UNIVERSIDADE DE SO PAULO

INSTITUTO DE ASTRONOMIA, GEOFSICA E CINCIAS ATMOSFRICAS

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS ATMOSFRICAS

PATRICIA DEL CARMEN CARVAJAL VERGARA

ANLISE DAS PROPRIEDADES PTICAS DO AEROSSOL

AO SUL DA AMRICA DO SUL

SO PAULO

2010

PATRICIA DEL CARMEN CARVAJAL VERGARA

ANLISE DAS PROPRIEDADES PTICAS DO AEROSSOL

AO SUL DA AMRICA DO SUL

Dissertao apresentada ao Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas da Universidade de So Paulo para obteno do titulo de Mestre em Cincias.

rea de concentrao: Meteorologia

Orientador: Prof. Dra. Mrcia Akemi Yamasoe

SO PAULO

2010

s pessoas que mais amo,

meu marido e minha famlia....

Agradecimentos

A Deus por me dar a vida, a fora, a paz e o amor em todas as horas, principalmente

naquelas mais difceis.

Ao meu marido, Marcelo Luna Sacco, que sempre esteve ao meu lado, pelo amor,

compreenso e amizade, tornando meus dias mais felizes e sorridentes.

Aos meus pais, Sergio Carvajal e Ruth Vergara, pelo amor e dedicao, incentivando-

me a buscar meus sonhos e seguir meus prprios caminhos. Ao meu irmo Paolo, pela sua

preocupao e carinho. Agradeo seus esforos para me proporcionar sempre o melhor,

mesmo estando longe de casa.

A minha orientadora, Dra. Mrcia Akemi Yamasoe, pela orientao, pacincia e

incentivo. Muito obrigada pela oportunidade e ensino.

Ao corpo docente, tcnico e administrativo do programa de Ps-Graduao em

Meteorologia do IAG/USP, pela oportunidade da realizao deste trabalho.

Aos meus amigos e companheiros do IAG, especialmente do grupo de radiao:

Vincius, Lvia, Tssio e Nilton, pela ajuda e principalmente pela amizade nestes anos de

trabalho aliviando as mais sentidas saudades.

CAPES pelo auxlio financeiro recebido durante este trabalho de Mestrado.

Da minha aldeia vejo quando da terra se pode ver no Universo...

Por isso a minha aldeia grande como outra qualquer

Porque eu sou do tamanho do que vejo

E no do tamanho da minha altura...

Fernando Pessoa

RESUMO VERGARA, P.C. Anlise das propriedades pticas do aerossol ao sul da Amrica do Sul. Dissertao de Mestrado apresentada ao Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas, Universidade de So Paulo, 108p 2010 A quantificao precisa dos efeitos do aerossol sobre o balano de radiao requer o conhecimento tambm preciso de suas propriedades pticas, as quais dependem fortemente das fontes emissoras podendo variar de local para local (Holben et al., 1998). Por este motivo, este trabalho visa analisar as propriedades pticas do aerossol na poro sul do continente sul americano, em particular sobre algumas localidades na Argentina e Chile, atravs da utilizao de distintas plataformas de medidas como radimetros instalados em superfcie, pertencentes rede mundial de radimetros, a AERONET (Aerosol Robotic Network) (Holben et al., 1998), e o sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo dos satlites Terra e Aqua (Kaufman et al., 1997a, Remer et al., 2005). Foi avaliada a evoluo temporal da profundidade ptica do aerossol (AOD) nas localidades de Arica e Santiago, no Chile, e em Buenos Aires, Crdoba, Puerto Madryn e Trelew, na Argentina, atravs do clculo de mdias anuais e mensais das sries de dados medidos pela AERONET e obtidos com o MODIS. Assim, para cada regio geogrfica em anlise, foi determinado um ciclo anual caracterstico de AOD, no qual, nos meses de primavera e vero a AOD atinge seus maiores valores, diminuindo nos meses de inverno. Com relao variabilidade anual, os maiores valores das mdias anuais da AOD foram obtidos nas localidades de Santiago e Buenos Aires nos anos de 2000 e 2007. Para avaliar a disperso local do aerossol, foi analisada a sua variao espacial calculando mdias dirias de AOD do MODIS e seus respectivos desvios padro (DP) nas resolues espaciais de 10 km, 30km e 50 km de raio, e posteriormente a diferena absoluta (DA) entre estes valores. O resultado mostrou que, na maior quantidade de dias, a DA menor que o DP, indicando que existe uma baixa variabilidade espacial da AOD ao sul da Amrica do Sul. Foram efetuadas anlises estatsticas permitindo comparar os dados do aerossol obtidos pela AERONET e pelo MODIS, obtendo resultados no muito satisfatrios, determinando que o MODIS superestima os valores de AOD com relao aos da AERONET. A fim de tentar explicar a qualidade insatisfatria, foram realizadas anlises da qualidade dos valores recuperados pelo MODIS (Quality Assurance, QA) com o intuito de complementar e respaldar os resultados obtidos para o sul da Amrica do Sul. Foi observado que, dos dados recuperados na resoluo espacial de 10km de raio, somente nas localidades de Puerto Madryn, Trelew e Crdoba a maior quantidade de dados so classificados como Muito Bom (QA=3), sendo essa ltima a que apresenta melhor qualidade nos seus dados. A partir desses resultados, foram feitas novas comparaes entre o MODIS e a AERONET, s levando em conta os dados classificados com qualidade QA=3, obtendo melhoras no muito significativas na correlao dos dados da AOD. Mesmo assim os dados recuperados do MODIS seguem superestimando os dados medidos pela AERONET, o qual sugere que os modelos pticos utilizados no algoritmo de recuperao do aerossol do MODIS sobre continente no so os apropriados para a caracterizao da profundidade ptica na regio sul da Amrica do Sul. Alm disso, a presena de nuvens pode provocar, por exemplo, a contaminao dos dados da AOD do MODIS provocando um aumento nos seus valores.

Palavras-chave: Profundidade ptica do aerossol, MODIS, AERONET.

ABSTRACT

VERGARA, P.C. Analysis of aerosol optical properties at the Southern portion of South America. Dissertation of Master presented in the Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas, Universidade de So Paulo, 108p 2010

The precise quantification of aerosol effects on the radiation balance requires knowledge also precise of their optical properties, which depend heavily on emission sources, because they can vary from one place to another (Holben et al., 1998). Therefore, this study analyzes the optical properties of aerosol in the southern portion of the South American continent, especially on some sites in Argentina and Chile, through the use of various platforms of measurements, such as radiometers ground based belonging to the worldwide network of radiometers, the AERONET (Aerosol Robotic Network) (Holben et al., 1998), and MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) onboard the Terra and Aqua satellites (Kaufman et al., 1997a, Remer et al., 2005). We evaluated the temporal evolution of the aerosol optical depth (AOD) in the cities of Arica and Santiago, Chile, and Buenos Aires, Puerto Madryn and Trelew, Argentina, by calculating the annual and monthly mean AOD from both platforms. Monthly mean AOD is highest in the months of spring and summer and is lower in the winter months. Considering the annual variability, the highest average AOD was obtained in the locations of Santiago and Buenos Aires in 2000 and 2007. Statistical analysis was carried out to compare data obtained from AERONET and from MODIS, obtaining unsatisfactory results, showing that MODIS systematically overestimates the values of AOD compared to AERONET results. In an attempt to explain the unsatisfactory results, we analyzed the quality of the MODIS retrievals using the Quality Assurance parameter (QA). Only in the cities of Puerto Madryn, Trelew and Crdoba most of the data was classified as "Very Good" (QA = 3). The latest with the higher number of better quality data. From these results, we made further comparisons between MODIS and AERONET AOD data, only taking into account data classified with QA = 3, with no improvements in the correlations. Data retrieved from MODIS still overestimate the data from AERONET, suggesting that the aerosol optical models used in the MODIS retrieval algorithm are not suitable for the characterization of the aerosol optical depth in southern South America. In addition, the presence of not screened clouds can cause contamination of the MODIS AOD data increasing artificially their values. Keywords: Aerosol optical depth, MODIS, AERONET.

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1.1: Esquema da Distribuio de Tamanho do aerossol atmosfrico. (Fonte: adaptado de Finlayson-Pitts & Pitts, 1999)................................................................06 Figura 2.2.1: Balano de energia global do sistema terra-atmosfera. (Fonte: Kiehl & Trenberth, 1997).............................................................................................07 Figura 2.2.2: Estimativa de forantes radiativas do clima entre 1750 e 2005, para diferentes agentes naturais e antropognicos. (Fonte: IPCC 2007).........................................................08 Figura 2.3.1: Distribuio angular da radiao espalhada para partculas esfricas de diferentes tamanhos, a) por partculas muito pequenas com relao ao comprimento de onda da radiao incidente; b) por partculas maiores; c) por partculas muito maiores que o comprimento de onda da radiao incidente. (Fonte: Liou, 2002)..........................................11 Figura 2.4.1: Geometria de um radimetro em superfcie para a medio da radincia direta do sol (Fonte: Liou, 2002)........................................................................................................16 Figura 2.4.2: Vrios caminhos da radincia recebida por um sistema de sensoriamento remoto de satlites (Fonte: Wang et al., 2008).........................................................................17 Figura 2.5.2: Distribuio espacial das regies consideradas para a anlise da profundidade ptica do aerossol.....................................................................................................................21 Figura 4.1.1: Valores mdios anuais da AOD no canal de 550 nm na resoluo espacial de 20 km x 20 km para cada localidade analisada neste trabalho. a) Obtidos a partir das passagens do Terra para o perodo de anos 2000-2008; b) Obtidos a partir das passagens do Aqua para o perodo de anos 2002-2008..................................................................................39 Figura 4.1.2: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Arica na resoluo espacial de 100 km x 100 km, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Produto do aerossol sobre continente (Land); b) Produto combinado do aerossol sobre continente e oceano (Land + Ocean).......................................................................................................................................40 Figura 4.1.3: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nm em Arica na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra); b) A partir das passagens da tarde (Aqua).......................................................................................41 Figura 4.1.4: a) Distribuies de tamanho das partculas do aerossol por sazonalidade. b) Relao entre o Coeficiente de ngstrm () (calculado entre 440 e 870 nm) e a profundidade ptica do aerossol em 550 nm. Foram utilizadas medidas do radimetro da AERONET operado em Arica, para o perodo a partir de maio de 1998 at maro de 2004...........................................................................................................................................42 Figura 4.1.5: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Santiago, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua.

