Abrigo Meteorológico

Quando exposto ao sol, um sensor de temperatura absorve a radiação solar e aquece. Este aquecimento causa uma diferença entre a temperatura medida pelo sensor e a temperatura real do ar. A intensidade deste erro irá depender da intensidade de radiação que atinge o sensor e da quantidade de energia absorvida e dissipada pelo sensor. Em sensores comuns, expostos diretamente à radiação solar, este aquecimento - associado a outras condições desfavoráveis - pode gerar um erro de até 25°C. Por isso, se faz necessário o uso de um abrigo que proteja o sensor da radiação (WMO,2014). Este abrigo é comumente chamado de “abrigo meteorológico”.

O abrigo de radiação deve ter um design tal que a temperatura do ar interno esteja em equilíbrio térmico com a temperatura do ambiente externo. Deve proteger completante o sensor de qualquer radiação infravermelha - seja ela direta do sol, ou refletida pelo solo ou outros objetos - da precipitação e de qualquer outro fenômeno que possa desviar o resultado da medida (WMO, 2014). Em geral, os abrigos possuem aberturas que permitem a circulação natural do ar, estes são chamados de abrigos passivos. Kuerzeja (2010) demostra que a exatidão máxima alcançada por estes abrigos é de 0,1°C. Abrigos equipados com um exaustor que puxa ar para dentro do abrigo, forçando a circulação de ar, são chamados de abrigos aspirados. Se a ventilação é bem projetada, estes abrigos medem temperaturas mais frias do que os passivos e costumam ter uma melhor exatidão (Lacombe et al., 2011).

O aprimoramento do design do abrigo busca minimizar a influência do abrigo na medida da temperatura e umidade relativa do ar. Pesquisas têm mostrado que erros causados pelo abrigo aparecem com maior frequência durante o dia, sob condições de céu limpo e pouco vento e em noites calmas e limpas. No primeiro caso, a temperatura tende a ser maior do que a “real”, enquanto no segundo tende a ser menor (Sparks, 1972; Nordli, 1997; Kuerzeja, 2010; Lacombe et al., 2011; WMO, 2014; Valin Jr. et al., 2016). Mesmo em condições normais, estes erros costumam variar entre 0,5°C e 2,5°C (WMO, 2014).

O uso de abrigos também altera as medidas de umidade relativa do ar, principalmente por causa de sua dependência com as medidas de temperatura. A diferença de temperatura dentro dos abrigos pode gerar uma diferença de alguns percentuais na umidade relativa do ar. Na temperatura de saturação do vapor, Lacombe et al. (2011) encontronu que a umidade relativa do ar medida a 21°C é 6% mais baixa do que a medida a 20°C. Em boas condições de medida – umidades mais baixas - um desvio de no máximo 3% foi considerado excepcionalmente bom por Lacombe et al. (2011). Parâmetro ambientas como a incidência direta e indireta de ondas eletromagnéticas curtas e longas e a velocidade do vento também influenciam nas medidas de umidade (WMO, 2014).

Um dos modelos de abrigo mais comuns é o abrigo de Stevenson (Sparks, 1972), uma grande caixa com paredes de veneziana. Tem sua origem anterior ao surgimento das estações automáticas, por isso costuma ser grande e abrigar diversos termômetros, higrômetros, termógrafos, etc (Sparks, 1972). Geralmente é feito de madeira, mas modelos de plástico têm se tornado comuns. Costumam ter ventilação natural, mas pode ser equipado com ventilação forçada. Pode variar também na espessura das paredes, que podem ser duplas, assim como o teto e o fundo (Lacombe et al., 2011). Na Figura os modelos e, f, g e h mostram variações do abrigo Stevenson. Cada variação deste modelo irá apresentar um desempenho diferente. Lacombe et al. relatou erros de -0,5°C a 2,5°C em casos extremos, e um atraso na temperatura em relação a abrigos multipratos - atribuído ao seu tamanho.

Com o surgimento de estações meteorológicas automáticas não havia mais a necessidade de um abrigo grande e que permitisse fácil acesso aos sensores, pois um mesmo sensor de temperatura substituiu o termômetro principal e os termômetros de extremos. Surgem então abrigos pequenos, geralmente cilíndricos, desenhados para cada tipo de sensor, como o modelo i da Figura e o abrigo da Figura. A parede externa costuma ser branca e de material com alta refletividade no infravermelho. Em alguns modelos, a parede interna é preta para que qualquer radiação remanescente seja absorvida antes de alcançar o sensor (Sparks, 1972).

