1º Seminário de Tópicos Avançados em Tratamento Estatístico de Dados em Física Experimental

Fernando G. Morais | IPEN – IFUSP23 março 2018 – PGF5103

“Estudo das propriedades de absorção de Brown Carbon e Black Carbon utilizando sensoriamento

remoto (AERONET e AURA) e medidas in situ na Amazônia”

Introdução

O impacto radiativo de aerossóis é uma das maiores fontes deincertezas na estimativa do efeito radiativo global de acordo com orelatório do IPCC.

A absorção de radiação por aerossóis é uma das questõesprincipais nestas incertezas.

Entre os aerossóis carbonáceos, duas componentes se destacam:

O “black carbon” (BC) que consiste em partículas emitidas emprocessos de combustão em alta temperatura e alta eficiência.

O “brown carbon” (BrC) que consiste em partículas emitidas emprocessos de combustão em baixa temperatura e lenta, geradasem processos químicos atmosféricos.

Black Carbon (BC)

Figura ilustrando a produção

transformação e deposição de BC na

atmosfera terrestre (Bond et al., 2013). A

ilustração mostra o complexo

comportamento do BC na atmosfera,

com emissões industriais, queimadas,

transporte e outras. A deposição em

neve é importante na alteração do

albedo terrestre. Também é ilustrado seu

papel no desenvolvimento de nuvens.

Brown Carbon

Brown Carbon (BrC), consiste empartículas de carbono orgânico compropriedades de absorção de radiaçãovisível e ultravioleta.

É conhecido pela sua cor amarronzadaclara, absorve fortemente noscomprimentos de onda próximos doultravioleta.

Exemplos: Alcatrão produzido porcombustão lenta e de baixatemperatura, produtos de degradação apartir da queima de biomassa, misturasde compostos orgânicos emitidos apartir do solo, e compostos orgânicosvoláteis emitidos pela vegetação apósserem oxidados na atmosfera.

Amostras de BrCobtidas durante operíodo de 6 horaspróximo a uma pirafunerária queimandona Índia, Rajan K.Chakrabarty, 2014.

Afinal qual é o impacto global de BC ?

O BC é importante para a forçante radiativa global(IPCC 2013), e de acordo com o ultimo relatório eleé responsável por cerca de +0.65 w/m².

Entretanto o trabalho de Bond et al. 2013, estima estamesma forçante do BC em +1.1 w/m², valorextremamente elevado, e se levarmos em conta aspartículas co-emitidas, a forçante é -0.06 w/m².

Calculando o BrC

Para a determinação do BrC utilizamos o coeficiente de absorção de Angström (AAE).

Este método utiliza um par de medidas de absorção, normalmente abrangendo os extremos do espectro da luz visível (~400 nm a ~700 nm).

A absorção no comprimento de onda maior é assumida como sendo majoritariamente pela componente BC.

Esta medida de absorção é extrapolada para o comprimento de onda menor assumindo que o coeficiente de absorção de Angström é aproximadamente 1 para BC.

A diferença entre o BC medido e a absorção no comprimento de onda menor é então atribuída a absorção para uma componente que não é BC, chamada de BrC.

Calculando a concentração de BrC

Ilustração da atribuiçãode absorção utilizando ocoeficiente de absorçãode Angström (AAE). Ochamado Brown Carbon(BrC) domina aabsorção paracomprimentos de ondapróximo do UV. Aabsorção pelo BC variapouco com ocomprimento de onda(Lack, 2013).

O coeficiente de absorção de Angström (AAE) para BC é sempre 1?

O coeficiente de absorção deAngström (AAE) para BCestimado utilizando cálculos dateoria Mie para vários coatings.Observamos que o AAE do BCpode ser diferente de 1dependendo da espessura docoating da partícula. Isso afetasobremaneira a absorção. Amistura interna ou externatambém afeta a absorção (Lack,2013).

Objetivos

• Sítios experimentais: Alta Floresta, Rio Branco, Ji-Paraná, Manaus EMBRAPA, Amazônia ATTO Tower, Cuiabá-Miranda, São Paulo e Chacaltaya (Bolívia).

Obter valores do AAE da rede AERONET para toda a série temporal

• Aprimoramento da obtenção do AAE para a Amazônia.

Obter valores de AAE utilizando a técnica de Xuang Wang et al 2013

• Medidas in-situ utilizando Aetalômetros e MAAP na Amazônia.

Obter valores de AAE em medidas in situ com Aetalômetros

Objetivos

• Análise em espectrômetro ótico de alta resolução da Universidade de Maryland (EUA).

Medir o BrC em filtros Nuclepore coletados na Amazônia

• Determinar absorção em larga escala na Amazônia, utilizando o sensor OMI do satélite AURA.

Medir absorção da profundidade ótica de aerossol (AAOD)

• Utilizando medidas do fluxo radiativo da rede SolRadNet para os vários sítios de medida na Amazônia.

