Estimativa da Profundidade Óptica do Aerossol

Profa. Marcia YamasoeMeteorologia por Satélites

Revisão

• Aerossóis podem trazer danos à saúde da população por penetrar no sistema respiratório

3Fonte: Guarieiro & Guarieiro, 2013 (http://dx.doi.org/10.5772/52513)

Revisão

• As partículas de aerossol interagem direta e indiretamente com a radiação– Diretamente por absorção e espalhamento de radiação

solar. – Partículas da moda grossa, como poeira, podem

também espalhar, absorver e emitir radiação terrestre.– Indiretamente, por atuarem como núcleos de

condensação de nuvens, podendo alterar as propriedades microfísicas e ópticas das nuvens, como seu albedo

Importância para a Meteorologia

• Absorção e espalhamento reduzem a quantidade de radiação incidente em superfície

• Portanto, menos energia disponível para aquecer a superfície e evaporar água

• Menos intensos são os fluxos de calor sensível e calor latente

• Atmosfera mais estável

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Forçante radiativa direta do aerossol emitido por queimadas em 24h (Rosário et al., 2013)

A longo prazo

• O déficit de energia pode contribuir para o resfriamento do planeta

8IPCC, 2013

Transferência Radiativa

𝐼𝜆ሺ0,+μ,φሻ= 𝐼𝜆ሺ𝜏,+𝜇,𝜑ሻ𝑒−𝜏𝜇

+ 𝜇0𝜇0 +𝜇𝑆0𝜆𝜔𝜆4𝜋𝑝(λ,−𝜇0,𝜑0,+𝜇,𝜑)൜1−exp−𝜏൬1𝜇0 + 1𝜇൰൨ൠ +නඵ 𝐼𝜆4𝜋

0𝜏 ሺ𝜏′,𝜇′,𝜑′ሻ𝑝(λ,𝜇′,𝜑′,+𝜇,𝜑)𝜔𝜆4𝜋exp−1𝜇ሺ𝜏−𝜏′ሻ൨𝑑𝜇′𝑑𝜑′𝑑𝜏′

Profundidade óptica

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Técnicas de sensoriamento remoto da AOD

• AOD -> profundidade óptica do aerossol, do inglês, aerosol optical depth

• Fotometria a partir da superfície– Alta precisão e exatidão (referência)– Alta resolução temporal– Informação local

• Satélites– Informação regional– Depende da passagem do satélite

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AERONET (Holben et al., 1998)

(http://aeronet.gsfc.nasa.gov)

Fotometria solar

Ioλ

Iλ

Lei de Beer:

Iλ = Ioλexp(-τλ.m)

Sinal medido provém apenas da atmosfera

TOA

superfície

τλ

z∞

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onde

τ = τRayleigh + τaerossol + τgás + τnuvem

• É possível determinar τRayleigh

• Adotam-se comprimentos de onda nos quais a absorção gasosa é mínima, em geral, no visível e infravermelho próximo

• Casos contaminados por nuvens são descartados

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Sensoriamento remoto via satélite

Measured signal comes from the atmosphere and the surface

http://aqua.nasa.gov/ & http://www.nc-climate.ncsu.edu/secc_edu/images/ubhigraph.gif

