05-024 refletividade, radiação solar e temperatura em

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CONINFRA 2011 – 5º CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE
TRANSPORTES (CONINFRA 2011 - 5º TRANSPORTATION
INFRASTRUCTURE CONFERENCE)
August 10th to 12th 2011
São Paulo – Brasil
REFLETIVIDADE, RADIAÇÃO SOLAR E TEMPERATURA EM
DIFERENTES TIPOS DE REVESTIMENTOS DAS VIAS URBANAS NO
MUNICÍPIO DE MANAUS (AM) (REFLECTIVITY, SOLAR RADIATION AND
TEMPERATURE IN DIFFERENT TYPES OF COATINGS OF URBAN ROADS
IN THE CITY OF MANAUS (AM))
HELENA MARINHO PICANÇO, Mestranda – Universidade Federal do Amazonas – UFAM;
Grupo de Geotecnia; Av. Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado; 69077-000; Manaus;
Amazonas; Brasil; Tel. / Fax: +55 92 3305-4649/4521; e-mail: [email protected]
ELIZABETH FERREIRA CARTAXO, Coordenadora do Núcleo Interdisciplinar de Energia,
Meio Ambiente e Água (NIEMA) - Universidade Federal do Amazonas – UFAM; NIEMA; Av.
Gal. Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 3000, Coroado; 69077-000; Manaus; Amazonas; Brasil; Tel. /
Fax: +55 92 3305-4639/4669; e-mail: [email protected]
CONSUELO ALVES DA FROTA, Coordenadora do Grupo de Geotecnia (GEOTEC/UFAM) Universidade Federal do Amazonas – UFAM; Grupo de Geotecnia; Av. Gal. Rodrigo Octávio
Jordão Ramos, 3000, Coroado; 69077-000; Manaus; Amazonas; Brasil; Tel. / Fax: +55 92 33054649/4521; e-mail: [email protected].
PAULO HENRIQUE DE SOUSA PEREIRA, Engenheiro Civil – Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia do Amazonas – IFAM; Av. 7 de setembro, 1975 – Centro; 69020-120;
Manaus; Amazonas; Brasil;Telefone: +55 92 3621-6700; [email protected]
RESUMO
O município de Manaus, capital do Estado do Amazonas, encontra-se bem próximo à linha do
Equador, o que gera grande incidência de radiações solares durante a maior parte do ano. Estas
quando entram em contato com o solo se dividem podendo ser refletidas, transmitidas ou
absorvidas. O revestimento asfáltico, devido a sua coloração escura, absorve a maior parte da
radiação que lhe incide, o que aumenta sua temperatura, visto que a energia absorvida se transforma
em calor no interior do pavimento. O ar, por sua vez, é aquecido sob a influência do pavimento,
possivelmente aumentando a temperatura ambiente. O objetivo do presente estudo é, pois, avaliar o
quanto a refletividade (ou a absorção) da radiação solar influencia a temperatura dos diversos tipos
de revestimentos presentes na referida municipalidade e as possíveis alterações causadas na
temperatura ambiente. As medições realizaram-se com o auxílio de um termômetro infravermelho
(destinado a medir a temperatura do pavimento), um power meter (voltado a aferir a radiação solar
incidente/refletida no pavimento) e um termômetro de mercúrio (visando a averiguar a temperatura
atmosférica). A partir dos resultados obtidos observou-se que o maior pico de temperatura
superficial (59,7°C) ocorre no pavimento menor albedo, no caso o revestimento de Areia-Asfalto e
o menor pico de temperatura superficial (51,4°C) ocorre no pavimento de maior
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albedo/refletividade, sendo este o pavimento rígido. Na média diária de temperatura ambiente a
maior encontrada foi acima do revestimento de areia asfalto e a menor acima do pavimento rígido.
PALAVRAS-CHAVE: pavimento; temperatura; radiação solar; temperatura do ar, Manaus.
