravermelha (IR).

As regiões do espectro são designadas de acordo com os comprimentos de onda ou de acordo com a frequência. As regiões do espectro do ultravioleta e do infravermelho referem-se a frequências mais elevadas e mais baixas, respectivamente quando comparadas com as frequências do visível. É usual caracterizar a radiação do espectro solar pelos seus comprimentos de onda do que pelas frequências. Ultravioleta quer dizer no domínio das frequências “acima do violeta”, infravermelho “abaixo do vermelho” e visível é região onde se consegue detectar a luz solar através dos olhos e localiza-se entre o violeta e o vermelho. A Figura 2 mostra o espectro da radiação solar incidente no topo da atmosfera (Cunha, 1977).

2.4. Distribuição da Radiação Solar na Superfície Terrestre

A variação da intensidade da radiação solar que chega á superfície da terra depende da distância entre o Sol e a Terra, isto é, vária de um lugar para outro ao longo do dia, mês e época do ano, dependendo da sua localização geográfica em relação ao equador e da natureza da superfície (líquida ou sólida),devido aos movimentos de rotação e translação da Terra, variando durante o ano entre 1,47 x 108 km (periélio) e 1,52 x 108 km (afélio). Devido a este facto, a vária entre 1325 W/m2 e 1412 W/m2. O valor médio é designado por constante solar. A energia incidente por unidade de área será portanto máxima para superfícies normais ao sol. O eixo da Terra tem uma inclinação de cerca de 23,5º em relação a sua órbita, o que faz com que cada hemisfério receba quantidades diferentes de radiação, dependendo da posição em que a Terra se encontra em relação ao sol.

A intensidade da radiação solar também varia com o ângulo de incidência dos raios solares. Ao ângulo formado entre o zénite local e os raios solares denomina-se ângulo zenital (). O nível de irradiância na Terra atinge um total aproximado de 1000 W/m2 ao meio-dia, em boas condições climatéricas, independentemente da localização.

2.5. Estimativa da Intensidade da Radiação Solar em Superfície Horizontal

A intensidade da radiação solar no topo da atmosfera (Is) de uma superfície horizontal é dada pela expressão (Duffie e Beckman, 1981)

                                                                                                              (3)

O cosseno do ângulo zenital do sol (θz) para uma superfície horizontal é dado por

                                                                        (4)                                                                    

Combinando as expressões (2) e (3) tem-se que:

                                                                    (5)

Onde é a constante solar dada em W/m2;  é a latitude do local em graus, variando de 0º a; é o ângulo horário dado em graus e é a declinação solar em graus e varia de 0º a. O ângulo horário e a declinação solar são expressas por:

                                                                                           (6)

                                                                                       (7)

Sendo j o dia do ano Jubileu para n = 1, 2, 3, …, 365.

Tabela 1: Valores da declinação solar durante o ano (NHANOMBE: 2002 P 9)

Mês

Declinaçao

Mês

Declinação

Janeiro

-21.27

Julho

+21.67

Fevereiro

-12.96

Agosto

+14.33

Março

-2.452

Setembro

+3.39

Abril

+9.460

Outubro

-8.39

Maio

+18.65

Novembro

-18.25

Junho

+23.28

Dezembro

-23.20

Como a distância terra-sol varia continuamente, para se obter o valor real da intensidade da radiação solar, há uma necessidade de introduzir um factor de correção , que é expresso por:

                                                                                   (8)

 Introduzindo o factor de correção (equação 7) na equação (4) obtém-se

                              (9)

Integrando-se os valores instantâneos da , determina-se a intensidade da radiação solar diária no topo da atmosfera (I0).

   (10)

Onde é o ângulo horário do pôr-do-sol e é dado pela expressão

                                                   (11)

2.5. Radiação no Topo da Atmosfera

A intensidade da radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provém da região da fotosfera solar que é uma camada com aproximadamente 300 km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5800K. Porém esta radiação não apresenta como um modelo de regularidade, pois há influência das camadas externas do sol (cromosfera e coroa) com pontos frios e quentes (QUISSICO 2005:14).

Apesar disto, pode-se definir um valor médio para o nível de radiação solar incidente normalmente sobre uma superfície situada no topo da atmosfera.

