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Mudançasclimáticas e
quantificação deseqüestro de CO2em ecossistemas
naturais
3a Reunião do GT— Inventário
Estadual de GEE
Nelson Luís Dias,Ph.D.
A Atmosfera
Emissõesantropogênicas degases
O balançoradiativo da Terrae um modelosimples para oefeito estufa
Daisyworld
Hidrologia eMicrometeorologia
Quantificação dosfluxos de CO2
Conclusões
Mudanças climáticas e quantificação deseqüestro de CO2 em ecossistemas
naturais
3a Reunião do GT — Inventário Estadualde GEE
Nelson Luís Dias, [email protected]
Curso de Graduação em Engenharia Ambiental, UFPRCurso de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia, UFPR
27 de fevereiro de 2008
Mudançasclimáticas e
quantificação deseqüestro de CO2em ecossistemas
naturais
3a Reunião do GT— Inventário
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A Atmosfera
Emissõesantropogênicas degases
O balançoradiativo da Terrae um modelosimples para oefeito estufa
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Quantificação dosfluxos de CO2
Conclusões
Sumário
A Atmosfera
Emissões antropogênicas de gases
O balanço radiativo da Terra e um modelo simples para oefeito estufa
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Hidrologia e Micrometeorologia
Quantificação dos fluxos de CO2
Conclusões
Mudançasclimáticas e
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Conclusões
Evolução da composição química
I A atmosfera primitiva era uma mistura de gáscarbônico CO2, nitrogênio N2 e vapor d’água H2O,com quantidades residuais de hidrogênio H2.
I Esta mistura é similar à emissão de vulcões hoje emdia.
I A maior parte do CO2 original dissolveu-se nosoceanos e formou rochas sedimentares calcáreas.
I Situação do CO2 hoje:1 molécula na atmosfera : 105 moléculas na litosfera
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Conclusões
Atmosfera atual:
I CO2 dissolveu-se nos oceanos (o que acontecerá como CO2 antropogênico causador de efeito-estufa?)
I O N2 é um gás inerte e insolúvel em água ⇒principal constituinte da atmosfera atual (78%).
I O oxigênio O2 foi produzido pela atividadefotossintética e hoje constitui 21% da atmosfera ⇒atmosfera altamente oxidante.
I Os principais componentes restantes são Argônio Ar(1%) e vapor d’água H2O (variável de 0 a 3%).
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Conclusões
Evolução da atmosfera
Muitas substâncias químicas, embora presentes emquantidades muito inferiores a 1%, produzem efeitosdramáticos sobre a atmosfera e o clima da Terra. Gasesresiduais existem em concentrações inferiores a 10−6
(partes por milhão, ppm) em volume.Gases de efeito estufa são o CO2, o metano CH4, óxido denitrogênio NO2, ozônio O3 e halogênicos (compostos deCarbono, Flúor e Cloro) — por exemplo, CFC’s. Seuefeito é absorver radiação infra-vermelha emitida pelasuperfície da Terra, impedindo que se propague para oespaço e aumentando a temperatura da Terra.
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Conclusões
Clima × TempoTempo é o que presenciamos em escalas temporais curtas,de no máximo alguns dias; Clima é a média de muitosanos. Exemplo: climatologia da temperatura mínimadiária em: Usina de Itaipu, São Miguel do Iguaçu eCascavel.
0
10
20
30
40
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
Temperatura (C)
DIAS
ItaipuSao MiguelCascavel
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Quantificação dosfluxos de CO2
Conclusões
Extensão espacialA figura abaixo mostra a vazão dividida pela área deDrenagem do Rio Iguaçu em União da Vitória,(A = 30000,00 km2) e do pequeno afluente rio Jangada(A = 1000,00 km2. Observe como os padrões são quaseidênticos.
0
5
10
15
0
5
10
15
1982 1985 1990
mm
dia
-1
Ano
Uniao da VitoriaJangada
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Conclusões
Mudanças climáticas causadas por açãoantropogênica
I Nos últimos 100 anos, a temperatura média da atmosferaterrestre aumentou 0,5◦C .
I Desde cerca de 1700 DC quando sua concentração era de280 ppm, o CO2 atmosférico vem aumentandocontinuamente. Se esta concentração alcançar 560 ppmnos próximos 20 ou 30 anos, a temperatura poderáaumentar entre 1,5 e 4,5◦C .
