UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR CENTRO DE CINCIAS AGRRIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRCOLA CURSO DE MESTRADO EM IRRIGAO E DRENAGEM

MARCOS MEIRELES

ESTIMATIVA DA EVAPOTRANSPIRAO REAL PELO EMPREGO DO ALGORITMO SEBAL E IMAGEM LANDSAT 5 - TM NA BACIA DO ACARA - CE

FORTALEZA 2007

MARCOS MEIRELES

ESTIMATIVA DA EVAPOTRANSPIRAO REAL PELO EMPREGO DO ALGORITMO SEBAL E IMAGEM LANDSAT 5 - TM NA BACIA DO ACARA - CE

Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado em

Agronomia do Centro de Cincias Agrrias, da Universidade Federal do Cear, como requisito parcial para obteno do grau de Mestre em Agronomia. rea de concentrao: Irrigao e Drenagem.

Orientadora: Profa. Eunice Maia de Andrade, Ph.D. - UFC

FORTALEZA 2007

M453e Meireles, Marcos

Estimativa da evaporao real pelo emprego do algoritmo SEBAL e imagem landsat 5-TM na Bacia do Acara - CE [manuscrito] / Marcos Meireles

89 f., il. color., enc.

Dissertao (mestrado) - Universidade Federal do Cear, Fortaleza, 2007

Orientadora: Eunice Maria de Andrade Co-orientador: Bernardo Barbosa da Silva rea de concentrao: Irrigao e Drenagem

1. SEBAL 2. Micrometeorologia 3. Sensoriamento remoto I. Andrade, Eunice Maria de II. Universidade Federal do Cear Mestrado em Agronomia III. Ttulo

CDD 631

MARCOS MEIRELES

ESTIMATIVA DA EVAPOTRANSPIRAO REAL PELO EMPREGO DO ALGORITMO SEBAL E IMAGEM LANDSAT 5 - TM NA BACIA DO ACARA - CE

Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado em Agronomia do Centro de Cincias Agrrias, da Universidade Federal do Cear, como requisito parcial para obteno do

grau de Mestre em Agronomia. rea de concentrao: Irrigao e Drenagem.

APROVADO EM: __ / __ / ____

BANCA EXAMINADORA

_______________________________________________

Profa. Eunice Maia de Andrade, Ph.D. - UFC (Orientadora)

________________________________________

Prof. Bernardo Barbosa da Silva, Dr. - UFCG (Co-orientador)

___________________________________________

Prof. Thales Vincius de Arajo Viana, Dr. - UFC (Conselheiro)

DEDICO

minha me, Fatima Meireles minha esposa Carmlia Santos

A meus avs maternos, Joo Claudino Moura e Maria Claudino Moura (in memorian)

AGRADECIMENTOS

A Deus, pois sem ele no existiria vida.

A meus pais, irmos e demais familiares pelo apoio e confiana que a mim dedicaram. Universidade Federal do Cear UFC, atravs do Departamento de Engenharia

Agrcola, pela forma calorosa de acolhimento e conduo educacional. Aos professores:

Benito de Azevedo : por ter me indicado a primeira oportunidade de pesquisa (graduao);

Raimundo Nonato Tvora Costa : por ter me acolhido e conduzido nesta primeira caminhada (graduao);

Adunias dos Santos Teixeira : por ter me incentivado a ingressar no mestrado e por ter iniciado minha orientao;

Claudivan, Marcus Bezerra, Renato, Thales, Moreira, Omar, etc, pelo convvio

pacfico e frutfero.

A Professora Eunice Maia de Andrade (em especial) por estar to presente e decidida a me levar at o fim desta caminhada, com dedicao, esmero e amizade.

Aos colegas e amigos do mestrado: Alexandre Maia, Alves Neto, Antnio Evami, Carlos Henrique, Denise Vasconcelos, Eliana Lee, Esa Ribeiro, Francisco Sildemberny, Helba Arajo, Itamar Frota, Jefferson Nobre, Jos Otaclio, Karine Rodrigues, Llian Cristina, Marcos Mesquita, Mauro Regis, Moacir Rabelo, Paulo Cairo, Robson Alexsandro e Thales Gomes, pela certeza de um novo encontro.

Aos funcionrios do Departamento de Engenharia Agrcola da Universidade Federal do Cear pela amizade e presteza profissional.

Aos orientados da Profa. Eunice: Deodato, Fernando, Fredson, Lobato, Joselson e Nilson pelo companheirismo na sala de estudo/trabalho.

A minha esposa Carmlia Santos Arajo pelo companheirismo e incentivo em minha vida acadmica, social e pessoal.

s amigas Denise Feij, Virgnia Cludia e Ana Mnica pelo companheirismo e cumplicidade na vida.

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico (CNPq), pela bolsa de estudo concedida na graduao (Pibic) e ps-graduao.

Cada coisa tem sua hora e cada hora o seu caminho. (Rachel de Queiroz)

LISTAS DE FIGURA LISTAS DE TABELAS RESUMO ABSTRACT 1 INTRODUO....................................................................................................... 14 2 - REVISO DE LITERATURA................................................................................ 16 2.1 - Sensoriamento remoto............................................................................................. 16 2.2 Satlites.................................................................................................................. 18 2.2.1 - Programas espaciais de interesse para o Brasil ..................................................... 18 2.2.1.1 - A misso espacial completa brasileira (MECB)................................................. 19 2.2.1.2 - O satlite Argentino-Brasileiro de informaes sobre gua, alimento e

ambiente (SABIA3) .......................................................................................... 20 2.2.1.3 - Programa China-Brazil earth resources satellite (CBERS)................................. 21 2.2.2 - Outros programas espaciais importantes............................................................... 21 2.2.2.1 - NOAA-AVHRR................................................................................................ 21 2.2.2.2 - O programa Landsat.......................................................................................... 22 2.3 - Geoprocessamento e recursos naturais .................................................................... 23 2.4 - Balano de energia.................................................................................................. 25 2.5 Evapotranspirao .................................................................................................. 27 2.6 SEBAL .................................................................................................................. 30 3 - MATERIAL E MTODOS..................................................................................... 33 3.1 - Caractersticas da rea de estudo ............................................................................. 33 3.2 - Dados empregados no trabalho ............................................................................... 38 3.3 - O algoritmo SEBAL ............................................................................................... 40 3.4 - Evapotranspirao diria (mm.dia-1)........................................................................ 53 4 - RESULTADOS E DISCUSSO.............................................................................. 55 4.1 - Elementos que compem o saldo de radiao (Rn) .................................................. 55 4.1.1 - Albedo () ........................................................................................................... 55 4.1.2 - Radiao de onda longa emitida (RL) .................................................................. 58 4.1.3 - Saldo de radiao (Rn).......................................................................................... 59 4.2 - Fluxo de calor no solo (G)....................................................................................... 62 4.3 - Calor sensvel (H) ................................................................................................... 64 4.4 - Calor latente (ET) ................................................................................................. 68 4.5 Evapotranspirao .................................................................................................. 72 5 CONCLUSES ....................................................................................................... 78 6 - REFERNCIAS BIBLIGRFICAS ....................................................................... 79 APNDICES ................................................................................................................. 87

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - Espectro eletromagntico............................................................................ 17

FIGURA 2 - Fluxo de radiao com sua distribuio na atmosfera.................................. 27 FIGURA 3 - Fluxograma com as etapas de processamento do balano de radiao

superfcie .................................................................................................... 31

FIGURA 4 - Localizao da rea de estudo na bacia do Acara ...................................... 34

FIGURA 5 - Audes: Jaibaras (a), Paulo Sarasate (b), Edson Queiroz (c) e Forquilha (d)............................................................................................... 35

FIGURA 6 - Precipitaes registradas de agosto/2004 a fevereiro/2006 nos municpios de Acara (a), Sobral (b), Groaras (c) e Sta Quitria (d)............................. 37

FIGURA 7 - Mapa de solos da bacia do Acara .............................................................. 37 FIGURA 8 - Exemplo de clculo de a e b, para cmputo de dT ............................ 49 FIGURA 9 - Fluxograma com as etapas da iterao para obteno da carta de H ............ 52 FIGURA 10 - Mapa do albedo superfcie do solo no tero mdio da bacia do Acara,

Cear. Data: 01/09/2004 ............................................................................. 56 FIGURA 11 - Rio Goaras, afluente da margem esquerda do Acara, perenizado pelo

aude Edsno Queiroz, 2005......................................................................... 57 FIGURA 12 - Campo de mineradora de granito (361327,425; 9541768,518),

municpio de Santa Quitria, 2007 .............................................................. 58 FIGURA 13 - Mapa da radiao de onda longa (W.m-2) liberada pela superfcie no

tero mdio da bacia do Acara, Cear. Data: 01/09/2004........................... 59

FIGURA 14 - Mapa do saldo de radiao superfcie do solo (W.m-2) no tero mdio da bacia do Acara, Cear. Data: 01/09/2004 .......................... 60

FIGURA 15 - Histograma de freqncia do saldo de radiao para o dia 01/09/2004 ...... 61 FIGURA 16 - Cena do fluxo de calor no solo (W.m-2) para o dia 01/09/2004.................. 63 FIGURA 17 - Histograma de freqncia do fluxo de energia no solo (G) para o dia

01/09/2004.................................................................................................. 64 FIGURA 18 - Imagem do calor sensvel (W.m-2) para o dia 01/09/2004.......................... 66 FIGURA 19 - Imagem da rea considerada como o pixel quente..................................... 67 FIGURA 20 - Histograma de freqncia do calor sensvel (H) para o dia 01/09/2004 ..... 68 FIGURA 21 - Imagem do fluxo de calor latente (W.m-2) para o dia 01/09/2004 .............. 69

Figura 22 - Cobertura vegetal da bacia: (a) - caatinga composta com espcies arbreas e arbustivas de maior densidade (373435.50; 9554096.35); (b) - cobertura com espcies de menor porte, totalmente isenta de folha (337903.00; 9564712.00); (c) - caatinga com maior densidade de espcies arbreas (334603.04; 9572481.96); (d) - mata ciliar do rio jacurutu (oiticica, ingazeira 355152.88, 9530403.27); (e) - mata ciliar do riacho dos macacos (predominncia de cobertura oiticicas 335695.56, 9556232.28) e (f) - queimadas para introduo de cultura de subsistncia (milho x feijo) (335126.58; 9568507.55)................................................................. 70

FIGURA 23 - Histograma de freqncia do calor latente (ET) para o dia 01/09/2004.... 71 FIGURA 24 - Imagem da frao da evapotranspirao de referncia horria para o dia

01/09/2004.................................................................................................. 74 FIGURA 25 - Histograma de freqncia da frao da evapotranspirao de referncia

horria (FETH) para o dia 01/09/2004 ......................................................... 74 FIGURA 26 - Imagem da ETdiria (mm.dia-1) para o dia 01/09/2004 ................................ 76