As variações na radiação total emitida pelo sol são inferiores a 1,5%. Pode-se dizer, com razoável precisão que a radiação incidente no topo da atmosfera depende apenas da distância entre o sol.

Para o cálculo da radiação solar que chega à superfície da terra (I), usa-se o modelo proposto por Angström, segundo o qual (Duffie e Beckman, 1981)

                                                                                                           (12)

Onde I0 é a radiação solar no topo da atmosfera, que se pode calcular sob certas condições (como o dia, a hora, o ângulo do local e a inclinação do sol em relação ao plano do equador), a e b são constantes (e ), é a insolação medida pelo heliógrafo e é a insolação teórica ou astronómica. A insolação (N) durante o dia, é dada por:

                                                                                                               (13)

Esta expressão dá-nos a insolação astronómica, em que para a determinação da radiação solar no intervalo de uma hora considera-se N = 1.

2.6. Distribuição Temporal da Radiação Solar

A quantidade de radiação solar que atinge um determinado lugar situado na superfície da terra depende de vários factores, dos quais se destacam: a duração do dia, a estação do ano, a posição do sol em relação ao referido lugar, entre outros.

Na sua jornada, a Terra realiza diversos movimentos, sendo os mais importantes o de rotação e o de translação. No movimento de rotação a Terra gira em torno do seu eixo, com um período de aproximadamente 24 horas, sendo responsável pelo aparecimento do dia e da noite. E a translação é o movimento que a Terra executa em volta do sol e demora cerca de 365 dias para dar uma volta completa, e é este movimento que dá origem às estações do ano (Primavera, Verão, Outono e Inverno).

Ao ângulo compreendido entre o plano do equador e o vector posição de um astro, tomado desde o centro da Terra, dá-se o nome de declinação do astro em questão. Este ângulo varia de 23.5º em 21 Junho a - 23.5º em 21 de Dezembro, sendo igual a zero nos dias 21 de Setembro e 21 de Março (equinócios).

Durante os meses de Março e Setembro, a Terra encontra-se em posições igualmente equidistantes do sol. Neste período, a quantidade de radiação que chega à superfície da Terra à mesma em latitudes iguais de ambos hemisférios. Esta posição chama-se equinócio, o que significa duração do dia igual à duração da noite. Em Março ocorre o equinócio de Outono e no hemisfério sul e de Primavera para o hemisfério norte. O equinócio de Primavera para o hemisfério sul observa-se em Setembro, sendo ao mesmo tempo para o hemisfério norte o equinócio de Outono.

O sol ao passar pelos eixos de maior raio da elipse, duas latitudes no planeta recebe radiação máxima. No mês Dezembro na latitude 23,5o S (trópico de Capricórnio) e no mês de Junho na latitude 23,5o N (trópico de Câncer). Quando o sol se encontra a 23,5o S, diz-se que é solstício de verão para o hemisfério sul e de inverno para o hemisfério norte e, a 23,5o N representa o solstício de verão para o hemisfério norte e de inverno para o hemisfério sul

2.7. Modelo de Angström

É um modelo que foi sugerido pela primeira vez por Kimbal (1918) e posteriormente melhorado por Angström (1924) conhecida como relação entre a insolação diária e a radiação global diária, média mensal. Serve para determinar a radiação solar com base na insolação e é dada pela seguinte relação:

Dentre as diversas expressões empíricas apresentadas na literatura para estimar a irradiância solar global ao nível do solo, em escala de tempo diária, a de uso mais difundido é aquela proposta em 1924, por Angström e mais tarde modificada por Prèscott (citado por Vianello e Alves, 2000).

                                                                                                            (14)                      

Onde I0 é a radiação solar no topo da atmosfera, que se pode calcular sob certas condições (como o dia, a hora, o ângulo do local e a inclinação do sol em relação ao plano do equador), I é radiação solar que chega a superfície da terra, a e b são constantes (e ), é a insolação medida pelo heliógrafo e é a insolação teórica ou astronómica.

Esta é uma das expressões empíricas simples que permitem conhecer a distribuição espacial da radiação solar e é aplicável para qualquer ponto da Terra.

