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Aluna: Elisa Thomé Sena Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto/2013 IFUSP.

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1 Aluna: Elisa Thomé Sena Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto/2013 IFUSP

2 Investigar os impactos do desflorestamento e emissões de partículas de queimadas na Amazônia sobre o balanço radiativo de ondas curtas da região, em condições livres de nuvens. Objetivo geral 2 / 42

3 - Calcular a forçante radiativa direta de aerossóis em larga escala na região amazônica e sua distribuição espacial e temporal durante a estação de queimadas. - Avaliar o impacto dos aerossóis de queimadas sobre diferentes tipos de superfície (floresta e cerrado). - Calcular a forçante radiativa devida a mudanças de albedo de superfície, causadas pelo desflorestamento em Rondônia. - Quantificar a alteração da quantidade de vapor d'água atmosférico após o desflorestamento e seu impacto no balanço radiativo de ondas curtas da região. Objetivos específicos 3 / 42

4 Aerossol: conjunto de partículas sólidas ou líquidas em suspensão na atmosfera. Aerossol atmosférico Tempo de vida curto: segundos a semanas. Tamanho: nm - m. 4 / 42 Naturais: aerossóis marinhos, biogênicos, fungos, ressuspensão de poeira do solo, etc. Antrópicas: queimadas, emissões veiculares e industriais, etc. Seinfeld, 2006

5 Efeitos climáticos dos aerossóis Efeito direto: Espalhamento e absorção de radiação - Concentração de aerossóis; - Distribuições horizontal e vertical; - Propriedades ópticas dos aerossóis; - Interação dessas partículas com o vapor dágua (higroscopicidade); - Propriedades da superfície. Forster et al., / 42

6 Efeitos indiretos: Aerossóis atuam como CCN, podendo alterar a distribuição de tamanhos e quantidade de gotas da nuvem. Modificando: - a fração de radiação refletida para o espaço (albedo da nuvem); - padrão de precipitação; - desenvolvimento vertical; - tempo de vida das nuvens. Efeitos climáticos dos aerossóis 6 / 42

7 Efeito semi-direto: A absorção da radiação por aerossóis gera aquecimento da atmosfera e das gotas de nuvens, intensificando a evaporação da nuvem. PS: Esta nomenclatura é do IPCC AR4 que será alterada no AR5 com a inclusão dos chamados adjustments, incorporando alguns feedbacks na forçante indireta. Efeitos climáticos dos aerossóis 7 / 42

8 Forçante radiativa: Naturais: erupções vulcânicas, variações solares, tempestades de poeira do deserto, etc. Antrópicas: emissões veiculares e industriais, usinas termoelétricas, queimadas, mudanças na cobertura vegetal, etc. Forçantes radiativas climáticas Forçante positiva : balanço energético no TOA + (aquecimento) Forçante negativa : balanço energético no TOA - (resfriamento) Trenberth et al., 2009 perturbação imposta ao balanço radiativo terrestre causada por um agente climático externo. 8 / 42 Equilíbrio radiativo: F TOA = F TOA

9 Forçantes radiativas climáticas Médias globais das componentes da forçante radiativa (IPCC – AR4) Forster et al., / 42 Não perturbado: 1750

10 Desflorestamento na Amazônia Maior floresta tropical do mundo: 6,3 milhões de km 2 - Biodiversidade; - Ciclo hidrológico; - Reservatório global de carbono. INPE, 2012 Área desmatada até 2012: 746 mil km² Em 2012: 4600 km² 10 / 42

11 Queimadas na Amazônia Estação úmida: Aerossóis biogênicos Estação seca: Aerossóis de queima de biomassa Transporte de aerossóis em larga escala. 11 / 42