Ilustrações e fotos de diferentes modelos de abrigos usados desde o século XIX nos países Nórdicos. (a) modelo sueco de metal usado até 1890 (b) modelo de madeira finlandês (c)modelo dinamarquês (d) modelo sueco free-standing (e)abrigo de Stevenson de uma grade (f) abrigo de Stevenson duplamente gradeado (g) abrigo de Stevenson de parede dupla (h) abrigo de Stevenson(i) abrigo multipratos fabricado pela Vaisala, modelo DTR 13. Imagem obtida de Nordeli et al. (1997).

Ao longo das décadas de estudos meteorológicos, diversos modelos de abrigos foram usados. A Figura, retirada de Nordeli et al. (1997), mostra 9 diferentes modelos de abrigos usados desde o século XIX nos países nórdicos. Os abrigos a e b da Figura, suíço e finlandês, respectivamente, eram encontrados na região dos países nórdicos até meados de 1900. O modelo finlandês era feito de madeira e posicionado no alto de postes de madeira. Os modelos suíços eram de metal e costumavam ser pendurados nos quatro cantos de um prédio e os termômetros eram lidos sob a sombra. Estes modelos foram substituídos pelo modelo d, free-standing, uma caixa de madeira distante de prédios e construções; foi usada até 1930 e 1970, quando foi substituída por abrigos de Stevenson (Nordeli et al.,1997)

Abrigos Meteorológicos de Baixo Custo

Os abrigos meteorológicos já construídos no CTA são:

  • Por que abrigos de baixo custo?*

O alto custo dos abrigos comerciais é um obstáculo para pesquisas de ciência cidadã, pois dificulta que indivíduos tenham acesso a estas tecnologias. É também um obstáculo para pesquisas que requerem uma rede de estações meteorológicas – como monitoramento de microclima urbano ou de florestas - e para o ensino de ciências (Tarara & Hoheisel, 2007 ; Barbosa, Lumberts e Guths, 2008; Holden et al., 2013; Serafani Jr. & Alves, 2014; Hoppe et al., 2015; Valin Jr. et al., 2016).
Motivados por isso, diversas pesquisas sobre o uso de abrigos meteorológicos de baixo custo têm sido realizadas nos últimos anos. Tarara e Hoheisel (2007) testaram 6 modelos passivos feitos com um material isolante aluminizado e 3 modelos aspirados feitos com canos PVC. Barbosa, Lumberts e Guths (2008) testaram 7 diferentes modelos feitos de bandejas aluminizadas, usados para medir o efeito da radiação nas medidas de temperatura dentro de edifícios. Holden et al. (2013) analisam 1 modelo de abrigo - feito de chapas de forro de PVC brancas dobradas e grampeadas – em 3 ambientes diferentes com 3 réplicas. Serafini Jr. e Alves (2014) testaram 3 modelos – feitos de madeira e alumínio. Hoppe et al (2015) analisaram um modelo de abrigo feito com chapa de alumínio galvanizada. Mais recentemente, Valin Jr. et al. (2016) conduziram uma extensa análise do comportamento de 5 abrigos passivos feitos de canos PVC, madeira e pratos plásticos. Além desses, Valin Jr. et al. (2016) mencionam pelo menos 9 trabalhos recentes sobre abrigos meteorológicos de baixo custo.
A metodologia de teste, comparação, validação e análises destes trabalhos variara muito, bem como os sensores e abrigos de referência e os sensores usados em cada abrigo, o que torna difícil uma comparação simples e direta dos resultados apresentados. Como nenhum indica caminho para os dados analisados ou algum tipo de documentação, não é possível reanalisar os dados sob a mesma perspectiva.
Os abrigos passivos de Tarara e Hoheisel (2007) apresentaram diferenças do padrão na faixa de + 1,4°C a 7,4°C, enquanto para os modelos aspirados elas se concentram abaixo de 0,5°C. Para os abrigos testados por Valin Jr. et al. (2016), as amplitudes das diferenças de temperatura e umidade relativa do ar variaram entre 0,77°C e 4,72° e entre 3,11% e 14,20% na estação quente-úmida e entre 1,54°C e 5,23°C e entre 4,09% e 9,66% para a estação quente-seca de Cuiabá, MT, Brasil. De maneira similar, o abrigo testado por Holden et al. (2013) apresentou uma diferença máxima de 4,1°C em alguns locais de testes, e 8°C em outros. Os resultados gerais destes três trabalhos são mencionados por serem pesquisas similares a esta em diversos aspectos.

Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Esta pesquisa teve como objetivo caracterizar o sensor DHT22, assim como a avaliar a influência de 4 diferentes modelos de abrigos meteorológicos de baixo custo e 1 modelo comercial nas medidas de temperatura e umidade relativa do ar . O relatório final e mais detalhado da pesquisa pode ser baixado aqui , a apresentação feita sobre o relatório pode ser baixada aqui e a proposta de pesquisa pode ser encontrada aqui .

Resumo

O trabalho teve como objetivo a caracterização do sensor DHT22, assim como a avaliação da influência nas medidas de temperatura e umidade relativa do ar de 4 diferentes modelos de abrigos meteorológicos de baixo custo. Foram testados 3 modelos de abrigo passivo, feitos de polipropileno, garrafa PET e pratos plásticos, e 1 abrigo ativo feito de cano PVC. Além desses, foi caracterizado um abrigo passivo multiprato comercial. A pesquisa adotou a metodologia da ciência aberta, incluindo o uso de software livre e hardware aberto e livre, de cadernos de laboratório aberto e dados abertos. A caracterização e calibração do sensor DHT22 foi realizada a partir de medidas feitas durante 10 dias em ambiente fechado sem controle da temperatura nem de umidade do ar. A caracterização dos abrigos foi realizada a partir de medidas realizadas durante 17 dias junto à estação meteorológica automática do INMET, em Porto Alegre (RS). O DHT22 se mostrou uma opção confiável para medidas de temperatura, mas não confiável para medidas de umidade relativa do ar. Os erros nas medidas de umidades relativas do ar apresentados superam a referência em 20%, por isso as respostas de umidade dos abrigos não foram analisadas. Quanto à temperatura, o abrigo de polipropileno apresentou as maiores diferenças de temperatura ΔTMED igual a 0,6°C e ΔTMAX de 5,4°C, enquanto o abrigo de garrafa PET alcançou um ΔTMED de 0,6°C e máximo de 4,7°C. Apesar do baixo desempenho, o abrigo de garrafa PET é de fácil fabricação e pode ser usado como recurso educacional. As medidas de temperatura do abrigo aspirado resultaram em um ΔTMED igual a 0,3°C e uma máxima de 4,4°C. Seu desempenho foi equivalente ao de um abrigo passivo, por isso a suas respostas não representam as dos abrigos ativos de baixo custo encontrados na literatura. O abrigo de pratos plásticos apresentou ΔTMED entre -0,2°C e +0,2°C, com ΔTMAX de 1,7°C, enquanto o abrigo comercial apresentou ΔTMED igual a 0,1°C e ΔTMAX de 1,4°C. As amplitudes térmicas diárias dos abrigos comercial e de pratos plásticos foram muito próximas à da estação de referência, todas entre 9,7 e 10,1°C. O abrigo de pratos plásticos teve desempenho próximo ao dos abrigos comerciais, mostrando um bom potencial para aplicações científicas como ciência cidadã e o monitoramento de microclimas.

Estação Meteorológica e Modelos de abrigo meteorológico

Os modelos de abrigos testados nesta pesquisa foram:

Estação Meteorológica Varal de Abrigos
  • Detalhes da construção da estrutura mecânica de sustentação desta estação no relatório final e na tarefa #502

DHT22

Informações sobre o sensor de temperatura e detalhes da pesquisa podem ser encontrados na página dedicada a ele.

Metodologia e Referencial teórico

Mais detalhes da metodologia e referencial teórico no relatório final .

Análise e discussão dos resultados

Abaixo, algumas figuras que resumem o desempenho geral dos abrigos. Mais detalhes podem ser encontrados nas páginas de cada abrigo, e na discussão no relatório final.

