INFLUÊNCIA DA VEGETAÇÃO NO MICROCLIMA DE PÁTIOS ESCOLARES

EM CLIMA QUENTE

L. C. Pastro, I. J. A. Callejas, M. C. J. A. Nogueira, L. C. Durante

RESUMO

Este trabalho objetivou avaliar a influência da vegetação no microclima das áreas externas,

em cidade de médio porte. O local selecionado para a pesquisa foi o pátio de uma escola da

rede estadual de ensino, da cidade de Cuiabá, Estado de Mato Grosso, Brasil. Para tanto,

simulou-se o microclima externo utilizando-se o software ENVI-met, com dois cenários

distintos, sendo um com a totalidade da vegetação arbórea existente no pátio, e outra, com

a ausência desta vegetação. A simulação foi comparada com dados de medições e, os

modelos com e sem vegetação foram confrontados entre si. A presença da vegetação

beneficiou o microclima do ambiente escolar, diminuindo os picos de temperaturas e

aumentando a umidade relativa, demonstrando que a mesma exerce influência direta no

controle de temperatura e umidade relativa do ar no entorno próximo, contribuindo para

melhoria da ambiência urbana em climas quentes.

1 INTRODUÇÃO

A vegetação tem grande contribuição nos microclimas urbanos, melhorando a ambiência

em diversos aspectos: diminuição da radiação solar nas estações quentes por meio do

sombreamento que reduz a carga térmica recebida pelos edifícios, aumento da umidade

relativa do ar e alteração da direção e velocidade dos ventos. Quando em grande número,

interferem na frequência das chuvas, através da fotossíntese e da respiração e reduzem a

poluição do ar (Mascaró e Mascaró, 2010).

Um dos principais e reconhecidos efeitos da vegetação é a redução da temperatura do ar

pelo aumento da umidade, proporcionado pelo processo de evapotranspiração das folhas.

De acordo com Shinzato (2009) a refletância, a morfologia, a rugosidade e a resistência da

superfície da folha influenciam no processo de evapotranspiração.

A vegetação pode ajudar em ambientes escolares regularizando a umidade, proporcionando

sombra, ajudando na condução de ventos e proprocionando maior conforto para seus

usuários e, consequentemente, melhorando o desempenho das atividades de alunos e

professores. Sendo algumas produtoras de frutos comestíveis, podem fornecer alimentação,

além de melhorar aspectos estéticos da paisagem.

Também se pode citar como importantes, os efeitos do sombreamento, função de extrema

importância da arborização no meio urbano, cuja principal finalidade é amenizar as altas

temperaturas, em locais de clima quente durante o ano todo.

Mascaró e Mascaró (2010) relacionam os efeitos do resfriamento passivo das ruas

decorrentes do sombreamento arbóreo, principalmente em canyons: a influência da

orientação e da geometria do espaço urbano é minimizada, sendo o efeito do resfriamento

dependente da área sombreada e, durante o dia, a variação da temperatura do ar é

significativamente atenuada, como conseqüência do aumento do atraso térmico. Em climas

quentes, o ambiente urbano deve ser sombreado durante o período quente, limitando a

incidência solar em, pelo menos, dois terços da área dos caminhos de pedestres, praças e

estacionamentos. Citam, também, que, em estudos de ilhas de calor, onde a escala urbana

considerada é a cidade em sua globalidade, modificações da temperatura do ar na região

central são consideradas representativas da ação conjunta do ambiente construído.

Parâmetros onde são verificadas as modificações da temperatura do ar ao nível de

quarteirões, praças, ruas com ou sem presença de arborização e espaços de menor escala

são considerados igualmente importantes para estudos nesta escala.

O desempenho ambiental das espécies arbóreas pode ser verificado pelas quantificações

decorrentes do sombreamento acerca da redução de ganho de calor solar sobre a edificação

e as superfícies do entorno, da redução da emissão da radiação de onda longa dos edifícios

para atmosfera e da redução da iluminância natural dos ambientes internos, a fim de evitar

o ofuscamento.