a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................43 Figura 4.1.6: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Buenos Aires, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................43 Figura 4.1.7: Histograma de Frequncias de AOD em 550 nm em Santiago na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens da tarde (Aqua)........................................................................................................44 Figura 4.1.8: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nm em Buenos Aires na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens pela tarde (Aqua)....................................................................................45 Figura 4.1.9: a) Distribuies de tamanho das partculas do aerossol por sazonalidade. b) Relao entre o Coeficiente de ngstrm () (calculado entre 440 e 870 nm) e a profundidade ptica do aerossol em 550 nm.. Foram utilizadas medidas do radimetro da AERONET operado em Buenos Aires, para o perodo a partir de outubro de 1999 at junho de 2007......................................................................................................................................46 Figura 4.1.10: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Crdoba, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................48 Figura 4.1.11: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Puerto Madryn, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................48 Figura 4.1.12: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Trelew, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................49 Figura 4.1.13: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nm em Crdoba na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens pela tarde (Aqua)....................................................................................50 Figura 4.1.14: a) Distribuies de tamanho das partculas do aerossol por sazonalidade. b) Relao entre o Coeficiente de ngstrm () (calculado entre 440 e 870 nm) e a profundidade ptica do aerossol em 550 nm. Foram utilizadas medidas do radimetro da AERONET operado em Crdoba, para o perodo a partir de outubro de 1999 at fevereiro de 2007...........................................................................................................................................50 Figura 4.1.15: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nm em Puerto Madryn na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens pela tarde (Aqua)....................................................................................51

Figura 4.1.16: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nn em Trelew na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens pela tarde (Aqua)....................................................................................51 Figura 4.2.1: Distribuio espacial dos valores de AOD em 550 nm no dia 247 de 2003 obtidos a partir do sensor MODIS. a) Abordo do satlite Terra; b) Abordo do satlite Aqua..........................................................................................................................................53 Figura 4.2.2: Distribuio espacial dos valores de AOD em 550 nm no dia 248 de 2003 obtidos a partir do sensor MODIS. a) Abordo do satlite Terra. b) Abordo do satlite Aqua..........................................................................................................................................53 Figura 4.2.3: Distribuio espacial dos valores de AOD em 550 nm no dia 249 de 2003 obtidos a partir do sensor MODIS. a) Abordo do satlite Terra. b) Abordo do satlite Aqua..........................................................................................................................................54 Figura 4.2.4: Passagem das 13:30 (UTC) no visvel do satlite Terra do dia 248 de 2003 (05/09/2003)..............................................................................................................................55 Figura 4.2.5: Passagem das 17:40 (UTC) no visvel do satlite Aqua do dia 248 de 2003 (05/09/2003)..............................................................................................................................55 Figura 4.2.6: Mdias das composies de dados do vetor vento (m/s), no nvel de 850 hPa., e da temperatura (C), no nvel de 1000 hPa sobre a Amrica do Sul. a) Climatologia de 20 anos de dados do ms de setembro; b) Mdia do perodo entre o dia 04 e 06 de setembro de 2003...........................................................................................................................................56 Figura 4.3.1: Variabilidade espacial de AOD a partir das passagens do Terra nos locais em estudo. a) Nmero de passagens no raio 30 km com coeficiente de variao de AOD maior ou menor que 1; b) Comparao entre os valores de DA e DP no raio 30 km, apenas para aqueles dias nos quais o coeficiente de variao menor que 1; c) Nmero de passagens no raio 50 km com coeficiente de variao de AOD maior ou menor que 1; d) Comparao entre os valores de DA e DP no raio 50 km, apenas para aqueles dias nos quais o coeficiente de variao menor que 1.............................................................................................................58 Figura 4.4.1: Qualidade dos dados de AOD do MODIS em Arica resoluo 100 km x 100 km. a) A partir das passagens do Terra no perodo de 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua no perodo de 2002-2008................................................................................................59 Figura 4.4.2: Qualidade dados de AOD do MODIS em Santiago. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008..........................................60 Figura 4.4.3: Qualidade dados de AOD do MODIS em Buenos Aires. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das

passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008.........................61 Figura 4.4.4: Qualidade dados de AOD do MODIS em Crdoba. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008..........................................62 Figura 4.4.5: Qualidade dados de AOD do MODIS em Puerto Madryn. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008.........................63 Figura 4.4.6: Qualidade dados de AOD do MODIS em Trelew. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008...............................................64 Figura 4.5.1: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Terra e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Santiago. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................66 Figura 4.5.2: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Terra e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Buenos Aires. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................67 Figura 4.5.3: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Terra e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Crdoba. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................68 Figura 4.5.4: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Aqua e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Crdoba. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................69 Figura 4.5.5: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Terra e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Puerto Madryn. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na

resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................71 Figura 4.6.1: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Arica. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples......................................................................................................................73 Figura 4.6.2: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Santiago. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples..................................................................................................74 Figura 4.6.3: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Buenos Aires. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples..................................................................................................75 Figura 4.6.4: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Crdoba. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples..................................................................................................76 Figura 4.6.5: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Puerto Madryn a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples..................................................................................................77 Figura 4.6.6: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Trelew. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples......................................................................................................................77 Figura 4.6.7: Mapas mostrando os tipos de aerossol da moda fina utilizados no algoritmo de obteno da profundidade ptica do aerossol sobre continentes para cada estao da AERONET, em diferentes pocas do ano. Em verde utilizado um modelo com albedo simples de aproximadamente 0,95 (no absorvedor), em azul de aproximadamente 0,90 (moderadamente absorvedor) e em vermelho de aproximadamente 0,85 (absorvedor). (Fonte: Levy et al. (2009a)....................................................................................................................78 Figura 4.6.8: Mapas mostrando os tipos de aerossol da moda fina utilizados no algoritmo de obteno da profundidade ptica do aerossol sobre continentes, em diferentes pocas do ano. Em verde utilizado um modelo com albedo simples de aproximadamente 0,95 (no absorvedor), e em vermelho de aproximadamente 0,85 (absorvedor). (Fonte: Levy et al. (2009a)......................................................................................................................................79

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.3.1: Nome da estao, sua localizao, altitude, nvel e perodo temporal de disponibilidade dos dados da AERONET................................................................................ 33 Tabela 3.4.1: Classificao da confiana de garantia de qualidade a partir do nmero de bits correspondente aos arquivos HDF dos produtos do aerossol do MODIS MOD04 e MYD04 para a regio em anlise..........................................................................................................33 Tabela 4.1.1: Nmero de dias com dados de AOD em cada zona de estudo para o MODIS a bordo dos satlites Terra e Aqua..............................................................................................38 Tabela 4.4.1: Quantidade de dados de AOD do MODIS com QAC = 3 comparados com a AOD da AERONET...................................................................................................................65

LISTA DE SIGLAS AERONET - AErosol RObotic NETwork

AOD - Aerosol Optical Depth

ASAS - Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul

ASPS - Anticiclone Subtropical do Pacfico Sul

CV - Coeficiente de Variao

DA - Diferena Absoluta

DP - Desvio Padro

FR - Forante Radiativa

GOES - Geostationary Operational Environmental Satellites

HDF - Hierarquical Data File

IAG - Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas

IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change

LIDAR - Light Detection and Ranging

LUT - Look Up Tables

MATLAB - MATrix LABoratory

MODIS - Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer

NASA - National Aeronautic Spacial Agency

NCAR - National Center for Atmospheric Research

NCEP - National Center for Environmental Prediction

QA - Quality Assurance

QAC - Quality Assurance Confiance

RADAR - Radio Detection and Ranging

TOA - Top Of Atmosphere

USP - Universidade de So Paulo

ZCIT - Zona de Convergncia Intertropical

SUMRIO

CAPTULO 1: INTRODUO....................................................................................01

1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO....................................................................................04

1.1.1 Objetivo General...............................................................................................04

1.1.2 Objetivos Especficos.........................................................................................04

CAPTULO 2: REVISO BIBLIOGRFICA...........................................................05

2.1 O AEROSSOL ATMOSFRICO.................................................................................05

2.2 OS EFEITOS DO AEROSSOL NO BALANO RADIATIVO TERRESTRE..........06

2.3 PROPRIEDADES RADIATIVAS DO AEROSSOL...................................................09

2.3.1 Teoria de Espalhamento Mie (ou de Llorentz-Mie)..........................................10

2.4 O SENSORIAMENTO REMOTO DOS AEROSSIS................................................14

2.4.1 Sensoriamento Remoto Superfcie..................................................................15

2.4.2 Sensoriamento Remoto de Satlites...................................................................17

2.5 CARACTERISTICAS DA REGIO DE ESTUDO....................................................18

2.5.1 Circulao Atmosfrica no sul da Amrica do Sul...........................................18

2.5.2 Descrio e caractersticas climticas dos locais de estudo............................20

2.5.3 Antecedentes das propriedades pticas do aerossol no sul da Amrica do Sul...................................................24

