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EFEITOS CLIMÁTICOS DOS AEROSSÓIS ATMOSFÉRICOSE A QUEIMA DA BIOMASSA
Reginaldo Rosa Cotto de Paula
Universidade Federal do Espírito SantoUniversidade Federal do Espírito Santo20052005
INTRODUÇÃO
As emissões antropogênicas dos aerossóis atmosféricos tem aumentado significativamente nos últimos 156 anos, podendo causar vários
impactos ambientais, que incluem...
EFEITOS ADVERSOS A SAÚDE HUMANA
Partículas da moda grossa (2,0 m dap 100 m):
Partículas com dap 10m: retidas no nariz e nasofaringe e eliminadas através da tosse, espirros e aparelho
mucociliar.
Partículas com dap 10 m ficam retidas nas vias aéreas superiores e podem ser depositadas na árvore
traqueobrônquica.
Partículas da moda fina (0,001 m dap 2,0 m):
Podem causar alterações nos tecidos pulmonares, aumentando o agravamento das doenças cardiopulmonares.
Partículas ultrafinas: Depositam se nos alvéolos pulmonares e podem contribuir para deteorização da saúde.
REDUÇÃO DA VISIBILIDADE
Source: Artaxo, 2002.
Bacia Amazônica
Dia limpo
Visibilidade ~ ? ? ? km
CCN ~ 50 – 200 cm-3
BC ~ 0,1 – 0,2 mg m-3
Dia poluído
Visibilidade ~ 800 m
CCN ~ 3000 – 6000 cm-3
BC ~ 7 – 20 mg m-3
Ji-Paraná – Rondônia
Dia poluído Dia limpo
Source: Procópio, 2003
Os aerossóis atmosféricos podem agir como CCN (cloud condensation nuclei) durante o processo de formação das nuvens.
Mudanças na micro-física, micro-química e propriedades ópticas das nuvens.
Primeiro Efeito Indireto
Redução no raio das gotículas de nuvens + mais gotículas = aumento no albedo (Twomey, 1977).
Segundo Efeito Indireto
Redução na precipitação
Aumento na cobertura de nuvens
Aumento no tempo de residência
(IPCC, 2001).
More CCNSmaller CN
Polluted cloudClean cloud
Drizzle
EFEITO INDIRETO DOS AEROSSÓIS
Espalhamento e absorção da radiação de onda curta e de onda longa.
EFEITO DIRETO DOS AEROSSÓIS
EFEITO DIRETO DOS AEROSSÓIS
Absorção
+SW
(negative forcing)(negative
forcing)
-F
-F
+F(positive forcing)
TOA TOA
SurfaceSurface
Espalhamento
Ex.:Sulfatos, nitratos e orgânicos Ex.: Black carbon (fuligem)
EFEITOS CLIMÁTICOS DOS GEF E AEROSSÓIS
Gases de efeito estufa podem causar uma forçante positiva (aquecimento) e os cientistas tem um bom conhecimento de como eles causam as mudanças climáticas.
O EDA é umas das principais incertezas nos estudos climáticos. A comunidade científica entende muito pouco de como os aerossóis podem causar alterações no sistema climático.
O efeito direto dos aerossóis podem ter uma forçante negativa (resfriamento) que varia de 0 a 2,5 Wm-2, exceto no caso do black carbon.
O AEROSSOL ATMOSFÉRICO
Os aerossóis são definidos como partículas sólidas ou líquidas em suspensão em um gás.
Aerossóis de origem primária: sal marinho, aerossol mineral, poeira vulcânica, fuligem (black carbon), etc.
Aerossóis secundários: aerossol sulfato e nitratos.
Fontes naturais: erupções vulcânicas, poeiras provenientes do solo, vegetação (aerossol biogênico), etc.
Fontes antropogênicas: queima de combustíveis fósseis, mudanças do uso da terra e a queima da biomassa.
CICLO DE VIDA DOS AEROSSÓIS NA ATMOSFERA
Emissões veicularesIndústrias
Queima biomassa
SO2, NOx, Orgânicos
Oxidação, Nucleação
Ativação
fuligem,
orgânicos,
poeira,
sal marinho
CCN
Aerossol secundárioAerossol primário
Condensação, crescimento, Coagulação
Remoção
AS PROPRIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS E ÓPTICAS DOS AEROSSÓIS
Um grande número de propriedades dos aerossóis são importantes para descrever o seu papel nos processos atmosféricos.