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Situao dos satlites que compem a famlia Landsat............................... 23

TABELA 2 - Informaes dos audes de maior importncia na bacia do Acara............. 33 TABELA 3 - Caractersticas espectrais e espaciais do sensor TM e suas aplicaes ........ 39 TABELA 4 - Informaes dos municpios e perodo de coleta dos dados ........................ 40 TABELA 5 - Descrio das bandas TM do Landsat 5, com intervalos de comprimento

de onda, coeficientes de calibrao (mnima [a] e mxima [b]) e irradincia espectral no topo da atmosfera (TOA) ...................................... 41

TABELA 6 - Estatstica descritiva dos componentes do saldo de radiao na superfcie para o tero mdio da bacia do Acara. Data: 01/09/2006 .......................... 62

TABELA 7 - Valores dos parmetros que identificam as condies extremas, pixels ncora, da imagem no dia 244 do calendrio Juliano. Data: 01/09/2004 ..... 65

TABELA 8 - Estatstica descritiva dos componentes do balano de radiao na

superfcie para o tero mdio da bacia do Acara. Data: 01/09/2004 .......... 72 TABELA 9 - Valores de ETdiria, ET0 diria e FETH para o dia de passagem do satlite

(01/09/2004) .............................................................................................. 77

RESUMO

Tomando-se por base o emprego crescente do sensoriamento remoto na elaborao de

mapas mais precisos e de menor custo dos recursos naturais, desenvolveu-se este estudo com o objetivo de se elaborar imagens que venham a identificar o balano de energia na superfcie, bem como estimar as taxas evaporimtricas horria e diria da regio que abrange o Permetro de Irrigao Araras Norte e os quatro principais reservatrios (Jaibaras, Paulo Sarasate, Edson Queiroz e Forquilha) da bacia do Acara. Para tanto, imagem do satlite Landsat 5, datada de 01 de setembro de 2004, foi obtida junto ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).

Esta imagem foi submetida, processada e empilhada pelo software Erdas IMAGINE 8.5 Demo. Em seguida aplicou-se o algoritmo SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land), o qual se fundamenta no fluxo de calor entre a superfcie do solo e a atmosfera, para se estimar a evapotranspirao horria e diria da rea em estudo. Pelo emprego do referido

algoritmo foram geradas cartas, dentre outras, da temperatura (C), albedo (), ndice de Vegetao por Diferena Normalizada (NDVI), saldo de radiao (Rn), calor sensvel (H), calor latente (ET) e evapotranspirao horria (EThorria). De posse da carta da EThorria, estimou-se a frao de evapotranspirao de referncia horria (FET0_H), pela relao dos valores da evapotranspirao de cada pixel da imagem estimada pelo SEBAL e a evapotranspirao de referncia horria (ET0_H), estimada pelo mtodo de Penman-Montheith.

Pelos resultados alcanados observou-se que os menores percentuais de energia refletida (albedo) e as maiores taxas de evaporao foram registrados nas superfcies liquidas dos audes (7,5 mm.dia-1); que a distribuio espacial do fluxo de calor no solo apresentou uma repartio semelhante s manchas dos dois tipos de solo predominantes da rea em estudo,

Luvissolo e Neossolo Litlico. Pode-se, tambm, perceber a influncia da perenizao dos cursos dgua na umidade do solo das margens, encontrando-se para alguns trechos da mata

ciliar valores de NDVI e de evapotranspirao diria bem prximos dos observados nas reas irrigadas. As reas do Distrito de Irrigao Araras Norte apresentaram ETdiria da ordem de 6,5 mm.dia-1. Ficou evidenciado a alta potencialidade do emprego do SEBAL em estudos de desertificao, alteraes na vegetao e uso da terra em escala de bacias hidrogrficas, uma vez

que a identificao em mudanas das espcies pode ocorrer pelo estudo das cartas de calor latente ou evapotranspirao.

Palavras-chave: SEBAL, micrometeorologia, sensoriamento remoto.

ABSTRACT

Elaboration of natural resources mapping is difficult due to large spatial and temporal

variability of them. In the least decay, remote sensing is widely used do make this because the lower survey costs. The main goal of this work is to estimate daily evapotranspiration of the Araras Norte Irrigated Perimeters and evaporation of four reservoirs (Jaibaras, Paulo Sarasate, Edson Queiroz and Forquilha) located in the middle part of the Acara basin. The actual evapotranspiration was quantified from spectral satellite data on the basis of the energy balance approach. The LANDSAT 5 Thematic Mapper 30 m, resolution satellite image taken on 01 september 2004, was obtained from Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).

Satellite image was processed and piled up using Erdas Imagine 8.5 Demo. Hour and daily evapotranspiration was estimated using SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) algorithm, which is based on energy balance between incoming and outgoing solar radiation. Among generated remote sensing maps are: temperature (C), Albedo (a), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), net radiation (Rn), sensible heat flux (H), latent heat flux (lET) and hour evapotranspiration (ETH). Based on ETH the evaporative fraction was estimated throughout the relationship of ET for pixel at the satellite image time (mm.h-1) and reference crop ET by Penman-Montheith method.

Results showed that the lowest albedo and the highest evapotranspiration rates were registered in the reservoir (7.5 mm.dia-1); the spatial distribution of soil heat flux presented a similar distribution of soil predominant types in the studied region. Also, It was observed the influence of water flow in the repair zone soil humidity, once it was registered, in these areas, values of NDVI and daily evapotranspiration similar to those observed in irrigated areas. Irrigated District of Araras Norte showed an ETdiria around 6.5 mm.dia-1. It was clear that SEBAL approach has a high potential in study of desertification, changes in cover vegetation and land use at basin scales; since latent heat and evapotranspiration can be a good indication of

changed cover vegetation change.

Keyword: SEBAL, micrometeorogy, remote sensing

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1. INTRODUO

A demanda crescente pela gua por parte da populao mundial nas ltimas dcadas vem incentivando a sociedade e os pesquisadores da necessidade de se buscar um modelo mais

eficiente para a explorao dos recursos hdricos. A falta de um bom planejamento do sistema hdrico e o desconhecimento sobre os processos industriais e agroindustriais elevam o consumo de gua de boa qualidade para usos no to exigentes, elevando, sem necessidade efetiva, os

investimentos e os custos de tratamento de gua e de efluentes. Por no adotar um mtodo de controle de irrigao, usualmente o produtor rural irriga em excesso, temendo que a cultura

sofra estresse hdrico, que poderia comprometer a produo. Este excesso tem, como conseqncia, o desperdcio de energia em bombeamento desnecessrio de gua. Para exemplificar, um milmetro de lmina excedente em uma rea irrigada por um piv central de 100 ha, representa a conduo desnecessria de um milho de litros de gua, que consome, em mdia, 400 kWh de energia eltrica. necessrio, portanto, manejar racionalmente a irrigao para que se evite o mau uso de fatores de produo to essenciais como gua e energia (FARIA et al., 2002). Somente com uma gesto integral do processo produtivo, pode-se pensar numa soluo adequada e sustentvel para o problema de escassez de gua em regies do semi-rido nordestino. Para isto, necessria uma ampla participao das comunidades envolvidas,

incluindo treinamento e a conscientizao das mesmas atravs de programas de educao ambiental (FILHO, 2005). Esta busca assume uma maior importncia nas regies ridas e semi-ridas do globo, as quais se caracterizam pelo dficit hdrico ao longo de quase todo o ano.

Nessas regies, a produo de alimento, em uma maior escala e com uma maior segurana de sucesso ocorre atravs da irrigao. Por outro lado, o crescimento, em larga escala, da agricultura irrigada nas regies secas do globo vem promovendo a substituio de baixas taxas

de evapotranspirao por altas taxas, em uma superfcie de, aproximadamente, 110 milhes de hectares (WICHELNS et al., 2002). Isto ocorre devido a grande quantidade de energia radiante disponvel para ser empregada no processo da evapotranspirao.

O Estado do Cear, regio Nordeste do Brasil, conhecido pelo volume de gua armazenado em reservatrios artificiais, chegando a 8.000 reservatrios, sendo que os 126 maiores tm suas vazes monitoradas pela Companhia de Recursos Hdricos do Estado (COGERH, 2001). Os audes pblicos do Cear armazenam um total de 12 bilhes de metros cbicos, os quais tm suas guas destinadas ao consumo humano, dessedentao, indstria e irrigao.

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A agricultura irrigada no Cear tem se expandido nos ltimos anos, principalmente na bacia do Acara, onde se encontram implantados quatro permetros pblicos de irrigao. A capacidade total de acumulao da bacia de aproximadamente 1.215.390.000 m3, tendo como principais audes: o Paulo Sarasate no rio Acara, municpio de Varjota, com capacidade de 860,96 milhes de m3; o Edson Queiroz, localizado no rio Groaras, municpio de Santa Quitria, com capacidade de 250 milhes de m3; e o Jaibaras no rio de mesmo nome, municpio de Sobral com capacidade de 104,43 milhes de m3 (COGERH, 2001). Esta bacia comea a despontar como uma rea promissora para a agricultura irrigada no Cear, principalmente com o cultivo de fruteiras sob irrigao.

Alm da disponibilidade hdrica existente na bacia do Acara, alguns fatores adicionais

tm contribudo para essa expanso, entre os quais pode-se citar: a prpria condio climtica da regio, a qual apresenta-se adequada para o cultivo irrigado, principalmente frutferas como

banana, manga, mamo, coco, abacaxi, melo e algumas variedades de uva; a prpria demanda interna tanto regional como nacional, como a demanda externa por frutas e flores tropicais, bem como, o empreendedorismo de jovens produtores rurais da regio. Entretanto, no se pode esquecer que o fator gua, por seu uso mltiplo e escala de prioridade, um elemento

fundamental na tomada de deciso, principalmente em regies ridas e semi-ridas onde as taxas de evapotranspirao so muito elevadas. Bezerra & Oliveira (1999) e Filho (2005) desenvolveram trabalhos de estudo das taxas de evapotranspirao em regies semi-ridas.

Recentes avanos da aplicao do sensoriamento remoto na elaborao de mapas vm se constituindo em uma tcnica mais rpida, precisa e de menor custo no monitoramento dos processos que definem a dinmica dos recursos naturais e na identificao da fragilidade dos mesmos. Nbrega et al. (2004) e Gomes (2000) so alguns autores que utilizam esta tecnologia. Tomando-se por base o emprego crescente do sensoriamento remoto nos recursos naturais, desenvolveu-se este estudo objetivando identificar as taxas evaporimtricas horria e diria do tero mdio da bacia do pelo emprego do algoritmo SEBAL e imagem do satlite Landsat 5 (TM).

