ARTIGO ORIGINAL

 

Detecção remota de ilhas de calor superficiais. Exemplos de cidades de porte médio e pequeno do ambiente tropical, Brasil

 

Remote sensing of surface heat islands. Examples of small- and medium-sized cities in the tropical environment, Brazil

 

Télédetection des îles de chaleur superficielles. L’exemple des villes de taille moyenne ou petite, en milieu tropical, au Brésil

 

 

Margarete Cristiane de Costa Trindade Amorim¹

¹ Bolsista de Produtividade em pesquisa do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Rua Roberto Simonsen, 305, CEP 19060-900, Presidente Prudente, São Paulo, Brasil. E-mail: mccta@fct.unesp.br

 

 

RESUMO

O objetivo deste artigo é identificar como as ilhas de calor de superfície se espacializam em cidades de porte médio e pequeno por meio da utilização de imagens do canal infravermelho termal do satélite Landsat 8. Pretende-se, portanto, analisar as características das temperaturas superficiais e a distribuição espacial da cobertura vegetal arbórea, da densidade de construções e dos tipos de materiais dos telhados, em cidades de porte médio e pequeno do ambiente tropical. Foram diagnosticadas ilhas de calor de superfície de forte magnitude (entre 8ºC e 11ºC) e as áreas com as maiores temperaturas estiveram associadas com os materiais construtivos utilizados nas coberturas, particularmente os telhados de fibrocimento e de zinco, com a densidade das construções e a carência de cobertura vegetal arbórea.

Palavras-chave: Clima urbano; ilha de calor de superfície; Landsat 8; sensoriamento remoto; cidades tropicais.

 

ABSTRACT

The purpose of this article is to identify how island surface heat is spatialized in small- and medium-sized cities through the use of images of the thermal infrared channel of the Landsat 8 satellite. It thus intends to assess the characteristics of surface temperatures and the spatial distribution of woody vegetation, construction density and the types of rooftop materials in small- and medium-sized cities in a tropical environment. We diagnosed surface heat islands of strong magnitude (8-11°C), and the areas with the highest temperatures were associated with construction materials used in rooftops, particularly asbestos cement and zinc, construction density and lack of woody vegetation.

Keywords: Urban climate; surface heat island; Landsat 8; remote sensing; tropical cities.

 

RÉSUMÉ

En utilisant les images du canal infrarouge thermique du satellite Landsat 8, on a recherché la localisation des îles de chaleur superficielles dans les villes petites ou moyennes soumises à un climat tropical. On y a analysé les caractéristiques des températures superficielles et la distribution spatiale de la couverture arborée, des constructions et des types de matériaux servant de toits. On a ainsi observé que les Iles de chaleur accentuées (de 8 à 11ºC) étaient associées à certains matériaux constituant les toits, comme le fibrociment et le zinc, ainsi qu’à la forte densité des constructions et à l’absence de couverture arborée.

Mots clés: Climat urbain; île de chaleur superficielle; Landsat 8; télédétection; villes tropicales.

 

 

I. INTRODUÇÃO

O avanço nas tecnologias de sensoriamento remoto tem proporcionado o conhecimento cada vez mais detalhado da superfície terrestre. Tais tecnologias permitem a aquisição de informações sobre objetos sem contato físico direto e se utiliza de sensores para coletar energia proveniente do objeto, convertê-la em sinal possível de ser registrado e apresentá-la em forma adequada à extração da informação (Jensen, 2009).

Nos estudos de climatologia urbana, o sensoriamento remoto, através da aquisição da temperatura da superfície, tem auxiliado na compreensão da distribuição das fontes de calor dentro de uma área urbana que contribuem para a formação das ilhas de calor urbanas – ICU (Mendonça & Dubreuil, 2002; Arnfield, 2003; Voogt & Oke, 2003; Weng, 2003; Dubreuil, Quenol, Foissard, & Planchon, 2010; Amorim, 2013; Lucena, Rotunno Filho, Almeida França, Faria Peres, & Xavier, 2013).

Este artigo tem como objetivo identificar como as ilhas de calor de superfície se espacializam em cidades brasileiras de porte médio e pequeno por meio da utilização de imagens do canal infravermelho termal do satélite Landsat 8. Relacionam-se as temperaturas superficiais e a distribuição espacial da cobertura vegetal arbórea, da vegetação rasteira, das construções e dos tipos de materiais dos telhados.

O crescimento urbano no Brasil acarretou a derrubada de grandes áreas florestais em várias regiões do país. No oeste do Estado de São Paulo, norte do Paraná e sul de Mato Grosso do Sul isso não foi diferente, pois além do surgimento dos centros urbanos, o uso do solo rural predominantemente voltado para a agropecuária, resultou em fortes transformações em sua vegetação natural ao longo dos anos. Há indícios de que este processo de ocupação tenha provocado aumento da temperatura e concentração pluvial, modificando o regime climático (Amorim, Dubreuil, Quenol, & Sant'anna Neto, 2009).

