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IFUSP Variabilidade espacial e temporal da forçante radiativa direta de aerossóis de queimadas e os efeitos da mudança de uso do solo na Amazônia Aluna:

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1 IFUSP Variabilidade espacial e temporal da forçante radiativa direta de aerossóis de queimadas e os efeitos da mudança de uso do solo na Amazônia Aluna: Elisa Thomé Sena Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto/2013

2 Objetivo geral 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. Os obj específicos serão detalhados posteriormente 2 / 42

3 Objetivos específicos
- 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. 3 / 42

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

5 Efeitos climáticos dos aerossóis
Forster et al., 2007 Efeito direto: Espalhamento e absorção de radiação Fatores que influenciam a SWARF direta Concentração de aerossóis; Distribuições horizontal e vertical; Propriedades ópticas dos aerossóis; Interação dessas partículas com o vapor d’água (higroscopicidade); Propriedades da superfície. 5 / 42

6 Efeitos climáticos dos aerossóis
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. Aumento de aeossóis: aumento da quantidade de CCN, alterando distribuição de tamanho das gotas e o albedo 6 / 42

7 Efeitos climáticos dos aerossóis
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. 7 / 42

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

9 Forçantes radiativas climáticas
Médias globais das componentes da forçante radiativa (IPCC – AR4) Não perturbado: 1750 Têm sido feitos diversos esforços no intuito de quentificar essas forçantes climáticas e compreender seu impacto no clima global. Algumas forçantes são relativamente bem quantificadas atualmente, como a dos gases de efeito estufa. Já a forçante radiativa de aerossóis (tanto a direta qto a indireta) apresentam as maiores fontes de incertezas para a forçante líquida final. Neste trabalho nos concentramos na quantificação da SWARF direta e da LURF sobre a Amazônia. Os valores do IPCC para estas forçantes são XXX, mas localmente esses valores podem ser bem maiores. Forster et al., 2007 9 / 42

10 Desflorestamento na Amazônia
Maior floresta tropical do mundo: 6,3 milhões de km2 - Biodiversidade; - Ciclo hidrológico; - Reservatório global de carbono. 40% da qtde de florestais tropicais do mundo. Tem um papel fundamental na bio.... A taxa anual de desflorestamento tem diminuído, mas continua expressiva. Em 2011, a área desmatada foi de aproximadamente 6 mil km2. Segundo dados do INPE 62% da área desmatada é substituída por pastagens. INPE, 2012 Em 2012: 4600 km² Área desmatada até 2012: 746 mil km² 10 / 42

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

12 Interação entre aerossóis e nuvens na Amazônia
Interação entre aerossóis e nuvens é muito importante e pouco compreendida atualmente. Koren et al .(2008) 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. Curva em forma de boomerangue. Competição entre os processos microfísicos e os processos radiativos que ocorrem na nuvem. Nós sabemos que o efeito indireto é muito importante na região amazônica, mas, devido às dificauldades descritas, decidimos explorar neste projeto de pesquisa apenas a forçante direta dos aerossóis e o estudo dos fatores que influenciam essa forçante. Impactos: Desmatamento + Queimadas - Desenvolvimento de nuvens - Circulação atmosférica - Balanço radiativo - Taxa de absorção de CO2 (fotossíntese) ASTER 29/08/2006 12 / 42

13 Espessura óptica: dext
Fundamentação teórica: Transferência radiativa Interação da radiação eletromagnética com moléculas e partículas na atmosfera. Coeficiente linear de extinção: bext(l, s) = besp(l, s)+babs(l, s) Lei de Beer-Lambert-Bouguer : Espessura óptica: dext Radiância emergente decai exponencialmente com a integral de bext no caminho óptico. Sup. TOA q0 Profundidade óptica: Profundidade óptica de aerossóis (AOD)

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

15 Propriedades ópticas de um meio material
Parâmetro de assimetria: Simétrico: g = 0 Totalmente frontal: g = 1 Totalmente retroespalhada: g = -1 McCartney, 1976 Expoente de Ångström: G: Média do cos do ângulo de esp. G também é uma medida do tamanho da partícula. Fator de eficiência de extinção: 15 / 42

16 Sensores a bordo de satélites
Cruzam o Equador Terra: 10:30/22:30 h Aqua: 13:30/1:30 h Órbita polar Altitude: 705 km MODIS (MODerate resolution Imaging Spectrometer) AOD em 550 nm: 10 km Máscara de nuvens: 1 km Albedo e BRDF: 1 km 36 bandas espectrais entre 0,4 e 14,4 mm Swath: 2330 km CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System) SW Irradiância no topo da atmosfera CERES-SSF: produtos do MODIS reprojetados para a resolução do CERES: 20 km ADM Radiância Irradiância SW (0,3 a 5,0 mm) LW (8 a 12 mm) Total (0,3 a 200 mm) 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 Cada célula foi classificada de acordo com o tipo de superfície: < 0,140 > 0,155 Caso contrário Floresta Cerrado Transição Albedo de superfície 17 / 42

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

19 Regressão linear: AOD < 2
Metodologia 1 – SWARF sazonal Cálculo da forçante radiativa direta de aerossóis média durante a estação de queimadas. Patadia, F., et al (2008) Lat x Lon: 0,5o x 0,5o Fcl N em cada célula > 10 R em cada célula > 0,2 Regressão linear: AOD < 2 2 meses de medidas q0 e FTOA variam Alta dispersão 19 / 42

