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INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS DA AMAZÔNIA INPA UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS UEA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CLIMA E AMBIENTE PPG-CLIAMB O Aporte de Poeira do Saara aos Aerossóis na Amazônia Central Determinada com Medidas in situ e Sensoriamento Remoto Rayner Monteiro dos Santos MANAUS, AMAZONAS ABRIL, 2018

O Aporte de Poeira do Saara aos Aerossóis na Amazônia ... · Estudou-se o aporte de poeira do deserto do Saara a partir da análise ... determine the elemental concentration of

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  • INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS DA AMAZÔNIA – INPA

    UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS – UEA

    PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CLIMA E AMBIENTE – PPG-CLIAMB

    O Aporte de Poeira do Saara aos Aerossóis na Amazônia

    Central Determinada com Medidas in situ e Sensoriamento

    Remoto

    Rayner Monteiro dos Santos

    MANAUS, AMAZONAS

    ABRIL, 2018

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    Rayner Monteiro dos Santos

    O Aporte de Poeira do Saara aos Aerossóis na Amazônia

    Central Determinada com Medidas in situ e Sensoriamento

    Remoto

    Orientador: Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto

    Dissertação apresentado ao Programa de Pós-

    Graduação em Clima e Ambiente, do Instituto

    Nacional de Pesquisas da Amazônia e

    Universidade do Estado do Amazonas, como parte

    dos requisitos necessários para obtenção do título

    de Mestre em Clima e Ambiente na linha de

    pesquisa Processos de Interação Biosfera-

    Atmosfera.

    MANAUS, AMAZONAS

    ABRIL, 2018

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    Banca Examinadora:

    ___________________________________________

    Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto (Instituto de Física da Universidade de São Paulo)

    ___________________________________________

    Profa. Dra. Luciana Varanda Rizzo - UNIFESP

    ___________________________________________

    Prof. Dr. Rodrigo Augusto Ferreira de Souza - UEA

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    Sinopse

    Estudou-se o aporte de poeira do deserto do Saara a partir da análise

    da concentração da poeira presente nos filtros que foram amostrados

    na Amazônia central durante a estação chuvosa, assim com a

    identificação deste aerossol a partir da sua interação com a radiação

    por meio da matriz Ångström.

    Palavras-chave:

    Aerossol atmosférico, matriz Ångström, ZF2, ATTO, Manaus-Embrapa.

    S237a Santos, Rayner Monteiro dos

    O Aporte de Poeira do Saara aos Aerossóis na Amazônia Central

    Determinada com Medidas in situ e Sensoriamento Remoto / Rayner

    Monteiro dos Santos. - Manaus: [s. n.], 2018.

    114 f. : il. color.

    Dissertação (Mestrado) - INPA, Manaus, 2018.

    Orientador: Paulo Eduardo Artaxo Netto.

    Programa: Clima e Ambiente.

    1. Aerossol. 2. Deserto do Saara. 3. Poeira. 4. Poluição atmosférica. I. Título.

    CDD 551.5113

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    “Se você só fizer o que sabe, não

    vai ser nada além do que já é”

    (Mestre Shifu)

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    AGRADECIMENTOS

    À Deus.

    Ao Professor Paulo Artaxo, por ter sido o pilar principal na construção do meu aprendizado

    durante o mestrado, pela paciência e pela confiança em mim depositada desde o primeiro

    contato, e que mesmo a distância, aceitou ser meu orientador.

    Ao Professor Luiz Cândido pelo apoio e pela indicação do orientador.

    Aos meus pais, irmãos e familiares, pelo amor que não se pode medir, e que mesmo distantes,

    se faziam presentes.

    À Samara Carbone pelas explicações de funcionamento dos instrumentos na ZF2, pela

    disponibilização de dados e no auxílio na interpretação, sempre paciente. Pelas importantes

    conversas que só contribuíram para o bom desenvolvimento do trabalho.

    Ao Jorge Saturno e André Burger pela disponibilização de dados e ajuda na interpretação.

    Aos técnicos do IFUSP Fernando e Fabinho pelas explicações de funcionamento dos

    instrumentos no laboratório e na ZF2.

    À Bruna Holanda pela paciência e imensa ajuda no processamento, análise e interpretação de

    dados.