ABSTRACT
The city of Manaus, capital of Amazonas state, is very close to the equator, which causes a high
incidence of solar radiation during most of the year. When they come in contact with the ground
divide can be reflected, transmitted or absorbed. The asphalt coating, due to its dark color, absorbs
most of the radiation that shines on it, which increases its temperature, since the absorbed energy is
transformed into heat inside the floor. The air in turn, is heated under the influence of the
pavement, possibly increasing the temperature. The aim of this study is therefore to evaluate how
the reflectivity (or absorption) of solar radiation influences the temperature of the various types of
coatings present in that municipality and the possible alterations caused at room temperature. The
measurements were carried out with the aid of an infrared thermometer (for measuring the
temperature of the pavement), a power meter (Face to measure the solar radiation incident /
reflected in the pavement) and a mercury thermometer (aiming to determine the atmospheric
temperature ). The results obtained showed that the highest peak of surface temperature (59.7 ° C)
occurs in less albedo pavement, where the coating of Sand-Asphalt and lower peak surface
temperature (51.4 ° C) occurs the pavement of higher albedo / reflectivity, which is the rigid
pavement. In the mean daily temperature was the biggest found above the asphalt coating of sand
and smaller above the floor hard.
KEYWORDS: pavement, temperature, solar radiation, air temperature, Manaus.
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INTRODUÇÃO
Em torno de 19% da radiação solar recebida pela atmosfera do planeta é absorvida pelas nuvens e
por outros gases, 31% são refletidos de volta para o espaço pelas nuvens e pela atmosfera, e os 50%
restantes da energia solar incidente chegam à superfície da Terra e são quase na sua totalidade
completamente absorvidos (HINRICHS, 2003).
Além das condições atmosféricas (nebulosidade, umidade relativa do ar, etc.), a disponibilidade de
radiação solar, também denominada energia total incidente sobre a superfície terrestre, depende da
latitude local e da posição no tempo (dia do ano e hora do dia). O estado do Amazonas, localizado
na região Norte do Brasil, encontra-se próximo à linha do Equador, de forma que não se observam
grandes variações na duração solar do dia ou na quantidade de radiação incidente. Entretanto, a
região Norte recebe maior incidência de radiação solar no inverno (junho a novembro), em
decorrência das características climáticas da região amazônica que apresenta fração de cobertura de
nuvens e precipitação elevadas durante o verão devido à forte influência da Zona de Convergência
Intertropical (ZCIT) (PEREIRA et al, 2006).
Os raios solares quando entram em contato com o solo podem ser absorvidos, refletidos ou
transmitidos em forma de calor. A quantidade de radiação absorvida/refletida por um material
depende da sua coloração, visto que materiais de cores claras possuem maior capacidade de refletir
a radiação respeitantes aos materiais de cores escuras. A razão entre a quantidade de energia
radiante refletida e o total incidente, para um dado comprimento de onda, é chamado de albedo ou
refletividade. Quanto menor o valor deste parâmetro maior a absorção de radiação solar. Estudos
revelam que o albedo de pavimentos asfálticos novos é cerca de 0,04 a 0,05, enquanto pavimentos
com mais de cinco anos de idade indicam um valor médio em torno de 0,12 ± 0,03, em decorrência,
dentre outros fatores, da oxidação do ligante asfáltico, deixando aparente os agregados que possuem
coloração clara (POMERANTZ et al, 2000).
Os pavimentos podem ser classificados em três tipos: a) pavimento flexível, no qual a absorção de
esforços dá-se de forma dividida entre várias camadas, encontrando-se as tensões verticais em
camadas inferiores, concentradas em região próxima da área de aplicação da carga (BALBO, 2007);
b) pavimento rígido, no qual uma camada, absorvendo grande parcela de esforços horizontais
solicitantes, acaba por gerar pressões verticais bastante aliviadas e bem distribuídas sobre as
camadas inferiores (BALBO, 2007); e c) pavimento semi-rígido que de acordo com o Departamento
Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT) define-se como um “pavimento que tem uma
deformabilidade maior que o rígido e menor que o flexível, sendo constituído de uma base
semiflexível (solo-cal, solo-cimento), e de uma camada superficial flexível (concreto asfáltico,
tratamento superficial betuminoso)”.
