Aluna: Elisa Thomé Sena Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto/2013 IFUSP
42
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 IFUSP
Aluna: Elisa Thomé Sena Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto/2013 IFUSP
Aluna: Elisa Thom Sena Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo
Artaxo Netto Agosto/2013 IFUSP
Slide 2
Investigar os impactos do desflorestamento e emisses de
partculas de queimadas na Amaznia sobre o balano radiativo de ondas
curtas da regio, em condies livres de nuvens. Objetivo geral 2 /
42
Slide 3
- Calcular a forante radiativa direta de aerossis em larga
escala na regio amaznica e sua distribuio espacial e temporal
durante a estao de queimadas. - Avaliar o impacto dos aerossis de
queimadas sobre diferentes tipos de superfcie (floresta e cerrado).
- Calcular a forante radiativa devida a mudanas de albedo de
superfcie, causadas pelo desflorestamento em Rondnia. - Quantificar
a alterao da quantidade de vapor d'gua atmosfrico aps o
desflorestamento e seu impacto no balano radiativo de ondas curtas
da regio. Objetivos especficos 3 / 42
Slide 4
Aerossol: conjunto de partculas slidas ou lquidas em suspenso
na atmosfera. Aerossol atmosfrico Tempo de vida curto: segundos a
semanas. Tamanho: nm - m. 4 / 42 Naturais: aerossis marinhos,
biognicos, fungos, ressuspenso de poeira do solo, etc. Antrpicas:
queimadas, emisses veiculares e industriais, etc. Seinfeld,
2006
Slide 5
Efeitos climticos dos aerossis Efeito direto: Espalhamento e
absoro de radiao - Concentrao de aerossis; - Distribuies horizontal
e vertical; - Propriedades pticas dos aerossis; - Interao dessas
partculas com o vapor dgua (higroscopicidade); - Propriedades da
superfcie. Forster et al., 2007 5 / 42
Slide 6
Efeitos indiretos: Aerossis atuam como CCN, podendo alterar a
distribuio de tamanhos e quantidade de gotas da nuvem. Modificando:
- a frao de radiao refletida para o espao (albedo da nuvem); -
padro de precipitao; - desenvolvimento vertical; - tempo de vida
das nuvens. Efeitos climticos dos aerossis 6 / 42
Slide 7
Efeito semi-direto: A absoro da radiao por aerossis gera
aquecimento da atmosfera e das gotas de nuvens, intensificando a
evaporao da nuvem. PS: Esta nomenclatura do IPCC AR4 que ser
alterada no AR5 com a incluso dos chamados adjustments,
incorporando alguns feedbacks na forante indireta. Efeitos
climticos dos aerossis 7 / 42
Slide 8
Forante radiativa: Naturais: erupes vulcnicas, variaes solares,
tempestades de poeira do deserto, etc. Antrpicas: emisses
veiculares e industriais, usinas termoeltricas, queimadas, mudanas
na cobertura vegetal, etc. Forantes radiativas climticas Forante
positiva : balano energtico no TOA + (aquecimento) Forante negativa
: balano energtico no TOA - (resfriamento) Trenberth et al., 2009
perturbao imposta ao balano radiativo terrestre causada por um
agente climtico externo. 8 / 42 Equilbrio radiativo: F TOA = F
TOA
Slide 9
Forantes radiativas climticas Mdias globais das componentes da
forante radiativa (IPCC AR4) Forster et al., 2007 9 / 42 No
perturbado: 1750
Slide 10