    A todos meus novos amigos do CLIAMB e do IFUSP.

    À minha esposa Ana Gracy, amor da minha vida, pelo companheirismo e pelas palavras de

    motivação nas horas difíceis.

    Ao Simba e à Babí pelo amor incondicional e pela companhia em incontáveis noites que

    viravam dias de estudo, leitura e revisão dos resultados.

    A todos que de forma direto ou indireta contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    RESUMO

    A Amazônia, durante a estação chuvosa, recebe aportes de poeira provenientes do deserto do

    Saara, que é a maior fonte de poeira do solo global. Esporadicamente, essa poeira que chega na

    Amazônia é acompanhada de aerossol de queima de biomassa proveniente da região do Sahel.

    Este transporte transatlântico pode atuar a longo prazo no fornecimento de nutrientes essenciais

    para a floresta, como fósforo. Neste trabalho identificamos os eventos e quantificamos os

    aerossóis transportados para a Amazônia a partir do norte da África pelos ventos alísios.

    Investigou-se a composição elementar dos aerossóis a partir de medidas continuas e de longo

    prazo em três sítios na Amazônia Central, ao norte da cidade de Manaus, estado do Amazonas.

    A partir de uma extensa e diversificada base de dados foi possível determinar a concentração

    elementar de aerossóis de poeira do deserto do Saara e black carbon (BC) do Sahel, a partir da

    técnica de Particle Induced X-ray Emission (PIXE) e fluorescência de raios X por energia

    dispersiva (EDXRF) aplicada aos filtros obtidos em uma região de floresta (ZF2). Também

    utilizou-se medidas de longo prazo da espessura ótica de aerossóis (AOD) usando medidas de

    dois fotômetros solares da Rede NASA/AERONET na região central da Amazônia. Aerossóis

    também foram analisados através de medidas de absorção e espalhamento de radiação visível

    pela técnica de Matriz Å ngström. Foram ainda utilizados produtos de medidas de

    sensoriamento remoto obtidos pelo sistema NASA-Giovanni, além de modelagem de transporte

    com o sistema HYSPLIT. Observou-se forte sazonalidade no aerossol, e que a presença de

    material particulado grosso é predominante na estação chuvosa, apresentando um raio

    volumétrico médio que varia entre 1 e 8 µm, e este contribui com até 78% da AOD em 500 nm.

    A maior predominância do aerossol de poeira se mostra neste mesmo período, apresentando

    uma concentração de 204 ± 604 ng/m3, e sendo identificados, a partir de 141 pares de filtros,

    60 eventos de forte aporte de poeira entre 2008 e 2015, o que representa 85% dos elementos

    traços de poeira identificados. O BC na estação chuvosa apresenta baixas concentrações, com

    média de 265 ± 250 ng/m3, e apresenta concentrações mais altas nestes eventos. O parâmetro

    de Å ngström de espalhamento e absorção foi obtido para as amostras de aerossóis, tendo nos

    episódios de transporte de poeira, valores de espalhamento ≤ 0,50 e absorção de ≥ 1,11. As

    análises de retrotrajetórias e produtos de satélite obtidos com o sensor MODIS do Terra

    confirmam que a origem das massas de ar são realmente o Saara e Sahel. A partir desses

    resultados pode-se concluir que as maiores frequências do aporte de poeira durante a estação

    chuvosa ocorrem entre meados de janeiro a maio e o forte aporte de poeira tem uma

    contribuição média de 14,6% da massa total medida, e sua deposição impacta fortemente nos

    coeficientes de absorção e espalhamento da radiação visível.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    ABSTRACT

    The Amazon, during the wet season, receives dust supplies from the Sahara desert, which is the

    largest source of global dust. Sporadically, this dust arriving in the Amazon is accompanied by

    aerosol of biomass burning from the Sahel region. This transatlantic transport can act in the

    long term in providing essential nutrients to the forest, such as phosphorus. In this work we

    identify the events and quantify the aerosols transported to the Amazon from the north of Africa

    by the trade winds. The elemental compositions of the aerosols were investigated from

    continuous and long-term measurements at three sites in the Central Amazon, north of the city

    of Manaus, state of Amazonas. From an extensive and diverse database it was possible to

    determine the elemental concentration of dust aerosols of the Sahara desert and black carbon