Particularmente no caso dos revestimentos asfálticos, podem ser encontrados diferentes tipos:
concreto asfáltico (CA), areia asfalto usinada a quente (AAUQ), mistura asfáltica drenante ou
camada porosa de atrito (CPA), matriz pétrea asfáltica (SMA), pré-misturados a frio (PMF), lama
asfáltica, microrevestimento, mistura asfáltica reciclada e tratamento superficial.
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O subsolo da cidade de Manaus, devido a suas características geológicas, apresenta carência de
material pétreo superficial, sendo encontrado somente a grandes distâncias da capital e a um custo
elevado. Como solução regional, os construtores utilizam o seixo rolado, encontrado no leito dos
rios, em substituição à pedra britada, na fabricação do concreto asfalto. Esta é uma solução
inadequada, pois não se configura como um agregado de resistência satisfatória, além de causar
danos ambientais em seu processo de retirada. Na ausência do citado material, a solução mais
adotada, em termos de revestimento, tem sido empregada a areia asfalto usinada a quente (AAUQ),
se apresentando inicialmente mais econômico e menos danoso ao meio ambiente, em comparação
ao concreto asfalto com material aluvionar, entretanto não se mostra satisfatória em termos de
comportamento mecânico, notadamente quando submetido a um tráfego pesado e altas
temperaturas.
A substituição da vegetação natural pelos revestimentos de concreto de cimento portland ou
misturas asfálticas, visando a implantação de estradas e vias públicas é a maior causadora do efeito
denominado ilha de calor urbano (U.S. Environmental Protection Agency - EPA), especialmente as
superfícies dos revestimentos asfálticos que possuem uma grande capacidade de absorver a radiação
solar devido a sua coloração escura. Estudos mostram que um aumento no albedo de 0,1 produz
uma mudança na temperatura da superfície do pavimento de aproximadamente -4 ± 1°C,
concernente a uma insolação cerca de 1000 W/m², quando há pouco vento (POMERANTZ et al,
2000).
CHEN et al (2008) mostraram em seu trabalho que é possível reduzir o aquecimento de pavimentos
fazendo passar pelo seu interior um fluido para extrair o calor, o qual poderá ser usado para outros
fins. MALLICK et al (2008) apresentaram um estudo laboratorial propondo o uso do calor retirado
do pavimento para aquecimento de água ou geração de eletricidade.
YILMAZ et al (2008) realizaram medições da temperatura do ar em diferentes tipos de uso do solo
e observaram que a diferença média de temperatura 2 m acima da superfície com cobertura vegetal
é de 7,54°C, em comparação com a temperatura acima do concreto asfáltico.
O presente trabalho tem como objetivo analisar de forma preliminar a influência da radiação solar
refletida na temperatura de pavimentos em diferentes revestimentos e seu reflexo na temperatura
ambiente da zona central da cidade de Manaus – AM.
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METODOLOGIA
Características da Área de Estudo
O município de Manaus, capital do estado do Amazonas, localiza-se nas coordenadas a 03°07’S e
59°57’W e próximo à linha do Equador, o que lhe propicia uma posição privilegiada em relação à
incidência de radiação solar. O clima é equatorial úmido, com temperatura média anual de 27ºC e a
umidade relativa do ar média anual em torno de 80%. A região possui duas estações distintas: a
chuvosa (cheia dos rios), de dezembro a maio, período em que a temperatura mostra-se mais amena,
com chuvas freqüentes; e a estação menos chuvosa (estiagem), de junho a novembro, época de sol
intenso e temperatura elevada.
A região amazônica possui carência de material pétreo, ocorrendo afloramento de rochas somente a
grande distância dos principais centros urbanos. Além disso, o material local apresenta, em sua
maioria, granulometria com predominância das frações fina, não satisfazendo as exigências técnicas
para fins rodoviários. A fim de solucionar a falta de material disponível na região optou-se pelo uso
de materiais alternativos, em geral, o seixo rolado extraído do leito dos rios como material utilizado
nas diversas camadas dos pavimentos.