A vegetação influencia na temperatura do ar através do controle de ventilação, umidade

relativa do ar e radiação solar, e sob grupos arbóreos, a temperatura do ar pode ser de 3 a

4ºC mais amena que em áreas expostas à radiação solar direta. Árvores e arbustos são

responsáveis por temperaturas mais amenas em áreas menos edificadas e, também,

proporcionam a renovação do ar. Em contraste com os efeitos de resfriamento, as árvores

são também, responsáveis pela troca de calor com o ar do entorno, constituindo uma fonte

térmica considerável para o sítio.

A presença de árvores causa aumento na umidade relativa do ar, sendo que neste aspecto,

deve-se observar a copa, em termos de porte, uma vez que quanto maior a copa, maior a

densidade relativa do ar sob ela e, também o tipo de folhagem.

Existem vários índices que procuram expressar a presença de vegetação em um sítio

urbano, tais como o Índice de Densidade Arbóreo (IDA), Índice de Sombreamento

Arbóreo (ISA) e Índice de Área Foliar (IAF). Conforme destaca Lima Neto e Souza

(2009), esses índices constituem-se em indicadores relevantes para estudos de

planejamento urbano, qualidade ambiental e arcabouço de modificação da paisagem nas

áreas verdes públicas.

O Índice de Área Foliar (IAF) é a relação da quantidade de folhas e sua distribuição ao

longo da copa das árvores. Corresponde à relação da superfície total das folhas da copa

(m²) pela área de superfície do solo (m²) na projeção da copa, sendo, portanto, um número

adimensional. Está relacionado a uma série de processos fisiológicos como fotossíntese,

evapotranspiração, possibilitando a previsão das taxas de trocas de energia entre vegetação

e atmosfera, a curva de crescimento futuro e as diferenças na estrutura da copa devido à

poluição do ar e mudança climática (Shinzato, 2009). Assim, este índice está muito ligado

à fisiologia e aos processos biológicos da folha e influencia diretamente no microclima

local, por meio das trocas de calor latente e do processo de evapotranspiração.

A Densidade de Área Foliar (DAF) é determinada pela distribuição vertical das folhas em

camadas horizontais e é definido pela relação entre a área de folhas e a quantidade total de

folhas em 1m³ de copa. Considerando que o DAF é calculado segundo a diferença entre o

IAF medido a uma altura (H) e o valor do IAF a uma altura (H-1m), podem-se deduzir os

valores de DAF baseados nas medidas de IAF ao longo da copa. O Índice de

Sombreamento Arbóreo (ISA) é o percentual de área sombreada em relação à área total em

estudo. O resultado obtido é o potencial de sombra resultante da soma das áreas de copa

arbórea, que por sua vez é estimada por meio da projeção visual ao solo. Esse valor,

também pode ser estimado com o uso de fotos de satélites, calculando a área sombreada e a

área total. Já o Índice de Densidade Arbórea (IDA) é o número de árvores existentes a cada

100m². Este índice aponta a situação da área verde quando há carência ou abundância de

vegetação arbórea. Simões et al. (2001) destacam que, para os bairros com predomínio de

atividades comerciais, recomenda-se um ISA a partir de 30%. Para os bairros com função

residencial, o valor recomendado é a partir de 50%. O IDA mínimo recomendado é de uma

unidade arbórea a cada 100m².