2.8. Vantagens do Modelo de Angström

O modelo de Angström relactivamente a outros modelos tem muitas vantagens como:

  • Permite calcular a radiação global na superfície com maior precisão;
  • Utiliza um parâmetro de medição directa nesse caso que é a insolação;
  • É usada para a determinação da radiação solar nos locais que são o objecto de estudo.

Para esta pesquisa escolheu-se o modelo de Angström na virtude de estimar o valor da radiação média incidente a partir de séries de medidas, visto que em Moçambique a maior parte das estações meteorológicas existentes não medem a radiação solar porque a maior parte destes instrumentos já estão degradados, e com isso existem instrumentos que medem a insolação, tomando em conta na determinação do numero de hora de brilho solar que atinge a superfície terrestre durante o dia (ao renascer até ao pôr-do-sol) e as constantes climáticas para o local em estudo.

 

CAPITULO III: METODOLOGIAS

3.1. Descrição da Área em Estudo

Localizada no entroncamento da via-férrea de Nacala com os eixos rodoviários que a província de Zambézia e do litoral demanda a norte e o interior, foi implantada num planalto para servir de centro militar colonial para todo o norte de Moçambique. Ela é atravessada pelo corredor de desenvolvimento de Nacala, constituídos pelos eixos ferroviários e rodoviários que ligam o litoral (Porto de Nacala) com o interior do pais e com a Republica de Malawi.

A cidade de Nampula, tem cerca de 471.717 habitantes sendo 240.433 do sexo masculino e de 231.284 de sexo feminino, segundo o Censo de 2007, distribuídos por 18 bairros em 06 Postos Administrativos, situa-se, aproximadamente, no centro do espaço geográfico do distrito que leva o mesmo nome (Distrito de Nampula), um pouco deslocada para o nordeste (NE) e ocupa uma área de 404 km2, de este para o Oeste tem uma extensão de 24,5 km, entre os meridianos de 39˚ 23´ 28´´ e 39˚ 10´ 00´´ Este. No sentido Norte-Sul estende-se por 20,25 km, desde a barragem do rio Monapo, a uma latitude de 15˚ 01´ 35´´S, até ao riacho Muepelume, no paralelo 15˚ 13´ 15´´S.

Ao que concerne aos habitantes da cidade de Nampula quase 43,5% da sua população tem menos de 15 anos, e apenas 1,2% tem 65 ou mais anos. A população em idade escolar é de 5-14 anos que representa 27,7% dos residentes nesta urbe, o que da uma ideia da pressão que existe sobre as infraestruturas escolares, que apenas conseguem dar resposta a 70% das necessidades.

Todavia, a pesquisa foi realizada no Instituto Nacional de Meteorologia (INAM) Delegação de Nampula, que situa-se junto do Aeroporto Internacional de Nampula, sita no bairro de Namicopo, posto administrativo do mesmo nome, com uma altitude de 438m ao nível médio das águas do mar, com uma latitude de 15˚ 06´S e longitude de 32˚ 17´, em enquadrada no primeiro semestre do ano de 2014.

O Clima predominante é tropical húmido com temperaturas médias anuais entre 24 graus celsius a 26 graus Celcius com uma floresta aberta de miombo, caracterizando – se por duas estacoes: chuvosa e quente, que normalmente começa em Novembro e termina em Abril, composta por aguaceiros e trovoadas frequentes. (MDAE, 2005).

3.3 Matérias Usados

Na presente pesquisa usou-se o Heliógrafo de Campbel-Stokes porque não mede a radiação solar mas sim a insolação, sendo necessário se fazer uma conversão desta para se conhecer a quantidade de radiação solar. A conversão é feita com base em modelos, o que pode causar alguns desvios em relação ao valor real da radiação solar.

 O heliógrafo de Campbell-Stokes, é constituído essencialmente por uma esfera de vidro, incolor ou de um verde amarelado, com cerca de 10 cm de diâmetro e encontra-se montado concentricamente num suporte metálico esférico. O diâmetro deste suporte é tal, que os raios solares ficam intensamente focados por uma tira de cartão fixada numas ranhuras do suporte. Há na sime-coroa esférica (suporte metálico esférico), três pares de ranhuras sobrepostas destinadas a segurar cartões próprios para as diferentes estacoes do ano. A radiação solar é focalizada pela esfera sobre uma fita que, pela ação da radiação é queimada. O comprimento desta fita queimada é a medida da insolação.