As cidades escolhidas para este estudo - Presidente Prudente, Rosana, Paranavaí e Nova Andradina (fig. 1) - foram selecionadas porque fazem parte da Raia Divisória São Paulo, Paraná, Mato Grosso do Sul, definida por Passos (2006), como sendo áreas de fronteiras, onde os processos se manifestam segundo uma lógica de descontinuidade objetiva da paisagem ou, ainda, segundo uma impermeabilidade muito acentuada entre as parcelas do território submetidas às definições e redefinições territoriais mais ou menos independentes. Segundo o mesmo autor, as cidades estão inseridas em uma região que necessita de estudos que possam revelar suas potencialidades paisagísticas com o objetivo de subsidiar o desenvolvimento regional e local.

Neste sentido, o estudo das ilhas de calor superficiais nas quatro cidades justifica-se pela necessidade de se oferecer subsídios para o planejamento territorial das mesmas, porque pouco se conhecia sobre o papel que elas desempenham na alteração das temperaturas superficiais. Este estudo está inserido em um projeto mais amplo, financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), intitulado “Dinâmicas Socioambientais, Desenvolvimento Local e Sustentabilidade na Raia Divisória São Paulo, Paraná, Mato Grosso do Sul”, que visa contribuir para o planejamento e para a gestão de uma porção do território que teve suas paisagens naturais drasticamente alteradas e são carentes de estudos.

 

 

As referidas cidades possuem médio e pequeno porte e se caracterizam pelo clima tropical continental em área de transição entre as massas de ar tropicais (Atlântica e Continental), polares e equatoriais. Possuem duas estações definidas, um período de verão/outono, quente (temperaturas médias das máximas entre os 27°C e 29°C) e muito chuvoso (entre 150 e 200mm mensais); e invernos amenos (com temperaturas médias das mínimas entre os 16°C e 18°C) e menos úmidos (chuvas mensais entre os 20 e 50mm). Diante da forte irregularidade climática da região, explicada pela proximidade da latitude do Trópico de Capricórnio, área de conflito entre os sistemas tropicais e extratropicais, as cidades apresentam variabilidade interanual bastante acentuada. De modo geral, as massas tropicais prevalecem na região a maior parte do ano, ora com origem no atlântico, mais úmidas, ora com trajetórias continentais, mais quentes e secas (Amorim, et al. 2009; Sant´Anna Neto & Tommaselli, 2009).

Como as cidades tropicais são naturalmente quentes a produção do clima urbano e a geração das ilhas de calor são responsáveis pela intensificação do desconforto térmico e pela diminuição da qualidade ambiental e de vida das pessoas.

 

II. CARACTERÍSTICAS DAS CIDADES ESCOLHIDAS PARA ESTUDO

A retirada da cobertura vegetal original associada à impermeabilização das superfícies urbanas e a concentração de edificações, resultam no aumento das temperaturas atmosféricas e superficiais (Amorim, 2000; Amorim, et al. 2009). Além desses fatores, devem ser considerados os materiais construtivos utilizados, que em muitos casos geram maior inércia térmica e desconforto humano.

Na maioria dos municípios brasileiros a vegetação natural ficou restrita a pequenas parcelas do território e mesmo nas cidades de pequeno e de médio porte, as características do clima local estão diretamente ligadas às formas de uso e ocupação da terra (Cruz, 2009; Frasca Teixeira & Amorim, 2013).

Rosana encontra-se a 22º 34’ 47’’ de latitude sul e 53º 03’ 33’’ de longitude a oeste. A sede municipal localiza-se a 236 metros de altitude e, aproximadamente, a 10km da confluência dos rios Paraná e Paranapanema, a 7km da margem do Paranapanema e a 1km do rio Paraná (fig. 1). O rio Paraná é o limite territorial natural com o Estado do Mato Grosso do Sul a oeste, e o rio Paranapanema é o limite com o Estado do Paraná ao sul.

Segundo o Censo de 2010, realizado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), a população de Rosana é de 19 691 habitantes, sendo que apenas 26% da população reside na sede do município e o restante, os outros 74% no distrito e em áreas rurais. O motivo pelo qual a população rural é maior que a urbana, deve-se ao fato de um distrito estar localizado aproximadamente a 15km da sede municipal, fora do núcleo urbano de Rosana. Esse distrito foi fundado para receber a população que serviu como mão de obra na construção da hidrelétrica de Primavera e é onde vive, portanto, a maior parte da população do município.

Presidente Prudente localiza-se à 22^o 07’ 04” de latitude sul e 51^o 22’ 57” de longitude oeste, com população de 207 610 habitantes (IBGE, 2010) e é sede da 10^a região administrativa do Estado de São Paulo. A paisagem urbana apresenta grande diversidade de ocupação da terra. Os bairros mais antigos (construídos entre as décadas de 1950 e 1970) são densamente construídos e com significativa cobertura vegetal arbórea nas calçadas e nos quintais. Por outro lado, as áreas residenciais que sugiram nas décadas de 1980/1990 são a grande maioria e apresentam-se com edificações esparsas, com gramado e vegetação arbórea. Neste grupo prevalecem os conjuntos habitacionais e loteamentos destinados à população de baixa renda com terrenos menores e materiais construtivos menos adequados ao conforto térmico e ambiental (paredes finas e coberturas de fibrocimento).