Desflorestamento na Amaznia Maior floresta tropical do mundo:
6,3 milhes de km 2 - Biodiversidade; - Ciclo hidrolgico; -
Reservatrio global de carbono. INPE, 2012 rea desmatada at 2012:
746 mil km Em 2012: 4600 km 10 / 42
Slide 11
Queimadas na Amaznia Estao mida: Aerossis biognicos Estao seca:
Aerossis de queima de biomassa Transporte de aerossis em larga
escala. 11 / 42
Slide 12
Medidas de propriedades fsicas em nuvens so escassas e os
processos fsicos envolvidos na formao de nuvens ainda no so bem
compreendidos, principalmente para nuvens profundas. Interao entre
aerossis e nuvens na Amaznia Interao entre aerossis e nuvens muito
importante e pouco compreendida atualmente. Koren et al.(2008) -
Desenvolvimento de nuvens - Circulao atmosfrica - Balano radiativo
- Taxa de absoro de CO 2 (fotossntese) Impactos: Desmatamento +
Queimadas ASTER 29/08/2006 12 / 42
Slide 13
Fundamentao terica: Transferncia radiativa Coeficiente linear
de extino: b ext ( s ) = b esp ( s )+b abs ( s ) Interao da radiao
eletromagntica com molculas e partculas na atmosfera. Lei de
Beer-Lambert-Bouguer : Espessura ptica: ext Sup. TOA 0 Profundidade
ptica de aerossis (AOD) Profundidade ptica:
Slide 14
Equao de transferncia radiativa (ETR) Emisso trmica:
Espalhamento de outras direes para a direo de interesse ETR: Cdigos
de transferncia radiativa: resoluo numrica da ETR. 14 / 42 Funo de
fase de espalhamento Albedo de espalhamento simples:
Slide 15
Simtrico: g = 0 Totalmente frontal: g = 1 Totalmente
retroespalhada: g = -1 Parmetro de assimetria: Propriedades pticas
de um meio material McCartney, 1976 15 / 42 Fator de eficincia de
extino: Expoente de ngstrm:
Slide 16
Sensores a bordo de satlites SW Irradincia no topo da atmosfera
CERES (Clouds and Earths Radiant Energy System) AOD em 550 nm: 10
km Mscara 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 rbita 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 resoluo do CERES: 20 km
Radincia Irradincia ADM SW (0,3 a 5,0 m) LW (8 a 12 m) Total (0,3 a
200 m) 16 / 42
Slide 17
Metodologia Pico da estao de queimadas (ago/set) 2000 2009
Condies livres de nuvens: MODIS Pixels localizados sobre rios,
lagos, etc. foram removidos Grade: 0,5 x 0,5 < 0,140 > 0,155
Caso contrrio Cada clula foi classificada de acordo com o tipo de
superfcie: Floresta Cerrado Transio Albedo de superfcie 17 /
42
Slide 18
Forante radiativa direta de aerossis Como obter F cl ? CERES:
Irradincia no TOA SWARF: Forante radiativa direta de aerossis F cl
: Irradincia ascendente no TOA para condies limpas F aer :
Irradincia ascendente no TOA para condies poludas SWARF < 0 18 /
42
Slide 19
N em cada clula > 10 R em cada clula > 0,2 Regresso
linear: AOD < 2 Metodologia 1 SWARF sazonal Patadia, F., et al
(2008) Lat x Lon: 0,5 o x 0,5 o Clculo da forante radiativa direta
de aerossis mdia durante a estao de queimadas. F cl 19 / 42 0 e F
TOA variam Alta disperso 2 meses de medidas
Slide 20
Metodologia 2 SWARF diria Desenvolvimento de uma metodologia
para calcular a forante radiativa direta de aerossis para cada dia
do ano. CERES: julho a outubro AOD < 0,1 background F cl ( 0 )
