EVOLUÇÃO DAS ILHAS DE CALOR URBANA EM TERESINA, PIAUÍ (1985-2015)

Francisco Rannyell de Abreu Nunes¹

Profa. Dra. Giovana Mira de Espindola²

Francisco Cleiton Lopes³

¹Engenheiro Cartógrafo e Agrimensor do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Piauí (UFPI); the_rannyel@hotmail.com.

²Professora do Curso de Engenharia Cartográfica e Agrimensura do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Piauí (UFPI); giovanamira@ufpi.edu.br.

³Especialista em Geoprocessamento do Instituto Federal do Piauí (IFPI); f-cleiton@hotmail.com.

RESUMO

A cidade de Teresina, capital do estado do Piauí, encontra-se localizada na mesorregião Centro-Norte Piauiense, sendo destaque e referência como polo regional de saúde e educação. Ao longo das décadas, a expansão da cidade foi influenciada pelo intenso fluxo migratório proveniente da zona rural, e também pela intensificação das políticas habitacionais, e da modernização de seu sistema viário. Neste contexto, este artigo tem por objetivo demonstrar o agravamento da incidência das ilhas de calor urbana em Teresina, em função da sua expansão urbana, entre os anos de 1985 a 2015. Os dados do crescimento físico da área urbana da cidade são apresentados a partir do sensoriamento remoto, com o uso de imagens dos satélites Landsat-5 e Landsat-8. No comparativo entre os anos analisados, os resultados confirmam a elevação da temperatura aparente de superfície na cidade como um todo, em especial nas zonas Centro-Norte e Leste da cidade. Tais resultados permitem reforçar a necessidade de se desenvolver políticas de Educação Ambiental voltadas à manutenção da população arbórea em Teresina.

Palavras-chave: Clima urbano; Geoprocessamento; Imagens termais; Landsat.

ABSTRACT

The city of Teresina, capital of the state of Piauí, is located in the Center-North meso-region, being featured as a regional center of reference in health and education. Over the decades, the expansion of the city was influenced by intense migration flow from rural area, and also by the intensification of housing policies, and the modernization of its road system. In this context, this article aims to demonstrate the worsening impact of urban heat islands in Teresina, in function of its urban expansion, between the years of 1985 to 2015. The data of the physical growth of the urban area of the city are presented from remote sensing, using images from the Landsat-5 and Landsat-8 satellites. In the comparison between the analyzed years, the results confirm the increase of the apparent temperature of surface in the city as a whole, especially in the Center-North and East areas of the city. These results allow reinforcing the need to develop Environmental Education policies aimed at the maintenance of the tree population in Teresina.

Keywords: Urban climate; GIScience; Thermal images; Landsat.

INTRODUÇÃO

Pesquisas científicas sobre mudanças climáticas apontam que as emissões antropogênicas de gases de efeito estufa (GEE) são provavelmente as principais causas do aumento da temperatura do planeta desde meados do século XX (STEFFEN et al., 2015), sendo as cidades uma das principais fontes destas emissões. Atualmente, mais da metade da população mundial vive em cidades (UNITED NATIONS, 2014), e em 2050, espera-se que esta porcentagem chegue a 64-69% da população total.

Os impactos caudados pelas alterações no clima já estão sendo sentidos nos diversos centros urbanos, e vêm se agravando nas últimas décadas. Os principais problemas climáticos envolvendo cidades são: aumento da temperatura, aumento no nível do mar, ilhas de calor, inundações, escassez de água e alimentos, acidificação dos oceanos e eventos extremos (SETO et al., 2012).

Muitas cidades brasileiras já apresentam problemas ambientais relacionados aos padrões de desenvolvimento e transformação de áreas geográficas, sobretudo pela falta de planejamento. Dentre estes problemas, destacam-se os impactos resultantes da ocupação desordenada do solo urbano, principal fator responsável pelas alterações nas condições do clima pela perturbação do balanço energético do sistema superfície-atmosfera em escala mesoclimática (RIBEIRO, 1993).

Sabe-se que o clima urbano é resultado das dinâmicas de mudança de cobertura natural do solo, com incremento de áreas edificadas, o que frequentemente causa um aumento de temperatura, tanto superficial quanto do ar, em relação ao ambiente rural circunvizinho, criando o fenômeno térmico conhecido como “ilhas de calor urbana” (VOOGT e OKE, 2003).