Nesse contexto, este trabalho objetivou avaliar a influência da vegetação no microclima do

pátio de uma escola da rede estadual de ensino, na Cidade de Cuiabá-MT, Brasil. Os

Índices arbóreos (ISA e IDA) e de área foliar (IAF) foram avaliados com intúito de

quantificar a presença de vegetação no entorno do sítio pesquisado e subsidiar a simulação

computacional.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 Local de pesquisa e instrumentação

O município de Cuiabá, capital de Mato Grosso, localiza-se entre as coordenadas

geográficas de 15°35'56" de latitude sul e 56°06'05"de longitude oeste, com 125 metros de

altitude e precipitação média anual de 1.469,00 mm. Com temperatura média anual em

torno de 24°C, Cuiabá é conhecida pelo seu rigor climático, apresentando elevadas

temperaturas ao longo de todo o ano. Apresenta clima tropical quente e sub-umido e pela

configuração geográfica de sua localização, a incidência de ventos é baixa, o que acentua a

sensação de desconforto térmico dos pedestres, nos ambientes externo a céu aberto.

Em 1970, a população era de 88.254 habitantes e, em 2010, alcançou 551.350 de

habitantes, constituindo um aumento de mais de 624% (IBGE, 2011). Como conseqüência,

as grandes áreas naturais preservadas do entorno da cidade foram substituídas por áreas

construídas e impermeabilizadas, juntamente com crescimento vertical, que proporcionou

maior impedimento ao fluxo natural dos já escassos ventos.

Os fenômenos relacionados à ilha de calor também já puderam ser verificados por diversos

autores, tais como Maitelli (1994), Zeilhofer et al. (2009) e Duarte (2000), que verificaram

a ocorrência de absorção de calor da malha urbana, aumento da taxa de impermeabilização

do solo e redução das áreas verdes.

Em Cuiabá, o crescimento urbano rápido e sem foco no bem estar da população, tem

impossibilitado o planejamento de áreas arborizadas. Aliados as questões do clima,

existem ainda os processos antropogênicos de geração de calor, como por exemplo, o tipo

de materiais de construção utilizado nas obras que acabam agravando esses fenômenos.

O local onde se realizou esta pesquisa foi uma escola da rede pública estadual de ensino

com área de 11.231 m², localizada a 56º07’de longitude Oeste e 15º35’ de latitude Sul,

com altitude de 179m. A edificação tem como característica arquitetônica, blocos

horizontais de salas de aula, distribuídos à esquerda e direita de um corredor central, que

tem início no portão principal da escola. As paredes são de alvenaria de blocos cerâmicos e

a cobertura em telhas de fibrocimento. Sua estrutura (salas de aula e pátio principal) possui

3.581m² de área construída. A área do terreno é de 11.231 m² (100%), sendo 4.351m2

(38,7%) de área impermeabilizada. A área permeável é de 6.880 m² (61,3%) (Figura 1).

Seu pátio central é impermeabilizado por concreto, com 719m², no qual existem algumas

árvores de porte médio, o que de certa forma oferece maior conforto aos alunos. Na parte

posterior da escola existe campo gramado e quadra poliesportiva coberta.

Para análise dos índices espaciais da arborização foram localizados dentro do lote da

escola, os espécimes arbóreos com altura superior a dois metros juntamente com a medição

da projeção de suas copas. Foram estabelecidos em cada árvore dois eixos perpendiculares

entre si com a finalidade de auxiliar as medições das projeções das copas, realizada através

de trena. Além do levantamento in loco, utilizou-se de imagens de satélites extraídas do

programa Google Earth para complementar as medidas obtidas em conjunto com software

de desenho. O IAF foi medido por meio de um Ceptômetro LP-80 AccuPAR, Decagron

Devices. O método consiste da medição da radiação solar global seguida de quatro

medições à sombra da copa da unidade arbórea, após o que o se lê diretamente o IAF. A

DAF de cada espécie foi calculada dividindo-se o valor médio do IAF pela altura média da

copa, admitindo-se distribuição homogênea de DAF.

2.2 Método

Esta pesquisa utilizou como referência o trabalho de Costa et al. (2006) sendo que a coleta

de dados realizada através de pontos fixos de forma direta, com o uso de estação

meteorológica móvel, instalada no pátio da escola em estudo, a 2,50m de altura (Ponto E1,

Figura 1).