Transferência Radiativa

𝐼𝜆ሺ0,+μ,φሻ= 𝐼𝜆ሺ𝜏,+𝜇,𝜑ሻ𝑒−𝜏𝜇

+ 𝜇0𝜇0 +𝜇𝑆0𝜆𝜔𝜆4𝜋𝑝(λ,−𝜇0,𝜑0,+𝜇,𝜑)൜1−exp−𝜏൬1𝜇0 + 1𝜇൰൨ൠ +නඵ 𝐼𝜆4𝜋

0𝜏 ሺ𝜏′,𝜇′,𝜑′ሻ𝑝(λ,𝜇′,𝜑′,+𝜇,𝜑)𝜔𝜆4𝜋exp−1𝜇ሺ𝜏−𝜏′ሻ൨𝑑𝜇′𝑑𝜑′𝑑𝜏′

Transferência Radiativa

𝐼𝜆ሺ0,+μ,φሻ= 𝐼𝜆ሺ𝜏,+𝜇,𝜑ሻ𝑒−𝜏𝜇

+ 𝜇0𝜇0 +𝜇𝑆0𝜆𝜔𝜆4𝜋𝑝(λ,−𝜇0,𝜑0,+𝜇,𝜑)൜1−exp−𝜏൬1𝜇0 + 1𝜇൰൨ൠ +නඵ 𝐼𝜆4𝜋

0𝜏 ሺ𝜏′,𝜇′,𝜑′ሻ𝑝(λ,𝜇′,𝜑′,+𝜇,𝜑)𝜔𝜆4𝜋exp−1𝜇ሺ𝜏−𝜏′ሻ൨𝑑𝜇′𝑑𝜑′𝑑𝜏′

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Para derivar a AOD:

• É necessário efetuar correções devido à refletância da superfície

• Algumas hipóteses sobre os aerossóis são necessárias:– Distribuição de tamanho– Albedo simples– Função de fase, etc

=> Estimativa é indireta!!!

Alguns métodos

• Canal único sobre o oceano – AVHRR• Vegetação densa e escura – MODIS• Contraste térmico - Meteosat e AVHRR• Ângulos distintos – MISR• Polarização – POLDER• LIDAR – CALIOP

Canal único sobre o oceano

• AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)

• Oceano apresenta baixa refletância na região espectral do visível, portanto, seu efeito sobre o sinal medido é pequeno

• Método com estimativas desde 1978• Permite análise climatológica da AOD

Hipóteses

• O aerossol tem as mesmas características em todo o globo:– albedo simples unitário– Distribuição de tamanho monomodal,

concentrada na moda fina

O método• Comparação da radiância medida com valores

tabelados• Tabelas (look-up tables) geradas com o auxílio de um

código de transferência radiativa utilizando diferentes geometrias e valores de profundidade óptica do aerossol (τ).

Se

Iλ(-μ0,φ0,+μ,φ)medido - Iλ(τ,-μ0,φ0,+μ,φ)tabelado< erro

=> τ = profundidade óptica do aerossol no instante da passagem do satélite

Desvantagem

• Dados disponíveis somente sobre o oceano• Propriedades do aerossol (albedo simples,

tamanho) dependem das fontes emissoras• Principais fontes estão sobre o continente.

Sobre os continentes

• Alta variabilidade dos tipos de superfície:– Desertos– Florestas– Áreas urbanas– Neve– Lagos e outros corpos aquáticos

=> Necessidade de minimizar efeito da refletância da superfície

• Como?

Vegetação densa e escura

• Algoritmo operacional, sobre o continente, do sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo dos satélites Terra e Aqua

• Em geral, há dependência espectral da eficiência de espalhamento devido aos aerossóis

Correlação entre a refletância de superfície no visível e infravermelho próximo

Símbolos abertos l = 0,66 mm

Símbolos fechados l = 0,49 mm

Correlação entre a refletância de superfície no visível e infravermelho próximo – versão original

rsup(0,49mm) = 0,25 rsup (2,1mm)

rsup(0,66mm) = 0,5 rsup (2,1mm)

Sem efeito do aerossol em 2,1mm, isto é, aerossol é transparente nesse comprimento de onda

0.47 µm 0.55 µm 0.66 µm 1.23 µm 1.65 µm 2.13 µm

Fumaça de queimadas na Australia – Dez. 25, 2001

Poeira Africa Ocidental – Jan. 7, 2002

• Na versão atual, a radiância espectral medida no IVP contém informação sobre aerossol da moda grossa e refletância da superfície

• Correções devido aos efeitos da superfície, no visível, ainda são feitas a partir da refletância no IVP, mas se tornaram mais complexas, apresentando dependência com :– geometria de espalhamento (superfície pode não

ser lambertiana) e – tipo de superfície (urbana, vegetação densa ou

gramínea)

Algoritmo é baseado em três modelos de aerossol da moda fina:

O Método

• Seleção de pixels escuros a partir do canal de 2,1 μm

• Comparação das radiâncias espectrais medidas com valores tabelados

• Tabelas são geradas para diferentes geometrias, tipos de aerossol (das modas fina e grossa), AOD, refletâncias de superfície

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Valor médio mensal de τ550nm para o mês de setembro MODIS Terra (Rosário, 2011)

35

AOD em 550 nm do MODIS em 01/09/2007 – transporte sobre São Paulo

Terra Aqua