O avanço da urbanização gera intensas alterações na cobertura do solo urbano, o que tem suscitado iniciativas de planejamento por parte do Estado e da administração pública, com a finalidade de tratar as dificuldades produzidas pelo surgimento desordenado de aglomerações urbanas. Isso porque as áreas urbanas apresentam características estruturais que tornam complexa a identificação dos seus problemas, pois não apresentam necessariamente continuidade ou homogeneidade espacial.

Neste contexto, uma análise da trajetória da urbanização brasileira permite constatar que o acelerado crescimento urbano com nítida falta de organização espacial tem gerado graves problemas relacionados às ilhas de calor urbana, que ocorrem em locais com excessiva quantidade de construções e baixa concentração de áreas verdes.

Desta forma, o acelerado crescimento urbano do território brasileiro tem provocado um aumento significativo da densidade de áreas construídas nas cidades, seja nas grandes metrópoles ou mesmo nas pequenas e médias cidades. Este fato é também decorrente da crescente demanda por infraestrutura no espaço urbano, que busca acentuar o incremento dos equipamentos urbanos disponíveis para atender as necessidades da população.

Assim, com vistas a fornecer subsídios para melhores iniciativas de planejamento urbano, faz-se necessária a utilização de instrumentos e metodologias que permitam analisar o quanto cada elemento constituinte das diferentes regiões urbanas contribui na geração das ilhas de calor. Neste sentido, o sensoriamento remoto e o geoprocessamento têm se destacado nos estudos de caráter ambiental tanto em escala regional ou urbana (JENSEN, 2007).

A utilização de dados de sensoriamento remoto da região do infravermelho termal permite o estudo da anomalia térmica de ilhas de calor urbana por meio da análise das diferentes características estruturais dos alvos urbanos pela obtenção de informações relativas à temperatura aparente de superfície (Land Surface Temperature – LST) (DASH et al., 2002).

Dados de sensoriamento remoto apresentam vantagens e desvantagens quando comparados aos estudos observacionais que consideram a magnitude das ilhas de calor pela comparação de dados de temperatura do ar obtidos por estações meteorológicas. Das vantagens do uso do sensoriamento remoto associado ao geoprocessamento em estudos de clima urbano, destacam-se as variadas possibilidades de resolução espacial dos dados que permitem visões de diferentes escalas sem a necessidade de coletas em campo.

Como desvantagem, cita-se a baixa resolução temporal quando comparado com coletas de estações meteorológicas, no entanto, ainda neste quesito, o sensoriamento remoto pode apresentar vantagem no estudo de longas séries temporais em locais onde dados meteorológicos não estão disponíveis, exemplificado pelo caso de Teresina, foco deste trabalho.

A cidade de Teresina é uma cidade média do Nordeste brasileiro que tem apresentado elevadas taxas de urbanização nas últimas décadas, com grande incremento de área urbana e densidade de áreas construídas, expandidas em decorrência do contínuo aumento populacional. A partir da década de 1970, a expansão urbana de Teresina foi motivada por importantes investimentos em infraestrutura e habitação, o que resultou na migração maciça de pessoas atraídas por melhores condições de vida na cidade.

No entanto, este processo tem causado problemas urbanos sérios, em especial decorrentes da expansão desordenada que estabeleceu uma reconfiguração espacial da cidade com o espraiamento urbano para as diferentes zonas da capital (Centro-Norte, Leste, Sudeste e Sul). Como consequência, a cidade apresentou modificações em sua paisagem, tais como: diminuição das áreas verdes, aumento da poluição, violência urbana, insuficiência e precariedade dos equipamentos urbanos, ampliação da favelização, além do aumento do tráfego e congestionamentos, dentre outros.

Desta forma, os impactos negativos da urbanização em Teresina são resultados de um processo histórico de ocupação deficiente em planejamento urbano. Assim, o presente artigo parte do uso de séries temporais de imagens Landsat do período de 1985 a 2015. O objetivo principal deste artigo é descrever e mapear as dinâmicas de mudança da cobertura vegetal e o consequente aumento da temperatura aparente de superfície, estabelecendo as relações entre as áreas de maior densidade de áreas construídas e as ilhas de calor urbana da cidade.