Fig. 1 Planta baixa da escola

Norte

A simulação do microclima externo foi elaborada com dois cenários distintos, sendo um

com a totalidade da vegetação arbórea existente no pátio, e outra, com a ausência desta

vegetação. A simulação foi comparada com dados de medições e, os modelos com e sem

vegetação foram confrontados entre si (Figura 2). Os dados utilizados para análise de

temperatura e umidade relativa do ar foram coletados no dia 16 de agosto de 2011.

a) b)

Fig. 2 Modelagem da Escola com vegetação (a) e sem vegetação (b)

A simulação do ambiente escolar foi realizada a partir do programa ENVI-met, capaz de

simular o comportamento do clima urbano a partir de modelo físico tridimensional de

entrada, que definem as formas das edificações, o tipo de solo, o tipo de vegetação

existente, as fontes geradoras de calor e as fontes receptoras. O programa considera as

interações que ocorrem entre a superfície, a vegetação e a atmosfera, calculando o balanço

de energia por meio das variáveis: radiação, reflexão, sombreamento dos edifícios e

vegetação. Os dados de saída são tridimensionais, podendo ser definido em termos de

temperatura do ar, umidade do ar, temperatura das superfícies, temperatura radiante média

e velocidade dos ventos (ENVI-met, 2011).

Este programa foi escolhido, por não apresentar custos, além de suas modelagens

horizontais dos edifícios permitirem a locação da vegetação e considerar a fisiologia das

árvores nos cálculos de balanço de energia, na temperatura e umidade do ar. Apresenta

interface simples permitindo a organização dos dados de entrada de forma eficiente, sem

exigir de conhecimentos muito profundos em simulações computacionais. A quantidade de

dados de entrada é pequena, pois possui muitos dados pré-programados, que se necessários

podem ser alterados, e apresenta mais de cinquenta opções de dados de saída.

As configurações de ambos os modelos foram iguais, bem como as configurações de inicio

da simulação, tempo, velocidade do vento a 10m, direção do vento, temperatura inicial,

umidade específica do ar a 2.500m, umidade relativa do ar a 2m, umidade relativa do solo,

temperatura superficial no solo, temperatura interna das edificações.

Os resultados da simulação computacional com o programa ENVI-met foram comparados

com os dados medidos por meio de análises por regressão linear correlacionando as

temperaturas e umidades do ar.

3 ANÁLISE DOS RESULTADOS

3.1 Índices arboreos e de área foliar

Na análise dos índices espaciais, a escola com 93 unidades arbóreas catalogadas

apresentou área de projeção a de 4382m2, o que resultou em índice de sombreamento

arbóreo (ISA) de aproximadamente 39%. Dessa maneira, constata-se que o índice

registrado se encontra acima de 30%, padrão recomendado para áreas onde predominam as

atividades comerciais, e abaixo de 50%, padrão para áreas de uso predominantemente

residencial. A grande concentração de árvores se localizou na periferia da escola,

principalmente no lado esquerdo da entrada, próximas às salas de aula. Em relação ao

Índice de Densidade Arbórea, a escola registrou IDA de 0,80 árvores para cada 100m²,

valor considerado satisfatório, mas abaixo da recomendação mínima de um indivíduo

arbóreo para cada 100m². As árvores presentes na escola apresentaram índice de área foliar

médio igual a 6,09 m2 m

-2, considerado elevado (Chen, 2006).

Os dados obtidos nesta parte do trabalho subsdiaram o posicionamento da vegetação e a

avaliação do DAF das unidades arbóreas presentes dentro da escola pesquisada.

3.2 Dados registrados na estação meteorológica móvel

Nos dados coletados no dia 16 de agosto de 2011 na escola foram registradas temperatura

mínima de 21,2°C e máxima de 40,1°C, as 4 e 14h respectivamente. Nesse dia, foi

observada temperatura média de 31,02°C e amplitude de 18,9°C. Com relação à umidade,

foram registrados valor mínimo de 16,3% e máximo de 57,6%, as 14 e 4h,

respectivamente. O valor médio encontrado foi de 31,5% e a amplitude da umidade

relativa foi de 41,3% (Figura 3). Os valores mínimos e máximos da umidade relativa se

mostraram inversamente proporcionais aos da temperatura do ar.