CAPTULO 3: MATERIAIS E MTODOS...............................................................28

3.1 MODIS - MODERATE RESOLUTION IMAGING SPECTRORADIOMETER.......28

3.2 AERONET - AEROSOL ROBOTIC NETWORK.......................................................30

3.3 FONTES DE DADOS E INFORMAO...................................................................33

3.4 METODOLOGIA.........................................................................................................34

3.4.1 Variabilidade Temporal do Aerossol................................................................34

3.4.2 Variabilidade Espacial do Aerossol..................................................................35

3.4.3 Quality Assurance (QA)....................................................................................36

3.4.4 Comparao da Profundidade ptica do Aerossol AERONET X MODIS.......37

3.4.5 Anlise do albedo simples e fator de assimetria...............................................37

CAPTULO 4: RESULTADOS E DISCUSSO.........................................................39

4.1 VARIABILIDADE TEMPORAL DO AEROSSOL....................................................40

4.2 ANLISE DE CASO EM BUENOS AIRES...............................................................54

4.3 VARIABILIDADE ESPACIAL DO AEROSSOL.......................................................59

4.4 QUALITY ASSURANCE (QA)...................................................................................61

4.5 COMPARAO ENTRE A PROFUNDIDADE PTICA DO AEROSSOL

DERIVADA A PARTIR DO MODIS (QA = 3) X AERONET...................................67

4.6 ANLISE DO ALBEDO SIMPLES E FATOR DE ASSIMETRIA...........................74

CAPTULO 5: CONCLUSES....................................................................................80

CAPTULO 6: REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS..............................................83

Captulo 1 - Introduo 1

CAPTULO 1: INTRODUO

As mudanas decorrentes nas concentraes dos gases de efeito estufa e dos aerossis

na atmosfera alteram o balano de energia do sistema climtico e so fatores que do origem

s mudanas climticas (IPCC, 2007). O quarto relatrio do Intergovernmental Panel on

Climate Change (IPCC) discute que este um fenmeno natural que tem sido acelerado pela

massiva interveno humana nos ciclos naturais do planeta. Assim, a modificao progressiva

do meio ambiente pela ao do homem afeta direta (emisses da fumaa) e indiretamente

(mudanas no uso do solo) a formao e as propriedades dos aerossis atmosfricos

predominantes. No entanto, o conhecimento do papel dos aerossis no clima atualmente

muito impreciso, e as predies futuras sobre seus efeitos climticos vm acompanhadas de

incertezas comparveis s prprias predies (Gimeno et al., 2002).

As partculas de aerossol so um constituinte importante da atmosfera, que tm um

impacto sobre a poluio do ar em escala local e regional, influenciando significativamente o

balano radiativo do sistema terra-atmosfera e o ciclo hidrolgico (Houghton et al. 2001).

Portanto, a quantificao precisa dos efeitos do aerossol sobre o balano radiativo requer o

conhecimento tambm preciso de suas propriedades pticas. O aerossol interage diretamente

com a radiao solar e terrestre, podendo provocar absoro e/ou espalhamento dessa

radiao, e indiretamente quando determinados tipos de aerossis, atuam como ncleos de

condensao de nuvens (CCN) (Seinfeld & Pandis, 1998), influindo, ento, nos processos de

precipitao e na mudana de refletividade das nuvens.

Conhecer a distribuio espacial e temporal dos aerossis em escala global

importante para entender a dinmica da formao do aerossol e a sua influncia nas condies

climticas globais (Tripathi et al., 2005). H uma grande variedade de fontes que geram

partculas de aerossol com diferentes tamanhos e propriedades fsicas e qumicas, sendo curto

seu tempo de permanncia na atmosfera, da ordem de uma semana. Por esse motivo, suas

propriedades pticas dependem fortemente das fontes emissoras (Holben et al., 1998), e

apresentam grande heterogeneidade espacial (Seinfeld & Pandis, 1998). Seu transporte a

longas distncias por correntes de ar pode favorecer a interferncia na qumica e na fsica da

atmosfera no somente em escala local, mas tambm em escalas regionais e at globais

(Freitas et al., 2005).

No caso das queimadas de biomassa, esta uma prtica comum na Amrica do Sul,

geradora de gases de efeito estufa e maior fonte de poluio atmosfrica em escala

Captulo 1 - Introduo 2

continental, a partir do desenvolvimento de medies de satlites, possvel obter uma viso

integrada da magnitude desse problema (Mielnicki et al., 2005a). Nas regies tropicais e

subtropicais da frica, Amrica do Sul, sudeste da sia e Austrlia esto localizados os

pases que mais queimam biomassa em todo o globo terrestre (Andreae, 1991; Prins et al.,

1998). O continente Sul Americano lana para a atmosfera aproximadamente 21 Tg ano-1 de

partculas de aerossis em decorrncia das atividades de queima de biomassa (Reid et al.,

2004), contribuindo com o 13% do material particulado emitido mundialmente (van der Werf

et al., 2006). Grandes quantidades de partculas de aerossol so emitidas para a atmosfera por

queimadas nas pocas secas, majoritariamente nas regies norte e central do Brasil, incluindo

a Amaznia. Uma frao significativa dessa camada de fumaa transportada para outras

localidades, como a poro sul da Amrica do Sul (Recuero, 2003).

Nesta regio, outra importante fonte a suspenso de poeira do solo e a emisso

antropognica urbana devido ao trfego intenso de veculos, como acontece em Santiago, no

Chile, por exemplo, (Artaxo et al., 1999). Outras fontes que se destacam so as de origem

marinha e poeira do deserto de Atacama, em Arica (Chile), alm das indstrias minerais perto

da cidade (Otero et al., 2006c). Entretanto, mesmo em locais que compartilham do mesmo

tipo terico de aerossol, por exemplo, urbano/industrial, a variabilidade em muitos casos

bastante acentuada (Dubovik et al., 2002).

Como as partculas do aerossol tm uma participao muito importante sobre o clima

da Terra, existe um interesse mundial para caracterizar suas propriedades e seus efeitos

atravs de tcnicas de sensoriamento remoto (Levy et al., 2007). Estabelecer climatologias e

caracterizaes das distribuies espaciais dos aerossis na atmosfera possvel mediante o

monitoramento de longo prazo e em escala global (Holben et al., 2001); isto, atravs do uso

conjunto de redes de monitoramento em superfcie e medidas abordo de satlites (Ichoku et

al., 2005).

Desde o lanamento do sensor com resoluo moderada, o MODIS (Moderate

Resolution Imaging Spectroradiometer), a bordo dos satlites Terra (ao final do ano 1999) e

Aqua (comeo do ano 2002), cujos instrumentos medem a radincia espectral em 36 canais,

nas resolues entre 250 m e 1 km (no nadir), os dados recuperados de aerossol do MODIS

tm sido utilizados para responder questes cientficas acerca da radiao e do clima, mas

tambm para aplicaes tais como monitoramento da qualidade do ar na superfcie (Levy et

al., 2007). Entretanto, o sensoriamento remoto em superfcie, pela sua simplicidade e maior

acurcia para estimar as propriedades microfsicas e pticas da coluna de aerossis em uma

determinada regio (Kaufman et al., 1994; Holben et al., 1998, 2001), tem sido a ferramenta

Captulo 1 - Introduo 3

referncia no monitoramento do aerossol (Holben et al., 2001). Uma delas a rede mundial

concebida e operada pela National Aeronautic Spacial Agency (NASA Goddard Space Flight

Center) para caracterizar e monitorar as propriedades pticas do aerossol, AERONET

(Aerosol Robotic Network) (Holben et al., 1998), que atualmente opera com mais de cem

radimetros instalados em diversas partes do globo. Os radimetros so fabricados pela Cimel

e realizam medies automticas de radincia espectral solar direta do sol e difusa do cu, em

diferentes geometrias e comprimentos de onda. Assim, dados de fotmetros solares em terra,

especialmente da AERONET, so utilizados para a validao das medidas obtidas a partir das

passagens dos satlites.

As propriedades pticas do aerossol na Amrica do Sul no tm sido muito estudadas,

por isso de grande interesse analis-las especificamente ao sul da Amrica do Sul.

Considerando que h estaes da AERONET instaladas no Chile e na Argentina, que se

pretendeu analisar os dados disponveis com o objetivo de avaliar a qualidade das observaes

feitas pelo sensor MODIS nessa regio.

Captulo 1 - Introduo 4

1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO

1.1.1 Objetivo General

O objetivo deste trabalho foi a anlise das propriedades pticas do aerossol em

diferentes localidades do Chile e Argentina utilizando-se distintas plataformas de medidas

como radimetros instalados em superfcie pertencentes AERONET (Aerosol Robotic

Network) (Holben et al., 1998), e o sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging

Spectroradiometer) a bordo dos satlites Terra e Aqua (Kaufman et al., 1997a, Remer et al.,

2005). Pretendeu-se avaliar a evoluo temporal do aerossol, e com o sensor MODIS, outro

objetivo analisar a variabilidade espacial da profundidade ptica do aerossol sobre o sul da

Amrica do Sul.

1.1.2 Objetivos Especficos

Analisar as propriedades pticas do aerossol em diferentes localidades do Chile e da

Argentina.