I ⇒ Deslocamento das regiões produtoras de grãos paralatitudes mais altas.
I Aumento de até 0,5 m do nível do mar.I Mudanças na freqüência e intensidade de eventos severos
(Ver John Houghton em Physics Today).
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Conclusões
http://ptonline.aip.org/journals/doc/PHTOAD-ft/vol_60/iss_9/30_1.shtml
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Conclusões
Forçantes climáticas:I Radiação solar.I Fluxos de massa e energia entre a superfície e a
atmosfera.Respostas climáticas:
I Temperaturas.I Precipitação.I Nível do mar, etc..
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Conclusões
Mecanismos de retroalimentação
Discussão: a idéia de forçantes e respostas é basicamentemecanicista (“Newtoniana”); em Climatologia os mecanismosde retroalimentação (feedback)tornam as coisas muito maiscomplexas.
Exemplo: A temperatura da superfície do mar é uma forçanteou uma resposta? Isto levou alguns pesquisadores (Lovejoy e a“Hipótese de Gaia”) a conceber a Terra como um organismovivo dotado de sistemas de auto-regulação.
Alguns exemplos:
+quente ⇒ +evaporação ⇒ +nuvens ⇒+rad. solar refletida ⇒ +frio
+CO2 ⇒ +crescimento de culturas ⇒ −CO2
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Quantificação dosfluxos de CO2
Conclusões
Perfil da Camada-Limite Atmosférica
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
z/ m
θ/◦C
CS
CC
ZA
AL
I Estudos de poluição atmosféricaI Perfis de concentração de CO2 na atmosfera para
balanços noturnos
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Conclusões
Fluxos de enxofre e CO2 para a atmosferadesde 1860
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Conclusões
Concentração de metano na atmosfera nosúltimos 1000 anos
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Conclusões
Concentração de CO2 na atmosfera nosúltimos 1000 anos
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Conclusões
Concentração de CO2 na atmosfera durante aera industrial: Mauna Loa, Havaí
310
320
330
340
350
360
370
380
1958 1964 1970 1976 1982 1988 1994 2000
Conce
ntr
aca
ode
CO
2(p
pm
)
Data
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Conclusões
Relação entre concentrações atmosféricas deCO2 e anomalias de temperatura daatmosfera
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Conclusões
Temperatura de equilíbrio da Terra
A lei de Stefan-Boltzmann é
R = εσT4,
onde R é a radiação emitida pelo corpo.Temperatura de equilíbrio da Terra:
Rs0(1− a)[πr2T] = σT4
e [4πr2T]
Te =[
Rs0(1− a)4σ
]1/4
= 254.9 K = −18.24◦C .
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Conclusões
Equilíbrio Terra-Atmosfera com a atmosferasubstituída por uma “campânula”
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Conclusões
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Conclusões
O mundo das Margaridas de Lovelock:Watson, A.J., e J.E. Lovelock, 1983. Biological homeostasis ofthe global environment: the parable of Daisyworld, Tellus 35B,286-289.
Considere um planeta com atmosfera, cuja superfície pode sercoberta da seguinte forma:
solo nu , com albedo a0 e com porcentagem x0,
margaridas brancas , com albedo a1 e com porcentagem x1,
margaridas pretas , com albedo a2 e com porcentagem x2,
de tal forma quex0 + x1 + x2 = 1.
O albedo médio do planeta será
a =2
∑i=0
aixi = a0x0 + a1x1 + a2x2.
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Conclusões
Equações de balanço de cada superfície
Rs0(1− ai)(πr2T) + σT4
A(4πr2T) = σT4
i (4πr2T),
2
∑i=0
xiT4i = 2T4
A.
Com solução
T0 =[−Rs0
4σ
(a0 (x2 + x1 − 2)− a2 x2 − a1 x1 + 2)x2 + x1 + x0 − 2
]1/4,
T1 =[
Rs0
4σ
(a2 x2 + a1 (−x2 − x0 + 2) + a0 x0 − 2)x2 + x1 + x0 − 2
]1/4,
T2 =[
Rs0
4σ
(a1 x1 + a2 (−x1 − x0 + 2) + a0 x0 − 2)x2 + x1 + x0 − 2
]1/4,
TA =[
Rs0
4σ
(a2 x2 − x2 + a1 x1 − x1 + a0 x0 − x0)x2 + x1 + x0 − 2
]1/4.