12 Medidas de propriedades físicas em nuvens são escassas e os processos físicos envolvidos na formação de nuvens ainda não são bem compreendidos, principalmente para nuvens profundas. Interação entre aerossóis e nuvens na Amazônia Interação entre aerossóis e nuvens é muito importante e pouco compreendida atualmente. Koren et al.(2008) - Desenvolvimento de nuvens - Circulação atmosférica - Balanço radiativo - Taxa de absorção de CO 2 (fotossíntese) Impactos: Desmatamento + Queimadas ASTER 29/08/ / 42

13 Fundamentação teórica: Transferência radiativa Coeficiente linear de extinção: b ext ( s ) = b esp ( s )+b abs ( s ) Interação da radiação eletromagnética com moléculas e partículas na atmosfera. Lei de Beer-Lambert-Bouguer : Espessura óptica: ext Sup. TOA 0 Profundidade óptica de aerossóis (AOD) Profundidade óptica:

14 Equação de transferência radiativa (ETR) Emissão térmica: Espalhamento de outras direções para a direção de interesse ETR: Códigos de transferência radiativa: resolução numérica da ETR. 14 / 42 Função de fase de espalhamento Albedo de espalhamento simples:

15 Simétrico: g = 0 Totalmente frontal: g = 1 Totalmente retroespalhada: g = -1 Parâmetro de assimetria: Propriedades ópticas de um meio material McCartney, / 42 Fator de eficiência de extinção: Expoente de Ångström:

16 Sensores a bordo de satélites SW Irradiância no topo da atmosfera CERES (Clouds and Earths Radiant Energy System) AOD em 550 nm: 10 km Máscara de nuvens: 1 km Albedo e BRDF: 1 km MODIS (MODerate resolution Imaging Spectrometer) Cruzam o Equador Terra: 10:30/22:30 h Aqua: 13:30/1:30 h Órbita polar Altitude: 705 km 36 bandas espectrais entre 0,4 e 14,4 m Swath: 2330 km CERES-SSF: produtos do MODIS reprojetados para a resolução do CERES: 20 km Radiância Irradiância ADM SW (0,3 a 5,0 m) LW (8 a 12 m) Total (0,3 a 200 m) 16 / 42

17 Metodologia Pico da estação de queimadas (ago/set) 2000 – 2009 Condições livres de nuvens: MODIS Pixels localizados sobre rios, lagos, etc. foram removidos Grade: 0,5º x 0,5º < 0,140 > 0,155 Caso contrário Cada célula foi classificada de acordo com o tipo de superfície: Floresta Cerrado Transição Albedo de superfície 17 / 42

18 Forçante radiativa direta de aerossóis Como obter F cl ? CERES: Irradiância no TOA SWARF: Forçante radiativa direta de aerossóis F cl : Irradiância ascendente no TOA para condições limpas F aer : Irradiância ascendente no TOA para condições poluídas SWARF < 0 18 / 42

19 N em cada célula > 10 R em cada célula > 0,2 Regressão linear: AOD < 2 Metodologia 1 – SWARF sazonal Patadia, F., et al (2008) Lat x Lon: 0,5 o x 0,5 o Cálculo da forçante radiativa direta de aerossóis média durante a estação de queimadas. F cl 19 / 42 0 e F TOA variam Alta dispersão 2 meses de medidas

20 Metodologia 2 – SWARF diária Desenvolvimento de uma metodologia para calcular a forçante radiativa direta de aerossóis para cada dia do ano. CERES: julho a outubro – AOD < 0,1 background F cl ( 0 ) para cada célula de 0,5º x 0,5º 0, F aer y = ax + b 20 / 42 0 está no eixo x Dispersão é menor

21 Código de transferência radiativa: SBDART SWARF média de 24h Ciclo de 24h da forçante radiativa direta de aerossóis Modelo para representar os aerossóis de queimada Modelos de superfície: Floresta e cerrado - Normalização: comparação com medidas em diferentes horários - Utilização em modelos climáticos 21 / 42