Calcular a forçante radiativa de espalhamento e absorção

Metodologia

Determinar a AOD na série temporal dos dados já coletados pela redeAERONET nos últimos 20 anos, nos sítios de Alta Floresta, Cuiabá, São Paulo,Ji-Paraná, Rio Branco, Amazônia ATTO Tower, Manaus EMBRAPA.

Utilizar dados já coletados in situ com medidas de absorção, utilizandoAetalômetros e MAAP (Multiangle Absorption Aerosol Photometer) nos sítiosda ZF2 e ATTO.

Medir o fluxo de radiação solar nos sítios da AERONET com a rede SolarRadiation Network (SolRad-Net) com dados dos últimos 18 anos em SãoPaulo, Ji-Paraná, Rio Branco, Alta Floresta, Cuiabá e Manaus utilizandopiranômetros calibrados.

Obter a componente de absorção da profundidade ótica de aerossol (AAOD)utilizando o sensor OMI do satélite AURA. O OMI tem uma série temporalconsistente (2005 a 2017), permitindo o estudo de longo prazo na Amazônia.

Medidas diretas de BrC e BC em aerossóis por meio de filtros Nucleporecoletados na Amazônia com análise em espectrômetro ótico de alta resolução.

A rede AERONETA rede AERONET é uma rede global demonitoramento de aerossóis por sensoriamentoremoto em solo, mantida pela NASA e expandidapor colaboradores de agências nacionais,institutos, universidades e parceiros, inclusive noBrasil.

Os radiômetros utilizados pela AERONET São domodelo CIMEL Eletronic 318A, cujas medidaspermitem o monitoramento em tempo quase realde parâmetros como a espessura óptica dosaerossóis (AOD), e outras propriedades derivadasde inversão, como por exemplo, distribuição detamanho, albedo de espalhamento simples (SSA),espessura óptica de absorção (AAOD), índice derefração, entre outros.

Fotômetro instaladono IFUSP, no alto doprédio Oscar Sala.Medidas da espessuraótica de aerossóis sãofeitas continuamentea cada 15 minutos.

Pessoalmente tenho trabalhado na manutenção da rede AERONET para o Brasil nos últimos 10 anos

Localização dos Fotômetros

As partículas de BC normalmente são atribuídas aprocessos por combustão em alta temperatura,como por exemplo na queima de combustíveldiesel. As partículas de BrC são normalmenteatribuídas a processos de combustão atemperaturas menores e com baixa eficiência, taiscomo na queima de biomassa (Feng. et al, 2013).Por isso a escolha dos sítios de pesquisa em AltaFloresta (MT), Ji-Paraná (RO), Cuiabá (MT), RioBranco (AC), Manaus (AM), e São Paulo (SP) foramselecionados para a obtenção quantitativa equalitativa de diferentes processos de geração deabsorção por BrC e BC.

O que há de novo no algoritmo versão 3 da AERONET?

Melhoria na base de dados de entrada

• AODs descartados na V2 são parcialmente restaurados na V3

• V3 nível de QA 1.5 é equivalente a V2 QA2.0

Melhoria na detecção de nuvens

• Cirrus estável e fino mais detectável e não confundido com aerossol

• Medida da curvatura da aureola solar

• Critério do tripleto (canais 675, 870 e 1020)

• Smothness check

Melhoria na caracterização temperatura dos sensores

A rede SolRadNetSolRad-Net (Rede de radiação solar) é uma rede estabelecida de sensoresterrestres que fornecem medições de fluxo solar de alta frequência emtempo real para a comunidade científica e vários outros usuários finais.

Cada site SolRad-Net está equipado com sensores de fluxo - piranômetroKipp e Zonen CM-21 (305-2800 nm) para medir o espectro solar total.

A SolRad-Net, tal como a sua redeassociada, AERONET, mantém umapolítica de dados fundamentalmenteaberta e incentiva análises integradorascolaborativas e multidisciplinares.

AETALÔMETRO AE33

O Aetalômetro mede a atenuação de um feixe de luz transmitida por um filtro que está continuamente coletando partículas.

O aumento da atenuação óptica de umperíodo para outro é devido ao incrementode BC e BrC coletado pelo fluxo de ar quepassa pelo filtro neste período de tempo.Dividindo este incremento de partículaspelo volume de ar amostrado, calcula-se aconcentração do BC.

A fonte de luz no modelo AE-33 consiste emLEDs de alta intensidade que emiteradiação em sete comprimentos de onda(370nm ~ 950nm).

MAAP (Multiangle Aerosol Absorption Photometer)Instrumento que mede em tempo real a concentração de black carbon (BC).

A determinação da concentração de BC é por meio da medida da atenuação de um feixe de luz transmitido através de um filtro de partículas.

O LED do instrumento tem um comprimento de onda de 670nm.

Resultados Esperados

Calcular o Angström de absorção para os vários sítios e para os vários locais em função da sazonalidade anual.

Identificar a distribuição geográfica e sazonal das diferentes componentes do BrC para cada site da rede AERONET na Amazônia.

Discriminar o papel do Brown Carbon e do Black Carbon na absorção de radiação solar por aerossóis.