MATERIAIS E MÉTODOS

Teresina, capital do estado do Piauí, foi fundada em 16 de agosto de 1852. A cidade foi idealizada por Conselheiro Saraiva, tendo como traçado geométrico a forma de tabuleiro de xadrez com um modelo de ruas horizontais e verticais, tornando-se a primeira capital do Brasil com esta configuração. Teresina situa-se num ponto estratégico, entre os Rios Parnaíba e Poti, a 05°05’ de latitude sul e 42°48’ de longitude oeste, pertencendo a mesorregião Centro-Norte Piauiense (CRUZ et al., 2016; NOGUEIRA et al., 2016; ESPINDOLA et al., 2017).

O município apresenta clima tropical com dois períodos distintos: um quente e úmido, entre os meses de janeiro a julho; e outro quente e seco, entre os meses de agosto a dezembro. A temperatura média é de 29ºC com uma variação de pouco menos de 10ºC entre o dia e a noite. A vegetação da região apresenta exemplares de Caatinga, Mata de Cocais e Cerrado, encontrando-se com frequência palmeiras de babaçuais e carnaubais (BARTHOLOMÉ et al., 2002; BARTHOLOMÉ e BELWARD, 2005).

Nas últimas três décadas, Teresina passou por um intenso crescimento populacional. Em 1980 a população não chegava a 400.000 habitantes e, em 2010 passou a 814.230 habitantes, sendo atualmente polo de processos migratórios da região Nordeste. Foi também a cidade do Nordeste onde a renda per capita mais cresceu entre os anos de 1970 e 2000, com taxa média de crescimento anual de 4,16% ao ano. Assim, a expansão da cidade foi influenciada pelo intenso fluxo migratório proveniente da zona rural como de municípios próximos, e também pela intensificação das políticas habitacionais e da modernização do sistema viário, tendo seus planos urbanísticos privilegiado o estabelecimento de estruturas viárias e zoneamento urbano implementado por meio de instituições públicas (ESPINDOLA et al., 2017).

Segundo dados do IBGE (2015), o território de Teresina compreende uma área total de 1.391,98 Km², população total estimada de 844.245 habitantes em 2015, sendo que, segundo a Secretaria Municipal de Planejamento e Coordenação de Teresina, da área total do município, 17% é considerada urbana e 83% rural. Atualmente a cidade é dividida em regiões administrativas denominadas Superintendências de Desenvolvimento Urbano (SDU), em Centro-Norte, Leste, Sudeste e Sul, e delimitadas segundo o atual perímetro urbano, estabelecido pela Lei N° 3.559, de 20 de outubro de 2006. A cidade de Teresina é ainda conurbada com a cidade maranhense de Timon, sendo o rio Parnaíba o limite físico da divisão destas duas cidades.

Assim, o presente trabalho teve como ponto de partida o levantamento de dados de Temperatura Média do Ar, adquiridos por meio do banco de dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), para a estação meteorológica OMM: 82578, localizada no centro da cidade de Teresina. Em seguida, foram selecionadas imagens ortorretificadas dos satélites Landsat-5 e Landsat-8, obtidas gratuitamente pelo site do U. S. Geological Survey (USGS) (LOVELAND e DWYER, 2012).

O Landsat-5 é considerado um satélite da classe multiespectral e de média resolução espacial, com revisita da mesma área a cada 16 dias, percorrendo uma órbita polar circular e heliossíncrona a uma altitude de 705 km e uma inclinação de 98,2º. O satélite está inativo desde novembro de 2011, no entanto, seu acervo de imagens encontra-se disponível de forma gratuita. O satélite Landsat-5 traz a bordo o sensor TM, que coleta imagens que cobrem no terreno uma área projetada de 185 x 185 km, com resolução radiométrica de 8 bits.

Com características semelhantes, o Landsat-8 entrou em operação em 2013 com vistas a substituir seus antecessores, e passou a disponibilizar imagens gratuitas a partir do segundo semestre deste mesmo ano. Os sensores OLI e TIRS a bordo do satélite Landsat-8 coletam imagens com uma resolução radiométrica de 12 bits e largura de cenas também de 185 km x 185 km (WULDER et al., 2012; MARKHAM et al., 2015).