Fig. 3 Umidade relativa do ar e temperatura do ar (16/08/2011)

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C)

Hora

Temperatura do Ar (°C) Umidade Relativa (%)

Na análise de regressão das temperaturas medidas e simuladas foi possível encontrar um

coeficiente de correlação satisfatório entre as 11h e 24h, no valor de 97,5%. Para a

umidade relativa, o coeficiente de correlação satisfatório foi de 98,9%, entre 15 e 24h.

Na simulação, a temperatura mínima obtida foi de 23,7°C, a máxima de 34,6°C, a

amplitude de 10,9°C e a média de 28,6°C. As diferenças entre as temperaturas medidas e

simuladas mínima, máxima, amplitude e média foram de 2,5, -5,5, -8,0 e 2,4ºC,

respectivamente. A umidade relativa do ar mínima foi de 21,9%, a máxima de 43,2%, a

amplitude de 21,2% e a média de 32,4%. As diferenças entre as umidades relativas

mínima, máxima, amplitude e média foram de 5,7, 14,4, 20,0 e 0,9%, respectivamente

(Tabela 1).

Tabela 1 Valores medidos e simulados de temperatura e umidade relativa do ar

mínima, máxima, amplitude e média

Valores medidos Valores simulados Diferença

T (°C) U (%) T (°C) U (%) T (°C) U (%)

Mínima 21,2 16,3 23,7 21,9 2,50 5,7

Máxima 40,1 57,6 34,6 43,2 -5,5 -14,4

Amplitude 18,9 41,3 10,9 21,2 -8,0 -20,0

Média 31,0 31,5 28,6 32,4 -2,4 0,9

3.3 Resultados da simulação computacional com e sem vegetação

Observou-se que a temperatura do ar no cenário com vegetação apresentou valores

menores que os do modelo sem vegetação, mostrando a influência da mesma para

amenizar a temperatura do ar. Os valores de temperatura do ar mínimos, máximos,

amplitude e médios da simulação sem vegetação foram 23,9°C, 38,9°C, 14,9°C e 30,1°C,

respectivamente. A diferença entre os valores dos cenários com e sem vegetação foi de

0,4°C nas temperaturas mínimas, 4,2°C nas máximas, 3,9°C na amplitude e 1,6°C nas

médias (Tabela 2).

A vegetação se mostrou responsável por aumentar a umidade do ar e reduzir a amplitude

encontrada durante o período de simulação. Os valores da umidade relativa do ar

encontrados foram de 33,8% para a umidade mínima, 54,4% para a umidade máxima,

20,6% na amplitude e 44,7% no valor médio. A diferença entre os valores dos cenários

com e sem vegetação foi de 4,6% nas mínimas, -0,4% nas máximas, 4,2% na amplitude e -

2,2% nas médias (Tabela 2).

Tabela 2 Tabela de comparação entre os modelos com e sem vegetação

Cenário com vegetação Cenário sem vegetação Diferenças

T (°C) U (%) T (°C) U (%) T (°C) U (%)

Mínima 23,6 38,4 23,9 33,8 0,4 -4,6

Máxima 34,6 54,8 38,9 54,4 4,2 -0,4

Amplitude 11,1 16,5 14,9 20,6 3,9 4,2

Média 28,5 46,9 30,1 44,7 1,6 -2,2

Para visualizar os locais nos quais a vegetação causou maior influencia na temperatura e

umidade relativa, foram comparadas imagens térmicas do ar, das simulações as 9 e 15h,

horários de intervalo para recreação.