22 Modelo de aerossóis AERONET – sítios localizados na região estudada entre 2000 e 2009 (agosto e setembro). Algoritmos de inversãoPropriedades ópticas de aerossóis nm = 1, / 42

23 Modelos de superfície MODIS BRDF: fornece parâmetros anisotrópicos que permitem calcular o Albedo( 0,, ) em 7 : 0,47; 0,555; 0,648; 0,858; 1,24; 1,64 e 2,13 m Curvas espectrais de albedo de superfície em função da AOD e 0. Floresta Cerrado Interpolação linear do albedo de superfície em. 23 / 42

24 Resultados de SWARF obtidos pelo SBDART SWARF Instantânea em função de 0, AOD, Tipo de superfície. Verde: Floresta Laranja: Cerrado 0, Latitude, Dia do ano: 243 Horário SWARF média em 24h O conteúdo de vapor dágua médio de cada região foi utilizado no SBDART. Resolução AOD 550nm 0,1 0 1º Latitude2º SWARF instantânea 24 / 42

25 SWARF média de 24h Tipo sup., Lat., 0, SWARF média de 24h obtida pelo SBDART SWARF Instantânea obtida pelo SBDART 25 / 42

26 Validação dos modelos utilizados no SBDART - Áreas 50 x 50 km centradas nas estações da AERONET (BRDF MODIS para cada sítio) - AOD, vapor dágua: AERONET (½ hora da passagem do Terra) - 0, g, Q ext, nm : AERONET inversões do dia 26 / 42 : 0,3 a 2,8 m FBOA: Piranômetros x SBDART : 0,3 a 5,0 m FTOA: CERES x SBDART

27 Modelos de distribuição angular do CERES não consideram a anisotropia das partículas de aerossol (Patadia et al., 2011). Correção para a SWARF – ADMs Empíricos Patadia, F., et al (2013) Floresta: Cerrado: Estas correções foram aplicadas às forçantes radiativas diretas obtidas a partir de medidas do CERES e do MODIS. 27 / 42

28 Comparação entre SWARFs Grande influência dos modelos de aerossóis e superfície na SWARF calculada por códigos de transferência radiativa. 28 / 42 SWARF Instantânea: CERES (M2) x SBDART Horários diferentes SWARF 24h Medidas espacialmente coincidentes de SWARF AERONET e CERES (M2). SWARF 24h: CERES (M2) x AERONET

29 Resultados: Variações temporais da SWARF O ano 2004 foi excluído da análise devido a problemas no produto CERES-SSF naquele ano. Médias durante as estações de queimadas (Ago/Set). Parte da diferença entre as SWARFs (cerca de 2 W/m 2 ) pode ser explicada pelas diferentes referências utilizadas para F cl (AOD=0 x background). Média AOD: 0,25 + 0,04 Média SWARF24h M1: -8,2 + 2,1 W/m 2 Média SWARF24h M2: -5,2 + 2,6 W/m 2 29 / 42

30 O impacto da coleção do MODIS na SWARF As diferenças apresentadas para as SWARFs entre 2000 e 2003, também ocorre devido ao fato de a coleção 4 do MODIS ter sido utilizada para estes anos. Quando a FR Sazonal (Método 1) é obtida a partir da AOD da coleção 4, o valor absoluto da SWARF é superestimado. Reprojeção MODIS no CERES Coleção 4 Coleção 5 AOD Média: 0,05AOD Média: 0 30 / 42 -0,05 0,05 -0,05 NA0,05 NA (0,05;F) (0;F) Método 1 - Coleção 4 não permite AOD < 0. - Coleção 5 permite AOD < 0.