    (Sahel) from Particle Induced X-ray Emission (PIXE) and fluorescence (EDXRF) applied to

    the filters obtained in a forest region (ZF2). We also used long-term measurements of aerosol

    optical thickness (AOD) using measurements of two solar photometers from the NASA /

    AERONET Network in central Amazonia. Aerosols were also analyzed by absorption and

    scattering measurements of visible radiation by the Matrix Ångström technique. It was also

    used remote sensing measurements obtained by the NASA-Giovanni system, as well as

    transport modeling with the HYSPLIT system. A strong seasonality was observed in the

    aerosol, and the presence of coarse particulate matter is predominant in the rainy season, with

    a mean volumetric radius ranging from 1.30 μm to 8.71 μm, and this contributes up to 78% of

    AOD at 500 nm. The highest prevalence of dust aerosols occurred during this same period, with

    a concentration of 204 ± 604 ng/m3, and from 141 pairs of filters, 60 dust-intensive events were

    identified between 2008 and 2015 represents 85% of traces elementes of dust identified. The

    BC in the wet season has low concentrations, with an average of 265 ± 250 ng/m3, and has

    higher concentrations during the dust transport events. The Ångström parameter of scattering

    and absorption was obtained for the aerosol samples, obtaining during dust transport episodes,

    scattering values ≤ 0.50 and absorption of ≥ 1,11. The analysis of back-trajetories and satellite

    products obtained with Terra's MODIS sensor confirm that the origin of the air masses are

    actually Sahara and Sahel. From these results it can be concluded that the highest frequency of

    dust deposition during the wet season occurs between mid-January and May and that soil dust

    has an average contribution of 14.6% of the measured total mass and its deposition has a strong

    impact on the absorption and scattering coefficients of the visible radiation.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    ÍNDICE DE FIGURAS

    Figura 1: A Amazônia Legal Brasileira se estende por toda a região norte do país, além de parte

    do Maranhão e Mato Grosso. Fonte: IMAZON (2014)............................................................ 17

    Figura 2: Morfologia de alguns tipos de partículas e distribuição de tamanho associada. Fonte:

    Brasseur et al. (2003). ............................................................................................................... 19

    Figura 3: Medidas de AOD em 500 nm para diferentes regiões da Amazônia entre 2000 e 2015,

    utilizando os fotômetros solares da AERONET. Fonte: Holanda (2015). ............................... 20

    Figura 4: Fontes naturais de partículas de aerossóis emitidas para a atmosfera. Fonte: Andreae

    (2007). ...................................................................................................................................... 22

    Figura 5: Micrografia eletrônica de varredura de partículas biológicas primárias coletadas na

    Bacia Amazônica coletadas no experimento European Studies on Trace Gases and Atmospheric

    Chemistry (LBA-EUSTACH) em 1999. Fonte: Martin et al. (2010a). .................................... 22

    Figura 6: Visão esquemática das fontes primárias de emissão de BC, seu transporte e

    processamento atmosférico. Fonte: Bond et al. (2013). ........................................................... 24

    Figura 7: Estimativas de forçante radiativa em 2011 em relação a 1750 e incertezas agregadas

    para os principais fatores causadores das mudanças climáticas. Fonte: IPCC (2013). ............ 25

    Figura 8: Variação da ITCZ ao longo do ano, com posição mais ao sul em janeiro, e mais ao

    norte em julho. Fonte: Allen e Armstrong (2012). ................................................................... 26

    Figura 9: Ilustração esquemática do transporte de aerossóis da África para a Bacia Amazônica

    durante a estação chuvosa. A estrela indica a localização do LIDAR. O mapa de incêndio

    subjacente mostra a composição mensal das contagens de incêndio MODIS para fevereiro de

    2008 (Fonte dos dados: site da NASA Earth Observatory http://neo.sci.gsfc.nasa.gov). Fonte:

    Baars et al. (2011). .................................................................................................................... 27

    Figura 10: Tempestade de poeira ocorrida entre 22 e 30 de março de 2018 no norte e oeste da

    África, na região do deserto do Saara, observado pelo Visible Infrared Imaging Radiometer