Nas figuras, as etiquetas A, B, C, D, E e F são abrigos artesanais, de baixo custo, as etiquetas Ref e G são de abrigos comerciais.

Tabela com amplitude térmica, valores máximos, médios e mínimos diários de de vários modelos de abrigos de baixo custo. Mais detalhes em Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Amplitude térmica diária de de vários modelos de abrigos de baixo custo. Mais detalhes em Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Valores máximos diários de vários modelos de abrigos de baixo custo. Mais detalhes em Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Temperaturas medidas em abrigos de baixo custo e em um abrigo de referência. Mais detalhes em Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Diferenças entre temperaturas medidas em abrigos de baixo custo e em um abrigo de referência. Mais detalhes em Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Correlação entre a velocidade do vento e as diferenças de temperatura entre cada abrigo e a referência.

Umidade relativa do ar medidas em abrigos de baixo custo e em um abrigo de referência. Mais detalhes em Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Diferenças entre umidade relativa do ar medidas em abrigos de baixo custo e em um abrigo de referência. Mais detalhes em Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Histograma das diferenças entre umidade relativa do ar medidas em abrigos de baixo custo e em um abrigo de referência. Mais detalhes em Caracterização de sensores e abrigos meteorológicos de baixo custo

Conclusões

  • A facilidade com que o sistema de aquisição da EMM foi adaptado do seu propósito original reforça a importância da documentação e da disponibilização dos arquivos fontes – característica essencial de uma ferramenta livre - para uma produção de ciência aberta mais dinâmica e colaborativa.
  • A caracterização do sensor DHT22 mostrou que este sensor é uma boa opção para medidas de temperatura, porém requerem uma calibração adicional para apresentarem resultados de acordo com as orientações da WMO. O valor observado para a exatidão da medida da temperatura do DHT22 foi equivalente ao valor relatado no Datasheet (± 0,5°C), enquanto a precisão observada foi de ± 0,1°C), melhor que a precisão apresentada no Datasheet e de acordo com as orientações da WMO.
  • Por outro lado, o DHT22 não se mostrou confiável para medidas de umidade relativa do ar, apresentando exatidão e reprodutibilidade bem abaixo dos valores apontados pelo datasheet. Entretanto, não exclui-se a possibilidade dos sensores terem sido danificados pelo armazenamento em condições de umidade relativa do ar acima de 60%, conforme orientado pelo fabricante.
  • Independente do DHT22 ter sido armazenado em condições um pouco mais úmidas que o recomendado, estas são condições típicas de armazenamento que serão encontradas em escolas e comunidades em geral. Por isso o DHT22 não se mostrou adequado para aplicações de ciência cidadã que requerem medidas de umidade relativa do ar.
  • No que tange os abrigos meteorológicos testados, apesar de terem sido construídos de maneira artesanal e terem sido fixados com ferramentas simples como cola quente e cinta plástica, ou de serem confeccionados por materiais comuns como pratos plásticos, assadeira de alumínio e garrafa PET, nenhum deles apresentou sinal de dano, não sendo necessários reparos durante os 3 meses em que ficaram em campo. Mostram-se, então, resistentes e aptos para serem usados em ambientes externos. Testes mais longos são necessários para averiguar o efeito do acúmulo de poeira e camadas biológicas nestes abrigos.
    A semelhança entre os resultados dos abrigos Gill, Pratos I, II e III é uma evidência de que a calibração dos sensores de temperatura dos DHT22 corrigiu os efeitos das exatidões dos sensores DHT22. A calibração permitiu, então, avaliar os desempenhos do abrigos pela comparação das ΔTMED e ΔTMAX observadas nas distribuições de diferenças de temperaturas (T-Tref) em luz da precisão de cada sensor.
  • O fato do abrigo Gill apresentar a menor amplitude térmica diária média, em valor comparável com o abrigo oficial do INMET, valida seu uso como referência de medidas de temperatura. Já o abrigo Aspirado apresentou um desempenho pior do que o esperado, alcançando diferenças de 4,4°C. Conclui-se que a potência aplicada ao ventilador e os materiais utilizados não foram adequados para tornar desprezíveis o efeito da radiação solar nas medidas realizadas dentro deste abrigo.
  • O abrigo Pagoda apresentou uma amplitude térmica maior que a do abrigo Pet, e os dois apresentaram uma diferença média de 0,6°C entre sua medida e a referência, significativamente maior que a exatidão do sensor. Por ser um modelo de fabricação complexa, um desempenho tão ruim não compensa seu uso, principalmente se comparado ao abrigo Pet, que é muito mais fácil, barato e seguro de ser fabricado. A origem do seu aquecimento encontra-se no próprio material de que é feito, polipropileno translúcido. Por estes motivos, a continuidade do desenvolvimento deste modelo não se mostra promissora a não ser que o material de que é feito seja trocado e seu método de fabricação seja simplificado.
  • Já o modelo Pet, apesar de ter apresentado um dos piores desempenhos, tem potencial para aplicações educacionais e de baixo custo. Este modelo não tem vocação para aplicações científicas em que o abrigo ficará exposto a radiação solar, mas pode apresentar bons resultados em aplicações protegidas da radiação solar direta como no interior de construções, ou no interior de matas e florestas. Para isso, mais estudos e testes nestes espaços se fazem necessários.
  • O modelo de abrigos Pratos mostrou um desempenho promissor, pois sua amplitude térmica foi menor do que a do A801. Alcançou as menores diferenças máximas dos abrigos de baixo custo e resultados comparáveis ao abrigo comercial Gill. Com bons resultados, de fabricação fácil e de baixo custo, este modelo é o mais promissor para o uso em aplicações de ciência cidadã, como no projeto das Estações Meteorológicas Modulares.
  • Por fim, podemos afirmar que apenas os abrigos Gill e Pratos (I, II e III) apresentaram comportamento de acordo com as especificações da WMO (± 0.2°C ), quando considerado apenas 68% das medidas (equivalente a um desvio padrão). Quando considerado 98% das medidas (2 desvios padrão), nenhum dos abrigos esteve de acordo com as recomendações da WMO. Evidências de que todos os abrigos exerceram influencia nas medidas de temperatura foram encontras, dado que todos ΔTMED e ΔTMAX observados estavam fora da faixa de precisão observada de cada sensor (0,1°C). Foi observado que os abrigos Pratos apresentaram um desempenho comparável ao abrigo Gill, indicando que estes podem fornecer informações quase tão confiáveis quanto os abrigos comerciais. Estes resultados são animadores para projetos de ciência cidadã, uma vez que o baixo custo destes abrigos pode efetivamente contribuir com medidas de temperatura para esclarecer os efeitos das mudanças climáticas.