31 Distribuição espacial da SWARF 24 h Média durante a estação de queimadas. Correlações Médias (2000 a 2009): R M1 : -0,75 + 0,05 R M2 : -0,86 + 0,03 31 / 42

32 Influência do tipo de superfície na SWARF SWARF 24 h é sistematicamente maior sobre regiões de floresta. SWARF 24h Média (2000 a 2009): 32 / 42 Floresta: -6,5 + 2,8 W/m² Cerrado: -3,3 + 2,2 W/m² 1) Transporte de aerossóis para regiões cobertas por floresta. 2) O albedo de superfície de floresta é menor. Koren et al.(2004)

33 Eficiência da forçante radiativa Taxa de variação da SWARF com a AOD: Não linearidade de SWARF (ou F TOA ) com AOD E foi calculada para floresta e para cerrado. AOD < 2 33 / 42

34 Eficiência da forçante radiativa 2009: AOD baixa, E alta Não linearidade: Não utilizar E para regiões de queimadas. AOD < 1 AOD < 2 AOD < 3 AOD < 4 AOD < 5 34 / 42 E 24h Média (2000 a 2008): Floresta: W/m²/ 550nm Cerrado: W/m²/ 550nm

35 Distribuição espacial da SWARF 24 h Metodologia 2: SWARF para cada dia do ano 35 / 42

36 RF de Mudança de albedo de superfície LURF: Forçante radiativa de mudança do uso do solo (alterações no albedo de superfície causadas pelo desflorestamento) Preservada Desmatada LURF = F cl pres - F cl desm Sazonalidade SWARF: estação de queimadas dura aproximadamente 2 meses Sazonalidade LURF: Primeira aproximação: baixa em áreas tropicais LURF BB season LURF anual Média anual: LURF 24h: -8,1 + 1,0 W/m² SWARF 24h: -0,9 + 0,4 W/m²

37 Áreas desmatadas são aproximadamente 0,35 cm de H 2 O mais secas do que áreas preservadas (10%). Impacto do desflorestamento no H 2 O H 2 O: AERONET em 2002 Reserva biológica Jaru: preservada Abracos Hill (Ji-Paraná): desmatada Distância: 86 km 37 / 42

38 Influência da redução de vapor dágua Linhas contínuas: mesmo conteúdo de vapor dágua integrado na coluna antes e após desflorestamento. Linhas pontilhadas: conteúdo de vapor dágua precipitável após o desflorestamento é 0,35 cm de H 2 O menor. SBDART: 0,3 a 5,0 m LURF24h x CWV 1,2 W/m 2 0,4 W/m 2 38 / 42

39 Conclusões - A média da SWARF durante a estação de queimadas para o período de 10 anos analisado foi de -5,2 + 2,6 W/m 2 ; - Valores de até -30 W/m 2 foram observados localmente para a média diária da SWARF 24h; - A SWARF 24 h é sistematicamente maior sobre áreas cobertas por floresta do que sobre o cerrado; - A eficiência da forçante de aerossóis 24 h foi cerca de 3 W/m 2 /AOD maior sobre floresta do que sobre cerrado; - A mudança de albedo de superfície gera uma forçante radiativa média anual cerca de 8 vezes maior do que a de aerossóis considerando condições livres de nuvens; 39 / 42

40 Conclusões - A quantidade de vapor dágua integrado na coluna atmosférica é 0,35 cm de H 2 O menor em áreas desmatadas do que sobre floresta; - Este decréscimo contribui para o aumento do impacto do desflorestamento no balanço radiativo de ondas curtas que varia entre 0,4 e 1,2 W/m 2 ; - Os altos valores de forçantes obtidos indicam que o desmatamento e a emissão de partículas podem ter fortes implicações para a taxa fotossintética, convecção e para o ciclo hidrológico na Amazônia. 40 / 42

41 Sugestões para trabalhos futuros - Melhorar a caracterização das propriedades ópticas de aerossóis; - Melhorar a caracterização do albedo de superfície espectral; - Incluir a sazonalidade do albedo de superfície no cálculo da LURF; - Incluir a contribuição da distribuição vertical dos aerossóis no cálculo da SWARF; - Investigar interações entre aerossóis e nuvens na Amazônia. 41 / 42

42 Obrigada!


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