Materiais e Métodos
Foram realizadas medições em dias ensolarados e com poucas nuvens compreendidas nos meses de
junho e julho, início da época de estiagem, onde se apresentam as maiores temperaturas. Os locais
de medição foram escolhidos em uma mesma região ― zona Centro-Sul na cidade de Manaus
(Figura 1), e em locais próximos (Figura 2) com a finalidade de minimizar as influências externas
entre os diferentes tipos de superfícies.
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Figura 1. Divisão das Zonas da cidade de Manaus-AM.
Fonte: ARSAM – Agência Reguladora dos Serviços Públicos Concedidos do Estado do Amazonas.
Legenda
Figura 2. Localização dos pontos de medição em relação ao tipo de revestimento.
Fonte: Google Earth.
Realizaram-se as medições em solo com cobertura vegetal ― área verde de um estacionamento e
nos seguintes tipos de pavimento: a) Areia asfalto (AAAUQ), em um estacionamento aberto
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construído recentemente, portanto, um pavimento asfáltico novo; Concreto Asfáltico (CA) com
seixo como agregado graúdo localizado em uma avenida da cidade; e Concreto de Cimento Portland
(pavimento rígido), situado em um condomínio residencial, particularmente escolhido em uma área
com menor concentração de árvores e edificações, diminuindo, assim, as interferências na
incidência solar.
Determinou-se a temperatura por meio de um termômetro infravermelho Raytek (Figura 3), pela sua
precisão e rapidez em relação aos termômetros de contato com a superfície, que são mais lentos
para chegar ao equilíbrio. Para medir a radiação solar empregou-se um medidor óptico portátil
(Power Meter), que trabalhava virado para baixo medindo a radiação solar refletida por uma
superfície e com a superfície para cima determinava a radiação incidente. Buscando avaliar os
efeitos do aquecimento das superfícies no ambiente, igualmente, se mediu esta temperatura em cada
local e a 1,5 m acima da superfície do pavimento, com o auxílio de um termômetro de mercúrio,
mantendo este protegido da incidência direta da luz solar.
(b)
(a)
(c)
Figura 3. Equipamentos utilizados: (a) Termômetro infravermelho Raytek; (b) Medidor Óptico
Portátil (Power Meter); (c) termômetro de mercúrio.
Como a finalidade do trabalho visava analisar a variação de temperatura em relação à absorção de
radiação solar, procurou-se realizar as medições em dias ensolarados, com poucas nuvens e com
baixa interferência dos ventos. Durante o dia o intervalo entre as medições foi de 1 hora, e estas
aconteceram no intervalo de 6h30min às 17h30min, período em que há maior incidência de
radiação solar. De posse dessas medições em campo calculou-se uma média dos resultados obtidos,
os quais serão apresentados no tópico seguinte.
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RESULTADOS E DISCUSSÕES
Analisam-se a seguir os valores médios das temperaturas obtidas em campo e referentes à
superfície, o ambiente e a radiação solar.
Temperatura na Superfície
A partir da Tabela 1 podem-se observar diferenças entre as temperaturas das superfícies atinentes
aos distintos pavimentos. Enquanto o Concreto Asfalto (CA) e o Pavimento Rígido (PR)
apresentam temperaturas médias bem próximas entre si (42,56°C e 42,24°C, respectivamente), o
pavimento revestido de Areia-Asfalto (AA) despontou como a temperatura média mais elevada de
47,46°C e a cobertura vegetal (GR) indicando a menor temperatura média de superfície igual a
35,33°C.