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, background Fcl(q0) para cada célula de 0,5º x 0,5º y = ax + b q0 está no eixo x Dispersão é menor q0, Faer 20 / 42

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

22 Modelo de aerossóis AERONET – sítios localizados na região estudada entre 2000 e 2009 (agosto e setembro). Algoritmos de inversão Propriedades ópticas de aerossóis a nm = 1,647 22 / 42

23 Modelos de superfície MODIS BRDF: fornece parâmetros anisotrópicos que permitem calcular o Albedo(q0, t, l) em 7 l : 0,47; 0,555; 0,648; 0,858; 1,24; 1,64 e 2,13 mm Interpolação linear do albedo de superfície em l. Floresta Cerrado Curvas espectrais de albedo de superfície em função da AOD e q0. 23 / 42

24 Resultados de SWARF obtidos pelo SBDART
SWARF Instantânea em função de q0, AOD, Tipo de superfície. Verde: Floresta Laranja: Cerrado Resolução AOD550nm 0,1 q0 Latitude O conteúdo de vapor d’água médio de cada região foi utilizado no SBDART. SWARF instantânea q0, Latitude, Dia do ano: 243 SWARF média em 24h Horário 24 / 42

25 SWARF média de 24h SWARF média de 24h obtida pelo SBDART
Tipo sup., Lat., q0, t SWARF Instantânea obtida pelo SBDART 25 / 42

26 Validação dos modelos utilizados no SBDART
F↓BOA: Piranômetros x SBDART - Áreas 50 x 50 km centradas nas estações da AERONET (BRDF MODIS para cada sítio) - AOD, vapor d’água: AERONET (½ hora da passagem do Terra) - w0, g, Qext, a nm: AERONET inversões do dia l: 0,3 a 2,8 mm F↑TOA: CERES x SBDART l: 0,3 a 5,0 mm 26 / 42

27 Correção para a SWARF – ADMs Empíricos
Modelos de distribuição angular do CERES não consideram a anisotropia das partículas de aerossol (Patadia et al., 2011). 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
SWARF Instantânea: CERES (M2) x SBDART Grande influência dos modelos de aerossóis e superfície na SWARF calculada por códigos de transferência radiativa. Medidas espacialmente coincidentes de SWARF AERONET e CERES (M2). SWARF 24h: CERES (M2) x AERONET Horários diferentes SWARF 24h 28 / 42

29 Resultados: Variações temporais da SWARF
Médias durante as estações de queimadas (Ago/Set). O ano 2004 foi excluído da análise devido a problemas no produto CERES-SSF naquele ano. Média SWARF24h M1: -8,2 + 2,1 W/m2 Média SWARF24h M2: -5,2 + 2,6 W/m2 Média AOD: 0,25 + 0,04 Parte da diferença entre as SWARFs (cerca de 2 W/m2) pode ser explicada pelas diferentes referências utilizadas para Fcl (AOD=0 x background). 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. - Coleção 4 não permite AOD < 0. (0,05;F) (0;F) Método 1 - Coleção 5 permite AOD < 0. Reprojeção MODIS no CERES Coleção 4 Coleção 5 NA 0,05 -0,05 0,05 0,05 NA 0,05 -0,05 AOD Média: 0,05 AOD Média: 0 Quando a FR Sazonal (Método 1) é obtida a partir da AOD da coleção 4, o valor absoluto da SWARF é superestimado. 30 / 42

31 Correlações Médias (2000 a 2009):
Distribuição espacial da SWARF 24 h Média durante a estação de queimadas. Correlações Médias (2000 a 2009): RM1: -0,75 + 0,05 RM2: -0,86 + 0,03 31 / 42

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

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

34 Eficiência da forçante radiativa
AOD < 1 AOD < 2 AOD < 3 AOD < 4 AOD < 5 2009: AOD baixa, Et alta Não linearidade: Não utilizar Et para regiões de queimadas. Et 24h Média (2000 a 2008): Floresta: W/m²/t550nm Cerrado: W/m²/t550nm 34 / 42

35 Metodologia 2: SWARF para cada dia do ano
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) Sazonalidade LURF: Primeira aproximação: baixa em áreas tropicais Desmatada LURF BB season LURF anual Preservada Sazonalidade SWARF: estação de queimadas dura aproximadamente 2 meses Média anual: LURF = Fclpres - Fcldesm LURF 24h: -8,1 + 1,0 W/m² SWARF 24h: -0,9 + 0,4 W/m²

37 Impacto do desflorestamento no H2O
Reserva biológica Jaru: preservada Abracos Hill (Ji-Paraná): desmatada Distância: 86 km H2O: AERONET em 2002 Áreas desmatadas são aproximadamente 0,35 cm de H2O mais secas do que áreas preservadas (10%). 37 / 42

38 Influência da redução de vapor d’água
SBDART: 0,3 a 5,0 mm LURF24h x CWV 0,4 W/m2 1,2 W/m2 Linhas contínuas: mesmo conteúdo de vapor d’água integrado na coluna antes e após desflorestamento. Linhas pontilhadas: conteúdo de vapor d’água precipitável após o desflorestamento é 0,35 cm de H2O menor. 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/m2; Valores de até -30 W/m2 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/m2/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 d’água integrado na coluna atmosférica é 0,35 cm de H2O 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/m2; 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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