A medida da insolação é importante para a caracterização climática de uma determinada região e para a estimação da radiação solar numa superfície horizontal, onde não existe medidas piranométricas. A figura abaixo mostra um heliógrafo de Campbell-Stokes (ZELOSO:2007).

 

 

 

 

 

Figura 7: Um heliógrafo de Campbell-Stokes: Fonte: Captada pelo Autor, no INAM-Nampula.

 

3.4. Métodos

O trabalho foi desenvolvido a partir de dados coletados na Estacão do INAM de Nampula, este localizado junto do Aeroporto Internacional de Nampula, isto no bairro de Namicopo, a uma altitude de 438m ao nível médio das águas do mar, com uma latitude de 15˚ 06´S e longitude de 32˚ 17´.

Para a efetivação desta pesquisa, foi necessário a consulta bibliografia criteriosamente selecionada e aproveitando alguns pensamentos dos peritos da área da radiação solar afectos ao INAM -Nampula.

Tratando do comportamento da radiação solar, foi necessário ter os valores da intensidade da radiação solar, para posterior fazer o seu estudo num determinado período.

Em seguida, o estudo focou – se na observação dos casos particulares encontrados no terreno para desenvolver e formular novos pensamentos para que se possa chegar a certas conclusões e obtenção de dados de valores diários referentes ao local em estudo durante um período de 15 anos, isto é de 1999 à 2013. Segundo o INAM, estes dados representam os valores de insolações diários medidos na estação meteorológica da superfície do local, através do instrumento para medir a insolação, neste caso usam-se (heliógrafo de Campbell-Stokes). Os dados foram armazenados por um datalogger (Campbell Scientific, modelo 21X), programado para realizar as leituras dos sensores a cada minuto, com registros totais a cada 60 minutos, ou seja, no final do dia obtinham-se 24 leituras para cada variável.

Num intervalo de 10 dias, os dados eram coletados da estacão e transferidos, com um módulo de armazenamento (Campbell Scientific), para um microcomputador, fazendo-se uso do software PC208W, onde foram convertidos em planilha eletrónica MS Excel, versão 2002. Apos a formatação destes dados, foi realizada uma análise de consistência dos valores obtidos, a fim de se identificar possíveis erros no registro devido a digitação, ausência de registros ou valores nulos.

Nesta ordem de ideia procurou-se analisar o comportamento da radiação solar global na cidade de Nampula nos últimos anos com base no modelo de Angström. E para se efectuar a recolha de dados no terreno, usou-se como técnica a observação direta e participante.

 

CAPÍTULO IV: APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Neste capítulo faz-se a análise e discussão dos dados obtidos a partir do Instituto Nacional de Meteorologia, numa perspetival comparativa no que se refere no comportamento da intensidade da radiação solar nos últimos 15 anos na cidade de Nampula. Nesta ordem de ideia para cada gráfico agrupou-se para um período de cinco anos.

A zona norte de Moçambique é fortemente influenciada pela zona de convergência intertropical, por altas temperaturas, forte nebulosidade e precipitações frequentes, o que pode causar uma forte atenuação da radiação solar. Outro facto é que esta região encontra-se relativamente próxima ao equador, o que favorece um maior aquecimento da superfície pela radiação solar já que ela recebe a radiação (raios solares) directa durante todo o ano. E para melhor percepção desses dados, os resultados foram apresentados graficamente.

Gráfico 1: Comportamento da intensidade da radiação solar no período de 1999-2003.

O gráfico 1, ilustra as variações da radiação solar na cidade de Nampula no período de 1999-2003. Do gráfico é possível verificar que a distribuição da radiação solar na superfície terrestre não é uniforme, devido aos constituintes da atmosfera que atenuam esta, e sua distribuição não é igual durante o dia, mês e ano. As flutuações da radiação solar de todos os anos apresentados no gráfico, são idênticas em meses, exceptuando os meses de Fevereiro de 2000 e Outubro de 1999 em que o céu mostrou-se limpo em relação ãos outros anos, tendo registado em média um valor baixo da radiação solar, em volta de .