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Conclusões
Modelo presa-predador para as margaridas
dx1
dt= x1(βx0 −D),
dx2
dt= x2(βx0 −D),
dx0
dt= −(βx0 −D)(x1 + x2)
β(Ti) = exp
[−1
2
(Ti − TO
b
)2]
,
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Conclusões
Evolução temporal da fração de planetacoberta por solo nu (x0), margaridas brancas(x1) e margaridas pretas (x2) paraRs0 = 1,2× 1354 W m−2
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Conclusões
Evolução temporal da temperatura de cadasuperfície para Rs0 = 1,2× 1354 W m−2
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Conclusões
Catástrofe
Rs0 = γRs0T, (1)
onde Rs0T = 1354 W m−2 é o valor Terrestre. Agoravamos fazer γ variar de 0,025 até 3,0, de 0,025 em 0,025.Para cada valor de γ nós simulamos o Mundo dasMargaridas até que as frações de cobertura x0, x1 e x2 e assuas temperaturas respectivas entrem em equilíbrio. Oresultado destas numerosas simulações é mostrado napróxima projeção.
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Conclusões
Evolução até a catástrofe
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Conclusões
Balanço de energia na superfícePor que medir fluxos é tão importante?• A atmosfera é parcialmente transparente à radiação solar.• A atmosfera é forçada principalmente pelos fluxossuperficiais de energia.
H
LE
G
Rl = H + LE + G
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Conclusões
Agricultura
As trocas superfície-atmosfera determinam o estado deumidade do solo e a sua temperatura, econseqüentemente a produtividade das culturas.
Mudançasclimáticas e
quantificação deseqüestro de CO2em ecossistemas
naturais
3a Reunião do GT— Inventário
Estadual de GEE
Nelson Luís Dias,Ph.D.
A Atmosfera
Emissõesantropogênicas degases
O balançoradiativo da Terrae um modelosimples para oefeito estufa
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Hidrologia eMicrometeorologia
Quantificação dosfluxos de CO2
Conclusões
Defesa Civil
Ocorrência de eventos extremos
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Conclusões
Geração de energia
Secas e apagões: lago de Furnas em 2000
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Conclusões
Mudanças no ciclo hidrológico?
I Algum tipo de mudança é altamente provável. . .
I Mas qual?I Muitos estudos e alguns dados indicam uma
“aceleração” do ciclo hidrológico, com ocorrênciasmais freqüentes de eventos extremos,
I aumento da evapotranspiração (Todd et al., Journalof Hydrometeorology),
I redução da previsibilidade do sistema físico do clima(Tsonis, EOS),
I aumento de freqüência de furacões (Mann eEmanuel, EOS).
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Mudanças no ciclo hidrológico?
I Algum tipo de mudança é altamente provável. . .I Mas qual?
I Muitos estudos e alguns dados indicam uma“aceleração” do ciclo hidrológico, com ocorrênciasmais freqüentes de eventos extremos,
I aumento da evapotranspiração (Todd et al., Journalof Hydrometeorology),
I redução da previsibilidade do sistema físico do clima(Tsonis, EOS),
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I Algum tipo de mudança é altamente provável. . .I Mas qual?I Muitos estudos e alguns dados indicam uma
“aceleração” do ciclo hidrológico, com ocorrênciasmais freqüentes de eventos extremos,
I aumento da evapotranspiração (Todd et al., Journalof Hydrometeorology),
I redução da previsibilidade do sistema físico do clima(Tsonis, EOS),
I aumento de freqüência de furacões (Mann eEmanuel, EOS).
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I aumento da evapotranspiração (Todd et al., Journalof Hydrometeorology),
I redução da previsibilidade do sistema físico do clima(Tsonis, EOS),
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I Algum tipo de mudança é altamente provável. . .I Mas qual?I Muitos estudos e alguns dados indicam uma
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I aumento da evapotranspiração (Todd et al., Journalof Hydrometeorology),
I redução da previsibilidade do sistema físico do clima(Tsonis, EOS),
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I Algum tipo de mudança é altamente provável. . .I Mas qual?I Muitos estudos e alguns dados indicam uma
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I aumento da evapotranspiração (Todd et al., Journalof Hydrometeorology),
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I aumento de freqüência de furacões (Mann eEmanuel, EOS).