Avaliar a evoluo temporal do aerossol, existncia de sazonalidade e verificar a

possvel influncia do aerossol de queimadas.

Analisar a variabilidade espacial da profundidade ptica do aerossol sobre a poro sul

da Amrica do Sul, atravs dos dados do MODIS.

Avaliar a qualidade dos dados do MODIS sobre o sul da Amrica do Sul utilizando os

dados da AERONET.

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 5

CAPTULO 2: REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 O AEROSSOL ATMOSFRICO

Os aerossis atmosfricos so pequenas partculas slidas ou lquidas em suspenso na

atmosfera, que contm compostos orgnicos e inorgnicos de origem antropognica, bem

como de fontes naturais (Lang-Yona et al., 2010). O tamanho dessas partculas pode variar

entre 0,001 a 100 m (Seinfeld & Pandis, 1998). Sua composio e tamanho dependem das

fontes de emisso e de processos fsico-qumicos que ocorrem na atmosfera. Um modelo

clssico de distribuio por tamanho das partculas atmosfricas apresentado na figura 2.1.1

que mostra uma distribuio trimodal, com indicao dos respectivos processos de formao,

transformao e remoo da atmosfera.

Os aerossis podem ser emitidos diretamente na atmosfera (aerossis primrios) a

partir de vrias fontes, tais como a queima de combustveis fsseis, a queima de biomassa, as

emisses vulcnicas, a poeira do solo transportada pelo vento, o sal marinho, e de materiais

biolgicos (plen, bactrias, etc.) (Seinfeld & Pandis, 2006). As partculas de origem

secundria so formadas indiretamente na atmosfera por meio de processos de converso gs-

partcula (Raes et al., 2000), isto , pela condensao de compostos em fase gasosa em

partculas pr-existentes, a nucleao homognea de compostos volteis ou semi-volteis para

formar partculas em escala nanomtrica, ou por reaes heterogneas e de fase mltipla

(Finlayson-Pitts & Pitts, 2000; Seinfeld & Pandis, 2006).

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 6

Figura 2.1.1: Esquema da Distribuio de Tamanho do aerossol atmosfrico. (Fonte: adaptado de Finlayson-Pitts & Pitts, 2000).

O perodo de permanncia dos aerossis na atmosfera pode variar de minutos a

semanas, entretanto, as partculas presentes na estratosfera (por exemplo, produto do

transporte de emisses vulcnicas) podem alcanar tempo de residncia de at anos (Horvath,

2000). Assim, os aerossis podem ser transportados pela circulao atmosfrica, afetando

regies remotas s fontes (Yamasoe, 1999; Horvath, 2000).

2.2 OS EFEITOS DO AEROSSOL NO BALANO RADIATIVO TERRESTRE

A energia radiante instantnea incidente perpendicularmente a uma unidade de rea

(irradincia) localizada a uma distncia mdia entre o Sol e a Terra denominada constante

solar (S0). Existe uma pequena variao nos valores de S0 adotados por diferentes

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 7

pesquisadores, avaliados entre 1350 Wm-2 a 1370 Wm-2 (Liou, 2002; Thomas & Stamnes,

1999; Seinfeld & Pandis, 1998). A quantidade mdia de energia incidente sobre uma

superfcie plana, fora da atmosfera, ao longo do ano a cada 24 horas de aproximadamente

um quarto do total da irradincia solar, ou 342 Wm-2 (Trenberth & Stepaniak, 2004).

Aproximadamente 31% desta energia espalhada ou refletida de volta para o espao, esta

frao denominada albedo planetrio e contribuem para ela os efeitos das nuvens (~17%),

da superfcie terrestre (~6%) e das molculas e partculas (aerossol) naturalmente presentes na

atmosfera (~7%), que deixam 235 Wm-2 para aquecer a superfcie terrestre e a atmosfera.

Figura 2.2.1: Balano de energia global do sistema terra-atmosfera (Fonte: Kiehl & Trenberth, 1997)

Para equilibrar a energia recebida, a Terra deve irradiar a mesma quantidade de

energia de volta para o espao (figura 2.2.1), e 235 Wm-2 corresponde radiao de corpo

negro a uma temperatura de aproximadamente 254 K (Trenberth & Stepaniak, 2004). A

energia solar incidente que absorvida pelo sistema Terra-atmosfera deve ser contrabalanada

por uma quantidade igual de energia emitida no infravermelho termal, de modo a atingir o

equilbrio do clima (Liou, 2002).

Os aerossis modificam o balano de energia terra-atmosfera atravs do espalhamento

e absoro de radiao, chamado de efeito direto (Charlson et al., 1992), alterando a

termodinmica atmosfrica e a formao de nuvens (o chamado efeito semidireto) (Koren et

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 8

al., 2004), e tambm mudando a microfsica de nuvens, denominado de efeito indireto

(Rosenfeld & Lensky, 1998). As mudanas positivas ou negativas do balano de energia por

efeito desses fatores se expressam em termos de forantes radiativas (FR), que a magnitude

utilizada para comparar as influncias de natureza trmica sobre o clima mundial (IPCC,

2007). As FRs positivas tendem a aquecer a superfcie da Terra e a baixa atmosfera, e as

forantes negativas tendem a esfri-las, sendo as principais FRs o Sol, o albedo terrestre, os

gases de efeito estufa, os aerossis e as nuvens.

Figura 2.2.2: Estimativa de forantes radiativas do clima entre 1750 e 2005, para diferentes agentes, naturais e antropognicos. (Fonte: IPCC 2007)

O foramento radiativo dos aerossis um componente crtico do clima global e

regional devido sua influncia na superfcie terrestre e nos processos atmosfricos da

camada limite (Yu et al., 2002), nas temperaturas da superfcie global, no clima e no ciclo

hidrolgico (Ramanathan et al., 2001), e nos ecossistemas (Chameides et al., 1999). O

resfriamento por aerossis antropognicos pode ser comparvel em magnitude ao

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 9

aquecimento de gs de efeito estufa em escala global, mas pode ser muito maior em uma

escala regional (IPCC, 2001). No entanto, subsistem incertezas substanciais para o efeito

direto e ainda muito maior para o efeito indireto (Anderson et al., 2003).

A figura 2.2.2 compara a forante radiativa para gases de efeito estufa e outros

agentes, mostrando os valores da FR para o perodo entre 1750 a 2005. O maior componente,

de 1,66 Wm-2, deve-se ao aumento da concentrao de dixido de carbono na atmosfera.

Outros gases do efeito estufa contribuem com 0,98 Wm-2. Os demais componentes so de

magnitude de poucos dcimos de Wm-2. Por exemplo, as partculas de aerossis

(principalmente do resultado das emisses industriais de dixido de enxofre) tm produzido

uma FR de -0,5 Wm-2, negativo, reforando o albedo planetrio.

Os clculos do efeito direto dos aerossis tm um elevado nvel de incerteza, apesar de

ser o grande foco cientfico nas ltimas dcadas (IPCC, 2007). Estimativas do IPCC apontam

que o impacto global desse efeito no sentido de resfriamento do sistema terra-atmosfera com

valores entre -0,2 e -1,5 Wm-2, que atuam de forma a mascarar parte do aquecimento induzido

pelos gases do efeito estufa. No entanto, determinados tipos de aerossis (black carbon)

apresentam uma forante radiativa positiva estimada entre 0,16 e 0,42 Wm-2 (Haywood &

Boucher., 2000). Bellouin et al. (2005) estimaram a forante radiativa direta (FRD) dos

aerossis globais em 2002, com base em medies por satlite. Eles calcularam uma FRD de -

0,8 Wm-2 com um desvio padro (DP) de 0,1 Wm-2. Um estudo recente da FRD desde o

tempo pr-industrial forneceu novas estimativas com base em nove modelos globais de

aerossis (AeroCom) (Schulz et al., 2006). O estudo AeroCom estimou uma FRD global

anual de -0,2 Wm-2 com um desvio padro de 0,2 Wm-2. Estes estudos salientam a grande

incerteza ainda conectada com o efeito radiativo direto dos aerossis antropognicos na

atmosfera.

2.3 PROPRIEDADES RADIATIVAS DO AEROSSOL

No caminho percorrido pela radiao h interao com os aerossis e atravs desta

pode-se estimar a quantidade de aerossol presente na atmosfera. O efeito radiativo dos

aerossis estimado resolvendo-se a equao de transferncia radiativa ETR (Thomas &

Stamnes, 1999) e requer as propriedades pticas das partculas tais como: profundidade

ptica do aerossol )( , funo de fase ),( P e albedo simples )( .

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 10

2.3.1 Teoria de Espalhamento Mie (ou de Llorentz-Mie)

A teoria Mie, para a extino de radiao, descreve a interao de ondas

eletromagnticas de comprimento de onda ( ) com partculas esfricas homogneas. Esta

interao depende do parmetro de tamanho (X), que a razo entre o tamanho da partcula e

o comprimento de onda da radiao incidente, e do seu ndice de refrao complexo (m). A

teoria desenvolvida baseando-se em:

H uma forte e complexa dependncia da radincia espalhada com o ngulo de

observao, dependncia que aumenta conforme a razo entre o tamanho da partcula

e o comprimento de onda da radiao incidente aumenta (figura 2.3.1).

As partculas tendem a possuir o espalhamento frontal mais intenso que o traseiro, tal

comportamento ser mais significativo quanto maior for o parmetro de tamanho das

partculas.

A dependncia do espalhamento com o comprimento de onda diminui com o aumento

do tamanho das partculas, motivo pelo qual as nuvens, cujos centros de espalhamento

so gotculas de gua ou cristais de gelo de tamanho significativo, so brancas.