A radiação solar que chega à superfície da terra depende da duração do dia e posição Terra-sol. Nos verão, os dias são longos e no inverno são curtos, isto porque o hemisfério de verão permanece mais tempo iluminado pelo sol, e deste modo a quantidade de radiação solar que chega à superfície também será maior.

 

 

 

Gráfico 2: Comportamento da intensidade da radiação solar no período de 2004-2008.

Relativamente ao gráfico 2 constatou-se que este não diferencia muito do anterior, por se verificar uma variação não muito significativa referentes ao comportamento da intensidade da radiação solar, nota-se que nos primeiros cinco meses destes anos o comportamento da radiação tende a subir atingindo o seu valor máximo no mês de Maio com o valor, diferentemente aos mês de Junho a Julho que foi atingindo os seus pontos mais baixo com valor aproximado () por se tratar dum período de transição duma estacão do ano para o outro isto é, do Inverno para o Verão. E para os restantes meses foi se registando um crescimento constante da radiação. 

 

 

 

 

 

 

 

Gráfico 3: Comportamento da intensidade da radiação solar no período de 2009-2013

De acordo com o gráfico 3 em relação aos dois primeiros a variação da radiação ainda continua não sendo uniforme, nesta ordem de ideia nota-se que houve uma descida da radiação nos meses da Dezembro a Fevereiro com valor aproximado de (, por se considerar como um tempo de intensa precipitação e verificou-se que os valores da radiação solar tende a subir e atingindo o seu ponto mais alto no mês de Maio com um valor de (, descendo no mês de Junho, por se tratar um período de inverno, em que a radiação não atinge a superfície com muita intensidade por se considerar como um período em que há muita nebulosidade com precipitações atmosférica resultando as mudanças climáticas, e em seguida subindo gradualmente de forma constante de Agosto a Novembro. Tratando-se como uma situação normal visto que dentro de intervalo destes meses nota-se sempre em todos os anos que a radiação é muito forte.

Analisando as curvas dos três gráficos, estas tem o mesmo comportamento, mas as variações são diferentes, visto que no momento de inverno normalmente a radiação solar que chega na superfície da terra não é maior devido as precipitações atmosféricas, principalmente nos meses de Janeiro a Maio, mas por causa das alterações climáticas nota-se que no intervalo destes meses a radiação tende a subir, e descendo no mês de Junho, este que é o mês de transição do inverno para o verão que vai ate no intervalo dos meados de Julho a Dezembro.

Regiões próximas ao equador recebem maior quantidade de radiação em relação às zonas de latitudes médias e aos polos, ou seja, a radiação solar diminui do equador aos polos. A altitude também contribui para a variação da radiação solar à superfície. Superfícies elevadas recebem maior quantidade de radiação quando comparadas com as de baixa altitude, isto porque os raios solares percorrerem uma trajectória curta para atingir as superfícies elevadas.

Relacionando a informação acima, sabe-se que a estação meteorológica da cidade de Nampula encontra-se próximo do equador, onde se verifica uma grande quantidade da radiação solar que chega na superfície terrestre, isto no verão, o sol percorre distâncias curtas, isto é, dias em que as noites são longas e os dias são curtos e no Inverno com dias longos e noites curtos. 

Gráfico 4: medias mensais Homologas durante quinze anos (1999-2013).

Para as médias mensais homologas, consistiu na perspetiva de agrupar os quinze anos de modo a identificar a variação da radiação de cada mês. Nesta ordem de ideia nota-se um crescimento no mês de Setembro que atingiu o seu valor máximo (, isto devido a alternância de aquecimento dada no início em cada estacão do ano em um hemisfério é desfasada de seis meses em relação ao outro. Quer dizer que no hemisfério sul, o verão começa nos solícitos de Dezembro e o inverno no de junho. E no hemisfério Norte, o princípio do verão dá-se nos solstícios de Junho, cerca de seis meses depois de ter começado a mesmo estacão no hemisfério sul. 

Durante o dia a radiação solar varia com o ângulo que os raios solares incidem sobre a superfície que é uma função da hora do dia. Ao nascer e pôr-do-sol, o ângulo formado pelos raios solares e a superfície da terra é menor a quantidade de radiação solar que atinge a superfície da terra é mínima, isto porque os raios solares percorrem longas distâncias até atingir a superfície da terra. Por volta do meio-dia solar, o ângulo entre os raios solares e a superfície da terra atinge o seu valor máximo (90o) e diz-se que o sol está no zénite, os raios solares percorrem a distância mais curta, e a radiação solar que chega à superfície terrestre é máxima.