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2. REVISO DE LITERATURA

2.1. Sensoriamento Remoto

O conceito em si, de sensoriamento remoto, muito amplo; no entanto, cada rea da cincia possui seu prprio conceito. Novo (1992), aps algumas consideraes, definiu sensoriamento remoto como sendo a utilizao conjunta de modernos sensores, equipamentos para processamento e transmisso de dados, de aeronaves, de espaonaves etc., com o objetivo de estudar o ambiente terrestre atravs do registro e da anlise das interaes entre e a radiao eletromagntica as substncias componentes do planeta Terra em suas mais diversas

manifestaes. O princpio fundamental desta ferramenta a obteno de informaes de um determinado alvo (cidades, vegetao, reservatrios, rios, etc.) atravs de dados coletados a distncia por sensores, seja ele espacial ou terrestre.

A obteno da primeira imagem fixada pela luz, princpio da mquina fotogrfica, em 1822 por um francs, Joseph Nicphore Nipce, proporcionou o incio da idia de sensoriamento remoto por meio das primeiras experincias com fotografias registradas na

histria. A partir desse momento, vrios estudos permitiram aprimorar a idia. Porm, s em 1856, uma cmera foi colocada em um balo e assim, tirada a primeira foto area. Este feito foi atribudo ao, tambm francs, Gaspar Felix Tournachon, que tirou a primeira foto area da cidade de Paris a bordo de um balo. Com o passar dos tempos, estudos e experincias com mquinas fotogrficas a bordo de outras mquinas voadoras (dirigveis, avies, satlites, etc) foram realizados e at hoje tm sido usados com o objetivo de mapear e estudar a superfcie terrestre e seus fenmenos.

A base da tecnologia de sensoriamento remoto a deteco das alteraes sofridas pela radiao eletromagntica quando esta interage com os componentes da superfcie terrestre (alvos) (MENDES & CIRILO, 2001), ou seja, os fundamentos do sensoriamento remoto esto ligados emisso de luz solar e sua reflexo por diversos alvos da superfcie da terra. Neste

momento, quando a luz refletida, cada alvo (rio, vegetao, etc) interage com a radiao incidente e a reflete de modo particular, que captado pelos sensores (fotogrficos, espaciais ou radiofreqncia) e armazenado para posterior processamento e interpretao. Desta maneira, gera-se um, ou um conjunto de mapas que serviro de suporte para a tomada de deciso.

Existem dois tipos de sensores, os passivos e os ativos. Os sensores passivos (satlites, mquinas fotogrficas, etc) no produzem fonte de energia, necessitando de uma fonte natural (Sol) ou artificial (lmpada) para que possam captar a energia refletida dos alvos em forma de

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ondas eletromagnticas. J os sensores ativos (radar, sonar, etc) emitem energia em forma de ondas eletromagnticas que so refletidas e captadas posteriormente.

O espectro eletromagntico (Figura 1) uma escala contendo os diversos comprimentos de onda emitidos e recebidos por um sensor, e est compreendido desde as ondas

de raio gama (0,01 a 1 ) at as ondas de rdio (1m a 100 km). Dentro deste espectro, encontramos a faixa compreendida entre 0,30 m e 15 m, representando o espectro ptico.

FIGURA 1: Espectro eletromagntico

Ainda segundo Mendes & Cirilo (2001), os sistemas sensores que operam na regio ptica do espectro podem ser classificados em funo do tipo de energia que detectam como sensores termais e sensores de energia solar refletida. O espectro de energia refletida divide-se

em visvel (0,38 m a 0,72 m), infravermelho prximo (0,72 m e 1,3 m) e infravermelho mdio (1,3 m e 3,0 m). Os sensores termais operam na regio do infravermelho distante (7 m e 15 m).

Em sensoriamento remoto, a resoluo se apresenta em trs independentes tipos:

resoluo espacial, resoluo espectral e resoluo radiomtrica, informa Crsta (1992). A primeira (resoluo espacial) definida pela capacidade do sistema sensor em enxergar objetos na superfcie terrestre; quanto menor o objeto possvel de ser visto, maior a resoluo espacial. A segunda (resoluo espectral) inerente s imagens multiespectrais e definida pelo nmero de bandas espectrais de um sistema sensor e pela largura do intervalo de comprimento de onda coberto por cada banda; quanto maior o nmero de bandas e menor a largura do intervalo, maior a resoluo espectral de um sensor. Exemplificando o conceito de bandas,

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temos o caso de duas fotografias do mesmo objeto; uma preto e branco (uma banda espectral: tons de cinza) e colorida (trs bandas espectrais: vermelha, azul e verde). A resoluo radiomtrica dada pelo nmero de nveis digitais, representando nveis de cinza, usados para expressar os dados coletados pelo sensor; quanto maior o nmero de nveis, maior a resoluo

radiomtrica. Alm dessas resolues, temos tambm a resoluo temporal, que se refere ao tempo de revoluo do satlite ao redor da terra, ou seja, o tempo em que, tomada uma determinada imagem, transcorre at que uma segunda imagem do mesmo ponto seja tomada.

2.2. Satlites

A guerra fria travada entre os Estados Unidos e a Unio Sovitica foi o ponto de

partida para o desenvolvimento da tecnologia aeroespacial. Neste contexto, os satlites inicialmente serviram para fins militares: porm, com o fim dos conflitos, outras aplicaes foram atribudas a esta ferramenta de imensa importncia. Os satlites atuais utilizados na agricultura, meteorologia e em diversas outras reas devem muito Guerra Fria que, investindo na espionagem, foi a maior incentivadora das tecnologias de sensoriamento remoto.

Atualmente, uma das principais aplicaes desta tecnologia o monitoramento da

condio ambiental terrestre, onde vrios segmentos profissionais esto envolvidos, todos interligados, gerando ainda mais informao a respeito de determinado tema. Ferreira (2004) aborda a utilizao das imagens dos satlites NOAA e TIROS-N no monitoramento de queimadas na Amaznia, clculo de ndice de vegetao a partir do sensor AVHRR, balano de radiao com dados AVHRR/NOAA14, monitoramento de bias e animais, etc. Inmeros programas espaciais j foram criados possuindo objetivos diversos. Alguns pases, atravs de tratados internacionais, possuem programas espaciais que visam, da melhor maneira possvel, adquirir informaes sobre diversos recursos naturais, a fim de proporcionar um melhor entendimento sobre os fenmenos atmosfricos, bem como obter informaes regionais que

influem e proporcionam tomadas de decises para a melhor administrao desses recursos.

2.2.1. Programas espaciais de interesse para o Brasil

A tecnologia espacial de interesse da grande maioria dos pases. Porm, a situao econmica de um pas pode determinar o tipo de investimento a se fazer para aquisio desta tecnologia. A opo por fazer parcerias com pases de mesmo nvel econmico vlida, desde

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que os benefcios sejam compartilhados de formas iguais. O Brasil tem relacionamentos nesta rea com diversos pases, a fim de manter projetos espaciais que atendam as necessidades tcnicas destes. Entre estes diversos pases, pode-se citar: Argentina, Alemanha, China, Ucrnia, Rssia. Abaixo so citados alguns dos projetos mantidos pelo Brasil, em parcerias internacionais.

2.2.1.1. A misso espacial completa brasileira (MECB)

Projeto do governo brasileiro coordenado pela Agncia Espacial Brasileira (AEB) com objetivo de promover o avano da tecnologia espacial atravs do desenvolvimento de um foguete lanador (VLS) para satlites de pequeno porte e de dois tipos de satlites experimentais.

Este programa da Misso Espacial Completa Brasileira (MECB) em parceria com o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) visa a integrao, testes e operao em rbita de quatro satlites: trs de Coleta de Dados (SCD1, SCD2 e SCD3) e dois de Sensoriamento Remoto da Terra (SSR1 e SRR2).

Satlites de Coleta de Dados (SCDs)

O primeiro sistema espacial de uso de dados obtidos por satlite no pas foi

protagonizado pelos Satlites de Coleta de Dados (SCDs 1 e 2). De dimenses aproximadas a 1 m, esses artefatos funcionam como retransmissores de informaes para centros de recepo

em Cuiab (MT) e Alcntara (MA). Os dados so de natureza hidrolgica ou ambiental, dependendo do tipo de plataforma que enviou a informao para o satlite. Eles esto em operao respectivamente desde 1993 e 1998. Entre os maiores usurios esto a Agncia Nacional de guas (ANA), a Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL), o Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e o Sistema de Vigilncia da Amaznia (Sivam) (MCT, 2006). Seu lanamento ocorreu em 9 de fevereiro de 1993, com a utilizao do foguete PGASUS, da empresa norte-americana Orbital Sciences, acoplado a um avio B52, desde o Centro Espacial Kennedy, na Flrida, USA. Sua rbita foi escolhida de forma a cobrir inteiramente o territrio brasileiro. O satlite SCD-2A foi lanado em novembro de 1997, com a utilizao do Veculo Lanador de Satlite - VLS, desenvolvido por tcnicos do Centro Tcnico

Aeroespacial - CTA. Infelizmente, uma falha em um dos foguetes obrigou a abortar o lanamento 6 minutos aps a decolagem (INPE, 2006a). Sua principal misso a transmisso de

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dados ambientais. Essa transmisso feita em duas freqncias adjacentes que promovem um servio aleatrio a centenas de Plataformas de Coleta de Dados (PCDs) instaladas em locais remotos.

Alguns dados transmitidos so: temperatura e umidade relativa do ar; direo e

velocidade do vento; presso atmosfrica; nvel de chuva acumulado; nvel de rios, lagos e reservatrios; quantidade de radiao solar incidente ou refletida; temperatura do solo; fluxo de

calor no solo; parmetros fsicos de qualidade da gua (turbidez, pH, temperatura, etc); parmetros fsicos relacionados com a qumica atmosfrica (concentrao de CO2, oznio, monxido de carbono, etc).

Satlites de Sensoriamento Remoto (SSRs)

Sua finalidade principal o monitoramento ambiental da regio Amaznica e dever

ter baixa rbita equatorial (~900 km de altitude) com revisitas a cada 2 h aproximadamente. As bandas espectrais propostas com suas respectivas resolues espaciais so:

SB1 (440 a 505 nm; 70 m), SB2 (530 a 575 nm; 70 m), SB3 (650 a 680 nm; 70 m), SB4 (845 a 885 nm; 70 m), SB5 (895 a 990 nm; 300 m), SB6 (3400 a 4200 nm; 600 m) (INPE, 2006b).