A teoria Mie pode ser utilizada para descrever a interao da radiao com partculas

de um tamanho qualquer; no entanto, ela costuma ser utilizada quando o tamanho das

partculas da mesma ordem de grandeza do comprimento de onda da radiao incidente.

comum definir o regime de espalhamento Mie quando 0,1 X 50 (Wallace & Hobbs, 2006).

Quando X 1 entra-se no regime

da ptica geomtrica.

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 11

Figura 2.3.1: Distribuio angular da radiao espalhada para partculas esfricas de diferentes tamanhos, a) por partculas muito pequenas com relao ao comprimento de onda da radiao incidente. b) por partculas maiores; c) por partculas muito maiores que o comprimento de onda da radiao incidente. (Fonte: Liou, 2002)

A composio qumica do aerossol determina suas propriedades radiativas,

especialmente atravs do ndice de refrao complexo ( )(m ), que uma grandeza que

depende do comprimento de onda. A parte real (n) do ndice que determina o desvio da onda

incidente; portanto maior o ndice, maior o efeito da partcula sobre a radiao incidente. A

parte imaginria (ki) determina a sua capacidade de absoro de radiao, quanto mais

absorvedora for uma partcula, maior o valor da parte imaginria.

Funo de Fase e Fator de Assimetria

A funo de fase ( P ) o parmetro que descreve a dependncia angular da radincia

espalhada pela partcula, e pode ser escrita por:

=

0

),,,(

),,,(),,,(

dsenmXL

mXLmXP (2.3.1)

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 12

onde a integral da funo de fase em uma esfera centrada na partcula 4 :

4),,,(2

0 0

= ddsenmXP (2.3.2)

onde o ngulo azimutal, corresponde ao ngulo formado entre a direo incidente e a

emergente. Para 0= a radincia L espalhada na mesma direo que a radincia incidente

(espalhamento frontal) e para 180= tem-se a inverso da direo incidente (ou retro-

espalhamento).

O parmetro de assimetria g definido como:

=1

1

)(coscos)(cos2

1dPg (2.3.3)

o qual um importante parmetro na avaliao do espalhamento de partculas, derivado

diretamente da funo de fase. Este parmetro corresponde ao valor mdio do cosseno do

ngulo de espalhamento, ponderado pela funo de fase, que descreve o grau de assimetria do

espalhamento (Liou, 2002). Os valores de g podem variar entre -1 a 1 e alguns valores

possuem interpretao imediata:

g = 1, espalhamento completamente frontal

g = -1, espalhamento completamente traseiro

g = 0, espalhamento simtrico

Coeficiente Linear de Extino

O coeficiente linear de extino )'(, sext uma medida da atenuao da radiao

provocada por um conjunto de partculas no meio.

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 13

Albedo Simples

O albedo simples ,0 um parmetro que quantifica quanto da radiao atenuada ou

extinta pelos aerossis sofreu espalhamento, isto , a frao da radiao que foi atenuada por

espalhamento ao interagir com as partculas de aerossol. O albedo simples ,0 pode ser

expresso a partir do coeficiente linear de extino:

)'(

)'(

)'()'(

)'(

,

,

,,

,,0 s

s

ss

s

ext

esp

absesp

esp

=

+= = (2.3.4)

Profundidade ptica de Extino

A profundidade ptica de extino do aerossol definida como a integrao do

coeficiente linear de extino ao longo de um caminho ptico (s) definido na vertical.

=s

exta sds )'()'(,, (2.3.5)

onde denota o topo da atmosfera, definida como sendo a altura onde no ocorre interao

significativa entre o meio e a radiao e, por definio, a profundidade ptica no topo da

atmosfera nula. O termo s denota a extenso do caminho ptico considerado desde o topo

da atmosfera.

Coeficiente de ngstrm

O coeficiente de ngstrm ),( 21 permite avaliar o tamanho mdio das partculas

de aerossol que interagem com o feixe de radiao solar quando o mesmo atravessa a

atmosfera. ngstrm em 1929 sugeriu a seguinte aproximao emprica conhecida como

frmula de turbidez de ngstrm para descrever a dependncia espectral da profundidade

ptica do aerossol (Iqbal, 1983; Mc Arthur et al., 2003):

=,a (2.3.6)

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 14

onde o coeficiente de turbidez, representa a quantidade de aerossol na coluna

atmosfrica. Para igual a 1 m equivalente AOD neste comprimento de onda. O

usualmente denominado coeficiente de ngstrm e est relacionado com a distribuio de

tamanho das partculas (Iqbal, 1983). Altos valores de indicam maior presena de

partculas da moda fina e valores de prximos a zero indicam predomnio de partculas

grandes. Os parmetros e podem ser determinados simultaneamente a partir da AOD

obtida em dois comprimentos de onda diferentes. Utilizando medies nos diversos canais

que compem os fotmetros e a frmula sugerida por ngstrm, as redes que monitoram o

aerossol obtm valores de atravs da seguinte expresso:

)/ln(

)/ln(),(

21

,,21

21

aa= (2.3.7)

2.4 O SENSORIAMENTO REMOTO DOS AEROSSIS

O termo sensoriamento remoto em um sentido geral refere-se s medies realizadas

distncia, adquirindo informaes de um objeto sem interagir diretamente com ele. A

informao transportada do observado ao observador por meio de ondas que so geralmente

eletromagnticas ou sonoras (Lenoble, 1993). O sensoriamento remoto envolve a

interpretao e a inverso da radiao eletromagntica medida a certa distncia, onde a

radiao caracterizada por um comprimento de onda especfico que sensvel a algum

aspecto fsico do meio (Liou, 2002). O sensoriamento remoto dos aerossis visa obteno de

parmetros pticos e fsicos necessrios para a correta aferio do papel dos aerossis no

sistema Terra-atmosfera. A obteno realizada de forma indireta atravs da captao,

realizada por instrumentos, da radiao eletromagntica refletida ou espalhada pelas

partculas. De maneira geral, esses instrumentos so denominados de radimetros ou sensores,

ou seja, so instrumentos capazes de realizar medies de uma dada grandeza radiomtrica

(como a radincia ou irradincia) em diferentes faixas espectrais.

Em geral, o sensoriamento remoto dos aerossis realizado atravs de medies

realizadas por instrumentos presentes em superfcie, aeronaves ou satlites, cada uma com

suas vantagens e desvantagens (Charlson, 2001).

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 15

2.4.1 Sensoriamento Remoto Superfcie

A profundidade ptica do aerossol uma varivel que permite avaliar remotamente a

carga de aerossis na atmosfera a partir de instrumentos em superfcie. Esta varivel

utilizada nas investigaes locais para caracterizar aerossis, avaliar a poluio atmosfrica e

fazer as correes atmosfricas de satlites de sensoriamento remoto de dados. por estas

razes que registros da profundidade ptica do aerossol abrangendo a maior parte do sculo

20 tm sido efetuados a partir de fotmetros solares (Holben et al., 2001). O monitoramento

de aerossis atmosfricos feito por medidas in situ realizadas em superfcie fornece resultados

localizados e representativos somente dos nveis atmosfricos mais prximos da superfcie,

pois vrias caractersticas das partculas de aerossol podem apresentar variaes na vertical

(Yamasoe, 1999). Alm disso, geralmente as medidas realizadas em aeronaves e na superfcie

podem alterar as propriedades das partculas, seja por sec-las ou por causa da volatilizao

de certos compostos constituintes das partculas de aerossol.

A vantagem da fotometria que permite a determinao de parmetros micro-fsicos

das partculas presentes em toda a coluna vertical da atmosfera em condies ambientais, ou

seja, sem alterar o ambiente ou as partculas nele inseridas alm de propiciar estudos de longo

prazo. A desvantagem da fotometria solar est na falta de informaes quanto distribuio

vertical das partculas de aerossol (Yamasoe, 1999). Os instrumentos empregados na tcnica

de fotometria solar, atualmente, so constitudos por um radimetro capaz de medir o

componente direto da radiao solar incidente (figura 2.4.1) por um estreito campo de viso

(da ordem de 1 a 3) passando tambm por filtros de interferncia com bandas de transmisso

estreitas, da ordem de 6,0 a 10 nm (Rollin, 2010). Outros instrumentos so capazes de estimar

o componente direto espectral da radiao solar empregando tcnicas de sombreamento do

disco solar, sem restringir o campo visual de deteco, denominados como radimetros multi-

espectrais com anel de sombreamento (Harrison & Michalsky, 1994).

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 16

Figura 2.4.1: Geometria de um radimetro em superfcie para a medio da radincia direta do sol (Fonte: Liou, 2002)

Algumas redes mundiais de monitoramento da atmosfera empregam fotmetros

solares e radimetros multi-espectrais, das quais se destaca a rede Aerosol Robotic Network

(AERONET) (Holben et al., 1998) pertencente NASA (National Aeronautics and Space

Administration/Goddard Space Flight Center). Os dados de AOD da AERONET so

utilizados neste trabalho para validar os dados de AOD recuperados pelo MODIS,

empregando fotmetros solares Cimel Eletronique em algumas localidades no sul da Amrica

do Sul. A AERONET possui centenas de estaes em todo mundo e os instrumentos so

calibrados anualmente em centro especializado onde so reavaliados diante de instrumentos

de referncia (Holben et al., 1998). Redes desse tipo so capazes de obter diversos parmetros

pticos e fsicos relacionados aos aerossis como seu albedo simples, distribuio de

tamanho, ndice de refrao complexo e profundidade ptica, mas possuem a desvantagem de

obter apenas a dependncia temporal destes parmetros, pois seu alcance apenas local. No

caso das medies realizadas a bordo de aeronaves, possvel estender as caractersticas

discutidas no caso das observaes de superfcie para uma rea de atuao maior, mas os altos

custos impedem que os parmetros sejam obtidos em grandes extenses de rea e para

grandes perodos de tempo. Por ltimo, os satlites apresentam a vantagem de oferecer

cobertura global, mas em contrapartida so incapazes de realizar medies de vrios

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 17

parmetros como o albedo simples, a distribuio de tamanho e outros. Em geral, os satlites

so capazes de fornecer informaes com relao profundidade ptica do aerossol, o

coeficiente de ngstrm e o raio efetivo das partculas.