Concentração, sua massa, seu tamanho, composição química e propriedades ópticas.
DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO
O estudo da distribuição de tamanho dos aerossóis é importante pois…
Tempo de residência atmosférico, efeitos ambientais (formação de nuvens, degradação da visibilidade).
Identificação das propriedades químicas e ópticas, fontes de origem e danos a saúde humana.
As variações na distribuição de tamanho dos aerossóis fortemente influencia as propriedades radiativas dos aerossóis.
DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO DOS AEROSSÓIS NA ATMOSFERA
Representação esquemática da distribuição da área superficial dos aerossóis, Whitby e Cantrell (1976).
A COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AEROSSÓIS
A composição química dos aerossóis reflete a sua fonte de origem e seus precursores.
Pode-se identificar: propriedades ópticas, impactos ambientais, efeitos na qualidade do ar e na saúde humana.
Composição química elementar
Fontes
Material carbonáceo Partículas de fuligem primárias emitidas durante os processos de combustão e material orgânico secundário formado na atmosfera. Queima de combustíveis fósseis em motores de combustão interna e queima da biomassa. Partículas emitidas: carbono orgânico e principalmente carbono elementar (black carbon).
Sulfato Aerossol secundário formado pela conversão do vapor do ácido sulfúrico, devido à oxidação atmosférica do SO2 e seus precursores
(sulfato dimetil) para sulfato.
Nitrato Aerossol secundário formado pela conversão do vapor de ácido nítrico, devido à oxidação atmosférica do N2 para nitrato.
Amônia Aerossol secundário proveniente das emissões de amônia, principalmente na agricultura, que reage na atmosfera com ácidos sulfúricos e nitratos. Está presente na atmosfera principalmente como sulfato amônia e nitrato amônia.
Magnésio e compostos de sódio Proveniente do sal removido do gelo de rodovias e principalmente do spray marinho.
Potássio e compostos de cálcio Associados com rochas e solos e entram na atmosfera principalmente por processos de re-suspensão e erosão.
Cloro As principais fontes são o sódio e o sal-marinho. Pode também ser originado durante a queima de carvão e processos de incineração.
Material biogênico Emitido de fontes biológicas. A vegetação florestal é a principal fonte. Composta de diferentes partículas: polens, bactérias, esporos, fungos, algas, etc.
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AEROSSÓIS
AS PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS AEROSSÓIS ATMOSFÉRICOS
Importantes para avaliar a influência dos aerossóis nas mudanças climáticas.
Propriedades ópticas: coeficientes de extinção, absorção e espalhamento, fator de assimetria, espessura óptica dos aerossóis, função de fase, etc.
As propriedades ópticas dos aerossóis apresentam uma variabilidade espacial e temporal (Masmoudi et al., 2003).
Variabilidade temporal esta relacionada com os diferentes processos de escalas atmosféricos (Ristori et al., 2003).
Variabilidade espacial é associada com eventos locais e regionais de emissões naturais e antropogênicas (Ristori et al., 2003).
FORÇANTE RADIATA DIRETA DOS AEROSSÓIS
O termo forçante radiativa tem sido empregado para denotar uma perturbação externa no balanço líquido da energia radiativa do sistema
climático da Terra (IPCC, 1996).
Os aerossóis antropogênicos podem espalhar e absorver a radiação de onda curta e onda longa, portanto, eles perturbam o balanço de energia
do sistema superfície-atmosfera, e assim, exercem uma forçante radiativa direta.
AS PROPRIEDADES RADIATIVAS DOS AEROSSÓIS
2232 NOOHOORTa
Coeficiente de extinção
Espessura óptica dos aerossóis
pppextp
pppespp
p
dRRnRQR
dRRnRQR
)(),(
)(),()(
0
2
0
2
Albedo espalhamento simples
apepext bbb
Fração do espalhamento “para cima”
Dependência com o raio da partícula e ângulo de zênite solar
Relação entre a fração do espalhamentopara cima e o hemisfério da partícula como função do ângulo de zênite solar.
Fração de luz que é espalhada pela partícula acima de seu horizonte local.