A cidade de Paranavaí localiza-se na porção noroeste do Estado do Paraná e possui população de 81 590 habitantes (IBGE, 2010). De acordo com Passos (2006), o noroeste do Paraná foi contemplado com uma concepção moderna de colonização: a construção de vias de circulação e o desenho de pequenos centros urbanos, “coordenados” por cidades de porte médio (Maringá, Paranavaí, Cianorte, Umuarama); ao mesmo tempo, o parcelamento dos lotes rurais obedeceu a uma concepção, cujo objetivo maior era o dinamismo da economia e das relações amplas determinantes para o desenvolvimento regional.

A cidade de Nova Andradina localiza-se na porção sudeste do Estado do Mato Grosso do Sul, com total de 45 585 habitantes (IBGE, 2010). Conforme esclarece Passos (2006) a ocupação do sudeste/sul mato-grossense foi consequência da capitalização observada nas áreas próximas e de ocupação anterior. O fato do capital “externo” se apropriar, majoritariamente, do espaço, tem um peso significativo (negativo) na gestão do território, ainda hoje. As desigualdades territoriais permanecem nas condições atuais e podem ser observadas, por exemplo, nos diferentes padrões construtivos verificados no ambiente intraurbano.

A preocupação em realizar estudos de clima nestas cidades justifica-se pela necessidade de se auxiliar o ordenamento territorial das mesmas, podendo, portanto, resultar em ações efetivas para a melhoria da qualidade ambiental urbana.

 

III. AS DIFERENTES ILHAS DE CALOR URBANAS

A ilha de calor urbana é definida como sendo uma área mais quente do que seus arredores. Ela é calculada considerando-se a diferença da temperatura entre o ambiente construído e o não construído no mesmo instante.

A literatura aponta três tipos de ilhas de calor urbanas em função da camada onde são encontradas: 1 – a ilha de calor superficial diagnosticada por meio do sensoriamento remoto, objeto deste artigo; 2 – a ilha de calor atmosférica inferior, que Oke (1978) denominou urban canopy layer, compreendida entre o nível do solo e o nível médio dos telhados. Neste caso, as temperaturas são medidas abaixo do nível do topo dos edifícios, por meio de diferentes procedimentos, tais como, transectos móveis (medidas itinerantes com veículos) e pontos fixos por meio de uma rede de estações meteorológicas inseridas na malha urbana e no ambiente rural ou apenas com registradores automáticos de temperatura instalados em locais escolhidos no intraurbano e rural de acordo com os objetivos e características das áreas; 3 - a ilha de calor da atmosfera urbana superior, denominada por Oke (1978) urban boundary layer. Esta se sobrepõe à anterior e se estende por vezes até à atmosfera livre. Trata-se, portanto, da parte superior da camada limite urbana, em que particularmente as características de temperatura, umidade, turbulência e composição da atmosfera são influenciadas pela presença da cidade (Oke, 1995).

No Brasil a Ilha de Calor Urbana (ICU) da atmosfera inferior tem sido a mais estudada e é, por essa razão, a mais conhecida. Os trabalhos realizados buscaram compreender os ritmos térmicos urbanos, assim como a intensidade e magnitude das ilhas de calor, além de sua distribuição espacial (Monteiro, 1990; Mendonça, 2015).

Os estudos sobre ilhas de calor de superfície são menos comuns no Brasil e podem ser realizados por meio de imagens de satélites ou por sensores termais instalados em aeronaves. O uso de imagens de satélite tem crescido devido ao desenvolvimento de satélites com alta resolução espacial. No Brasil, Lombardo (1985, p. 132), realizou estudo pioneiro utilizando-se de imagens do satélite NOAA/AVHRR, com a identificação de pico da temperatura de 25ºC no centro da cidade de São Paulo em comparação com o ambiente do entorno densamente vegetado. Devido à resolução espacial desse satélite (1,1km), não foi possível o detalhamento das características térmicas intraurbanas. Voos em aeronaves especiais possibilitam análises mais detalhadas de temperaturas das superfícies, pois essas podem voar mais próximas ao solo e assim viabilizam a coleta de imagens com maior resolução, entretanto são caros e necessitam de autorização para voar a altitudes mais baixas do que é normalmente permitido.

Diversos autores (Sobrino, Jiménez-Muñoz, & Paolini, 2004; Stathopoulou & Cartalis, 2007; Yuan & Bauer, 2007; Amorim et al., 2009) tem utilizado imagens do Landsat (Land Remote Sensing Satellite) 5 e 7 (banda 6 do canal infravermelho termal com resoluções espaciais de 120 e 60 metros, respectivamente) e do Landsat 8, bandas 10 e 11, do infravermelho termal/TIRS 1, com resolução espectral de 10,6 – 11,19 μm e resolução espacial de 100 metros, mas tratadas e disponibilizadas com pixel de 30 metros pela USGS (United States Geological Survey). Voogt e Oke (2003) evidenciam que o sensoriamento remoto termal, tanto por meio de aeronaves como por satélites, tem propiciado novas formas de observações sobre as ilhas de calor, bem como a compreensão de suas causas e características. O sensoriamento remoto tem sido utilizado para avaliar temperaturas e outras características das superfícies, tais como, tipos de coberturas e pavimentos, vegetação e solo nu. Isso é possível por meio da medição de energia refletida e emitida a partir dos objetos presentes na superfície. Mede-se com esses sensores a energia visível refletida e a radiação infra-vermelha térmica emitida pelos alvos.