2.2.1.2. O satlite Argentino-Brasileiro de informaes sobre gua, alimento e ambiente (SABIA3)

Esse satlite Argentino-Brasileiro capta informaes sobre gua, alimentos e ambiente. o resultado de uma cooperao tcnica entre o INPE e a Comisso Nacional de Atividades Espaciais (CONAE), da Argentina. Possui seis bandas espectrais, onde as quatro primeiras (azul, verde, vermelho e infravermelho prximo) tm resoluo espacial de 80 m2, a banda infravermelho mdio, apresenta uma resoluo de 160 m2 e a pancromtica de 40 m2. Sua rbita polar (98,5) heliosncrona, passando pelo equador s 11:00 h (horrio local) e sua resoluo temporal de 3 dias, podendo ser dirio se necessrio. A vida til est prevista em 4 anos e o

tempo de execuo da misso dever ser de pelo menos 5 anos, com custo de aproximadamente US$ 60 milhes.

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2.2.1.3. Programa China-Brazil Earth Resources Satellite (CBERS)

No intuito de driblar as barreiras impostas por pases desenvolvidos, com relao ao desenvolvimento e transferncia de tecnologias sensveis, a China e o Brasil assinaram em 06 de julho de 1988 um acordo de parceria envolvendo o INPE e a Academia Chinesa de Tecnologia Espacial (CAST) para que fossem desenvolvidos dois satlites avanados de sensoriamento remoto.

A rbita heliosncrona a uma altitude de 778 km, completando aproximadamente 14 revolues por dia, cruzando o equador aproximadamente s 10:30 h (horrio local), permitindo as mesmas condies de luz para posterior comparao de imagens. A bordo do CBERS 1 e 2,

esto a cmera imageadora de alta resoluo (CCD - High Resolution CCD Camera), o imageador de amplo campo de visada (WFI - Wide Field Imager) e o imageador por varredura de mdia resoluo (IRMSS - Infrared Multispectral Scanner) (EMBRAPA, 2006a). Mais detalhes sobre esses sensores esto no Apndice A.

O autor supracitado informa ainda que as equipes tcnicas de ambos os pases concluram estudos de viabilidade para a construo de mais dois satlites da famlia CBERS; o

CBERS-3 e o CBERS-4, com a substituio da atual cmara CCD por outra com resoluo de 5 metros. O lanamento do CBERS-3 est previsto para ocorrer em 2008 e o CBERS-4 em 2010.

2.2.2. Outros programas espaciais importantes

Embora o Brasil esteja mais interessado nos sistemas orbitais acima citados, outros sistemas orbitais so de interesse de entidades brasileiras, uma vez que as imagens obtidas so de suma importncia para a realizao de trabalhos complexos.

2.2.2.1. NOAA-AVHRR

Os Estados Unidos, em 01 de abril de 1960 lanou o satlite TIROS-1 (Television and Infrared Observation Satellite) com o objetivo de aquisio de imagens da cobertura de nuvens sobre a Terra, ao redor da maior parte do planeta. Os bons resultados obtidos fizeram com que houvesse uma evoluo de uma srie de satlites que rotineiramente monitoram a atmosfera terrestre, os continentes e os oceanos. O ltimo satlite desta srie foi o TIROS-10, sendo substitudo por sua segunda gerao, denominado ITOS - 1 (Improved TIROS Operational

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System) em 23 de janeiro de 1970, que carregava a bordo um radimetro de varredura que permitia medidas diurnas e noturnas com transmisso em tempo real e ao mesmo tempo armazenava dados para a posterior transmisso para estaes terrestres. Com a evoluo, o segundo satlite ITOS foi lanado em 11 de dezembro de 1970, passando a chamar-se NOAA-1 pelo fato de que sua administrao foi assumida pela National Oceanic and Atmospheric Administration NOAA. Este satlite carregava a bordo o radimetro Very High Resolution

Radiometer (VHRR), com varredura de dois canais sensveis energia no espectro visvel (0,6 - 0,7 m) e no infravermelho termal (10,5 - 12,5 m); Scanning Radiometer (SR), com dois canais sensveis energia do espectro visvel (0,5 - 0,7 m) e infravermelho termal (10,5 - 12,5 m); Vertical Temperature Profile Monitor (VTPR), projetado para medir radincia do infravermelho em oito canais espectrais entre 11,0 e 19,0 m cujos dados podem ser usados para deduzir o perfil de temperatura atmosfrica da coluna radiante; e o Solar Proton Monitor (SPM), que media o fluxo de partculas energticas (prtons, eltrons, etc) em diferentes faixas.

Atualmente se encontram em funcionamento o NOAA-12, NOAA-16 e o NOAA-17, que possibilitam obter informaes sobre uma mesma rea seis vezes por dia. Seu principal sensor o Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) que apresenta 5 bandas, sendo uma no espectro visvel (0,58 - 0,68 m); outra no infravermelho prximo (0,725 - 1,10 m), fornecendo informaes sobre o estado da vegetao e cobertura por nuvens; e trs no infravermelho termal (3,55 - 3,93 m; 10,3 - 11,3 m; 11,5 - 12,5 m), que so usados para avaliar a distribuio de temperaturas sobre o mar e terra, inclusive auxiliando na deteco de queimadas (UFRPE, 2006).

2.2.2.2. O programa Landsat

um dos programas de maior sucesso dentre os existentes. Foi originalmente denominado Earth Resources Technology Satellite (ERST), inicialmente de carter experimental, foi desenvolvido com o objetivo de aquisio de dados espaciais, espectrais e temporais da superfcie terrestre de maneira global e repetitiva. Na Tabela 1 encontra-se uma cronologia da famlia LANDSAT, mostrando que o Landsat 5 o nico que ainda est em pleno funcionamento.

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TABELA 1: Situao dos satlites que compem a famlia Landsat.

SATLITE LANAMENTO SITUAO ATUAL Landsat 1 (ERTS-1) 23/07/1972 Desativado em 06/01/1978 Landsat 2 22/01/1975 Desativado em 22/02/1982 Landsat 3 05/03/1978 Desativado em 31/03/1983 Landsat 4 16/07/1982 No imagea, porm no est desativado Landsat 5 01/03/1984 Ativo at o momento Landsat 6 05/10/1993 Perdido aps lanamento Landsat 7 15/04/1999 Ativo at 30/05/03, aps esta data,

encontra-se trabalhando com imagens prejudicadas

Fonte: ENGESAT (2006)

Os Landsat 1, 2 e 3, tinham 2 instrumentos: a Cmera RBV (Return Bean Vidicon) e o MSS (Multispectral Scanner), sendo o RBV muito pouco utilizado devido problemas tcnicos. O Landsat 4 j possua o instrumento TM (Thematic Mapper) alm do MSS, que continuou no Landsat 5, 6 e 7.

O Landsat 7 o mais recente satlite em operao, tendo sido lanado em abril de 1999, levava a bordo o sensor Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) que tem uma banda pancromtica com resoluo espacial de 15 m, canal no infravermelho termal com resoluo de 60 m, calibrao radiomtrica a bordo para todas as bandas, alm das demais bandas do TM com resoluo de 30 m. As imagens adquiridas por este sensor apresentam a melhor relao custo/benefcio entre os dados gerados por satlites de mdia resoluo (15 a 30 m) atualmente oferecido no mercado (EMBPRAPA, 2006b).

Algumas aplicaes das imagens Landsat: acompanhamento do uso agrcola das terras;

apoio ao monitoramento de reas de preservao; atividades energtico-mineradoras; cartografia e atualizao de mapas; desmatamentos; deteco de invases em reas indgenas; dinmica de

urbanizao; estimativas de fitomassa; monitoramento da cobertura vegetal; queimadas, secas e inundaes; sedimentos em suspenso nos rios e esturios. Mais informaes sobre os sensores da famlia Landsat so encontradas no Apndice A.

2.3. Geoprocessamento e recursos naturais

Nas ltimas dcadas, o emprego de imagens de satlite vem se estabelecendo como um instrumento de fundamental importncia nos estudos sobre o balano de energia e de gua, identificao de reas em processo de degradao, desmatamento de reservas e monitoramento de rebanhos entre outros. As imagens de satlites passaram a representar uma das maneiras mais

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adequadas de monitoramento ambiental, quer em escala local ou global. Enfim, este recurso permite obter resultados satisfatrios sobre anlises em diversas reas da cincia, em escala regional, sobretudo no ramo da agricultura.

Gomes (2000) procurou avaliar a vulnerabilidade de perda de solo em regies semi-ridas utilizando sensoriamento remoto e geoprocessamento em Parnamirim PE. O referido autor observou que a metodologia se mostrou eficaz para obteno de carta de vulnerabilidade

perda de solo, no que diz respeito aos conceitos, ferramentas, tcnicas e aplicabilidade. Tais resultados mostram o potencial do uso de sensoriamento remoto nestes tipos de trabalho. J Nbrega et al. (2004) desenvolveram um trabalho que teve como objetivo avaliar a relao entre os componentes de estresse hdrico e o rendimento na cultura do feijo (Phaseolus vulgaris L.), por meio de tcnicas de sensoriamento remoto termal, tendo obtido resultados satisfatrios.

Pesquisadores em vrios programas internacionais vm estudando o uso potencial de

dados de sensoriamento remoto, com o objetivo de obter informaes precisas sobre as condies e processos da superfcie terrestre. Os resultados desses estudos tm demonstrado que avaliaes quantitativas dos processos de transferncia no sistema solo-planta-atmosfera podem levar a um melhor entendimento das relaes entre o crescimento vegetativo e o manejo de gua, por exemplo. Informaes mais detalhadas sobre a superfcie da terra podem agora ser obtidas dentro de uma ampla faixa de resoluo espacial (5-5000 m) e resoluo temporal (0,5-24 dias). No entanto, mesmo que considervel progresso tenha sido alcanado nesses ltimos 20 anos em pesquisas aplicadas, dados de sensoriamento remoto permanecem ainda subutilizados no manejo dos recursos hdricos (BASTIAANSSEN & BOS, 1999).

A tarefa de proporcionar informao confivel e precisa a partir de pequenas reas (nvel de pequenas fazendas, por exemplo) para uma bacia hidrogrfica completa, abrangendo milhes de hectares de terra irrigada, est longe de ser trivial. Medidas de sensoriamento orbital, contudo, podem proporcionar informao regular sobre as condies hidrolgicas e agrcolas da superfcie da terra para vastas reas. A capacidade do sensoriamento remoto de identificar e monitorar o crescimento vegetativo e outros parmetros biofsicos relacionados tem

experimentado um grande avano nos ltimos 20 anos, apesar de vrios casos ainda permanecerem sem soluo. Revises sobre aplicaes do sensoriamento remoto no manejo de gua na agricultura e hidrologia so apresentadas por Choudhury et al. (1994), Kustas & Norman (1996), Bastiaanssen et al. (1998) e Ray & Dadhwal (2001).

Neste contexto, a evapotranspirao torna-se um elemento da mais alta importncia, pois sendo um dos principais componentes do ciclo hidrolgico a sua estimativa com maior

confiabilidade, possibilitar um melhor entendimento sobre o balano de gua, e

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conseqentemente um melhor planejamento da irrigao, principalmente em reas com limitados recursos hdricos.