2.4.2 Sensoriamento Remoto de Satlites

Recentemente, uma srie de satlites de baixa altitude (por exemplo, Terra, Aqua,

Aura) foi lanada como parte do Sistema de Observao da Terra (EOS) que fornece dados de

mltiplos instrumentos. Estes instrumentos fornecem uma oportunidade para realizar

observaes, em escala global, da superfcie terrestre, biosfera, atmosfera e oceanos. Os dados

coletados so usados para estimar perfis de temperatura atmosfrica, propriedades de

aerossis, nuvens, ou da cobertura vegetal. Atingir estimativas precisas um requisito

essencial para o sucesso dos estudos cientficos decorrentes.

A radincia observada pelos sensores a bordo de satlites tem origem em diversas

fontes (Figura 2.4.2).

Figura 2.4.2: Vrios caminhos da radincia recebida por um sistema de sensoriamento remoto de satlites (Fonte: Wang et al., 2008)

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 18

Na figura 2.4.2 observa-se: no caminho 1 a radincia solar que foi atenuada pouco

antes de chegar superfcie e refletida de volta para a atmosfera; no caminho 2 a radincia

que nunca atinge a superfcie da Terra por causa do espalhamento na atmosfera, sendo uma

certa quantidade de radiao detectada pelo sistema do sensor; no caminho 3 a radiao solar,

que sofreu espalhamento e absoro talvez um pouco antes de atingir a superfcie e no

caminho 4 a radiao que foi refletida por superfcie vizinha ao campo de viso do sensor.

O sensoriamento remoto da profundidade ptica do aerossol (AOD) baseia-se no

conceito de que a radiao solar modificada pelos aerossis enquanto atravessa a atmosfera.

No entanto, a radiao total observada pelo sensor do satlite a combinao de radincia

refletida tanto pela atmosfera quanto pela superfcie (figura 2.4.2). Para estimar a AOD

usando observaes por satlite, necessrio determinar com preciso a

quantidade exata de radiao refletida pela atmosfera (caminho 2, na figura 2.4.2), que

transmite as informaes diretamente relacionadas com a AOD. Nesse caso, a radiao

refletida pela superfcie (caminhos 1, 3 e 4 da figura 2.4.2) considerada como um rudo

indesejado (Wang et al., 2008). Apesar do sensoriamento remoto dos aerossis via satlite

apresentar desvantagens, trata-se do nico meio disponvel para realizar o monitoramento das

partculas em todo globo e por isso constitui uma fonte de dados que no deve ser desprezada.

Este aspecto se torna importante levando-se em conta o fato de os aerossis possurem curto

tempo de permanncia na atmosfera e de possurem alta variabilidade espacial e temporal de

suas propriedades (Remer et al., 2005). Dessa forma, qualquer melhoria das capacidades do

sensoriamento remoto via satlite importante.

2.5 CARACTERISTICAS DA REGIO DE ESTUDO

2.5.1 Circulao Atmosfrica no sul da Amrica do Sul

O continente sul-americano possui uma orografia singular estendendo-se desde os

trpicos at altas latitudes e apresenta uma das montanhas mais altas do mundo, a Cordilheira

dos Andes, que tem uma altura mdia de 4000m, que acompanha toda a costa do Pacfico

contribuindo em gerar uma grande diversidade de climas nos seus 17,6 milhes de km2

(Ambrizzi et al., 2006). Uma das conseqncias mais importantes da presena dos Andes o

bloqueio imposto aos ventos de oeste e a canalizao do fluxo meridional da baixa troposfera

sobre o continente (Gan & Rao, 1994; Garreaud &Wallace, 1998).

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 19

Do lado oeste da cordilheira, nas latitudes tropicais, o clima controlado

principalmente pela Zona de Convergncia Intertropical (ZCIT) e pelo Anticiclone

Subtropical do Pacfico Sul (ASPS). A subsidncia associada ao ASPS e o escoamento dos

baixos nveis transporta pouca umidade para a costa subtropical da Amrica do Sul e sustenta

a corrente ocenica de Humboldt, transportando guas frias do sul ao longo da costa e

mantm as guas costeiras relativamente frias nessas latitudes, inibindo o deslocamento para o

sul da ZCIT (Nieuwolt, 1977). por isto (e tambm por estar sob a poro subsidente do

ASPS) que o sul do Peru e a metade norte do Chile (entre o equador e 20S) compem uma

das regies mais ridas do planeta, um enorme contraste com a regio tropical mida do lado

leste da cordilheira. O ASPS bastante forte e persistente ao longo do ano (Trewartha, 1961),

seu centro se localiza entre 25 a 30 S e 90 a 105 O e sua influncia tipicamente atinge os

38 S, podendo penetrar at o sul alm dos 45S, durante o vero austral (Fuenzalida, 1971).

Os ventos alsios associados ao ASPS tm orientao SSO, mas nos nveis mais baixos so

defletidos pela cordilheira assumindo orientao paralela costa, provocando ressurgncia e

baixando a temperatura da superfcie do mar j fria (Nieuwolt, 1977). O que tambm

contribui para que o norte do Chile seja uma das regies mais ridas caracterizada pela

escassez de precipitaes. A zona central apresenta chuvas abundantes no inverno e, devido

ao enfraquecimento do anticiclone, predomina a atividade ciclnica o que permite a passagem

de sistemas frontais. Os veres so secos, pois quando o ASPS est mais intenso atingindo

latitudes maiores (Satyamurty et al., 1998). Na regio sul do Chile os veres apresentam

precipitaes, mas em quantidades menores do que no inverno, pois os ventos de oeste esto

mais constantes e mais frequente a passagem de ciclones formados sobre o Pacfico Sul,

muitas vezes barrados pela cordilheira dos Andes (Trewartha, 1961).

No lado leste da Amrica do Sul a situao oposta: os ventos quentes e midos

gerados pelo Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul, o efeito frontogentico e ciclogentico

a sotavento dos Andes e a canalizao do fluxo meridional permite a propagao meridional

de sistemas migratrios (Gan & Rao, 1994) e, como consequncia, a intensa troca de massas

de ar entre os trpicos e as latitudes mdias. No extremo sul da Amrica do Sul, a distribuio

sazonal de precipitao proporcionalmente equivalente mesma latitude a oeste da

cordilheira. medida que avana em direo costa atlntica, no entanto, o volume anual de

chuva cai para ndices de deserto causados pela circulao em altos nveis (Dewes, 2007). No

centro-leste da Argentina, Uruguai e Rio Grande do Sul (a bacia do Rio da Prata), o

escoamento de altos nveis torna-se ciclnico, e os sistemas ciclnicos formados nessa latitude

so fortalecidos pelo encontro com massas de ar tropical e pela convergncia de ar prximo

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 20

costa atlntica (Trewartha, 1961). sobre esta rea que se formam as frentes frias, principal

determinante do regime de precipitao anual, sendo mais frequentes nos perodos de outono

e inverno, e aumentando ligeiramente o volume pluviomtrico. No vero, alm da passagem

de frentes frias mais rpidas, esta regio recebe precipitao de sistemas convectivos

formados sobre o norte da Argentina, a Baixa do Chaco, devido ao intenso aquecimento desta

plancie. O deslocamento das massas de ar de origem tropical at latitudes mdias pode estar

associado Baixa do Chaco (Ratisbona, 1976) e ao ASPS. Entre esses dois sistemas se

estabelece um corredor de ventos de norte que transporta ar de origem tropical para latitudes

mdias (Seluchi & Marengo, 2000).

Estas caractersticas da circulao da Amrica do Sul influenciam os sistemas frontais

que conseguem avanar at latitudes subtropicais no vero, j que frequentemente so

acompanhados por intensas precipitaes devido grande quantidade de umidade disponvel e

as condies de instabilidade predominantes. Em geral, estes sistemas se tornam mais lentos e

tendem a estacionar em torno de 20-25 S, misturando-se com a ZCAS (Nogus-Peagle &

Mo, 1997; Garreaud & Wallace, 1998).

2.5.2 Descrio e caractersticas climticas dos locais de estudo

As localidades consideradas para analisar as propriedades pticas do aerossol ao sul da

Amrica do Sul esto localizadas nas regies Norte e Centro do Chile, e nas regies

Pampeana e Patagnica, na Argentina (Figura 2.5.2), cujas caractersticas geogrficas e

climticas so descritas a seguir.