    Suite (VIIRS). Fonte: NASA (2018). ....................................................................................... 28

    Figura 11: Perfis verticais noturnos do sensor CALIOP atenuado pelo retroespalhamento (km-

    1 s-1) no comprimento de onda de 532 nm, plotados na área de estudo. Os perfis verticais têm

    5 km de altura (fevereiro de 2008). A localização do Bodélé na África está marcada por uma

    estrela. O alargamento inferior mostra a região de interação entre a fumaça de queima de

    biomassa e as plumas de poeira. A poeira é reconhecida pelo forte sinal de retrodifusão em

    relação à pluma de queima de biomassa (os dados foram verificados com MODIS). Fonte:

    Adaptado de Ben-Ami et al. (2010). ........................................................................................ 29

    Figura 12: Gráficos de frequência de retrotrajetória para o ATTO em 2014. Trajetórias de

    retroalimentação (9 dias) foram calculadas com HYSPLIT (NOAA-ARL, GDAS1, altura

    inicial 1000 m). Quatro retrotrajetórias foram iniciadas por dia (0:00, 06:00, 12:00, 18:00 UTC);

    as parcelas de frequência são baseadas em conjuntos mensais de trajetória e a coloração dos

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    gráficos indica a frequência: > 10% (verde),> 1% (azul),> 0.1% (ciano). Fonte: Adaptado de

    Andreae (2015). ........................................................................................................................ 30

    Figura 13: AOD de emissão de queimada e poeira do solo para os 17 casos observados em 2008

    indicando a advecção do aerossol africano em direção à Amazônia. A profundidade óptica total

    do aerossol medido é obtida adicionando 0,03 ao AOD. Fonte: Baars, et al. (2011)............... 31

    Figura 14: Séries temporais das concentrações elementares para a Rebio Cuieiras. Fonte:

    Adaptado de Arana e Artaxo (2014)......................................................................................... 31

    Figura 15: Representação da radiação incidente desde o topo da atmosfera ao longo de um

    caminho (dS) até a superfície de interação, formando um ângulo θ entre o feixe incidente e o

    ângulo Zênite. ........................................................................................................................... 38

    Figura 16: Fluxograma de trabalho desenvolvido para as diferentes metodologias................. 42

    Figura 17: Localização dos sítios de amostragem. A seta amarela indica a direção predominante

    dos ventos. ................................................................................................................................ 43

    Figura 18: Rosa dos ventos para a estação chuvosa (01/dez – 14/jun) com base em médias de

    meia hora de velocidade e direção do vento, medindo a 81 m agl para o período de 18 de outubro

    de 2012 a 23 de abril de 2014. Fonte: Andreae et al. (2015).................................................... 44

    Figura 19: MAAP instalado em um contêiner da ZF2 realiza a medição da componente de

    absorção de radiação por partículas de aerossol em tempo real. .............................................. 46

    Figura 20: Princípio esquemático de funcionamento do instrumento MAAP para a medida em

    tempo real de black carbon. Simultaneamente à medida de absorção em um filtro de fibra de

    vidro, o espalhamento óptico é determinado e descontado através de algoritmo desenvolvido

    para o instrumento. Fonte: Holanda (2015). ............................................................................. 47

    Figura 21: Desenho esquemático do Aetalômetro. O ar ambiente é bombeado para dentro do

    sensor (A) e é, então, conduzido até o filtro (D). Uma fonte de luz (B) emite um feixe de luz

    com um ou vários comprimentos de onda (dependendo do modelo). Io é intensidade de luz

    transmitida através do filtro limpo (C) e I é a intensidade de luz após a amostragem (D). Um

    feixe de referência (E) é conduzido diretamente até o fotodetector (F). A fita de filtro (G) avança

    automaticamente para uma nova amostragem. Fonte: Martinsson (2013). ............................. 48

    Figura 22: Instrumento Aetalômetro Modelo AE 33, que mede absorção em 7 comprimentos de

    onda instalado em um container no ATTO. ............................................................................. 48

    Figura 23: Diagrama interno do Nefelômetro TSI-3563. No canto direito da figura estão

    representados o inlet e o anteparo no qual é observado o espelhamento de luz devido à presença

    de partículas no interior da câmara volumétrica. No canto esquerdo estão representados os três

    tubos fotomultiplicadores (azul, verde e vermelho). Fonte: NOAA (2014). ............................ 50