Informaes de satlites foram empregadas por Chen et al. (2005) na elaborao de mapas de evapotranspirao de uma bacia hidrogrfica localizada na regio de Saskatchewan,

Canad. Os autores identificaram uma alta variabilidade espacial da evapotranspirao sobre a bacia estudada. O estudo evidenciou que a variabilidade da ET apresenta uma alta correlao

com o tipo de cobertura vegetal, com o ndice de rea foliar e a classe de solo. Tal fato expressa que a evapotranspirao determinada de uma maneira pontual no deve ser estendida para uma escala regional.

Muitos so os mtodos existentes para se estimar ou medir a evapotranspirao de uma

determinada rea. Alguns mtodos baseiam-se em medies de campo, oriundas de equipamentos meteorolgicos (ALLEN et al., 1998; DOOREMBOS & PRUITT, 1977); outros se fundamentam em modelos hidrolgicos onde a evaporao e a transpirao so computadas como parte do ciclo hidrolgico com variaes temporais e espaciais. Mas recentemente, mtodos baseados em sensoriamento remoto passaram a ser empregados por pesquisadores e tcnicos na estimativa da evapotranspirao. Estes mtodos se fundamentam nos processos

biofsicos e no balano de energia.

2.4. Balano de energia

A energia solar origina-se no seu centro, onde os ncleos de tomos de hidrognio submetidos a alta presso fundem-se originando ncleos de hlio com liberao de energia para o meio. Na superfcie do Sol, a temperatura em torno de 6.000 K. A energia resultante desta reao irradiada para o espao e parte dela atinge a atmosfera terrestre com uma intensidade de cerca de 1.373 W.m- (ENERGIAS RENOVAVEIS, 2006). Esta energia chega superfcie terrestre, tendo sua intensidade decomposta ao longo do caminho devido s vrias propriedades

da luz, que, em contato com os corpos, pode ser absorvida, refletida ou transmitida, assim gerando um fluxo de calor. As nuvens, os gases da atmosfera, a superfcie terrestre, espelhos

dgua, coberturas vegetais, etc, so alguns desses corpos (AHRENS, 2005). O saldo de radiao exerce um papel fundamental nos processos de troca de calor e

massa na baixa troposfera, uma vez que se constitui no principal responsvel pelo aquecimento do solo, do ar e, principalmente, pela evapotranspirao da vegetao nativa e das culturas. Para

a determinao do saldo de radiao, especialmente em escala regional, faz-se necessrio o

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conhecimento do albedo, tambm muito importante em estudos de mudanas climticas, desertificao, queimadas e meio ambiente em geral (SILVA et al., 2005).

Autores como Tasumi (2003), Paiva (2005) e Atade (2006) vm mostrando que, por exemplo, a temperatura e a reflectncia da superfcie determinadas atravs de imagens de

satlite nas regies do espectro visvel e infravermelho prximo, juntamente com dados meteorolgicos obtidos na rea de interesse, fornecem subsdio para o clculo de trs

componentes do balano de energia superfcie: saldo de radiao (Rn), fluxo de calor do solo (G) e fluxo de calor sensvel (H), em diferentes escalas espacial e temporal. De posse destas informaes, em condies no advectivas, pode-se estimar o fluxo de calor latente (ET), e conseqentemente a evapotranspirao pela seguinte equao:

HGRnET = ........................................................................................... (1) onde: ET o fluxo de calor latente instantneo (W.m-2); Rn o saldo de radiao (W.m-2);

G o fluxo de calor no solo (W.m-2) e H o fluxo de calor sensvel (W.m-2).

A rapidez na disponibilidade das informaes de parmetros climticos pelos satlites

vem contribuindo significativamente para se obter um melhor entendimento do clima e dos ecossistemas e se obter um gerenciamento com maior eficincia do suprimento hdrico e da

produo agrcola. A radiao global derivada de observaes do Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES-8) em combinao com medies meteorolgicas in loco foram empregadas por Jacobs et al. (2002) na estimativa da evapotranspirao em reas midas na regio de Paynes Prairie Preserve, North Central Florida, USA. Os autores observaram que a evapotranspirao diria, oriunda das informaes de satlite, apresentaram uma alta correlao (r2=0,90) com os valores medidos na superfcie.

O movimento dos fluxos globais de radiao que agem na atmosfera, pode ser visto na Figura 2.

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FIGURA 2: Fluxo de radiao com sua distribuio na atmosfera.

2.5. Evapotranspirao

A evapotranspirao pode ser definida como a quantidade de gua evaporada e transpirada por uma superfcie como algum gral de cobertura vegetal, durante determinado

perodo. Isto inclui a evaporao da gua do solo, a evaporao da gua depositada pela irrigao, chuva ou orvalho na superfcie das folhas e a transpirao vegetal. A evapotranspirao pode ser expressa em valores totais, mdios ou dirios, em volume por unidade de rea ou em lmina de gua, no perodo considerado. um processo que depende principalmente da quantidade de energia solar que chega a superfcie do solo, visto que se trata de um processo com gasto de energia (BERNARDO et al., 2005).

O conhecimento das taxas de perdas de gua por evapotranspirao nas zonas ridas do

globo de grande importncia em decorrncia da caracterstica natural destes ecossistemas, que apresenta reduzida disponibilidade hdrica. Este problema se torna mais acentuado nas regies

ridas de clima quente que no possuem gua de degelo e os seus rios so em quase sua totalidade intermitentes ou efmeros. Nestas regies, os rios so perenizados artificialmente por vazes controladas de audes. Bezerra & Oliveira (1999) lembram que o manejo das irrigaes deve atender s necessidades das culturas, de modo a permitir a manifestao de seu potencial produtivo. Assim, para um planejamento racional das irrigaes de fundamental importncia o conhecimento da evapotranspirao da cultura durante os estdios de desenvolvimento.

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As regies ridas e semi-ridas do globo representam um dos mais extenso ambiente do globo terrestre, abrangendo em torno de 40% das terras do globo. Um fator impressionante nestes ecossistemas a heterogeneidade natural da superfcie. Muitos dos estudos sobre as relaes solo-gua-planta nestes ecossistemas so desenvolvidos em micro-escalas espacial e

temporal e em perodos curtos. Poucas so as informaes existentes sobre radiao e componentes do balano de energia em escala de bacia hidrogrfica(Malek & Bingham, 1997).

Os referidos autores mostraram as relaes entre a radiao global e os componentes de balano de energia para a bacia Grande, localizada na parte norte do Estado de Nevada. A mdia anual do albedo foi de 24%, (sendo mximo na superfcie coberta pela neve, 85%, e mnimo, 10%, para o solo molhado). Isto significa que 24% do saldo de radiao anual foi refletido para o espao enquanto 32% foi perdido, tambm para o espao, na forma de radiao de ondas longas. Os restantes 44%, representa o saldo de radiao, o qual ser empregado nos processos

de fluxo de calor latente e sensvel. Os autores supra citados observaram que 85,3% e 14,6% do saldo anual da radiao foram usados no aquecimento do ar e na evapotrasnpirao, respectivamente.

Devido s elevadas taxas de perdas dgua para a atmosfera e ao fato da

evapotranspirao ser um dos componentes mais importantes do Balano Hdrico, a sua estimativa com melhor preciso e confiabilidade essencial em estudos que envolvam

programao de irrigao, planejamento e um melhor manejo de recursos hdricos armazenados nos reservatrios do semi-rido cearense. Vrias so as equaes, mtodos e modelos desenvolvidos para estimar a evapotranspirao (ET), que por seu carter emprico tem preciso varivel. Alguns mtodos a subestimam enquanto outros a superestimam, de modo que, calibraes e validaes dos mtodos so necessrias para se atingir uma estimativa da evapotranspirao com uma maior confiabilidade. A estas limitaes, adicione-se o fato de que os mtodos e equaes empregados tratam de estimativas em uma escala local.

Na escolha de um mtodo para a estimativa da evapotranspirao devem ser levados em considerao praticidade e preciso, pois, apesar de esses mtodos tericos e

micrometereolgicos serem baseados em princpios fsicos, apresentam limitaes, principalmente quanto instrumentao, o que pode restringir a sua utilizao (BERLATO & MOLION, 1981).

Silveira (2000), em estudo de Anlise de Componente Principal (ACP), envolvendo as bacias hidrogrficas: Alto Jaguaribe, Mdio Jaguaribe, Baixo Jaguaribe, Acara, Salgado, Banabuiu, Corea, Curu, Parnaba, Metropolitana e Litoral, no estado do Cear, concluiu que

para cada uma delas existe um componente que influencia de maneira diferenciada a

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evapotranspirao. Este fato nos remete a inferir que para cada regio, dependendo de sua localizao, topografia, vegetao, tipo de solo, etc, existe um limite na utilizao de um mtodo especfico, ou seja, fica difcil a avaliao dos resultados obtidos atravs de uma generalizao de determinado mtodo de estimativa de evapotranspirao.

Assim sendo, a estimativa de evapotranspirao atravs de imagem de satlite tambm tem suas limitaes, bastando para isso observar a grande rea tomada para a obteno deste

parmetro. No entanto, como a imagem de satlite formada atravs do conjunto de dados captados por sensores imageadores, que analisam o comprimento de onda que obtido pelo satlite, dependendo do tipo de superfcie imageada, pode-se supor que este tipo de estimativa pode ser, sim, um grande avano no processo de determinao de evapotranspirao para uma

macrorregio e que o mtodo do balano de energia atravs do uso de imagem de satlite, pode ser uma boa opo.

Uma das vantagens da determinao da evapotranspirao atravs de imagens de satlite a obteno deste valor tomado pixel a pixel, ou seja, os valores de evapotranspirao podero ser extrapolados para uma rea maior ou at uma regio, diferentemente do que ocorre com dados locais. Outra grande vantagem do emprego de imagens de satlites na estimativa da

evapotranspirao em escala regional reside no fato de que, a gua gasta no processo de evapotranspirao, pode ser obtida diretamente sem a necessidade de quantificar outros

parmetros hidrolgicos de difceis determinaes, como a umidade por exemplo. Este fato bem mais acentuado nas regies secas do globo, seja pela falta de informaes, seja pela peculiaridade dos ecossistemas presentes nestas reas. Flerchinger & Cooley (2000) em estudos sobre o balano hdrico em regies semi-ridas montanhosas no estado de Idaho, USA, comentam as dificuldade de se estimar a evapotranspirao em escala regional. Os autores afirmam que esta limitao decorrente da grande variabilidade espacial e temporal das precipitaes, associados ao grande nmero de comunidades vegetais presentes nestas reas.

Pesquisadores como Sobrino et al. (2005) comentam que mtodos tradicionais de estimativa da evapotranspirao, como razo de Bowen, fornecem estimativas precisas sobre

uma rea homognea, mas os resultados no se aplicam para grandes reas com diferentes coberturas. Os referidos pesquisadores acreditam que um significante avano ocorrer com o

mapeamento da distribuio espacial da evapotranspirao pelo emprego do sensoriamento remoto.