Os mapas de Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) foram obtidos com base nas bandas espectrais dos sensores TM e OLI, nos comprimentos de onda do vermelho (RED) e do infravermelho próximo (NIR), e computados com base na seguinte fórmula (BARBOSA et al., 2006):

Já os mapas de Temperatura Aparente de Superfície (LST) foram obtidos com base nas bandas termais dos sensores TM e TIRS, e processados por meio da calibração radiométria das imagens. Num primeiro momento, os Níveis de Cinza (DN) das imagens foram convertidos em Radiância Espectral ( ), e posteriormente este foi convertida em Temperatura Aparente de Superfície em Kelvin, conforme formulações a seguir, sendo: o fato multiplicativo de redimensionamento da banda, o valor quantizado calibrado pelo pixel em DN, o fato aditivo de redimensionamento da banda, e e as constantes de calibração (MARKHAM et al., 2015).

A seleção das imagens levou em consideração a disponibilidade das mesmas, com a menor porcentagem de cobertura de nuvens e melhor qualidade radiométrica, e foram então selecionadas as datas de 19/08/1985, 17/08/1990, 15/08/1995, 28/08/2000, 10/08/2005, 16/08/2010, e 26/08/2015, sendo as sete imagens adquiridas correspondes a órbita-ponto 219/64.

Todos os processamentos foram realizados no programa de código aberto Quantum GIS (QGIS, 2016). O núcleo do QGIS é desenvolvido em linguagem C++, podendo ser expandido pela interface Python de programa de aplicação (Application Programming Interface – API) por meio de scripts. Assim, é possível adicionar funcionalidades utilizando scripts Python, que são instruções escritas numa linguagem de programação que é interpretada em tempo de execução, sendo esta a forma escolhida para o processamento e análises dos dados deste artigo.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Num primeiro momento, os resultados encontrados para os valores médios da temperatura aparente de superfície (LST), obtidos pelo processamento das bandas termais dos sensores TM e TIRS foram comparados com os dados de temperatura do ar registrados pela estação meteorológica do centro de Teresina, conforme Tabela 1. Percebe-se uma mesma tendência e similaridade entre essas temperaturas, com correlação de 0,87 entre os anos de 1995 e 2015, apesar de ser esperado que, em média, a temperatura do ar seja menor do que a LST (TAHA, 1997). Ressalta-se ainda a inexistência de dados de temperatura do ar para os anos de 1985 e 1990, tornando desta forma importante a disponibilização dos valores obtidos por sensoriamento remoto.

Tabela 1 – Comparação entre Temperatura Aparente de Superfície obtida pelo processamento das bandas termais dos sensores TM e TIRS, e Temperatura da Estação Meteorológica no período de 1985 a 2015.

Por sua vez, a Figura 1 apresenta em um mapa temático de 2015 a distribuição espacial da temperatura aparente de superfície, que varia consideravelmente na região urbana de Teresina-Timon, com diferenças que podem ser de até 10º C. A análise desta primeira figura é complementada pela análise da Figura 2, que apresenta um perfil de LST e a caracterização evidente de uma ilha de calor urbana com temperaturas menores nas áreas rurais do que nas áreas urbanas. Nesta figura os pontos A e B indicam os rios Parnaíba e Poti, que conforme esperado, apresentam baixos valores de temperatura aparente de superfície.

Ao longo dos anos, o intenso crescimento físico e populacional de Teresina, e a consequente perda de boa parte da cobertura vegetal em ambiente intra-rurbano, tem contribuído para uma nova configuração climática da cidade. A análise conjunta das Figuras 3 e 4 permite constatar a associação direta existente entre a diminuição da cobertura vegetal, neste artigo identificada pela variação do NDVI (Figura 3), e o aumento da LST local (Figura 4), entre os anos de 1985 e 2015.

Isso porque, as diferentes formas de uso do solo na cidade de Teresina corroboram com a definição das variações térmicas características da ilha de calor urbana. As áreas onde foram registradas as menores temperaturas correspondem aos ambientes mais arborizados, uma vez que a cobertura vegetal desempenha papel fundamental na amenização da radiação solar, pois altera o albedo das superfícies e garante uma menor absorção de calor.