    Figura 24: Distribuição espacial da extensa rede de fotômetros solares da AERONET Fonte:

    NASA (2017). ........................................................................................................................... 52

    Figura 25: Esquema de posicionamento do fotômetro sola para a realização de medições no

    plano principal e almocântara. Fonte: Castanho (2005). .......................................................... 53

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    Figura 26: Todos os estágios do amostrador de particulado fino e grosso (Esquerda) e fotografia

    de um amostrador AFG montado (Direita), que coleta partículas de aerossóis em dois intervalos

    de tamanho. A fração grossa consiste de partículas na faixa 2 < Dp < 10 μm. A fração fina é

    constituída pelas partículas de diâmetros inferiores a 2,0 μm. Fonte: NILU (2014). .............. 56

    Figura 27: Esquema geral do princípio de funcionamento da análise PIXE. Um feixe de prótons

    de alta energia (2,4 MeV) excita os átomos presentes no material particulado presente no filtro

    de amostragem, induzindo a emissão de raios-X em dois níveis de energia que são detectados

    no sistema e quantificados. Adaptado de Arana (2012). .......................................................... 59

    Figura 28: A direita, Espectrômetro de Fluorescência de raios X – Epsilon 5 (PANalytical) –

    em operação no LFA/ IFUSP desde fevereiro de 2011. (1) Tubo de raios X de Sc/W de alta

    voltagem; (2) Trajetória óptica com geometria tridimensional; (3); Alvos secundários para uma

    melhor condição de excitação das amostras; (4) Detector de raios X (PAN-32 Ge). A esquerda,

    Esquema geral do princípio de funcionamento da análise por EDXRF. Fonte: Adaptado de

    Arana (2014) e Panalytical (2009)............................................................................................ 61

    Figura 29: Medidas de profundidade óptica em 500 nm para o período entre 2011 e 2017,

    utilizando os fotômetros solares da rede AERONET, nos sítios ATTO e EMBRAPA. .......... 65

    Figura 30: Média da distribuição de tamanho das partículas obtidas pela AERONET com

    produtos de inversão nível 1.5 nas estações chuvosas 2011-2017 no sitio Manaus-Embrapa

    (laranja), 2016-2017 Manaus-Embrapa (vermelho) e 2016-2017 no ATTO (azul). ................ 66

    Figura 31: Medidas de profundidade óptica em 500 nm para o período entre 2016 e 2017,

    utilizando os fotômetros solares da rede AERONET, nos sítios ATTO e EMBRAPA. .......... 67

    Figura 32: Regressão linear do AOD (500 nm) entre ATTO e Manaus-Embrapa medidos pelos

    Fotômetros da AERONET. ...................................................................................................... 67

    Figura 33: Médias da distribuição volumétrica de tamanho do aerossol entre 2011-2017 para o

    sitio Manaus-Embrapa (vermelho), e ATTO 2016 e 2017 (azul), divididos em período de

    transição seco-chuvoso (a), período chuvoso (b) e período de transição chuvoso-seco (c). .... 69

    Figura 34: Média diária da distribuição volumétrica de tamanho para o sítio Manaus-Embrapa

    para 2011 a 2017 obtida pelo produto de inversão, comparada com a média da fração moda

    grossa da AOD 500nm (CMF) para o mesmo período. ............................................................ 71

    Figura 35: Média da diária da CMF-500 nm para os sítios ATTO e Manaus-Embrapa para

    mar/2016 a jun/2017. ................................................................................................................ 72

    Figura 36: Matriz Ångström de absorção e espalhamento para o sítio ATTO 2016-2017 e Manaus-Embrapa 2011-2017. .................................................................................................. 73

    Figura 37: Matriz Ångström de absorção e espalhamento para o sítio Manaus-Embrapa 2011-

    2017. ......................................................................................................................................... 74

    Figura 38: Série temporal da concentração de material particulado nas modas fina e grossa

    medidas na ZF2 obtido pelos amostradores AFG, no período de dez/jun entre os anos de 2008

    a 2015, para medidas em PM10. .............................................................................................. 76