Recomendações

  • Deve-se buscar um sensor de umidade relativa alternativo ao DHT22 que seja confiável e adequado para uso em ciência cidadã: este deve ter exatidão e precisão comparáveis às recomendações da WMO, ser de baixo custo e que aceite condições de armazenamento menos limitantes.
  • Pesquisas futuras com o DHT22 podem elucidar o comportamento de suas medidas de umidade relativa do ar, replicando o trabalho de Smith e Smith (2018) e também analisar o efeito do armazenamento acima da umidade recomendada são sugestões de próximos passos no estudo deste sensor.
  • Também caberia verificar a estabilidade da calibração de temperatura dos sensores DHT22 após a realização do teste em campo, uma vez que as constantes de offset aplicadas poderiam ter sofrido variação neste período.
  • A continuidade do desenvolvimento do modelo Pagoda deve ser repensada. Recomenda-se que que sejam escolhidos materiais não translúcidos e que o processo de fabricação seja simplificado.
  • Para o modelo Pratos, são sugeridos estudos que incluam avaliação do desempenho para medidas de umidade relativa do ar com sensores apropriados, que incluam períodos mais longos que abranjam todas as estações do ano, assim como avaliar designs alternativos com uso de pratos com diferentes formatos, materiais e espaçamentos.

Caderno de laboratório

  • Repositório git
  • Instalação dos Abrigos no local de coleta - #502
  • Construção de 4 abrigos meteorológicos para teste - #468
    • Abrigo Meteorológico Aspirado Horizontal de Cano - #477
    • Construção Abrigo vertical passivo com pratos de PS - #482
    • Desenvolvimento do abrigo pagoda - #471
      • Abrigo Meteorológico Pagoda - #413
    • Abrigo Vertical Passivo de Garrafa PET Aluminizada - #478
Outras tarefas associadas a esta pesquisa são:

Referências

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