A principal vantagem de se utilizar o sensoriamento remoto é sua capacidade de permitir a visualização de temperaturas em grandes áreas; entretanto, é possível obter apenas uma vista panorâmica de temperaturas superficiais, sem que seja viável se obter as temperaturas de paredes e sob a vegetação, por exemplo.

Voogt e Oke (1997) adicionaram informações verticais da temperatura aos dados coletados por sensoriamento remoto para gerar uma temperatura tridimensional.

No Brasil o número de trabalhos relacionados à ilha de calor que se utilizam do sensoriamento remoto tem crescido, particularmente nas regiões metropolitanas e em cidades de grande porte (Lombardo, 1985; Sousa & Baptista, 2005; Bias & Baptista, 2005; Andrade, Souza, Sakuragi, & Castro, 2007; Coltri, Velasco, Polizel, Demétrio, & Ferreira, 2007). Nos últimos anos as cidades de porte médio e pequeno têm sido alvo de estudos das temperaturas superficiais; dentre eles destacam-se: Amorim, et al. (2009), Cruz (2009), Amorim e Monteiro (2011), Amorim (2013), Dorigon e Amorim (2013), Ugeda (2013), Ortiz e Amorim (2013), Frasca e Amorim (2013), dentre outros. Dos trabalhos citados, Amorim, et al. (2009), Dorigon e Amorim, (2013), se referem a estudos realizados nas cidades objeto deste artigo. O primeiro analisa as características térmicas do clima urbano em duas cidades de médio porte: Rennes (França) e Presidente Prudente (Brasil), por meio de registros da temperatura do ar (pontos fixos e medidas itinerantes) e dados térmicos de superfície obtidos pelo tratamento de imagens do satélite Landsat 7, sendo diagnosticado o aumento das temperaturas, ligeiramente maiores em Rennes do que em Presidente Prudente e a geração de ilhas de calor urbanas (ICU), decorrentes do processo de urbanização nas duas cidades. O segundo mostrou as diferenças térmicas dos alvos em Paranavaí, que atingiram mais de 13ºC em relação ao ambiente rural.

 

IV. OS PROCEDIMENTOS DA PESQUISA

Para a geração dos mapas de temperatura da superfície das cidades em questão foram utilizadas imagens do satélite Landsat 8, banda 10, do canal infravermelho termal/TIRS 1, com resolução espectral de 10,6 – 11,19 μm e resolução espacial de 100 metros, mas tratadas e disponibilizadas com pixel de 30 metros pela United States Geological Survey (USGS).

Os procedimentos para a obtenção das temperaturas em grau Celsius (°C) na imagem de satélite foram realizados no software IDRISI Taiga, com a utilização de parâmetros fixos de conversão de níveis de cinza da imagem (NC) para radiância, depois para temperatura Kelvin e finalmente para graus Celsius.

As equações e parâmetros foram obtidos no sítio da USGS e serão apresentados a seguir.

 

 

Onde:

Lλ = Radiância do topo da atmosfera (Watts/( m2 * srad * μm));

ML = Fator multiplicativo de redimensionamento de cada banda presente nos metadados (Radiance_Mult_Band_x, onde x é o número da banda);

AL = Fator aditivo de redimensionamento de cada banda presente nos metadados (Radiance_Add_Band_x, onde x é o número da banda);

Qcal = Valores de pixel quantificados e calibrados do produto padrão (DN).

 

Depois desta primeira fórmula foi feita a correção atmosférica das imagens segundo os princípios disponibilizados pela Atmospheric Correction Parameter Calculator, a qual fornece valores locais para Transmittance, Upwelling Radiance e Downwelling Radiance. Para isso foram incluídos os dados da estação meteorológica automática do INMET localizada na FCT/UNESP de Presidente Prudente. De acordo com Coll, et al. (2010), a equação 2 se aplica à correção atmosférica específica da cena.

 

 

Onde (Coll et al. (2010)):

CV_{R2 -} valor da célula da correção atmosférica como radiância

CV_{R1 -} valor da célula como radiância da seção 1

L↑ - upwelling radiance

L↓ - downwelling radiance

τ – transmitância

Ɛ – emissividade (0,95).

Após a correção atmosférica, aplicou-se a equação 3 para converter os valores em temperatura Kelvin:

 

 

Onde (USGS, 2015)

T = Temperatura efetiva no satélite em Kelvin;

K2 = Constante de calibração 2 – valor – 1 321,08;

K1 = Constante de calibração de 1 – valor – 774,89;

L = Radiância espectral, em Watts / (metro quadrado ster * * mm).

Para gerar a grade de temperatura da superfície em graus Celsius (°C), os valores de temperatura em Kelvin foram subtraídos de 273.15.

Neste artigo, optou-se por apresentar as intensidades das ilhas de calor superficiais nas quatro cidades estudadas. Para isso, foram consideradas as diferenças das temperaturas intraurbanas em relação aos ambientes rurais próximos, e não os valores absolutos das temperaturas superficiais. Portanto, partiu-se da menor temperatura registrada na cena, sendo esta considerada como o ponto “0” e, a partir dela, foram calculadas as diferenças de temperaturas dos alvos (por pixel), para que fosse possível reconhecer um padrão de aquecimento nos ambientes intraurbanos e rurais próximos.