para cada clula de 0,5 x 0,5 0, F aer y = ax + b 20 / 42 0 est no
eixo x Disperso menor
Slide 21
Cdigo de transferncia radiativa: SBDART SWARF mdia de 24h Ciclo
de 24h da forante radiativa direta de aerossis Modelo para
representar os aerossis de queimada Modelos de superfcie: Floresta
e cerrado - Normalizao: comparao com medidas em diferentes horrios
- Utilizao em modelos climticos 21 / 42
Slide 22
Modelo de aerossis AERONET stios localizados na regio estudada
entre 2000 e 2009 (agosto e setembro). Algoritmos de
inversoPropriedades pticas de aerossis nm = 1,647 22 / 42
Slide 23
Modelos de superfcie MODIS BRDF: fornece parmetros anisotrpicos
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 superfcie
em funo da AOD e 0. Floresta Cerrado Interpolao linear do albedo de
superfcie em. 23 / 42
Slide 24
Resultados de SWARF obtidos pelo SBDART SWARF Instantnea em
funo de 0, AOD, Tipo de superfcie. Verde: Floresta Laranja: Cerrado
0, Latitude, Dia do ano: 243 Horrio SWARF mdia em 24h O contedo de
vapor dgua mdio de cada regio foi utilizado no SBDART. Resoluo AOD
550nm 0,1 0 1 Latitude2 SWARF instantnea 24 / 42
Slide 25
SWARF mdia de 24h Tipo sup., Lat., 0, SWARF mdia de 24h obtida
pelo SBDART SWARF Instantnea obtida pelo SBDART 25 / 42
Slide 26
Validao dos modelos utilizados no SBDART - reas 50 x 50 km
centradas nas estaes da AERONET (BRDF MODIS para cada stio) - AOD,
vapor dgua: AERONET ( hora da passagem do Terra) - 0, g, Q ext,
440-870nm : AERONET inverses do dia 26 / 42 : 0,3 a 2,8 m FBOA:
Piranmetros x SBDART : 0,3 a 5,0 m FTOA: CERES x SBDART
Slide 27
Modelos de distribuio angular do CERES no consideram a
anisotropia das partculas de aerossol (Patadia et al., 2011).
Correo para a SWARF ADMs Empricos Patadia, F., et al (2013)
Floresta: Cerrado: Estas correes foram aplicadas s forantes
radiativas diretas obtidas a partir de medidas do CERES e do MODIS.
27 / 42
Slide 28
Comparao entre SWARFs Grande influncia dos modelos de aerossis
e superfcie na SWARF calculada por cdigos de transferncia
radiativa. 28 / 42 SWARF Instantnea: CERES (M2) x SBDART Horrios
diferentes SWARF 24h Medidas espacialmente coincidentes de SWARF
AERONET e CERES (M2). SWARF 24h: CERES (M2) x AERONET
Slide 29
Resultados: Variaes temporais da SWARF O ano 2004 foi excludo
da anlise devido a problemas no produto CERES-SSF naquele ano.
Mdias durante as estaes de queimadas (Ago/Set). Parte da diferena
entre as SWARFs (cerca de 2 W/m 2 ) pode ser explicada pelas
diferentes referncias utilizadas para F cl (AOD=0 x background).
Mdia AOD: 0,25 + 0,04 Mdia SWARF24h M1: -8,2 + 2,1 W/m 2 Mdia
SWARF24h M2: -5,2 + 2,6 W/m 2 29 / 42
Slide 30
O impacto da coleo do MODIS na SWARF As diferenas apresentadas
para as SWARFs entre 2000 e 2003, tambm ocorre devido ao fato de a
coleo 4 do MODIS ter sido utilizada para estes anos. Quando a FR
Sazonal (Mtodo 1) obtida a partir da AOD da coleo 4, o valor
absoluto da SWARF superestimado. Reprojeo MODIS no CERES Coleo 4
Coleo 5 AOD Mdia: 0,05AOD Mdia: 0 30 / 42 -0,05 0,05 -0,05 NA0,05
NA (0,05;F) (0;F) Mtodo 1 - Coleo 4 no permite AOD < 0. - Coleo
5 permite AOD < 0.