Imagens geradas pelo NOAA-AVHRR e Landsat foram empregadas por Granger (2000) na estimativa da evapotranspirao em escala regional na bacia de Gediz, Turquia. Foram utilizadas duas imagens do vero de 1998. Parmetros como temperatura do ar, dficit da

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presso de vapor e radiao lquida foram estimadas a partir das imagens e aplicadas a um modelo convencional para gerar dados dirios. Os dados obtidos foram comparados com medidos em reas agrcolas na regio de Gediz. Os resultados mostraram que as taxas de evapotranspirao, tendo como base o sensoriamento remoto e os medidos, apresentaram

valores variando entre 2,5 - 4,5 mm dia-1.

2.6. SEBAL

O algoritmo SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) foi desenvolvido em 1995 por Bastiaanssen (BASTIAANSSEN et al., 1998; BASTIAANSSEN, 2000) e validado em vrios ecossistemas mundiais, como Egito, Espanha, Portugal, Frana, Itlia, Argentina, China, ndia, Paquisto, Nigria, Zmbia, Etipia, Estados Unidos, Novo Mxico, etc. (TASUMI, 2003). O SEBAL um algoritmo semi-emprico que promove a parametrizao do balano de energia e fluxos de superfcie baseado em alguns dados locais e medies espectrais de satlites (WELIGEPOLAGE, 2005). necessrio que os canais visvel, infravermelho prximo e infravermelho termal sejam tomados como dados de entrada para o processo.

De acordo com Bastiaanssen (2000), apesar do algoritmo SEBAL ser fundamentado em formulaes empricas, os resultados da validao do mesmo em experimentos de campo

tm mostrado que o erro relativo na frao evaporativa foi de 20%, 10% e 1% nas escalas de 1, 5 km e 100 km, respectivamente. O autor supra citado espera que o SEBAL apresente melhores resultados em escala regional, como tambm em reas com superfcie heterognea.

O SEBAL possui vrias etapas seqenciais e somente para a obteno do Balano de Radiao so requeridas onze etapas (Figura 3), onde em cada uma delas feito o cmputo de uma ou mais variveis necessrias para a etapa seguinte. Esta seqncia deve ser seguida de maneira a minimizar todos os erros de clculo.

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FIGURA 3: Fluxograma com as etapas de processamento do balano de radiao superfcie

A combinao de imagens de satlite com o algoritmo SEBAL vem sendo empregada por diferentes autores na estimativa da evapotranspirao. Ayenew (2003) fez uso do algoritmo SEBAL para calcular a evaporao diria dos Ethiopian rift lakes e das reas circunvizinhas. O autor observou que a estimativa da evaporao dos lagos ocorreu com uma confiana maior do que a evapotranspirao das reas em redor, uma vez que os processos fsicos envolvidos na evaporao da superfcie lquida so mais fceis de serem obtidos usando-se satlites, do que

aqueles envolvidos na evapotranspirao da superfcie heterognea do solo. O autor afirma a importncia do algoritmo SEBAL em estudos dos recursos hdricos em regies que apresentam

escassez ou ausncia total de dados. Kimura et al. (2007) comentam que o SEBAL vem sendo bastante testado em reas

irrigadas em diferentes partes do globo, porm poucas referencias so encontradas quando se investiga a estimativa da evapotranspirao da vegetao nativa de regies semi-ridas pelo

emprego deste algoritmo. Os autores supra citados aplicaram e validaram o SEBAL na

Etapa 1 Radincia Espectral

Etapa 5 NDVI, SAVI, IAF

Etapa 2 Reflectncia

Etapa 3 Albedo no Topo da

Atmosfera

Etapa 6 Emissividade da

Superfcie

Etapa 4 Albedo da Superfcie

Etapa 7 Temperatura da

Superfcie

Etapa 8 Radiao de Onda Longa Ascendente

Etapa 9 Radiao de Onda

Longa

Etapa 10 Radiao de Onda Curta Descendente

Etapa 11 Balano de Radiao Superfcie

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estimativa da ETdiria de vegetao nativa em bacia na regio de Loess Plateau of China empregando procedimento descrito por Allen et al (1998) e Bastiaanssen (1998).

Os resultados obtidos mostraram uma taxa de evapotranspirao para as reas de pastagens semelhantes as taxas registradas nas reas irrigadas; enquanto que as reas de

agricultura de sequeira apresentaram taxas iguais quelas registradas nas reas cobertas por arbustos de porte pequeno mdio. Nesta regio, os valores da ETdirio obtidos pelo algoritmo

SEBAL foram ligeiramente melhor do que o da frao evaporativa. Para identificar a eficcia de uso do recurso gua na agricultura irrigada, Albari et al.

(2007) avaliaram quarto sistemas de irrigao em reas da bacia Zayandeh Rud, Esfahan, Iran. Neste estudo os sistemas foram avaliados como um todo, apesar de que apenas as informaes

sobre as dotaes de gua tenham sido empregadas. As imagens de satlite (NOAA) foram analisada pelo algoritmo SEBAL para estimar a evapotranspirao real, a potencial e a produo

de biomassa. A avaliao de cada sistema foi definida pela produtividade da gua, ou seja, produo de kg de biomassa por metros cbicos evaporados. As produtividades mais elevadas, em torno de 0,72 kg.m-3, foram registradas nos sistemas que tinham como fonte hdrica, guas superficiais.

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3. MATERIAL E MTODOS

3.1. Caractersticas da rea de estudo

A bacia hidrogrfica do Acara est localizada na poro norte do Estado do Cear, abrangendo uma rea total de 14.427 km2, na qual esto inseridos os audes Jaibaras, Paulo

Sarasate, Forquilha e Edson Queiroz (Figuras 4 e 5). Os audes acima citados so os mais importantes da bacia, sendo assim fonte hdrica

para os municpios circunvizinhos, bem como tm suas guas captadas para outras atividades, tais como irrigao, piscicultura e controle de cheias dos rios de suas bacias hidrulicas. Todos

eles so administrados pelo DNOCS. O aude Paulo Sarasate (Araras Norte) possui o maior potencial de armazenamento, ocupando parte dos municpios de Varjota (maior parte), Pires Ferreira, Sta. Quitria e Hidrolndia. O aude Forquilha o mais antigo e o de menor porte (Tabela 2)

TABELA 2: Informaes dos audes de maior importncia na bacia do Acara. Municpio Coordenadas (UTM*) Aude

N E V/a ** (m)

Capacidade (milhes de m3)

Concluso (ano)

Jaibaras Sobral 9.580.522 333.157 8,10 104,4 1936 Paulo Sarasate Varjota 9.534.638 339.071 9,50 891,0 1958 Edson Queiroz Sta. Quitria 9.534.029 381.372 9,42 250,5 1987 Forquilha Forquilha 9.580.247 360.519 5,60 50,1 1921 Fonte: DNOCS (2006), SRH (2006). * Datum WGS 84; Projeo UTM, Zona 24S ** Relao volume (V) rea (a) do reservatrio.

34

FIGURA 4: Localizao da rea de estudo na bacia do Acara.

N

Jaibaras Forquilha

Edson Queiroz Paulo

Sarasate

Permetro Irrigado Mineradora

de Granito

Pixel Quente (Carir)

35

(a) (b)

(c) (d) FIGURA 5: Audes: Jaibaras (a), Paulo Sarasate (b), Edson Queiroz (c) e Forquilha (d).

Na bacia do Acara so observados dois tipos climticos segundo a classificao de Kpen: BSwh (parte alta da bacia do Acara), semi-rido quente e mido com chuvas de outono e Aw (reas prximas ao litoral), tropical chuvoso com chuvas mximas no outono.

O regime pluviomtrico da bacia do Acara, como em todo o estado, se caracteriza por

uma alta variabilidade espacial e temporal; portanto, o principal problema com relao pluviometria na regio em decorrncia muito mais na irregularidade do regime do que da

altura pluviomtrica anual. A Figura 6 apresenta as precipitaes registradas em quatro estaes inseridas na rea de estudo

36

Ac

ara

0 50

100

150

200

250

300

ago/04

set/04

out/04

nov/04

dez/04

jan/05fev/05

mar/05

abr/05

mai/05

jun/05jul/05

ago/05

set/05

out/05

nov/05

dez/05

jan/06fev/06

Te

mp

o (m

ese

s)

Precipitao (mm)

0 5 10 15 20 25 30

Temperatura (C)

Precipitao

Tem

peratu

ra m

dia

(a)

Sob

ral

0 50

100

150

200

250

300

ago/04

set/04

out/04

nov/04

dez/04

jan/05fev/05

mar/05

abr/05

mai/05

jun/05jul/05

ago/05set/05

out/05

nov/05

dez/05

jan/06fev/06

Te

mp

o (m

ese

s)

Precipitao (mm)

0 5 10 15 20 25 30

Temperatura (C)

Precipitao

Tem

peratu

ra m

dia

(b)

Gro

aras

0 50

100

150

200

250

300

ago/04

set/04

out/04

nov/04

dez/04

jan/05fev/05

mar/05

abr/05

mai/05jun/05jul/05

ago/05

set/05

out/05

nov/05

dez/05

jan/06fev/06

Te

mp

o (m

ese

s)

Precipitao (mm)

0 5 10 15 20 25 30

Temperatura (C)

Precipitao

Tem

peratu

ra m

dia

(c)

37

Santa Quitria

0

50

100

150

200

250

300

ago

/04

set/0

4

ou

t/04

no

v/04

dez/

04

jan/0

5

fev/

05

ma

r/05

abr

/05

ma

i/05

jun/0

5

jul/0

5

ago

/05

set/0

5

ou

t/05

no

v/05

dez/

05

jan/0

6

fev/

06

Tempo (meses)

Pre

cipi

ta

o (m

m)

0

5

10

15

20

25

30

Tem

pera

tura

(C

)

PrecipitaoTemperatura mdia

(d) FIGURA 6: Precipitaes registradas de agosto/2004 a fevereiro/2006 nos municpios de

Acara (a), Sobral (b), Groaras (c) e Sta Quitria (d).

Na bacia do Acara, segundo o Mapa de Solos do Estado do Cear (IPLANCE,1992), ocorrem, predominantemente, quatro tipos de solo, (Figura 7). A nomenclatura das classes apresentada abaixo segundo o novo sistema brasileiro de classificao de solos

(Embrapa, 2006c) e, entre parnteses, a nomenclatura anterior.