Para a elaboração dos mapas de uso da terra foram utilizadas a bandas 3, 5 e 4 do Landsat 8, respectivamente Green, Near Infrared e Red, com o objetivo de elaborar mapas de composição colorida que diferenciam as áreas urbanas e rurais e, juntamente com trabalhos de campo e conhecimento das cidades, auxiliaram na classificação do uso da terra.

Na sequência, por meio da junção das bandas 4 e 5 foram geradas os mapas de NDVI (Índice de Vegetação por Diferença Normalizada), que permitiram identificar a densidade de vegetação e sua distribuição.

Utilizando-se das bandas 3, 5, e 4 do Landsat 8 e das cartas de NDVI se processou a classificação automática do uso da terra, no Idrisi, por Cluster.

A partir da classificação inicial se realizou o agrupamento das classes e a classificação final foi reduzida em três classes levando-se em consideração o elemento que predominou em cada pixel: construções, vegetação rasteira e vegetação arbórea. Essas classes foram escolhidas por serem fundamentais para diferenciarem as temperaturas e contribuírem para a geração das ilhas de calor urbana. A classe “vegetação arbórea” reuniu as áreas verdes urbanas nos parques e nos fundos de vale. A “vegetação rasteira” considerou as pastagens, os terrenos urbanos sem construções e com presença de gramados. A classe “construções” agrupou todas as áreas impermeabilizadas tanto com alta, média e baixa densidade de construções como as vias pavimentadas.

Para a delimitação das áreas onde as cidades estão inseridas nas imagens de satélite, foram importadas e sobrepostas as bases cartográficas contendo os limites dos setores censitários, disponibilizadas pelo IBGE.

Com a disponibilidade de informações geradas através do sensoriamento remoto do canal infravermelho termal e por meio dos mapas de uso da terra, foram verificadas as diferenças das temperaturas dos alvos no ambiente urbano da imagem tomada no dia 19/01/2014, para as cidades de Paranavaí, Nova Andradina e Rosana, da órbita 223, ponto 76 (13h30m GMT). Cabe informar que estas três cidades localizam-se na mesma cena e para Presidente Prudente não havia imagem do mesmo dia, pois ela está em outra cena mais precisamente na órbita 222, ponto 75, sendo utilizada, portanto, a imagem disponível do dia 28/01/2014 às 13h23 (GMT).

As informações sobre o horário da captura das imagens e os dados registrados em estações meteorológicas são importantes porque nas termais tomadas em um dia de fraca insolação, as superfícies dos materiais terão temperaturas mais baixas e emitirão intensidades menores de energia radiante do que num dia de alta insolação. Consequentemente, as duas imagens apresentarão diferentes tons de cinza para os mesmos alvos, dando a impressão que ocorreu alguma variação ou mudança dos alvos entre as duas datas de tomadas das imagens (Baptista, 2012). Deste modo, a viabilidade do uso das imagens termais em dias diferentes depende do conhecimento das condições atmosféricas no momento da tomada da imagem, a fim de se corrigir a radiância da cena (Coll, et al., 2010), conforme descrito anteriormente.

 

V. TEMPERATURAS DA SUPERFÍCIE EM CIDADES DE PORTE MÉDIO E PEQUENO DO AMBIENTE TROPICAL

Nos dias de tomada das imagens de satélite do Landsat 8 utilizadas nesta pesquisa, não houve registro de precipitação, o céu estava sem nuvens e segundo os dados da estação meteorológica do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), localizada em Presidente Prudente (quadro I), as temperaturas máximas se aproximaram dos 33ºC e a umidade relativa em torno de 60%. No horário próximo à passagem do satélite (10h – hora local), as temperaturas estavam em torno de 26,5ºC. As condições atmosféricas estavam muito parecidas nos dois dias, com ventos fracos do quadrante sudeste, o que permite a comparação das diferenças de temperaturas dos alvos entre as cidades com cenas tomadas em dias diferentes.

 

 

As imagens do satélite meteorológico GOES, disponibilizadas pelo Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos do Instituto de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE) mostraram que nos dias 19 e 28 de janeiro de 2014, os estados de São Paulo, Paraná e sudeste do Mato Grosso do Sul, onde estão localizadas as cidades estudadas, não havia cobertura de nuvens, possibilitando a tomada das imagens com boa qualidade.

O total de precipitação no mês de janeiro de 2014 foi de 188,4mm, distribuídos em 17 dias. No mês de dezembro de 2013, o total foi de 127,2mm. Essas informações são importantes porque a vegetação depende da precipitação para não secar. Portanto, a vegetação cobrindo o solo e as árvores com folhas bem desenvolvidas possibilitam que o campo apresente menor amplitude térmica, com exceção das áreas com solo exposto. A superfície coberta por vegetação tem maior capacidade térmica e precisa de maior quantidade de energia para que sua temperatura aumente 1ºC quando comparados com os materiais presentes no ambiente urbano.