Tabela 1 – Temperaturas nas superfícies dos pavimentos
CA – Concreto Asfalto; AA – Areia-Asfalto; PR – Pavimento Rígido; GR - Grama
A maior diferença de temperatura média observou-se entre o revestimento Areia-Asfalto e a
cobertura vegetal, em torno de 12,13°C. Confrontando os pavimentos pesquisados, aquele que
apresentou menor temperatura média de superfície refere-se ao Pavimento Rígido. No caso da
máxima temperatura encontrada igual a 59,70°C, esta foi registrada pelo revestimento Areia-Asfalto
às 13h30min, particularmente neste horário nota-se a maior diferença de temperatura igual a
18,20°C entre Areia-Asfalto e a Grama.
Temperatura no Ambiente.
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A temperatura referente à camada a 1,5m acima da superfície é a que mais afeta a atividade humana
em comparação a outras camadas da atmosfera, por isso a sua análise é de grande importância.
Observando-se os dados constantes na Tabela 2 tem-se que há pouca variação entre as médias da
temperatura ambiente, sendo a temperatura média máxima de 34,08°C para o pavimento revestido
com Areia-Asfalto e a mínima de 32,80°C respectivo à cobertura vegetal.
Tabela 2 – Temperatura 1m acima da superfície dos pavimentos
Comparando-se os revestimentos tem-se: a) para os asfálticos a maior diferença de temperatura
ambiente indicou o valor de 0,90°C ocorrida às 9h30min, sendo o Concreto Asfalto mais quente
confrontando-se com a Areia-Asfalto; b) que a maior diferença de temperatura aconteceu entre o
Pavimento Rígido e o revestimento Areia-Asfalto, com valor igual a 1,90°C às 11h30min; e c) a
maior diferença de temperatura ambiente mostrou-se entre a Areia-Ssfalto e a cobertura vegetal,
com um resultado igual a 3,20°C e às 11h30min.
Medições de Pomerantz et al (2000) demonstraram que o pico de temperatura da superfície dos
pavimentos ocorre de uma a duas horas após o meio-dia solar e, em seguida, cai gradualmente, o
que é condizente com o presente trabalho, onde a temperatura superficial máxima dos três tipos de
pavimento observou-se às 13h30min.
A teoria de Solaimanian e Kennedy (1993) prevê que a temperatura máxima do pavimento em
baixas latitudes excede as temperaturas máximas do ar em, cerca de 25°C. No estudo em pauta esta
teoria pode ser confirmada para o revestimento com Areia-Asfalto, onde sua temperatura máxima
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na superfície foi de 59,7°C e a temperatura máxima ambiente apresentou valor de 37,5 °C,
resultando em uma diferença de 22,2°C.
Refletividade/Albedo
O albedo de uma superfície pode ser encontrado a partir da razão entre a quantidade de energia
refletida e o total incidente, dessa forma são apresentados na Tabela 3 os valores de refletividade
dos diferentes tipos de pavimento pesquisados. Baseado em tais resultados, tem-se: a) os
revestimentos asfálticos mostraram os menores valores de refletividade com uma média de 0,03
para o revestimento de Concreto Asfalto e 0,02 para o revestimento de Areia-Asfalto; e b) o
Pavimento Rígido mostrou um albedo elevado de 0,06, porém foi a cobertura vegetal que indicou o
maior albedo entre as superfícies estudadas ― igual a 0,07.
Tabela 3 – Valores de Refletividade/Albedo
Analisando a Tabela 3 nota-se um ligeiro aumento da refletividade ocorrendo no início e no fim do
intervalo das medições. Isso, provavelmente, deve-se ao fato de que nestes horários a altura solar é
mais baixa, ou seja, o sol encontra-se mais próximo à linha do horizonte causando um maior
espalhamento dos raios solares e, em conseqüência, um maior valor de refletividade.
Em seu estudo Pomerantz et al (2000) apresentaram valores de pico da temperatura de superfície de
56°C para um pavimento de albedo baixo e 47°C para um pavimento de albedo elevado. Neste
trabalho observou-se que o pico de temperatura para o pavimento de albedo baixo, no caso o
revestimento de Areia-Asfalto, foi de 59,7°C e para o pavimento de maior albedo, o Pavimento
Rígido, valor igual a 51,4°C. Respeitante as superfícies estudadas, obteve-se: a) o menor pico de
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temperatura igual a 42,4°C pela cobertura vegetal, a qual também apresentou o albedo mais
elevado, com média de 0,07; b) o maior pico de temperatura ambiente pelo revestimento AreiaAsfalto (37,5°C), seguido pelo Pavimento Rígido (37,4°C) e o Concreto Asfalto (37,1°C). Relativo
a temperatura ambiente o menor pico, com valor igual a 36,4°C, resultou da área com a cobertura
vegetal.