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    Figura 39: Série temporal da concentração de material particulado nas modas fina e grossa

    medidas na ZF2 obtido com pelos amostradores AFG, no período de dez/jun entre os anos de

    2008 a 2015, com medidas distribuídas em E.T. Poeira e BC. ................................................ 77

    Figura 40: Série temporal da concentração de poeira e BC nas modas fina e grossa medidas na

    ZF2 a partir de um AFG, no período médio de dezembro a junho, entre 2008 e 2015. ........... 79

    Figura 41: Série temporal dos parâmetros a serem analisados para o período 2008-2015,

    destacando as estações chuvosas com medidas concomitantes aos AFGs. .............................. 84

    Figura 42: Coeficiente de espalhamento em 550 nm e Ångström de espalhamento medidos pelo nefelômetro para a estação chuvosa 2007/2008 no sítio ZF2. .................................................. 85

    Figura 43: Variação da concentração média diária do BC medido pelo MAAP a 637 nm

    comparada a variação do albedo de espalhamento único em 673 nm para a ZF2 na estação

    chuvosa 2007/2008. .................................................................................................................. 86

    Figura 44: Coeficiente de espalhamento em 550 nm e Ångström de espalhamento medidos pelo nefelômetro para a estação chuvosa 2009/2010 no sítio ZF2. .................................................. 87

    Figura 45: Variação da concentração média diária do BC medido pelo MAAP a 637 nm

    comparada a variação do albedo de espalhamento único em 673 nm para a ZF2 na estação

    chuvosa 2009/2010. .................................................................................................................. 87

    Figura 46: Coeficiente de espalhamento em 550 nm e Ångström de espalhamento medidos pelo nefelômetro para a estação chuvosa 2010/2011 no sítio ZF2. .................................................. 88

    Figura 47: Variação da concentração média diária do BC medido pelo MAAP a 637 nm

    comparada a variação do albedo de espalhamento único em 673 nm para a ZF2 na estação

    chuvosa 2010/2011. .................................................................................................................. 89

    Figura 48: Coeficiente de espalhamento em 550 nm e Ångström de espalhamento medidos pelo nefelômetro para a estação chuvosa 2014/2015 no sítio ZF2. .................................................. 89

    Figura 49: Variação da concentração média diária do BC medido pelo MAAP a 637 nm

    comparada a variação do albedo de espalhamento único em 673 nm para a ZF2 na estação

    chuvosa 2010/2011. .................................................................................................................. 90

    Figura 50: Valores de médias diárias de AAE e SAE para cada estação chuvosa entre 2012 e

    2016. ......................................................................................................................................... 93

    Figura 51: Matriz Ångström para o período de dez/2014 a jun/2015 com ajustes nos intervalos de classificação da poeira e BC, construída a partir dos valores de Ångström de absorção e espalhamento obtidos pelo aetalômetro e nefelômetro, respectivamente, a partir de medidas a

    cada 30 min. .............................................................................................................................. 96

    Figura 52: Matriz Ångström de absorção e espalhamento obtidas por diferentes técnicas de medições para os sítios Manaus-Embrapa e ATTO para os mesmos períodos de medidas, .... 98

    Figura 53: Análise de retrotrajetórias de massas de ar utilizando o HYSPLIT (esquerda) e AOD

    (550 nm) derivado do MODIS Terra ilustrando as regiões fontes dominantes na África. As

    massas de ar partem da África e Oceano Atlântico até chegar na ZF2 após 10 dias. ............ 100

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    Figura 54: Distribuição do AOD medido pelo MODIS Terra em dias identificados como

    eventos de forte aporte de poeira na Amazônia Central. ........................................................ 101

    Figura 55: Densidade de massa na coluna atmosférica obtidos pelo MERRA-2 a partir de

    médias horárias a uma resolução de espacial de 0,652º x 0,5º aplicadas aos 9 principais aportes

    de poeira medidos na ZF2. ..................................................................................................... 102

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    ÍNDICE DE TABELAS

    Tabela 1: Localização dos sítios de coleta de dados. ............................................................... 43

    Tabela 2: Distribuição percentual de cada componente da Matriz Angström ao longo dos três

    períodos de análises no sítio Manaus-Embrapa. ....................................................................... 74