No período matutino, às 9h, a temperatura do ar da simulação com a vegetação foi de

aproximadamente 26,3°C em um ponto próximo das árvores (P1, Figura 4) e de 27,5°C no

pátio central. No cenário sem vegetação, as temperaturas nos mesmos pontos foram de

27,1°C (P1) e de 27,7°C respectivamente. Pelas imagens térmicas pode-se notar que a

vegetação foi responsável por amenizar a temperatura em toda área da escola, mas

principalmente no pátio central (Figuras 4 e 5).

a) b)

Fig. 4 Imagem em planta gerada pelo ENVI-met para temperatura do ar a 2,50m de

altura, às 9h do dia 16/08/2011 nos cenários com vegetação (a) e sem vegetação (b)

Fig. 5 Imagem em corte gerada pelo ENVI-met para temperatura do ar às 9h do dia

16/08/2011 nos cenários com vegetação (a) e sem vegetação (b)

No período da tarde, às 15h, a temperatura no ponto P1 foi de 32,7°C e, no pátio, foi de

34,5°C para o cenário com vegetação.Para o cenário sem vegetação, os valores foram de

36,7°C no ponto P1 e de 37,4°C, no pátio central, demostrando que a temperatura do ar se

reduziu com a presença da vegetação (Figuras 6 e 7).

a) b)

Fig. 6 Imagem em planta gerada pelo ENVI-met da temperatura do ar a 2,50m de

altura às 15h do dia 16/08/2011 nos cenários com vegetação (a) e sem vegetação (b)

Fig. 7 Imagem em corte gerada pelo ENVI-met da temperatura do ar às 15h

Para a umidade às 9h, o programa não indicou grandes diferenças entre os cenários. Isso

ocorreu porque a umidade no solo era alta (40%), mantendo o ar bastante úmido

independente da presença ou não da vegetação (Figuras 8 e 9). Já o resultado encontrado

para as 15h foi diferente, pois nele a temperatura era maior, o que causou tendência de

queda da umidade. Porém, no cenário onde existia vegetação essa queda de umidade

ocorreu de forma mais atenuada, mantendo o entorno da escola mais úmido se comparado

com o resultado sem vegetação (Figuras 10 e 11).

a) b)

Fig. 8 Imagem em planta gerada pelo ENVI-met da umidade relativa do ar a 2,50m

de altura às 9h do dia 16/08/2011 nos cenários com vegetação (a) e sem vegetação (b)

Fig. 9 Imagem em corte gerada pelo ENVI-met da umidade relativa do ar às 9h

a) b)

Fig. 10 Imagem em planta gerada pelo ENVI-met da umidade relativa do ar a 2,50m

de altura às 15h do dia 16/08/2011 nos cenários com vegetação (a) e sem vegetação (b).

Fig. 11 Imagem em corte gerada pelo ENVI-met da umidade relativa do ar às 15h

4 CONCLUSÃO

Os indices arbóreos (ISA e IDA) e de área foliar (IAF) indicaram que a escola apresentou

valores satisfatórios quando comparados com as referências apresentadas pelos autores

citados. O elevado IAF observado se deve principalmente a espécie predominante no

terreno da escola – Mangueira, o que explicou a amenização nos picos de temperatura

durante o dia e o aumento da umidade relativa do ar nas suas proximidades, devido aos

efeitos de sombreamento e evapotranspiração. Esse comportamento foi observado na

comparação dos cenários com e sem vegetação que indicaram temperaturas mais amenas

nas áreas verdes de até 1,6ºC e umidades relativas de até 2,2% maiores.

Esse resultado indica que o uso das árvores é uma estratégia passiva para minimização dos

efeitos das altas temperaturas em escolas, pois evita o aquecimento de materiais como

concreto e a liberação do calor acumulado durante a noite.

Sobre o programa ENVI-met, os resultados indicaram a necessidade de se adicionar ao

tempo das simulações, um período mínimo de 6 horas, para minimizar a influencia dos

parâmetros de warm up. Para que a influência da vegetação seja melhor percebida, é

recomendado utilizar umidade relativa do solo maior que 40% nas simulações para que o

programa considere a transpiração das plantas.

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