CONCLUSÕES
Pelo exposto, conclui-se:
Valor da radiação solar incidente, com média de 4,52 kWh/m², mostrou-se compatível com valores
constante no Atlas Brasileiro de Energia Solar (PEREIRA, 2006) e com a faixa de 4,50 a 5,00
kWh/m² relatada na literatura para o mês de junho (COLLE et al, 1998). Já os valores de albedo das
superfícies apresentaram-se menores do que o valor de referência encontrado na literatura de 0,04,
como o revestimento Areia-asfalto que indicou albedo de 0,02. No geral, o albedo dos pavimentos
asfálticos resultou em valores menores relativos ao albedo das outras superfícies, o que era esperado
devido a sua coloração bastante escura.
A temperatura ambiente em todas os revestimentos (pico por volta de 14h30min), acompanhou o
pico da temperatura superficial (em torno de 13h30min). Ressalta-se que a média da temperatura
ambiente foi maior nas superfícies de menor albedo e menor naquelas com resultados superiores.
O Pavimento Rígido, apesar de possuir a coloração mais clara comparado aos revestimentos
asfálticos, mostrou um pico de temperatura ambiente superior ao Concreto Asfalto, podendo ter
como causa as interferências externas, pois, embora tenha se escolhido lugares próximos entre si, o
ambiente em que se localiza o citado revestimento possui baixa incidência de ventos, ao contrário
do revestimento CA que se encontra em uma avenida movimentada e em local aberto.
Portanto, a partir dos resultados do presente estudo pode-se concluir que a temperatura do ar sofre
influência da absorção/refletividade oriunda da radiação solar da superfície, o que pode ser
verificado na temperatura média das superfícies com coloração escura (asfalto), que se apresentou
maior durante todo o dia e com picos mais elevados em relação as mais claras, entretanto, será
necessária uma análise mais aprofundada da questão, a fim de avaliar se há interferências externas e
sua influência nesta interação entre superfície e ambiente.
Finalmente, como recomendações para trabalhos futuros, sugere-se a realização de um maior
número de medições, de preferência ao longo de um ano inteiro, conjuntamente com a análise de
outras variáveis como clima, vento, umidade, etc.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao Laboratório de Física Ótica da Universidade Federal do Amazonas por ceder o
equipamento necessário à realização do estudo. Pelos auxílios financeiros, à Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARSAM - Agência Reguladora dos Serviços Públicos Concedidos do Estado do Amazonas,
www.arsam.am.gov.br, acessado em 04/10/2010.
BALBO, José Tadeu. Pavimentação asfáltica: materiais, projetos e restauração / José Tadeu
Balbo. – São Paulo : Oficina de Textos, 2007.
COLLE, S. e PEREIRA, E. B.; Atlas de Irradiação Solar do Brasil (Primeira Versão para
Irradiação Global Derivada de Satélite e Validada na Superfície) Instituto Nacional de Meteorologia
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CHEN, B.; BHOWMICK, S. and MALLICK, R. B., “A Laboratory Study on Reduction of the
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2008.
HINRICHS, R. A., Energia e meio ambiente / Roger A. Hinrichs, Merlin Kleinbach; trad. Flávio
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MALLICK, R. B.; CHEN, B.; BHOWMICK, S., HULEN, M.; Capturing Solar Energy from
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PEREIRA, E.; MARTINS, F.; ABREU, S.; RÜTHER R., Atlas Brasileiro de Energia Solar.
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POMERANTZ, M.; PON B.; AKBARI, H.; and CHANG, S.C.; The Effect of Pavements
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