Validar este fluxo de radiação com medidas das séries temporais com radiômetros da SolRadNet.

Resultados Preliminares

Os fotômetros da rede AERONETque este trabalho analisa jápossuem uma série temporal dedados bastante consistente.O gráfico mostra toda a sérietemporal dos últimos 20 anos dosfotômetros de Alta Floresta,Cuiabá, São Paulo, Ji-Paraná, RioBranco e Manaus, considerandonível 2.0, que é a qualificaçãomáxima dos dados de acordocom os algoritmos utilizados pelaNASA na rede AERONET.

Resultados Preliminares

Ao lado observamos ocomportamento médio dealguns dos sítios do AAODpara o comprimento deonda de 440nm

De acordo com D.A. Lack,2013 a maior parcelaabsorvedora das partículasde BrC ocorre nocomprimento de onda de440nm.

Cronograma

1° semestre

Disciplinas e estudo de artigos relevantes

ao tema

2º semestre

Disciplinas e obter AAE AERONET para

toda a série temporal

3º semestre

Disciplinas, obter AAE técnica de

Xuang Wang

4º semestre

Análise de medidas in-situ (MAAP e Aetal) e

Qualificação

5° semestre

Análise do BrC em filtros Nuclepore coletados na

Amazônia

6º semestre

Obter o AAOD em larga escala na Amazônia

(OMI- AURA).

7º semestre

Obter a forçante radiativa (SolRadNet e

SBDART)

8º semestre

Redação, discussão e apresentação da tese. Elaboração de artigos

Disciplinas

Aproveitamento de créditos:

Summer Course on Aerosols and Aerosol-Cloud Interactions, USP de 16 a 27 de março de 2015, 60hs (4 Créditos).

PGF5337 –A Física das mudanças climáticas, USP de 16 a 25 de novembro de 2016. (4 Créditos)

Publicação de artigo em periódico internacional indexado:

On the diurnal cycle of urban aerosols, black carbon and the occurrence of new particle formation events in springtime Sao Paulo, Brazil - doi:10.5194/acp-12-11733-2012 (6 Créditos).

Atmospheric mercury concentrations observed at ground-based Monitoring sites globally distributed in the framework of the GMOS network - doi:10.5194/acp-16-11915-2016 (6 Créditos).

Disciplinas Livres:

TNM5793 - Sensoriamento Remoto da Atmosfera Com Lasers (6 Créditos)

AGM5710 - Meteorologia da Poluição do Ar (10 Créditos)

AGM5822 – Radiação Atmosférica I (6 Créditos)

TOTAL: 78 créditos + 120 (tese) = 198 créditos de 192 necessários.

Referencias Bibliográficas Principais

IPCC Climate Change 2013, The Physical Science Basis, Working Group I, Contribution to the FifthAssessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, WG1AR5 2013;

D. A. LACK AND J. M. LANGRIDGE. On the attribution of black and brown carbon light absorption using theÅngström exponent. Atmos. Chem. Phys., 13, 10535–10543, 2013. doi:10.5194/acp-13-10535-2013;

XUAN WANG, COLETTE L. HEALD, ARTHUR J. SEDLACEK, SUZANE S. DE SÁ, SCOT T. MARTIN, M. LIZABETH ALEXANDER,THOMAS B. WATSON, ALLISON C. AIKEN, STEPHEN R. SPRINGSTON and PAULO ARTAXO. Deriving Brown Carbonfrom Multi-Wavelength Absorption Measurements: Method and Application to AERONET and SurfaceObservations. Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi:10.5194/acp-2016-237, 2016;

Y. Feng, V. Ramanathan, and V. R. Kotamarthi. Brown carbon: a significant atmospheric absorber of solarradiation? Atmos. Chem. Phys., 13, 8607–8621, 2013 www.atmos-chem-phys.net/13/8607/2013/doi:10.5194/acp-13-8607-2013;

T. C. BOND, S. J. DOHERTY, D. W. FAHEY, P. M. FORSTER, T. BERNTSEN, B. J. DEANGELO, M. G. FLANNER, S. GHAN, B.KÄRCHER, D. KOCH, S. KINNE, Y. KONDO, P. K. QUINN, M. C. SAROfiM, M. G. SCHULTZ, M. SCHULZ, C.VENKATARAMAN, H. ZHANG, S. ZHANG, N. BELLOUIN, S. K. GUTTIKUNDA, P. K. HOPKE, M. Z. JACOBSON, J. W.KAISER, Z. KLIMONT, U. LOHMANN, J. P. SCHWARZ, D. SHINDELL, T. STORELVMO, S. G. WARREN, AND C. S. ZENDER.BOUNDING THE ROLE OF BLACK CARBON IN THE CLIMATE SYSTEM: A SCIENTIfiC ASSESSMENT. JOURNAL OFGEOPHYSICAL RESEARCH: ATMOSPHERES, VOL. 118, 1–173, DOI:10.1002/JGRD.50171, 2013.

Obrigado pela atençao !!!

O que há de novo na AERONET?