FIGURA 7: Mapa de solos da bacia do Acara

38

Argilossolo (Podzlico Vermelho-Amarelo) So solos derivados de sedimentos argilo-arenosos do Tercerio (Formao Barreiras). Podem ser observados, principalmente, na rea litornea e na parte mais ao sul da bacia do Acara. Luvissolo (Bruno No-Clcico) O material de origem constitudo, principalmente, dos gnaisses, granitos, quartzitos anfibolitos e migmatitos. Apresenta, freqentemente, pedregosidade superficial e susceptibilidade eroso, principalmente a do tipo laminar. Esta

classe de solo recobre praticamente toda a parte alta e tero mdio da bacia. Neossolos Flvicos (Aluviais) So solos de alta fertilidade e de grande potencial agrcola, que ocorrem nas vrzeas dos cursos dgua. O material originrio constitudo por sedimentos fluviais no consolidados de natureza e granulometria variada. Este tipo de solo pode ser

observado ao longo do rio Acara. Neossolo Litlico (Litlico Eutrfico) Integram esta classe solos pouco desenvolvidos, rasos a muito rasos, possuindo um horizonte A firmado diretamente sobre a rocha. A textura varia de arenosa, mdia a argilosa, com substrato composto por arenito, argilito, sltito, folhelhos, calcrio e conglomerados (Grupo Jaibaras).

3.2. Dados empregados no trabalho

A imagem do Mapeador Temtico (TM) do Landsat 5 foi adquirida junto Diviso de Gerao de Imagens (DGI) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), datada de 01/09/2004 (dia Juliano = 244) compreendendo a rbita/ponto 218/63, tendo seu horrio de passagem registrado s 09 h e 45 min, horrio local. A imagem composta por sete bandas espectrais, cujas caractersticas esto representadas na tabela 3.

39

TABELA 3: Caractersticas espectrais e espaciais do sensor TM e suas aplicaes.

Banda Faixa Espectral

(m)

Regio do Espectro

Resoluo Espacial

(m2)

Principais Aplicaes

1 0,45 0,52 Azul 30 Altamente absorvida por corpos dgua e sensvel a pluma de fumaas oriundas de queimadas e atividades industriais

2 0,52 0,60 Verde 30 Altamente absorvida por corpos dgua, porm apresenta sensibilidade a sedimentos em suspenso

3 0,63 0,69 Vermelho 30 Apresenta bom contraste entre diferentes tipos de cobertura vegetal, permitindo diferenciao entre espcies e identificao de reas agrcolas.

4 0,76 0,90 IV Prximo 30 Apresenta sensibilidade rugosidade do dossel florestal. Permite o mapeamento de reas de queimadas e reas agrcolas.

5 1,55 1,75 IV Mdio 30 Sensvel ao teor de umidade da vegetao, sendo bastante til no monitoramento de estresse hdricos de culturas.

6 10,4 12,5 IV Termal 120

Apresenta sensibilidade quanto aos fenmenos relativos aos contrastes trmicos, sendo usado para a determinao da temperatura da superfcie.

7 2,08 2,35 IV Mdio 30 Altamente sensvel morfologia de terrenos, permitindo obter informaes sobre Geomorfologia, Solos e Geologia.

Fonte: Bezerra (2006) Para manuseio e processos entre as bandas, recorte, classificao, realce e outras

tarefas, fez-se necessrio a utilizao do software Erdas IMAGINE 8.5 verso Demo, apropriado para este tipo de trabalho.

Os primeiros procedimentos para se trabalhar com as imagens (empilhamento) esto descritos no Apndice B.

Para suporte e base para alguns clculos metodolgicos no Erdas IMAGINE 8.5, fizeram-se necessrios dados tabulares da plataforma de coleta de dados meteorolgicos automatizados (PCDs) dos municpios de Sobral, Santa Quitria, Acara e Groaras, que foram adquiridas junto Fundao Cearense de Meteorologia e Recursos Hdricos (FUNCEME). Nestes dados, so apresentados valores de variveis como direo e velocidade do vento, precipitao, presso, temperatura, umidade do ar e radiao global para o municpio de Sobral.

Na Tabela 4, esto apresentados os perodos tomados para os dados, levando em

considerao o municpio representativo dos PCDs e a rea em estudo.

40

TABELA 4: Informaes dos municpios e perodo de coleta dos dados.

UTM* Municpio N E Perodo de Dados

Sobral 9.592.124 350.726 22/04/2003 - 03/02/2006 Groaras 9.566.703 346.193 18/08/2004 - 08/02/2006 Santa Quitria 9.521.604 371.714 17/08/2004 - 09/02/2006 Acara 9.680.649 375.825 24/08/2004 - 08/02/2006 * Datum WGS 84; Projeo UTM, Zona 24S

3.3. O algoritmo SEBAL

Uma vez disponibilizados os dados referentes imagem, procedeu-se com os passos descritos a seguir, para obteno do balano de radiao utilizando a ferramenta Model Maker do Software Erdas IMAGINE 8.5.

Etapa 1 - Calibrao Radiomtrica (carta de Li)

A radincia espectral de cada banda (Li) o incio efetivo do clculo do balano de radiao e consiste em converso do Nmero Digital (ND) de cada pixel da imagem em radincia espectral monocromtica. Para as bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7, essas radincias representam a energia solar refletida por cada pixel, por unidade de rea, de tempo, de ngulo slido e de comprimento de onda. J para a banda 6, segundo a equao de Markham & Baker (1987), representa a energia emitida por cada pixel. A radincia monocromtica de cada uma das sete bandas obtida segundo a expresso:

NDQminQmxLminLmxLminL iiii

+=)(

............................................................ (2)

A equao 2 pode ser substituda pela equao 2a, uma vez que na descrio do produto (imagem) no esto claramente explcitos os valores Qmx e Qmin, sendo considerada essa diferena como 255 e tambm, adotou-se os valores de a e b da Tabela 4.

NDabaL iiii

+=255 ............................................................................. (2a)

onde: Li a radincia espectral de cada banda (W.m-2st-1m-1); ai o coeficiente de calibrao (radincia mnima) de cada banda (W.m-2st-1m-1); bi o coeficiente de calibrao (radincia

41

mxima) de cada banda (W.m-2 st-1 m-1); i so as bandas (1, 2, ..., 7) do Landsat 5 e ND o nmero digital de cada pixel na imagem.

TABELA 5: Descrio das bandas TM do Landsat 5, com intervalos de comprimento de onda, coeficientes de calibrao (mnima [a] e mxima [b]) e irradincia epectral no topo da atmosfera (TOA)

Coeficientes de Calibrao

(W.m-2st-1m-1) Descrio dos Canais Comprimento

de onda (m)

a b

TOA, k(ki)

(W.m-2m) Banda 1 (azul) 0,45 - 0,52 -1,52 193 1.957 Banda 2 (verde) 0,53 - 0,61 -2,84 365 1.826 Banda 3 (vermelho) 0,62 - 0,69 -1,17 264 1.554 Banda 4 (infravermelho prximo) 0,78 - 0,90 -1,51 221 1.036 Banda 5 (infravermelho mdio) 1,57 - 1,78 -0,37 30,2 215 Banda 6 (infravermelho temal) 10,4 - 12,5 1,2378 15,303 - Banda 7 (infravermelho mdio) 2,10 - 2,35 -0,15 16,5 80,67 Fonte: Chander & Markhan (2003)

Etapa 2 Reflectncia (carta de i)

A reflectncia monocromtica (i) mede a capacidade de um objeto de refletir a energia radiante e definida como sendo uma relao entre o fluxo de radiao refletida e o fluxo de radiao incidente, ou seja:

ri

ii dZk

L

=

cos

pi .............................................................................................. (3)

onde: Li: radincia espectral de cada banda (W.m-2 st-1 m-1); ki a irradincia solar espectral de cada banda no topo da atmosfera (W.m-2 m-1, TABELA 4); Z o ngulo zenital solar () e dr o quadrado da razo entre a distncia mdia Terra-Sol (ro) e a distncia Terra-Sol (r) em determinado dia do ano (DJ).

Este ltimo parmetro (dr) determinado, segundo TASUMI (2003), pela seguinte equao:

21 0,033cos365r

d DJ pi = +

................................................................................ (4)

onde: 2365

DJ pi

est em radianos.

42

O ngulo zenital solar obtido diretamente do cabealho da imagem e para o dia 01 de setembro de 2004 (DJ = 244) deduziu-se que Z = 33 18.

Etapa 3 - Albedo no topo da atmosfera (carta de toa)

O albedo planetrio (toa) representa o albedo no corrigido de cada pixel na imagem e obtida pela combinao linear das reflectncias monocromticas, qual seja:

754321 011,0033,0157,0233,0274,0293,0 +++++=toa .................. (5)

onde: 1, 2, 3, 4, 5 e 7 so as reflectncias monocromticas das bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7, respectivamente.

Etapa 4 - Albedo da superfcie (carta de )

Considerando-se que a atmosfera terrestre produz interferncia na radiao solar e na radiao refletida, o albedo calculado no topo da atmosfera carece de correes devidas aos processos de absoro e espalhamento. Essas correes podem ser obtidas pela equao abaixo.

2sw

ptoa

= ....................................................................................................... (6)

onde: toa: albedo no topo da atmosfera; p a radiao solar refletida pela atmosfera que

varia de 0,025 a 0,04, mas para o SEBAL, o valor tomado foi 0,03 (Bastiaanssen, 2000); sw a transmissividade atmosfrica.

A transmissividade atmosfrica (sw), em condies de cu claro, pode ser obtida pela seguinte equao (Allen et al., 2002):

zsw510275,0 += ............................................................................................. (7)

onde: z: altitude de cada pixel;

Para as condies de nossa rea de estudo, adotou-se uma altitude (z) igual a 70 m, para clculo da transmissividade atmosfrica (sw) Bastiaanssen (1995), Morse et al.(2001), Allen et al. (2002) e Silva et al. (2002) fizeram uso da referida equao em seus trabalhos.

43

Etapa 5 - ndices de vegetao (cartas de NDVI, SAVI e IAF)

Existem vrios ndices de vegetao; porm, os mais utilizados so: ndice de Vegetao por Diferena Normalizada (NDVI), ndice de Vegetao Ajustado para o Solo (SAVI) e o ndice de rea Foliar (IAF).

O NDVI definido como sendo um indicativo da quantidade e condio da massa

verde na superfcie e obtido, segundo Allen et al. (2002), pela equao:

viv

vivNDVI

+

= ................................................................................................. (8)

onde: iv: refletividade da banda 4 (infravermelho prximo) e v a refletividade da banda 3 (vermelho);

Os valores do NDVI variam de -1 a +1; no entanto, em superfcies vegetadas esses valores sempre so positivos, indo de 0 a +1 e em nuvens e espelhos dgua, os valores so

geralmente negativos.