Slide 31
Distribuio espacial da SWARF 24 h Mdia durante a estao de
queimadas. Correlaes Mdias (2000 a 2009): R M1 : -0,75 + 0,05 R M2
: -0,86 + 0,03 31 / 42
Slide 32
Influncia do tipo de superfcie na SWARF SWARF 24 h
sistematicamente maior sobre regies de floresta. SWARF 24h Mdia
(2000 a 2009): 32 / 42 Floresta: -6,5 + 2,8 W/m Cerrado: -3,3 + 2,2
W/m 1) Transporte de aerossis para regies cobertas por floresta. 2)
O albedo de superfcie de floresta menor. Koren et al.(2004)
Slide 33
Eficincia da forante radiativa Taxa de variao da SWARF com a
AOD: No linearidade de SWARF (ou F TOA ) com AOD E foi calculada
para floresta e para cerrado. AOD < 2 33 / 42
Slide 34
Eficincia da forante radiativa 2009: AOD baixa, E alta No
linearidade: No utilizar E para regies de queimadas. AOD < 1 AOD
< 2 AOD < 3 AOD < 4 AOD < 5 34 / 42 E 24h Mdia (2000 a
2008): Floresta: -19 + 1 W/m/ 550nm Cerrado: -16 + 3 W/m/
550nm
Slide 35
Distribuio espacial da SWARF 24 h Metodologia 2: SWARF para
cada dia do ano 35 / 42
Slide 36
RF de Mudana de albedo de superfcie LURF: Forante radiativa de
mudana do uso do solo (alteraes no albedo de superfcie causadas
pelo desflorestamento) Preservada Desmatada LURF = F cl pres - F cl
desm Sazonalidade SWARF: estao de queimadas dura aproximadamente 2
meses Sazonalidade LURF: Primeira aproximao: baixa em reas
tropicais LURF BB season LURF anual Mdia anual: LURF 24h: -8,1 +
1,0 W/m SWARF 24h: -0,9 + 0,4 W/m
Slide 37
reas desmatadas so aproximadamente 0,35 cm de H 2 O mais secas
do que reas preservadas (10%). Impacto do desflorestamento no H 2 O
H 2 O: AERONET em 2002 Reserva biolgica Jaru: preservada Abracos
Hill (Ji-Paran): desmatada Distncia: 86 km 37 / 42
Slide 38
Influncia da reduo de vapor dgua Linhas contnuas: mesmo contedo
de vapor dgua integrado na coluna antes e aps desflorestamento.
Linhas pontilhadas: contedo de vapor dgua precipitvel aps o
desflorestamento 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
Slide 39
Concluses - A mdia da SWARF durante a estao de queimadas para o
perodo de 10 anos analisado foi de -5,2 + 2,6 W/m 2 ; - Valores de
at -30 W/m 2 foram observados localmente para a mdia diria da SWARF
24h; - A SWARF 24 h sistematicamente maior sobre reas cobertas por
floresta do que sobre o cerrado; - A eficincia da forante de
aerossis 24 h foi cerca de 3 W/m 2 /AOD maior sobre floresta do que
sobre cerrado; - A mudana de albedo de superfcie gera uma forante
radiativa mdia anual cerca de 8 vezes maior do que a de aerossis
considerando condies livres de nuvens; 39 / 42
Slide 40
Concluses - A quantidade de vapor dgua integrado na coluna
atmosfrica 0,35 cm de H 2 O menor em reas desmatadas do que sobre
floresta; - Este decrscimo contribui para o aumento do impacto do
desflorestamento no balano radiativo de ondas curtas que varia
entre 0,4 e 1,2 W/m 2 ; - Os altos valores de forantes obtidos
indicam que o desmatamento e a emisso de partculas podem ter fortes
implicaes para a taxa fotossinttica, conveco e para o ciclo
hidrolgico na Amaznia. 40 / 42
Slide 41
Sugestes para trabalhos futuros - Melhorar a caracterizao das
propriedades pticas de aerossis; - Melhorar a caracterizao do
albedo de superfcie espectral; - Incluir a sazonalidade do albedo
de superfcie no clculo da LURF; - Incluir a contribuio da
distribuio vertical dos aerossis no clculo da SWARF; - Investigar
interaes entre aerossis e nuvens na Amaznia. 41 / 42