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Conclusões
Como acompanhar e entender as mudançashidrológicas
I Realizar um esforço de compreensão integrada dociclo hidrológico:
I PrecipitaçãoI EvapotranspiraçãoI VazãoI Umidade do soloI Níveis de lençol freático
I Ampliar o alcance e a qualidade do monitoramentoI Separar modelos conceituais dos modelos
operacionais de previsão
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Conclusões
Em resumo:
I Existe um amplo consenso científico de que oaquecimento global está acontencendo.
I O aquecimento é apenas uma face do fenômeno demudança climática. . .
I e conseqüentemente mudanças no ciclo hidrológico.I Um princípio elementar de prudência exige que
estejamos preparados para enfrentar eventosextremos e mais dificuldade de acessar água de boaqualidade no futuro.
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I Existe um amplo consenso científico de que oaquecimento global está acontencendo.
I O aquecimento é apenas uma face do fenômeno demudança climática. . .
I e conseqüentemente mudanças no ciclo hidrológico.I Um princípio elementar de prudência exige que
estejamos preparados para enfrentar eventosextremos e mais dificuldade de acessar água de boaqualidade no futuro.
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Em resumo:
I Existe um amplo consenso científico de que oaquecimento global está acontencendo.
I O aquecimento é apenas uma face do fenômeno demudança climática. . .
I e conseqüentemente mudanças no ciclo hidrológico.
I Um princípio elementar de prudência exige queestejamos preparados para enfrentar eventosextremos e mais dificuldade de acessar água de boaqualidade no futuro.
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Conclusões
Em resumo:
I Existe um amplo consenso científico de que oaquecimento global está acontencendo.
I O aquecimento é apenas uma face do fenômeno demudança climática. . .
I e conseqüentemente mudanças no ciclo hidrológico.I Um princípio elementar de prudência exige que
estejamos preparados para enfrentar eventosextremos e mais dificuldade de acessar água de boaqualidade no futuro.
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Conclusões
Mas como convencer nossos chefes, e o público? (Qual éa percepção de nossa utilidade e importância em umcenário de mudanças globais?)
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Emissões antropogênicas de gases
O balanço radiativo da Terra e um modelo simples para oefeito estufa
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Conclusões
Medição de covariâncias turbulentas
Em tese, os fluxos H, LE e F (de um escalar qualquer, p.ex.CO2) pode ser medido com
H = ρcpw′θ′,
LE = Lw′ρ′vF = w′ρ′c
onde w = velocidade vertical (velocidade normal àsuperfície), θ = temperatura, ρ = densidade média do ar,ρv = densidade de vapor d’água, ρc = densidade doescalar.
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Conclusões
Medição de turbulência atmosféricaDias et al., (Bound.-Layer Met. v. 110, 165–189, 2004):
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Conclusões
Medição de ρ′vUm sensor ventilado de umidade foi desenvolvido para amedição de flutuações de densidade de vapor d’água emalta freqüência.
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Conclusões
Comparação dos sensores
KH2O ↓ (US$ 5.000,00)
CS500 ↑ (US$ 500,00)
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Umidade do solo
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Conclusões
Curvas de calibração de umidade do solo
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
10 15 20 25 30 35
Um
idad
e vo
lum
étric
a (%
)
Leitura do TDR (ms)
café, 2cmcafé, 20cmpasto, 2cm
pasto, 20cm
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Medição de fluxo de CO2 sobre florestas
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Medição do fluxo de CO2 devido à respiração“do solo”
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Conclusões
I A realidade das mudanças climáticas é praticamenteconsensual; as conseqüências não são totalmenteclaras, mas podem ser extremamente sérias.
I Existe ainda uma grande incerteza na quantificaçãodos fluxos de CO2 em ecossistemas naturais; noentanto, muitos progressos estão sendo feitos evárias técnicas já são possíveis.
I A quantificação destes fluxos é um elemento devantagens competitivas por recursos de MDL eatratividade de investimentos, etc..
I Esta quantificação envolve um misto de modelageme medição sobre os diversos tipos de ecossistema doEstado.
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Obrigado pela atenção.