Relacionando a informação acima, de acordo com o trabalho sabe-se que a cidade de Nampula é predominado por um clima tropical húmido em que no geral as regiões mais elevadas apresentam-se com temperaturas mais suaves em relação as outras, e os valores das radiações mostradas nos gráficos, verifica-se através da nebulosidade e das variações climáticas registadas, em que as chuvas iniciam nos meses de Outubro e Abril com pico nos meses de Janeiro e Marco.

Nesta ordem de ideia nota-se que nem sempre a radiação solar que atinge a superfície terrestre é máxima quando percorre distâncias curtas, mas sim também da variação do tempo, em que um dia do Céu limpo podemos ter o registo na totalidade em que o raio solar atinge a terra. Enquanto no dia que o Céu estiver nebulado podemos não conseguir medir a radiação na superfície apenas na atmosfera. 

Gráfico 5: Médias anuais durante quinze (15) anos.

Depois de ter-se agrupado os valores num período de cinco anos para cada gráfico, agrupou-se os valores médios das radiações durante os quinze anos, de modo a notar qual foi a variação do comportamento da intensidade da radiação durante este período em estudo.

Nesta ordem de ideia, as médias anuais verificadas ao longo destes anos, nota-se que o valore mais alto da radiação foi observado no ano de 2004 com um valor aproximado de (), visto que durante este ano a radiação direita foi maior em relação a outros anos, porque não houve muita precipitação atmosférica, a nebulosidade foi menor durante o ano e o sol encontrava-se sempre com o Céu limpo, influenciando com que a radiação solar chega-se na superfície terrestre com uma maior intensidade.

E os valores mais baixos foram registados no ano de 2007 com um valor aproximado de (), por se considerar um período em que foi caracterizado com muita nebulosidade que se verifico duranta este todo ano. Como foi dito anteriormente para estes dois anos relactivamente ao comportamento da radiação deveu-se essencialmente por causa das mudanças climáticas que foram registadas, isto é, no ano de 2004 houve pouca precipitação e o tempo sempre encontrava-se limpo, diferentemente ao outro ano.

Em relação a outros anos, a radiação directa e difusa tem uma variação anual semelhante, isto é, tendo o mesmo comportamento de forma constante, visto que os valores tende a um valor aproximado de (), tendo em conta vários factores em relação esta variação que influenciam directamente na radiação solar e no clima como, a nebulosidade, temperatura e precipitações frequentes durante o ano.

4.1. Eficiência de modelo de Angström Usado na Determinação da Radiação Solar.

Nesta ordem de ideia encontrou-se os parâmetros mensais das equações lineares de regressão, na qual se pode observar que os valores das radiações   e das insolações  n/N foram bem correlacionados. Para avaliar a eficiência se o modelo é bom ou não usou-se o seguinte critério:

 

A partir das figuras abaixo pode-se observar as retas das equações de regressão linear mensais com o seu respectivo grau de ajustamento. Conforme pode ser observado existe uma tendência dos pontos para um bom ajustamento linear.

 

 

 

 

 

 

 

 

Gráfico 6: Correlação entre a razão de radiação  e a razão de insolação (n/N)

 

CAPÍTULO V: CONCLUSÃO, SUGESTÕES E LIMITAÇÕES

5.1. Conclusão

Apos as pesquisas da radiação solar em função de números de horas em que o sol ficou descoberto, em média a nível mensal durante os últimos anos concluímos que:

A distribuição espectral da radiação solar em cada metro quadrado vária de ano para ano e de região por região, não se colocando em ênfase as quantidades, pois estas oscilam de ano para ano, porque o nível de produção de aerossóis que podem criar atenuantes da radiação na atmosfera terrestre, é variável. Razão pela qual observando os gráficos mostram oscilação dos valores da radiação solar em todos os anos, não só a comparação dos valores calculados teoricamente e os medidos pelos aparelhos nota-se claramente que não diferem muito por causa das curvas estarem sobrepostas.