Figura 1 – Mapa temático da distribuição espacial da LST em 2015 da região urbana dos municípios de Teresina e Timon, com o gráfico de um perfil de LST desta região.

Figura 2 – Perfil de LST e caracterização da ilha de urbana na região de Teresina-Timon.

Pela Figura 4, pode-se observar um aumento gradativo de temperatura com um aumento da expansão urbana durante o decorrer dos anos de 1985 a 2015, com o aparecimento de ilhas de calor mais intensas em áreas de expansão urbana a partir do ano 2000, assim como uma homogeneização de temperaturas elevadas em 2010 e um aumento de ilhas de calor acima de 35ºC em 2015.

Observa-se ainda que, bairros que possuem maior cobertura vegetal, sobretudo arbórea, apresentaram temperaturas mais baixas se comparadas com outros setores da cidade, fato este que pode ser notado na parte Nordeste e no extremo Sul da cidade de Teresina, onde se localizam bairros que possuem grande quantidade de áreas arborizadas.

Assim, as alterações térmicas verificadas nos mapas da Figura 4 apresentam associação direta com os mapas da Figura 3, que apresentam a redução gradativa da cobertura vegetal em todas as áreas da cidade. As periferias, ainda que apresentem temperaturas menores que o centro, foram ao longo do tempo desflorestadas, principalmente para criação de loteamentos, contribuindo para a exposição do solo e maior absorção do calor.

Figura 3 – Mapas temáticos da dinâmica temporal da variação do NDVI na região urbana de Teresina de 1985 a 2015.

Figura 4 – Mapas temáticos da dinâmica temporal da variação da LST na região urbana de Teresina de 1985 a 2015.

Já o centro da cidade, ainda que já esteja há anos urbanizado quando comparado ao restante da cidade, continuou a ter suas diversas estruturas incrementadas ao adquirir novos padrões que contribuem com o incremento de temperatura, como novas construções, crescimento vertical, asfaltamento, aumento no número de carros e pessoas, e redução da área verde.

Assim, com o intuito de se especificar em maior detalhe a associação entre o NDVI e a LST, foram selecionadas áreas de amostragem para a análise térmica. A escolha pautou-se nas características do uso e cobertura do solo que interferiram mais diretamente no aumento da temperatura, como, por exemplo, áreas com vegetação ausente e áreas onde a vegetação foi substituída por edificações. Por sua vez, também se priorizou áreas com vegetação arbórea, como praças e parques, para comprovar a eficiência da vegetação no quesito resfriamento e manutenção de temperaturas mais baixas no ambiente intra-urbano.

Em todas as zonas da cidade de Teresina foram coletados e analisados pontos amostrais, sendo duas situações extremas apresentadas a seguir. Na região central de Teresina, ou seja, na zona Centro-Norte, as Figuras 5 e 6 apresentam o exemplo da área de instalação de um dos shoppings centers da cidade, região esta que apresentou uma variação térmica de 8ºC para a LST entre os anos de 1985 e 2015, com valores variando entre 25,9º e 27,9ºC no período no qual havia cobertura vegetal, para temperaturas variando em torno de 33,9º e 35,9ºC, depois do desflorestamento da região.

Figura 5 – Imagem do Google Earth de 2000 e de 2015 que apresenta a localização do terreno, na zona Centro-Norte, onde foi construído uns dos shoppings da cidade.

Figura 6 – Comparação temporal da variação de NDVI e LST em áreas centrais de Teresina na zona Centro-Norte.

Em outra região da cidade de Teresina, a zona Leste, pode-se observar a expansão urbana por meio da análise de dois bairros específicos: o bairro Piçarreira, que começa no cruzamento das avenidas João Antônio Leitão e Presidente Kennedy (PI-112), tendo sido resultado de um processo de ocupação iniciado em 1987, que posteriormente foi regularizado pela compra do terreno pela Prefeitura Municipal de Teresina. Outro bairro a ser analisado é o Novo Uruguai, caracterizado por ser uma área de franca expansão da cidade, tendo sido desabitado no passado, e resultante de um processo de ocupação iniciado em 1988 com base no Plano Estrutural de Teresina.