Arica localiza-se na regio de Arica e Parinacota no Chile, entre 1828S de latitude e

7018O de longitude, a uma elevao de 2 m abrange uma superfcie de 4.799 km e uma

populao de 185.268 habitantes. Possui um clima desrtico costeiro, caracterizando-se pela

nebulosidade estratocumuliforme que se forma em horrio noturno, dissipando-se durante o

transcurso da manh, denominada Camanchaca. Apresenta temperaturas baixas e

homogneas, e escassez de precipitaes, aproximadamente 1 mm anual. A temperatura

mdia alta de 22,1 C e a mdia baixa de 15,8 C. A topografia caracterstica de Arica

complexa, caracterizada por uma serra de direo Norte-Sul que atua como parede,

encerrando Arica contra o mar e impedindo a circulao de ventos no interior da zona, isto

somado presena do Morro de Arica no setor sul da cidade. Trata-se de uma zona costeira,

exposta a fenmenos de escala local, produto das diferenas de aquecimento entre o mar e o

continente, brisa marinha (no perodo diurno) e a brisa terrestre (no perodo noturno), com

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 21

ventos prevalecentes de SO y velocidade mdia anual de 2,8 m/s. Em Arica, os maiores

aportes, em termos de Material Particulado (PM10) e Dixido de Enxofre (SO2), provm da

atividade industrial, enquanto os maiores aportes de xidos de Nitrognio (NOx) e Monxido

de Carbono (CO), tm origem no trfego veicular. Alm das contribuies de aerossol

industrial e urbano, existe uma mistura de poeira e spray marinho, devido a sua proximidade

ao deserto de Atacama e ao oceano Pacfico (Otero et al., 2006c).

Figura 2.5.2: Distribuio espacial das regies consideradas para a anlise da profundidade ptica do aerossol

A bacia de Santiago (3329S, 7045O) se localiza na borda ocidental da Amrica do

Sul subtropical, a uma elevao de 520 m, do lado oeste da cordilheira dos Andes e a uns 100

km de distncia da cordilheira da Costa. A rea da regio Metropolitana de Santiago excede

os 15.000 km2, com uma populao aproximada de 6,2 milhes de habitantes (Silva et al.,

2003). O Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul exerce sua influncia nessa regio durante

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 22

quase a totalidade do ano, resultando uma persistente inverso trmica de subsidncia e um

clima semi-rido com precipitaes anuais de aproximadamente 400 mm, que ocorrem nos

meses de inverno, temperaturas mnimas anuais de -2,0 C e mximas anuais de 35,0 C, e

ventos que prevalecem do SO com velocidade mdia de 3,2 m/s. Esses fatores climatolgicos

desfavorveis para a disperso de contaminantes, as caractersticas geogrficas da cidade e os

altos nveis de emisses de poluentes antropognicos fazem de Santiago uma das cidades mais

poludas da Amrica do Sul por partculas em suspenso e gases (SOx, COV, CO, etc) durante

o perodo de inverno (maio-setembro). Nos meses de vero o maior aquecimento superficial

permite quebrar a inverso trmica sobre a bacia nas horas da tarde, melhorando

significativamente a ventilao da cidade (Garreaud & Rutllant, 2006).

Buenos Aires (3438S, 5828O) est localizada na margem sul do rio de La Plata

aproximadamente a 160 km do Oceano Atlntico. A cidade se estende sobre uma vasta

plancie (elevao entre 1 e 27 m), cobrindo uma superfcie de 200 km2 e tem uma populao

de cerca de 3 milhes de pessoas (Bocca et al., 2006). Seu clima temperado o ano todo, com

uma temperatura mdia anual de 18,0 C, sendo julho o ms mais frio do ano, e o vero

quente e mido, sendo as precipitaes frequentes nos meses de outono e primavera, com

velocidades de vento anual de 4,3 m/s e direo E-NE. Os veculos constituem a principal

fonte de poluentes atmosfricos, entretanto, devido s favorveis caractersticas geogrficas e

meteorolgicas da cidade, os nveis de poluio no apresentam condies severas como

ocorre em outras metrpoles latino-americanas. A geografia e o vento beneficiam a cidade, j

que est localizada em uma plancie aberta que favorece a circulao do ar. Nesta regio, alm

da contribuio do aerossol de queimada que transportado desde o norte da Amrica do Sul,

h contribuies locais diferentes na regio Pampeana da Argentina: a queima de biomassa

no perodo agosto-setembro, produzida principalmente pela queima de cobertura florestal, e

no perodo janeiro-maro, pela queima de pastagens (Mielnicki et al., 2005a and 2005b).

Crdoba est localizada em 3124S de latitude e longitude 6411O, 440 m acima do

nvel do mar, com uma superfcie de 576 km2 e populao aproximada de 1,4 milhes de

habitantes. caracterizada por um clima sub-mido, com precipitao mdia anual de 790

mm concentrados principalmente no vero. A temperatura mdia anual de 17,4 C, sendo o

ms de janeiro o mais quente, com temperatura mdia mxima de 31,0 C e mnima de 17,0

C. Em julho, ms mais frio, as temperaturas mdias so de 19,0 C (mxima) e 4,0 C

(mnima), e os ventos prevalecentes so de N e SE. Crdoba uma das cidades mais poludas

da Argentina, uma grande variedade de indstrias localiza-se em reas suburbanas que

rodeiam a cidade (Carreras et al., 2006), sendo a poluio fundamentalmente causada por

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 23

fontes mveis. Est situada em uma formao cncava que reduz a circulao do ar e provoca

frequentes inverses trmicas, no outono e inverno. Durante o inverno, a intensidade do vento

fraca com direo NE, a umidade relativa baixa e praticamente sem precipitaes. Este

cenrio favorece a formao de uma camada de inverso de baixa altitude que se quebra ao

redor do meio dia, e que produz a acumulao de poluentes perto da superfcie. Durante o

vero, tanto a temperatura (mdia de 23C) como a umidade relativa (57%) so altas. Devido

s condies meteorolgicas de Crdoba os aerossis na cidade mostram um padro

semelhante a cada ano, com concentrao aumentando entre os meses de agosto e outubro

(Toselli et al., 2009). Do mesmo modo que em Buenos Aires, aerossol de fumaa, produto da

queima de biomassa na regio norte da Amrica do Sul, transportado para essa regio

(Wolfram et al., 2004).

A localidade de Puerto Madryn encontra-se situada do lado nordeste da Regio

Patagnica e prxima do mar, (42 46S, 65 02O), a uma elevao de 17 m e uma populao

aproximada de 57.614 habitantes. A circulao atmosfrica predominante na regio

fortemente influenciada pela presena de dois extensos sistemas de alta presso, ou

anticiclones quase-estacionrios localizados a ambos os lados do continente nos oceanos

Pacfico e Atlntico aproximadamente em 30S, e por baixas presses localizadas

aproximadamente em 65S. A persistncia desses sistemas de presso durante o ano todo

determina uma maior proporo de ventos O e SO. A temperatura mdia anual 13,4 C, a

mdia mensal varia entre 6,4 C no ms de julho e 20,4 C no ms de janeiro. A umidade

relativa mdia anual de 68,4%, variando entre 62,4% em janeiro e 75,5% em junho.

Distribuda quase uniformemente ao longo do ano, a precipitao apresenta um mximo

relativo no ms de abril de 32,6 mm e um mnimo relativo em janeiro de 10,5 mm, sendo a

precipitao mensal superior a 20 mm nos meses de fevereiro a junho. A velocidade mdia

anual do vento de 4,6 m/s, sendo a variabilidade ao longo do ano muito pequena, com um

mximo em dezembro de 5,4 m/s e um mnimo em maio de 4,1 m/s. Esta localidade

altamente influenciada pela presena de partculas salinas, dada sua proximidade ao mar e por

ser um local austral, afetada frequentemente por massas de ar polares procedentes do

Continente Antrtico.

Finalmente, a cidade de Trelew est localizada entre 4314 S e 6519O, no nordeste

da provncia de Chubut na Patagnia, na regio denominada "Valle Inferior del Ro Chubut"

(VIRCH) a uma altura de 11 m acima do nvel do mar, com uma superfcie de 249 km2 e uma

populao de 116.192 pessoas (DGEyC, 2010). Possui um clima desrtico, com precipitaes

muito escassas, marcadas amplitudes trmicas e anuais. As precipitaes quase no superam

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 24

200 mm anuais e sua distribuio ao longo do ano no permite definir uma estao

tipicamente chuvosa. A temperatura mxima oscila em 40 C e a mnima em -10 C. Segundo

um estudo feito por Otero e colaboradores (2006c), na poro mais meridional da Argentina,

Trelew e Puerto Madryn, os aerossis predominantes so de origem marinha, com alto

contedo de sais, e os aerossis antrticos, com sais e sulfatos. Alm disso, encontram-se

misturas de aerossis de origem industrial, poeira e areia.

2.5.3 Antecedentes das propriedades pticas do aerossol no sul da Amrica do Sul

Vrios estudos tm sido desenvolvidos a nvel mundial para determinar as

propriedades dos aerossis oriundos da queima de biomassa e suas modificaes durante o

transporte, em escala regional e intercontinental, mas at a presente data poucos estudos

foram realizados na poro sul da Amrica do Sul.

Na maior parte da Amrica do Sul os meses de maior queima so entre julho e

dezembro, com mximos entre agosto e outubro, no entanto, existem variaes regionais. Ao

norte da Amaznia as queimadas se realizam entre dezembro e maio; em regies ao sul da

Amaznia entre agosto e outubro; enquanto que na Argentina e no Paraguai existe um

mximo adicional entre janeiro e maro. Na regio patagnica, as queimadas ocorrem

tambm durante os meses de vero (Mielnicki et al., 2005a and 2005b).