J o SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), uma variao do NDVI, fazendo com que os efeitos do solo sejam amenizados e o NDVI ajustado. Essa modificao tem como objetivo principal uma maior correlao entre reas que possuem vegetaes compatveis, sendo que Xavier (1998) constatou esta condio. O SAVI pode ser obtido pela seguinte equao:

)())(1(

viv

viv

LLSAVI

++

+= ...................................................................................... (9)

onde: iv: refletividade da banda 4 (infravermelho prximo) v a refletividade da banda 3 (vermelha) e L o fator de ajuste ao solo = 0,5.

O IAF definido como sendo a razo entre a rea foliar de toda a vegetao pela unidade de rea ocupada por ela, sendo indicador da biomassa de cada pixel na imagem. obtido pela equao emprica (10) obtida por Allen et al. (2002):

91,059,0

69,0ln

=

SAVI

IAF ................................................................................... (10) onde: IAF: ndice de rea foliar e o SAVI o Soil Adjusted Vegetation Index.

44

Etapa 6 Emissividades (cartas de NB e 0)

Emissividade de um corpo definida como a razo entre a energia emitida pelo mesmo e a energia emitida por um corpo negro, ambos a uma mesma temperatura. No SEBAL, segundo

Allen et al. (2002), as emissividades na faixa espectral da banda termal do Landsat 5 - TM - NB e em todo domnio da radiao termal - o podem ser obtidas segundo expresses:

IAFNB += 00331,097,0 ............................................................................ (11)

IAF+= 01,095,00 ..................................................................................... (12)

onde: IAF o ndice de rea foliar.

As equaes acima so vlidas para NDVI>0 e IAF

45

onde: o a emissividade de cada pixel; a constante de Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8

W.m-2 K-4); T a carta da temperatura (K).

Etapa 9 Radiao de onda curta incidente (RS)

A radiao de onda curta incidente foi considerada como sendo constante em toda a cena selecionada, e para condio de cu claro, Allen et al (2002) sugerem a seguinte expresso para a sua determinao:

swrS dZSR = cos ..................................................................................... (15)

onde: S a constante solar (1.367 W.m-2); Z o ngulo zenital solar; dr e sw j foram definidos anteriormente.

Etapa 10 Radiao de onda longa incidente (RL)

Assim como a radiao de onda curta incidente, a radiao de onda longa incidente tambm foi considerada constante para toda a cena estudada. Em seu clculo, novamente fez-se uso da equao de Stefan-Boltzman qual seja:

4aaL TR = ................................................................................................ (16)

onde: a a emissividade atmosfrica obtida por a = 0,85(-ln(sw))0,09; a constante de Stefan-Boltzman (5,6710-8 W.m-2K-4) e Ta a temperatura do ar (K).

Etapa 11 Saldo de radiao (carta de Rn)

O saldo de radiao superfcie obtido utilizando a equao de balano de radiao superfcie (Silva et al., 2005; Allen et al., 2002).

+= LoLLssn RRRRRR )1( .................................................... (17)

onde: Rs a radiao de onda curta incidente; o albedo corrigido do pixel; RL a radiao de

onda longa emitida pela atmosfera; RL a radiao de onda longa emitida pelo pixel; o a

emissividade do pixel.

46

Simplificando a expresso anterior, obtemos:

( ) += LoLsn RRRR 1 ...................................................................... (17a)

Etapa 12 Fluxo de calor no solo (carta de G)

Bastiaanssen (2000) desenvolveu uma equao emprica, vlida para o meio-dia, destinada ao clculo do fluxo de calor no solo.

[ ] nS RNDVITG )98,01)(0074,00038,0( 4+= ............................................ (18)

onde Ts a temperatura da superfcie (C); o albedo corrigido do pixel; NDVI o ndice de Vegetao por Diferena Normalizada e Rn o Saldo de Radiao.

Para a correo de valores do fluxo de calor no solo para NDVI

47

Z0m = 0,12h............................................................................................................ (21)

onde h a altura da vegetao em torno da estao meteorolgica.

Para o clculo da velocidade de frico u* (ms-1), usou-se a equao do perfil logaritmo do vento para a condio de estabilidade neutra, qual seja:

=

m

x

x

z

z

uku

0

*

ln..................................................................................................... (22)

onde k a constante de Von Karman (0,41); ux a velocidade do vento (ms-1); zx a altura em que foi tomado o valor da velocidade do vento e z0m o coeficiente de rugosidade local.

Posteriormente, ainda assumindo a atmosfera em equilbrio neutro e assumindo que os efeitos da rugosidade da superfcie so desprezveis, pode-se estimar a velocidade do vento a 100 m de altitude, altura esta chamada de blending heigh, segundo expresso:

kz

uum

=0

*100

100ln.............................................................................................. (23)

onde k j foi definido anteriormente; u* a velocidade de frico (ms-1) e z0m o coeficiente de rugosidade local (m).

Obtida a velocidade do vento a 100m (u100), computou-se uma nova velocidade de frico (u*), para cada pixel, sendo computado anteriormente um novo coeficiente de rugosidade (Z0m), desta vez para cada pixel, em funo do SAVI, pela seguinte equao:

Z0m = exp(-5,809+5,62SAVI)................................................................................. (24)

A velocidade de frico (u*), para cada pixel da imagem, dada pela seguinte equao:

=

mz

uku

0

100* 100ln

..................................................................................................... (25)

48

onde u100 a velocidade do vento (ms-1) a 100 m; z0m a velocidade de frico pixel a pixel e k j foi definido anteriormente.

A resistncia aerodinmica ao transporte de calor rah (sm-1), ainda considerando a estabilidade neutra da atmosfera, pode ser computada inicialmente, para cada pixel, atravs da

seguinte expresso:

kuz

z

rah

=

*

1

2ln...................................................................................................... (26)

onde z1, z2 : alturas acima da superfcie (0,1 e 2 m respectivamente); u* e k j foram definidos anteriormente.

A partir deste momento, pode-se iniciar o processo iterativo com o objetivo de calcular o verdadeiro valor de H, uma vez que este est sujeito s variaes da condio inicial de cada pixel.

O processo iterativo inicia-se com o cmputo da diferena de temperatura prxima superfcie, dT (C), para cada pixel e representado pela seguinte equao:

dT = a + bTS .......................................................................................................... (27) onde a,b so constantes de calibrao da diferena de temperatura e Ts a temperatura da

superfcie (C).

Para a obteno das variveis a e b, partiu-se da seguinte situao. Para o pixel

frio, o valor do fluxo de calor sensvel (H) nulo e o fluxo de calor latente (ET) dado pela seguinte equao:

ETfrio = Rn - G...................................................................................................... (28)

Para o pixel quente, o fluxo de calor latente (ET) considerado nulo e o fluxo de calor sensvel (H) dado por:

49

ah

spquente

r

bTacGRnH

)( +==

.................................................................. (29)

onde a densidade do ar (1,15 k g m-3); cp o calor especfico do ar (1004 J k g-1 K-1); a, b so constantes de calibrao da diferena de temperatura; TS a temperatura da superfcie (C) e rah a resistncia aerodinmica ao transporte de calor sensvel (sm-1).

Assim, tem-se duas equaes com duas incgnitas, o que possibilita a obteno dos valores iniciais de a e b. Estes valores, em cada iterao, vo mudando at que se atinja uma condio de constncia. A Figura 8 traz um exemplo de clculo de a e b.

FIGURA 8: Exemplo de clculo de a e b, para cmputo de dT.

O valor inicial de H no representativo, vez que foi obtido para uma condio

atmosfrica que geralmente no corresponde realidade, servindo apenas como ponto de partida para o processo iterativo, onde em suas etapas subseqentes, se considera a real condio de

estabilidade de cada pixel. Devido aos efeitos turbulentos aquecerem a superfcie e afetarem as condies atmosfricas e a resistncia aerodinmica, aplica-se a teoria da similaridade de Monin-Obukhov, obtendo-se o comprimento Monin-Obukhov (L) em metros, que utilizado para identificar a condio de estabilidade da atmosfera e que computado pela seguinte

expresso:

50

kgHTuc

L Sp

=

3*

........................................................................................... (30)

onde , cp, u*,TS e k j foram definidos anteriormente; g o mdulo do campo gravitacional terrestre (9,81 ms-2) e H o fluxo de calor sensvel (W.m-2).

Dependendo das condies atmosfricas, os valores das correes de estabilidade para

o transporte de momentum (m) e de calor (h) devero ser considerados. Estas variveis iro auxiliar a nova modalidade de clculo da velocidade de frico (u*) e da resistncia aerodinmica ao transporte de calor (rah), continuando o processo iterativo. Para isto, utilizam-se das seguintes frmulas (Bastiaanssen, 1995, Morse et al., 2000; Allen et al., 2002; Bezerra, 2004; Feitosa, 2005):

I - Se L < 0 (condio de instabilidade):

25,0

)1,0(1,0161

=

Lx m ...................................................................................... (31)

25,0

)2(2161

=

Lx m .......................................................................................... (32)

25,0

)100(100161

=

Lx m .................................................................................... (33)

+=

21

ln22

)1,0()1,0(

m

mhx

................................................................................... (34)

+=

21

ln22

)2()2(

m

mh

x...................................................................................... (35)

pi 5,0)(22

1ln

21

ln2 )100(2

)100()100()100( +

++

+= m

mm

mm xarctgxx

................ (36)

51

II - Se L > 0 (condio de estabilidade):

=

Lmh1,05)1,0( .............................................................................................. (37)

=

Lmh25)2( .................................................................................................. (38)

=

Lmm1005)100( ........................................................................................... (39)

III - Se L = 0 (condio de neutralidade): m = 0 e h = 0

Aps esse procedimento, obteve-se o valor da velocidade de frico corrigida pela seguinte equao:

)100(0

100* 100ln mm

mz

uku

=.................................................................................... (40)

Posteriormente, obteve-se o valor da resistncia aerodinmica corrigida ao transporte de calor (rah) pela seguinte equao:

kuz

z

r

zhzh

ah

+

=

*

)1()2(1

2ln ........................................................................... (41)

onde z2 e z1valem 2 m e 0,1 m respectivamente e h(z2) e h(z1) so as condies de estabilidade

para o transporte de calor sensvel a 2,0 m e 0,1 m respectivamente.

Com esses dados, inicia-se uma nova iterao, conforme Figura 9, recalculando-se os

valores de a e b, dT, H, L, m, h, u* e rah, at que os valores de a e b se mostrem

constantes.

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FIGURA 9: Fluxograma com as etapas da iterao para obteno da carta de H.

Etapa 14 Fluxo de calor latente (carta de ET)

Com as cartas do saldo de radiao (Rn), fluxo de calor no solo (G) e fluxo de calor sensvel (H), calculou-se a carta do fluxo de calor latente (ET), pela seguinte equao: ET = Rn - G - H.................................................................................................... (42)

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3.4. Evapotranspirao diria (mm.dia-1)

Para a obteno da evapotranspirao diria, inicialmente obtm-se a evapotranspirao horria (ETH), segundo a equao:

3600=LETETH

...........................................................................................