Por meio da Figura 6, pode-se perceber que antes da criação dos bairros Piçarreira e Novo Uruguai, a temperatura dessa região sofria influências das áreas verdes quer eram intercaladas com as áreas urbanas, fazendo com que as temperaturas não ultrapassassem os 33,9 ºC. Com a expansão e urbanização da região urbana da zona Leste de Teresina, novos bairros como Piçarreira e Novo Uruguai foram surgindo em substituição aos fragmentos de áreas verdes das então regiões peri-urbanas da cidade, regiões estas caracterizadas em 2015 por picos de temperatura variando de 33,9 ºC a 35,9 ºC.

Figura 7 – Comparação temporal da variação de NDVI e LST em áreas da zona Leste de Teresina.

Percebe-se assim que a cidade de Teresina atingiu níveis cada vez maiores de complexidade a partir da década de 1980, sendo este o período em que a configuração espacial urbana da cidade começa a ser caracterizada pelo aparecimento do processo de verticalização. Com isso, o crescimento urbano acelerado e desordenado do município na década de 1990 revela uma característica comum do processo de urbanização vigente no território brasileiro, caracterizado a partir das décadas seguintes pela expansão da periferia, incorporando ao espaço urbano grande áreas vazias.

Por fim, nos anos 2000, houve um expressivo aumento populacional na cidade, com grandes investimentos do Governo Federal que contribuíram de forma assertiva para a expansão da cidade, como por exemplo o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), criado em 2007, e o Programa Minha Casa Minha Vida (PMCMV), em 2009. Desse modo, como apresentado nestas discussões, o espaço urbano da cidade cresceu, mas também cresceram os problemas decorrentes de sua franca expansão, e a cidade sem planejamento adequado enfrenta uma série de problemas dos mais diferentes aspectos, entre eles o aumento do fenômeno de ilhas de calor urbana, que poderiam ser minimizados com ações de arborização e de criação de parques e praças públicas.

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

As informações apresentadas pelos resultados demonstram a relevância do sensoriamento remoto no estudo do comportamento do clima urbano e sua dinâmica, em razão dos diferentes microclimas que se formam em distintas partes da cidade, resultantes da intervenção ou não do homem. É importante enfatizar que os dados de LST adquiridos apresentam, em média, valores maiores que a temperatura do ar, em razão do seu registro se dar acima da superfície, o que não contradiz os resultados das elevadas temperaturas registradas entre os anos de 1985 e 2015.

Os resultados apresentados mostram que o perímetro urbano de Teresina adquiriu incrementos de temperatura no período analisado, muito em razão do crescimento populacional e físico da cidade. No comparativo da evolução temporal, o quadro expõe quantitativamente diferentes cenários de padrões de temperatura aparente de superfície encontrados em Teresina em um intervalo de 30 anos.

As áreas centrais de Teresina, destacadas nos mapas como as que mais se aqueceram no período estudado, necessitam de uma maior intervenção governamental e social a fim reduzir os impactos provocados pela substituição das áreas verdes por espaços construídos. Contudo, as elevadas temperaturas não estão mais concentradas apenas no centro da cidade, pois os mapas já mostram alguns focos de elevadas temperaturas, inclusive superiores àquelas encontradas no centro da cidade, nas áreas periféricas.

Frente a esses problemas, necessita-se em um primeiro momento da incorporação de áreas verdes dentro dos projetos urbanísticos de qualquer outro empreendimento que venha a surgir dentro da cidade, tanto na periferia quanto no centro. Essas áreas verdes podem garantir certo equilíbrio térmico para a região, não permitindo com que a temperatura atinja níveis acima do já elevado padrão térmico da cidade.

A relação entre o crescimento da cidade e o aumento da temperatura mostra que administrar o espaço urbano de Teresina, ao longo dos anos, tem se tornado uma tarefa cada dia mais difícil, frente ao seu crescente dinamismo. Por isso o uso do sensoriamento remoto pode ser útil para um melhor planejamento da cidade, com maior agilidade e precisão para solucionar os problemas ambientais decorrentes de sua expansão, contribuindo, inclusive, com a criação de novas diretrizes para o uso do solo urbano e preservação do espaço natural da cidade.

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