Otero et al., (2006c) estudou a evoluo da profundidade ptica do aerossol durante o

ano de 2002, em dez estaes da AERONET: na Argentina, em Buenos Aires, Crdoba e

Puerto Madryn; no Brasil, em Alta Floresta; no Chile, em Arica; no Mxico, na Cidade do

Mxico; nos Estados Unidos, em Greenbelt; na Espanha, em El Arenosillo; na Arbia Saudita,

em Solar Village e no Marrocos, em Dahkla. Foi determinado o tipo de aerossol presente em

cada estao, evidenciando o comportamento da AOD versus o coeficiente de ngstrm. Para

a poro sul da Amrica do Sul, em Arica, alm das contribuies de aerossol industrial e

urbano, existe uma mistura de poeira e spray marinho, devido sua proximidade ao deserto de

Atacama e ao oceano Pacfico. Em Buenos Aires, o tipo de aerossol predominante o

continental limpo, mdio e continental poludo, principalmente produto do transporte de

fumaa de queima de biomassa da poro norte da Amrica do Sul, alm das contribuies de

aerossol urbano de origem local. Em Crdoba, o tipo de aerossol predominante o continental

limpo e continental mdio, sendo produto das contribuies do transporte de fumaa de

queimadas, aerossol urbano e poeira de origem local (Otero et al., 2004). Enquanto que na

poro mais ao sul da Argentina, em Puerto Madryn (e Trelew pela sua proximidade), os

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 25

aerossis predominantes so martimos, com alto contedo de sais e os antrticos, com sais e

sulfatos. Alm disso, encontram-se misturas de aerossis de origem industrial, poeira, sal e

areia.

Santiago do Chile uma cidade com grandes problemas na sua qualidade do ar, sendo

uma das cidades mais poludas do mundo (Morata et al., 2008). Esta condio intensificada

durante o inverno, pela sua topografia e suas condies meteorolgicas. Estudos quantitativos

da poluio do ar foram iniciados na dcada de 1970 em Santiago, um deles Prndez et al.,

(1984) no qual foram analisadas as medidas das concentraes elementares do ar utilizando

um amostrador Hi-vol para aerossis. Outro estudo mais recente de Didyk et al., (2000), o

que proporciona uma base de referncia para os componentes orgnicos relacionados

qualidade do ar em Santiago. Artaxo et al., (1999) coletaram vrias amostras de aerossol em

dois diferentes stios na rea urbana de Santiago (Gotuzo e Las Condes), e determinaram

assim que as principais fontes das partculas de aerossol em Santiago so a suspenso de

poeira do solo e a emisso antropognica urbana devido ao trfego de veculos, sendo as

partculas da moda grossa responsveis por 63% de PM10 em Gotuzo e por 53% em Las

Condes.

Um trabalho feito por Oyanadel et al. (2006) compara as medies de AOD obtidas a

partir do sensor MODIS a bordo do Terra e a AOD medida a partir um fotmetro solar

pertencente rede AERONET entre agosto de 2001 e outubro de 2002, alm disso analisa

dados de aerossol (partculas de PM10 e PM2.5) coletados in situ em Santiago, sendo

utilizados aqueles dados de material particulado para estimar AOD. Para isso, consideraram

uma camada limite bem misturada e calcularam a altura da camada atravs do modelo MM5.

Foi dada especial ateno aos eventos extremos de poluio nos perodos de inverno e outono,

que ocorrem quando o regime subsidente do ASPS reforado por sistemas de baixas

presses, chamadas de Baixas Costeiras (BC), o que produz a diminuio da base da inverso

de subsidncia. Assim, eles encontraram uma pequena correlao entre os dados do satlite e

os dados in situ, argumentando que pode ser parcialmente atribudo a problemas no algoritmo

de recuperao ligados a uma caracterizao inadequada da refletividade da superfcie, e

suposies erradas sobre a distribuio vertical de aerossis. Da comparao dos valores de

AOD da AERONET e as obtidas a partir das medies de material particulado in situ,

mostraram baixa correlao em relao s correlaes encontradas em outros estudos (Wang

& Christopher, 2003). Por isso, os autores sugerem que a carga de aerossis medida pelo

fotmetro solar no s correspondem a medidas de aerossis na camada limite, mas tambm

de camadas em nveis mais altos, como plumas de origem industrial e aerossis oriundos da

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 26

suspenso de poeira do solo provocada pelo vento. Um estudo mais atual foi desenvolvido por

Morata et al., (2007), e que foi centrado na identificao de alguns dos principais elementos

qumicos e partculas slidas presentes no ar de Santiago.

Na Argentina, a cidade de Buenos Aires tem caractersticas geogrficas e topogrficas

muito diferentes das reas urbanas da Amrica Latina que sofrem de altos ndices de poluio

(Bogo et al., 2003), como Santiago do Chile, cidade do Mxico e So Paulo. Nos ltimos

anos tm sido realizados alguns estudos para explorar as caractersticas atmosfricas de

Buenos Aires, com nfase na pesquisa dos nveis dos poluentes atmosfricos e suas fontes, no

entanto, poucos estudos referem-se s propriedades pticas do aerossol. Na Argentina (Ristori

et al., 2003), no qual, para medies das propriedades pticas do aerossol foi desenvolvida

uma relao logartmica entre a profundidade ptica dos aerossis com o comprimento de

onda, com isso foram determinadas as propriedades dos aerossis como seu tamanho e

coeficiente de ngstrm, estudado para diferentes comprimentos de onda.

Outro o trabalho de Wolfram et al., (2004), onde foi estudada a atenuao que os

aerossis atmosfricos causam na radiao solar que atinge a superfcie da Terra, na regio

espectral do ultravioleta (290 nm 400 nm) durante um evento de poluio intensa por

aerossis sobre a cidade de Buenos Aires. Para isso foi utilizado o radimetro de banda

estreita moderada GUV (Biospherical Inst) pertencente Rede de Monitoramento Solar da

Argentina. Atravs do modelo Tropospheric Ultraviolet-Visible (TUV), que resolve a equao

de transferncia radiativa, calcularam os aerossis efetivos para Buenos Aires no evento

considerado, sendo esses resultados comparados com dados derivados do fotmetro solar

CIMEL pertencente rede AERONET localizado no CEILAP (Centro de Investigaes em

Lasers e Aplicaes). Alm disso, foram analisadas medies gravimtricas de aerossis

atmosfricos da frao fina PM2.5 e grossa PM2.5-10 coletadas simultaneamente durante o

evento de poluio extremo estudado. Da anlise desenvolvida determinou-se que, nesse

evento, a principal fonte de aerossis atmosfricos foi a queima de biomassa, que

provavelmente vem da parte norte do Brasil, e que so transportados at Buenos Aires nas

camadas baixas e mdias da atmosfera.

No ano de 2004 foi realizado um estudo intensivo de um episdio de transporte de

aerossis na cidade de Crdoba durante o ms de outubro de 2003 (Otero et al., 2004). Uma

combinao de retrotrajetrias (HYSPLIT) e imagens de satlite foram utilizadas para estimar

a origem das massas de ar. As propriedades pticas dos aerossis foram caracterizadas por um

fotmetro solar pertencente rede AERONET, e foi possvel estimar o tipo de partculas

presentes. Contrariamente ao esperado, as partculas presentes na atmosfera no foram de

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 27

fumaa proveniente de um foco de queimada detectado pelo satlite argentino SAC-C. O

estudo das propriedades pticas dos aerossis medidos durante o evento demonstrou presena

de partculas de poeira predominante durante os dias 16 e 20 de outubro e uma mistura de

aerossis continentais, fumaa e poeira para os demais dias.

Murruni et al., (2005) caracterizaram quimicamente aerossis atmosfricos totais

coletados em Buenos Aires, desde 15 de julho at 27 de agosto de 2003. Tais amostras foram

analisadas utilizando a tcnica PIXE a fim de determinar sua composio elementar global.

Uma dessas amostras foi, adicionalmente, analisada com microPIXE para conhecer a

composio elementar das partculas individuais que a constituram. Alm disso, amostras de

aerossis finos PM2.5 e grossos PM2.5-10 foram coletados durante um evento de queima de

biomassa, produzido na rea da desembocadura do Rio Paran (Delta, 34 S, 58 O). Estas

amostras foram analisadas com SEM/EDX a fim de caracterizar os aerossis emitidos durante

aquele evento. Foi determinado que houve contribuio de emisso veicular, fontes naturais,

tais como a crosta terrestre, a brisa marinha e materiais de construo.

Um trabalho mais atual foi feito por Otero et al., (2006a), onde um fotmetro solar

pertencente rede AERONET e um sistema LIDAR de mltiplos comprimentos de onda

foram utilizados para obter a AOD durante o dia na regio espectral UV - IR. As propriedades

pticas dos aerossis troposfricos foram medidas simultaneamente por ambos os sistemas

instalados no CEILAP.

Captulo 3 Materiais e Mtodos 28

CAPTULO 3: MATERIAIS E MTODOS

Anlises estatsticas foram utilizadas para estudar a variabilidade temporal e espacial

das propriedades pticas do aerossol. Comparaes, quando possvel, de resultados obtidos

com os radimetros da AERONET prximos s passagens dos satlites Terra e Aqua sobre os

stios da AERONET foram realizados para a profundidade ptica do aerossol. Tais

comparaes visam verificar a qualidade dos produtos MODIS para essas localidades.

3.1 MODIS - MODERATE RESOLUTION IMAGING SPECTRORADIOMETER

O MODIS foi o primeiro sensor desenhado especificamente para obter observaes

globais de aerossis com resoluo moderada. O instrumento constitudo por um radimetro

espectral passivo de imagem convencional, com 36 bandas espectrais discretas entre 0.4 e

14.5 m . Tais band