    Tabela 3: Mediana da concentração elementar do material particulado em Manaus, expressos

    em ng/m3, onde a variabilidade indica o desvio padrão das medidas, PM10 representa a massa

    do material particulado total, e Elementos Traços de Poeira (E.T. Poeira) representa a soma das

    massas dos seus elementos traçadores (Al, Si, Ti e Fe) identificados pelas análises de

    composição elementar. ............................................................................................................. 77

    Tabela 4: Mediana das concentrações nas modas fina e grossa do BC, poeira e seus elementos

    traços medidos na ZF2, durante os três períodos da estação chuvosa. As medianas das

    concentrações estão em ng/m3, e o desvio padrão representa a variação dos valores observados.

    .................................................................................................................................................. 78

    Tabela 5: Mediana das concentrações dadas em ng/m3 de elementos traços para o aerossol de

    poeira e BC medidos na ZF2. ................................................................................................... 80

    Tabela 6: Resultados obtidos após o cálculo da equação de poeira do solo. As medianas das

    concentrações são dadas em ng/m3 e as concentrações acumuladas são dadas em µg/m3. ...... 83

    Tabela 7: Mediana, média e desvio padrão para as medidas do nefelômetro e MAAP com

    resolução temporal de 30 min realizadas na ZF2 concomitantes com os períodos das

    amostragens de aerossóis a partir do AFG. .............................................................................. 91

    Tabela 8: Valores médios e desvio padrão para medidas de AAE (Aeth) e SAE (Neph) para as

    estações chuvosas entre 2012/2016. ......................................................................................... 93

    Tabela 9: Distribuição do percentual de cada componente da matriz Ångström ao longo dos três períodos de análises no sítio ATTO utilizando o intervalo de distribuição dos SAE (Neph) e

    AAE (Aeth) obtidos que estão presentes na Figura 51. ............................................................ 97

    Tabela 10: Distribuição percentual de cada componente da Matriz Angström ao longo dos três

    períodos de análises no sítio ATTO utilizando os intervalos de distribuição determinados por

    Cazorla et al., (2013). ............................................................................................................... 97

    Tabela 11: Principais eventos de aporte de poeira na Amazônia Central medidos pelo AFG,

    com destaque para as contribuições da fração fina, grossa e total, e medidas de Ångström de absorção e espalhamento complementam a tabela. ................................................................ 103

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    SUMÁRIO

    1. INTRODUÇÃO .............................................................................................. 17

    1.1 A REGIÃO AMAZÔNICA ............................................................................................ 17

    1.2 AS PARTÍCULAS DE AEROSSOL ATMOSFÉRICO ................................................ 18

    1.2.1 Fontes naturais de aerossóis na Amazônica ............................................................. 21

    1.2.2 Fontes antropogênicas de aerossóis na Amazônia ................................................... 23

    1.3 TRANSPORTE DE MATERIAL PARTICULADO PARA A AMAZÔNIA ............... 26

    2 OBJETIVO ....................................................................................................... 33

    2.1 GERAL ........................................................................................................................... 33

    2.2 ESPECÍFICOS ................................................................................................................ 33

    3 FUNDAMENTOS DA INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM OS

    CONSTITUINTES ATMOSFÉRICOS .............................................................. 35

    3.1 ESPALHAMENTO E ABSORÇÃO DE RADIAÇÃO .................................................. 35

    3.2 PROPRIEDADES INTENSIVAS E EXTENSIVAS DOS AEROSSÓIS

    ATMOSFÉRICOS ................................................................................................................ 36

    3.2.1 Coeficiente linear de extinção (σext) ......................................................................... 36

    3.2.2 Espessura Óptica do Extinção (δext) ......................................................................... 37

    3.2.3 Profundidade Óptica do Extinção (τext) .................................................................... 38

    3.2.4 Albedo de Espalhamento Simples (ωo) .................................................................... 39

    3.2.5 Expoente Ångström de Espalhamento (αesp) ............................................................ 39

    3.2.6 Expoente Ångström de Absorção (αabs) .................................................................... 40

    4. METODOLOGIA ........................................................................................... 42

    4.1 ÁREA DE ESTUDO ...................................................................................................... 42