Segundo o INAM a Província de Nampula é composta por três estacoes meteorológicas, Nampula cidade, Lumbo e de distrito de Angoche. A distância entre uma estacão com a outra deve ser igual a 150km. Nesta ordem de ideia depois de se observar e determinar a radiação neste período de estudo pelo modelo de Angström, o comportamento da radiação solar na cidade de Nampula relactivamente ao seu nível de crescimento note-se que a sua variação não sendo tão notória, isto é, as curvas tem o mesmo comportamento não se diferenciando muito um do outro, isto é, mostrando uma pequena variação por se tratar de um período muito curto, que em termos normais o mínimo seria num intervalo de trinta a cinquenta anos, onde a variação da radiação pode ser notória.

A partir de modelos teórico que se conseguiu determinar a radiação que atinge a superfície terrestre, analisou-se o comportamento da radiação na região em estudo, e a partir dos gráficos nota-se que as radiações apresentadas nas tabelas são quase idênticas, isto deve-se por causa das fortes nebulosidades e precipitações que causa uma atenuação da radiação. A probabilidade do modelo de Angström neste estudo verifica-se na medida em que os modelos estatísticos usados na determinação da radiação solar global, dão valores muito próximos dos observados, com uma variação mínima e que podem ser aplicados para qualquer local da região. 

O modelo de Angström demostrou que para a estimativa da radiação solar diária existe uma concordância com os dados obtidos e os resultados são satisfatórios com uma margem de erros em relação aos valores observados muito pequenos em termos de variações, isto deve-se por causa do período ser muito restrito.

 

5.2. Sugestões e limitações

O presente trabalho foi feito usando dados de apenas 15 anos colhidos numa só estação- a cidade de Nampula, devido a dificuldades de ordem financeira que o autor teve para adquirir dados estes dados junto ao INAM-Nampula, pois segundo o regulamento daquela instituição, os dados só podem ser adquiridos mediante a pagamento de valores monetários que vária de 5.000.00mt (cinco mil meticais) por estação e por ano, salvo instituições que tenham um memorando de entendimento com o INAM, analise feita usando dados de 30 à 50 anos podem dar resultados mais favoráveis e consistentes; é pela esta razão fez-se um estudo restrito.

As estações meteorológicas de Moçambique e de zona norte em particular, medem a insolação apenas para estudar o comportamento da radiação, neste é mais comum usar o modelo de Angström. Estudos usando outros modelos poderiam ajudar a confrontar os resultados de diferentes modelos na mesma estação, que ajudaria ainda mais a ter resultado real da variação da radiação.

Sugere-se que a UP reforce mais na parte de memorando de entendimento com as instituições de investigação ao nível nacional e internacionais a fim de facilitar por tantos aos docentes como aos estudantes tenham um acesso privilegiado em dados para estudos variados.

Também sugerimos para quem fizer um estudo de género, use o modelo de Allen para fazer a correlação da radiação incidente neste caso a temperatura registada durante o dia, mês e ano, podendo relacionar nível de aquecimento na atmosfera terrestre mediante a radiação solar que a terra recebe.

 