Segundo Jensen (2009) o solo coberto por vegetação perde energia através da evaporação e da evapotranspiração que transforma calor sensível em calor latente e o transfere para a atmosfera sem que ocorra aumento de temperatura. Desta forma, no campo coberto pela vegetação, mesmo que predominantemente rasteira, a temperatura será menor. Já nos períodos de estiagem, além da diminuição da umidade do solo, há o declínio da vegetação e, consequentemente, da evaporação e da evapotranspiração. Com o solo exposto a temperatura da superfície tende a ser mais elevada do que as do ambiente urbano. O albedo é reduzido em superfícies de solo exposto e reflete menos radiação de pequeno comprimento de onda.

Todos os objetos que compõem a superfície terrestre são fontes emissoras de radiação eletromagnética com intensidades de emitância proporcionais à sua temperatura de superfície (Baptista, 2012). Deste modo, o uso do sensoriamento remoto permite verificar a temperatura dos alvos dependendo do tipo de uso e cobertura da terra. Com a disponibilidade de informações geradas através do tratamento da imagem do canal infravermelho termal foi possível calcular as diferenças das temperaturas dos alvos nos ambientes urbanos, com o propósito de diagnosticar a intensidade das ilhas de calor superficiais nas quatro cidades em questão. Jensen (2009), exemplifica através de algumas avaliações realizadas em pesquisas utilizando essas técnicas que as áreas comerciais podem apresentar durante o dia temperaturas mais altas e as mais baixas podem ficar restritas aos corpos d’águas, vegetação e terras de uso agrícola. Entretanto, salienta que áreas residenciais podem apresentar temperaturas intermediárias pela composição heterogênea de casas, gramas e coberturas arbóreas.

Os contrastes de temperaturas entre os ambientes rurais e urbanos ficaram evidentes neste estudo e podem ser entendidos quando são analisados os mapas de uso da terra gerados a partir das bandas 3, 4, 5 do satélite Landsat 8, conforme descrito nos procedimentos da pesquisa. Para se identificar as diferenças de temperaturas dos alvos entre as cidades e para se avaliar a capacidade de cada uma delas em propiciar o aumento das temperaturas, subtraiu-se de cada pixel dos recortes utilizados para cada cidade a menor temperatura absoluta registrada nas áreas arborizadas, normalmente localizadas nos ambientes rurais próximos às malhas urbanas, chegando-se, portanto, nas intensidades das ilhas de calor superficiais urbanas. Deste modo, a temperatura “0”^oC foi atribuída para o menor valor absoluto registrado em cada recorte e a partir dela foram calculadas as diferenças produzidas em cada alvo.

Na comparação dos mapas de uso da terra (fig. 2, 4, 6, 8) e de intensidade das ilhas de calor superficiais (fig. 3, 5, 7, 9), percebeu-se claramente a influência e a importância da presença da vegetação para a diminuição da temperatura da superfície.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

As imagens termais originalmente tratadas apresentaram temperaturas absolutas que variaram entre 25ºC e 33ºC para Nova Andradina, entre 25ºC e 36ºC para Paranavaí, entre 21ºC e 32ºC para Presidente Prudente e entre 26ºC e 34ºC para Rosana, conforme indicados nas legendas dos mapas de intensidade das ilhas de calor (fig. 3, 5, 7, 9).

Uma observação importante a ser feita é que as imagens apresentaram valores absolutos de temperaturas dos alvos que se assemelharam entre si e as diferenças intraurbanas (entre os pontos mais quentes e mais frios) estiveram relacionadas com os tipos de materiais de cobertura da superfície. Por exemplo, em Presidente Prudente e Paranavaí, as maiores cidades dentre as quatro analisadas, foram constatadas as maiores intensidades das ilhas de calor superficiais que atingiram 11ºC (fig. 7, 5). Esse fato decorre das menores temperaturas (21ºC e 25ºC) terem sido registradas em áreas de cobertura vegetal arbórea, localizadas em áreas do ambiente rural próximo (fig. 6 e 4). As outras duas cidades apresentaram temperaturas mínimas dos alvos de 25ºC (Nova Andradina) e 26ºC (Rosana). Em todos os mapas de intensidade das ilhas de calor superficiais foram registradas as menores temperaturas nas áreas com as maiores densidades de cobertura vegetal. Já no que diz respeito às maiores temperaturas, todas as cidades apresentaram valores muito próximos (34ºC para Rosana, 33ºC para Nova Andradina, 32ºC para Presidente Prudente e 36ºC para Paranavaí), porque os materiais utilizados nas coberturas dos telhados são muito parecidos (cerâmica, telhados metálicos e de fibrocimento).

Deste modo, as cartas de intensidades das ilhas de calor superficiais representativas do verão mostram que as áreas urbanas se apresentaram mais aquecidas do que as rurais. Esta característica é decorrente da substituição dos elementos naturais como a vegetação, por materiais construtivos que armazenam maior quantidade de energia, tendo, portanto, albedo mais baixo.

Devido à propriedade de emissividade dos materiais presentes nas superfícies, os sensores do infravermelho termal registram a intensidade da radiação equivalente à temperatura radiante aparente do terreno, e não a temperatura cinética verdadeira. A temperatura cinética verdadeira, que é medida com um termômetro é a que mede o grau de movimento ou de agitação das moléculas. Como efeito desse fenômeno, os objetos emitem radiação eletromagnética (Baptista, 2012).