MODELAGEM DO EFEITO DIRETO DOS AEROSSÓIS – MODELOS BOX
A FRD dos aerossóis é dada por:
abssespsaco RRTAFF
41)1(
4
1 22
soleL
raea dssPsrIbT
nbsrIbbds
srdI
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0
42
')'('exp),'(),'(exp),(),( '1 dsrbrrsrJsrJrrsrIsrI ext
rrror
r
EQUAÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA RADIATIVA:
Aplicação da conservação da energia num meio que absorve, espalha e emite a radiação térmica.
Forma integral da ETR
Forma diferencial da ETR
MODELAGEM NUMÉRICA DO EFEITO RADIATIVO DIRETO DOS AEROSSÓIS
A QUEIMA DA BIOMASSA
Nas regiões tropicais tem ocorrido um aumento significativo das emissões de aerossóis provenientes dos incêndios naturais sazonais ou intencionais.
A queima da biomassa é uma prática comum para converter a vegetação em campos de pastagem, removê-la para promover a agricultura e na
eliminação de resíduos após as colheitas.
A fumaça da queima da biomassa pode causar perturbação no balanço de radiação local, regional e até global.
O maior percentual de aerossóis produzidos pela queima de biomassa é de partículas com dap 2,0m, em proporção de aproximadamente 90%
(EPA, 1998a).
AS QUEIMADAS NAS REGIÕES DA AMAZÔNIA E DE CERRADO BRASILEIRO
Amazônia: 5,5 milhões de km2, taxa de desflorestamento: 20 – 30000 km2 por ano. Concentrações de aerossóis variam de 5-12 g/m3 sem influência das queimadas para 500 g/m3 em regiões afetadas pela queima da biomassa.
Cerrado: 2,0 milhões de km2, 22% do território nacional, 40% de sua extensão atualmente são transformados em pastagens cultivadas e agricultura
intensiva.
O atual conhecimento científico é insuficiente para avaliar quais os impactos ambientais causados pelas mudanças climáticas relacionadas às atividades
antropogênicas.
A Amazônia é uma região de meteorologia com intensa atividade convectiva (Greco et al., 1990).
A fumaça de queimadas cobre áreas de milhões de km2
Tipo de partícula Fontes e composição
Aerossol biogênico primário Emitidos pela vegetação. Partículas da moda grossa (dap 2,5m). Pólens, esporos,
bactérias, fungos, etc. Elementos associados: P, S e Zn
Aerossol biogênico secundário
Formados pela conversão de gases biogênicos a partículas. Compostos principalmente por partículas da moda fina (0,001 m dap 2,5 m).
Poeira mineral Mudanças do uso da terra. Elementos associados: Al, Si, Mg, Fe, Ti e Cl.
Aerossol marinho Sal do mar. Principal componente: Cl
Aerossol da queima da biomassa
Incêndios sazonais e antropogênicos. Principal elemento é o black carbon. Outros: MPF, K, Cl, Zn, etc. Predominância de partículas com dap 2,5 m.
Mecanismos de geração de aerossóis na Região Amazônica
Poeira do Sahara
Cluster de fumaça
Flaming Fumaça Smoldering
Amazônia: Cluster
Biogênico
Tipos de aerossóis encontrados na Amazônia
Superfície: - 23±2 w/m²
Topo: - 7±1 w/m²
AtmosAtmosffereraa: + 16: + 16±2 w/m²±2 w/m²
INDOEX Forçante média para céu limpo
superfície: oceanoAOT (=0.3 em 630 nm); média 24 horas
Jan-Mar 99
superfície: vegetaçãoAOT (=0.95 em 500nm); média 24 horas
7 anos (93-95, 99-02 Ago-Out)
Topo: - 10 w/m²
AtmosAtmosffereraa: + 28: + 28 w/m² w/m²
Superfície: - 38 w/m²
AmazôniaForçante média para céu limpo
Aline Procópio Ramanathan, 2000
Impactos ambientais devido o aumento significativo das emissões dos aerossóis
Aumento das concentrações de CCN;
Supressão da formação de nuvens baixas;
Redução da radiação solar que atinge a superfície;
Significativa redução da visibilidade;
Aumento nos valores da forçante radiativa na superfície (negativa) e na atmosfera (positiva).