BIBLIOGRAFIA

  1. ARRUDA, L. B. (2004). Operação de Sistemas de Aquecimento Solar de Água com controlo de vazões em colectores planos, Escola Plitécnica da Universidade de São Paulo, Brasil.
  2. AHRENS, C. D. Essentials of Meteorology: an invitation to the atmosphere. Canada: Brooks/Cole Thompson Learning. 2000.
  3. ASSIS, S. V. et al. (2004). Avaliação de um Método Empírico para Estimativa da Radiação Solar Global.
  4. CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO Tutorial: Energia solar,
  5. CUNHA, G.R (1977). Meteorologia: Factos & Mitos- Passo Fundo, EMBRAPA-CNTP. Modelo de Allen, Depto de Meteorologia/Fac. Met./UFPel- Pelotas/RS, Brasil.
  6. D’AMÉLIO, M.T.S. Estudo de gases de efeito estufa na Amazônia. Dissertação. (Mestrado em Ciências) Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares. Universidade de São Paulo. 2006.
  7. DIEZ, P. F. (2000), Processos termosolares em Baya, Media alta temperatura, departamento de Engenharia eléctrica Energética, Universidade de Cantábria.
  8. DUFFIE, JOHN A. BECKMAN, WILLIAM A. Solar Engineering of Thermal Processes. John Willey & Sons, 2ª ed., 1981.
  9. FACHIN, O Fundamentos de metodologia. São Paulo: Atlas, 1996.
  10. FRAIDENRAICH, N. LYRA, F. Energia Solar: Fundamentos e tecnologias de conversão heliotermoelétrica e fotovoltaica. Recife, PE: Ed. Universitária da UFPE, 1995. 471 P.
  11. GIL, A. C. Como elaborar projetos de pesquisa. São Paulo: Atlas, 1996.
  12. GUEDES, MARCUS e tal (2004). Comportamento da Radiação Solar Observado no Período de Agosto/2004 a Março/2005 no Observatório Espacial Sul. Acedido em: 9, Fevereiro, 2017, em:www.fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2-6.htm.
  13. HEUVELDOP, J.; J. P. TASIES; S. Q. CONEJO; L. E. PRIETO. Agroclimatología tropical. San José: Editorial Universidade Estatal a Distancia. 1986. 394 P.
  14. KRATZEMBERG, M.G. et al. (2003). Rastreabilidade de Radiômetros para medição da Energia Solar no Brasil, Recife, Pernambuco, Brasil.
  15. LIMA, F.Z, ALVES, A.R. MARTINS, J.H, COSTA, JMN: Desenvolvimento de modelos para determinação da irradiaancia solar difusa horaria. In congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, 1995.
  16. LINDZEN, R. et al. "Does the Earth Have an Adaptive Infrared Iris?". In: Bulletin of the American Meteorological Society, 2000;
  17. LINCX-SERVIÇOS DE SAÚDE (2004). Radiação Solar. Acedido em: 15, Novembro, 2017, em:www.lincx.com.br/lincx/saude_a_z/saude_homem.asp.
  18. MC DANIELS, D. K. (1984), The sum. Our future Energy Seurce 2nd Edition, University of origom, New Yourk.
  19. MINISTÉRIO DA ADMINISTRAÇÃO ESTATAL, perfis Distritais de Moçambique, Edição 2005.
  20. NHANOMBE, A. F. Modelo de Angström e análise dos componentes atmosféricos que atenuam a radiação solar; Maputo; 2002. 9 p.
  21. QUISSICO, Daniel Zefanias, Estudo do comportamento da Radiação solar em Moçambique, 1ª edição, E.M editora, 2005.
  22. SILVA, C.N. MOURA, F.C.C. LAGO, R.M. XAVIER, E.S. A discussão do efeito estufa nos livros de Química do Ensino Médio e Superior. 13º Encontro nacional de Química. Unicamp, Campinas, SP. 24 a 27 de Julho de 2017.
  23. SOLAR TÉRMICO, Energia solar térmica: manual sobre tecnologias, projecto e instalação, Portugal, 2004.
  24. TEIXEIRA, T. M. B. et al. (2005). Um exemplo de uso de Modelos Físicos no ensino de Geologia de Engenharia, Departamento de Geologia, UFRJ, Brasil.
  25. TIBA, C. et al. ATLAS Solarimetros do Brasil: banco de dados terrestres Recife: Editora Universitária da UFPE, 2000.
  26. THORNTON, P.E. et al (1999). Agricultural and Forest Meteorology: An improved algorithm forestimating incident daily solar radiation from measurements of temperature, humidity andprecipitation, no 93.
  27. VAREJÃO - SILVA, M. A. Meteorologia e climatologia. Brasília: Instituto Nacional de Meteorologia-Ministério da Agricultura. 2001. 515 P.
  28. VIANAELLO, R. L.; ALVES, A. R. Meteorologia básica e aplicações. Viçosa: UFV – Imprensa Universitária. 2000. 449 P.
  29. electrónica.pt, extraído no dia 23.02.2016 pelas 16:31 min
  30. ZELOSO, B. T. Determinação da radiação global em Moçambique pelo modelo de Allen; Maputo; 2007.

.

 

 

 

[1] Professor de fisica a mas de 7 anos, e assistente de laboratorio de Mecanica na Escola Secundaria de Anchilo