Portanto, quando o sensor termal mede essa energia emitida, ele não está medindo a temperatura cinética do objeto, como se faz com o termômetro, mas a temperatura radiométrica. Segundo Baptista (2012), a lei de Stefan-Boltzmann é válida para objetos que são emissores perfeitos (corpos negros). Para compensar a diferença das fontes corpos negros com as fontes naturais, basta acrescentar a ela o valor de emissividade correspondente a cada material.

A emissividade varia entre 0 a <1, deste modo, a temperatura radiométrica medida no sensor sempre será inferior à temperatura cinética real do objeto. Os materiais com emissividades próximas a 1 exibem temperaturas radiométricas mais próximas a de suas temperaturas cinéticas (Baptista, 2012).

Na ausência de nuvens, a radiação emitida pela atmosfera em comprimento de onda longa e recebida pela superfície depende da temperatura e da emissividade da atmosfera de acordo com a Lei de Stefan-Boltzmann (Lopes, 2003). A radiação emitida pela superfície é governada pela mesma lei e depende também da sua emissividade e temperatura. Deste modo, há uma parte da radiação em onda longa incidente que é refletida pela superfície. Como a emissividade das superfícies na cidade é tipicamente superior a 0,90 a reflexão em onda longa é muito fraca.

Em estudo realizado por Amorim (2014), verificou-se que o tempo de resposta entre as temperaturas dos alvos e a temperatura do ar é diferente entre o ambiente rural e o urbano. As temperaturas do ar e do alvo no pixel onde a estação meteorológica estava instalada no ambiente rural, com predomínio de vegetação rasteira, foram praticamente as mesmas, ou seja, registrou-se 27ºC no alvo (às 10h24 hora local) e 27,6ºC no ar às 10h. No ambiente urbano o tempo de resposta entre o ar e o alvo foi diferente. A temperatura do ar medida na área construída ficou muito próxima ao que foi registrado no alvo apenas duas horas depois da captura da imagem de satélite (12h), sendo que no horário da passagem do satélite (10h24 hora local) a temperatura do alvo estava em 33ºC e a do ar em 29,5ºC. Esta diferença no tempo de resposta é consequência das características termodinâmicas das superfícies nas áreas construídas e não construídas.

A reflexão terrestre e a radiação emitida pela superfície são comandadas por fatores locais, a primeira pelo albedo e a segunda pela temperatura de superfície e emissividade (Lopes, 2003). O balanço radiativo é a principal entrada de energia de um sistema, mas não é o seu resultado final. Ele é contrabalançado pelas trocas energéticas entre as superfícies e a atmosfera efetuadas pelos fluxos convectivos de calor sensível, de calor latente e pela condução de calor do, ou para o solo (Lopes, 2003).

Devido a cor escura do solo exposto, ele tem albedo reduzido e retém mais calor e por este motivo, suas temperaturas se assemelham às áreas densamente construídas e com materiais de cobertura inadequados ao ambiente tropical por armazenarem mais energia.

Os materiais construtivos utilizados nos ambientes urbanos, particularmente nos telhados, são os principais responsáveis pelo calor produzido tanto no interior quanto no entorno das edificações. Este calor é determinado pelo albedo (refletância) e pela emissividade dos materiais. O albedo representa a parte da radiação solar incidente, que é refletida pelo material, enquanto a emissividade determina o desempenho térmico caracterizado pela temperatura superficial (Ferreira & Prado, 2003).

Deste modo, quando expostas à radiação solar, as superfícies com elevado albedo e emissividade tendem a permanecerem mais frias. Isso ocorre porque elas absorvem menos radiação e emitem mais radiação térmica para o espaço, transmitindo menos calor para seu entorno. Entretanto, quanto menor for o albedo e a emissividade maior será a absorção de calor e sua permanência no ambiente de entorno.

Nas quatro cidades estudadas prevalece o uso de três tipos de materiais de cobertura: as telhas cerâmicas, as de fibrocimento e as metálicas (alumínio, zinco e aço galvanizado). As coberturas cerâmicas são mais utilizadas em residências de classe média e alta, as de fibrocimento prevalecem nos bairros e conjuntos habitacionais de população de baixa renda e as metálicas nas edificações comerciais e industriais.

Devido às suas propriedades físicas, os materiais de cobertura apresentam as respostas térmicas que podem ser observadas na quadro II.

 

 

Cabe destacar que ao longo do dia as temperaturas das superfícies urbanas são mais variantes do que as temperaturas do ar. À noite essas superfícies liberam o calor acumulado, geralmente voltando à temperatura original do ar (Gartland, 2010). Inversamente, árvores, vegetação rasteira e arbustos tendem a se manter frescos sob a incidência dos raios solares, com temperaturas iguais ou inferiores à temperatura do ar, desde que devidamente hidratadas (Gartland, 2010). Essas características foram claramente verificadas nas cidades objeto desta investigação, conforme pode-se comparar nos mapas de uso da terra e de intensidade das ilhas de calor.

As ilhas de calor de superfície atingiram magnitudes elevadas considerando-se os fragmentos de vegetação do ambiente rural, com as menores temperaturas, e áreas construídas com intensidades de até 8ºC para Nova Andradina, 8ºC para Rosana, 11ºC para Presidente Prudente e Paranavaí. As áreas com as maiores temperaturas nos ambientes urbanos estiveram associadas com os materiais construtivos utilizados nas coberturas, particularmente onde havia o predomínio de telhados de fibrocimento e de zinco, com alta densidade das construções, onde os terrenos são completamente impermeabilizados e carentes de cobertura vegetal arbórea.

 

VI. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os estudos em cidades médias e pequenas têm se pautado no fato de que, assim como nos grandes centros urbanos, em aglomerações com menores dimensões territoriais e complexidades do ponto de vista de sua estruturação, tem sido observado fortes transformações na paisagem natural, materializadas através de diferentes formas de poluição do ar, água, solo e subsolo, além de transformações na morfologia e estrutura do ambiente urbano. Rios e córregos são canalizados ou têm seus cursos alterados; a morfologia é modificada através de aterros e construções; a vegetação é retirada; e a associação das atividades urbanas com a forma de ocupação da terra, provocam alterações nos elementos climáticos.

Partindo-se do conceito de ilha de calor de superfície (Voogt & Oke, 2003) que considera as diferenças entre as temperaturas dos alvos registradas nos materiais urbanos (pavimentos, telhados das edificações, cobertura vegetal, etc.) e o ambiente rural, por meio do sensoriamento remoto, verificou-se que as cidades estudadas possuem elevadas intensidades de ilhas de calor de superfície, que atingiram 11ºC em Presidente Prudente e Paranavaí e 8ºC em Nova Andradina e Rosana.

Deste modo, este estudo evidenciou que tanto nas cidades de porte médio (Presidente Prudente e Paranavaí) como nas pequenas (Nova Andradina e Rosana) as alterações na superfície proporcionaram ilhas de calor superficiais com intensidades que se assemelham às grandes cidades.

A geração das ilhas de calor urbanas mesmo em cidades de porte médio e pequeno do ambiente tropical depende da interação entre a radiação recebida e a refletida dos tipos de materiais construtivos de edificações com diferentes usos, tais como, residenciais, comerciais e industriais.

O sensoriamento remoto, por meio das imagens termais, tem se mostrado um importante instrumento para o diagnóstico das ilhas de calor urbanas. As relações entre as ilhas de calor atmosféricas e superficiais não foram objeto de análise neste artigo, entretanto, tais relações já foram comprovadas em diversos estudos (Imamura, 1989; Stoll & Brazel, 1992; Kawashima, Ishida, Minomura, & Miwa, 2000). Diante disto, o desconforto térmico, que em sua análise considera principalmente as características da temperatura do ar e da umidade relativa, é intensificado pela geração das ilhas de calor nessas cidades do ambiente tropical, que são naturalmente quentes, na maior parte do ano.

Deste modo, as ilhas de calor superficiais que também refletem no aumento da temperatura do ar (Stoll & Brazel, 1992) podem contribuir para efeitos diretos sobre a mortalidade e morbidade devido ao grande número de pessoas expostas. Essas relações pouco têm sido estudadas no Brasil, entretanto, a influência das altas temperaturas sobre a morbidade e mortalidade foi demonstrada em diversos estudos, dentre eles destaca-se o realizado por Díaz, et al., 2002. Neste estudo verificou-se a existência de algumas condições críticas a partir das quais a mortalidade aumenta (Garcia, 2009).

 Além das questões relacionadas à saúde dos citadinos, as temperaturas elevadas interferem no aumento do consumo de energia, particularmente no verão.

Na realidade brasileira e, particularmente, nas cidades estudadas, há parcela significativa da população de baixa renda que tem sua situação agravada na medida em que, por falta de opção, se utiliza de materiais construtivos pouco adequados, como os telhados de fibrocimento, além de ocuparem lotes pequenos, completamente construídos, impermeabilizados e sem cobertura vegetal nas calçadas e no interior dos lotes. Tais fatores contribuem para os efeitos adversos do calor armazenado nas edificações, expondo essas pessoas a situações de insalubridade que podem se manifestar na forma de enfermidades como doenças respiratórias e do aparelho circulatório. Características diferentes são verificadas em bairros ricos, que possuem lotes grandes, coberturas de cerâmica vermelha ou branca, áreas permeáveis e com cobertura de vegetação nas calçadas e no interior dos lotes.

Diante desses fatos, evidencia-se a importância de se realizar o estudo nessas quatro cidades, porque mesmo nas de pequeno porte, existem especificidades climáticas que precisam ser consideradas pelo planejamento territorial para que sejam tomadas medidas que possam amenizar situações de desconforto térmico.

Considerando-se as altas intensidades das ilhas de calor superficiais diagnosticadas nos ambientes urbanos em questão, sugerem-se algumas medidas para amenizá-las e dentre elas destacam-se: a necessidade de plantio de árvores com espécies adequadas ao ambiente tropical; a utilização de materiais construtivos adequados que não exijam tanto a climatização dos ambientes internos; ao se implantar novos loteamentos, deve-se considerar as características climáticas, evitando-se a impermeabilização generalizada do solo e a edificação em toda a área do terreno, propiciando maior quantidade de áreas permeáveis no ambiente urbano.

Tais medidas podem contribuir para que as cidades sejam mais confortáveis e saudáveis resultando na melhoria da qualidade de vida das pessoas.

 

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Recebido: maio 2015. Aceite: dezembro 2016.