    4.1.1 Sítio ATTO ............................................................................................................... 44

    4.1.2 Sítio ZF2 ................................................................................................................... 45

    4.1.3 Sítio Manaus-Embrapa ............................................................................................. 45

    4.2 MEDIDAS IN SITU DE ABSORÇÃO E ESPALHAMENTO ...................................... 46

    4.2.1 MAAP: Medida de Black Carbon equivalente em tempo real ................................. 46

    4.2.2 A medida da absorção de radiação pelo aetalômetro ............................................... 47

    4.2.3 A medida do espalhamento de luz através do nefelômetro ...................................... 49

    4.2.4 Amostragem de aerossóis nos sítios ZF2 e ATTO. .................................................. 50

    4.3 MEDIDAS DA COLUNA DE AEROSSÓIS COM SENSORIAMENTO DE

    SUPERFÍCIE ........................................................................................................................ 51

    4.3.1 Fotômetros Solares da Rede AERONET ................................................................. 51

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    4.3.2 Parâmetros de análises de dados dos fotômetros ..................................................... 53

    4.3.3 A forçante radiativa de aerossóis medida pela AERONET ..................................... 55

    4.3.4 A matriz Angström de absorção e espalhamento ..................................................... 55

    4.4 A COLETA DE MATERIAL PARTICULADO ............................................................ 56

    4.4.1 Amostrador de Particulado Fino e Grosso (AFG) .................................................... 56

    4.4.2 Análise gravimétrica e elementar dos filtros de aerossóis ....................................... 57

    4.4.2.1 Análise Gravimétrica ......................................................................................... 57

    4.4.2.2 Análise PIXE ..................................................................................................... 58

    4.4.2.3 Fluorescência de Energia Dispersiva por Emissão de Raio-X – EDXRF ......... 59

    4.4.2.4 Análise do Black Carbon Equivalente através da Refletância .......................... 61

    4.4.3 Análise da concentração de poeira a partir da equação de assinatura de poeira do

    solo .................................................................................................................................... 61

    4.5 HYSPLIT: TRANSPORTE DE MATERIAL PARTICULADO PARA A AMAZÔNIA

    CENTRAL ............................................................................................................................ 62

    4.6 PRODUTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO COM O SISTEMA NASA-

    GIOVANNI .......................................................................................................................... 63

    5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................. 64

    5.1 ANÁLISE DAS PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS AEROSSOIS NA AMAZÔNIA

    CENTRAL DERIVADAS PELA REDE DE FOTÔMETROS SOLARES DA AERONET

    .............................................................................................................................................. 64

    5.1.1 Profundidade óptica do aerossol nos sítios de amostragem ..................................... 64

    5.1.2 Distribuição de tamanho dos aerossóis e contribuição da moda fina e grossa no

    AOD Total ......................................................................................................................... 65

    5.1.3 Determinando o tipo de aerossol a partir do expoente de Ångström ........................ 73

    5.2 MEDIDAS DE COMPOSIÇÃO ELEMENTAR DAS PARTÍCULAS DE POEIRA NA

    AMAZÔNIA CENTRAL ..................................................................................................... 75

    5.2.1 Distribuição temporal da composição elementar de poeira na ZF2 ......................... 76

    5.2.2 Identificação dos aportes de poeira e BC a partir da composição elementar do

    aerossol na ZF2 ................................................................................................................. 78

    5.2.3 Contribuição de poeira total no PM10 ..................................................................... 82

    5.3 DETERMINANDO O APORTE DE POEIRA E BC A PARTIR DOS COEFICIENTES

    ÓPTICOS DE ABSORÇÃO E ESPALHAMENTO ............................................................ 84

    5.3.1 Identificação de poeira e BC a partir dos coeficientes de absorção e espalhamento

    na ZF2 ............................................................................................................................... 84

    5.3.2 Identificação de poeira e BC a partir dos coeficientes de absorção e espalhamento

    no sítio ATTO. .................................................................................................................. 92

    5.4 RELAÇÃO DAS RETROTRAJETÓRIAS DE MASSAS DE AR MODELADAS

    PELO HYSPLIT E PRODUTOS DE SATÉLITE ............................................................... 99

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    5.5 DISCUSSÃO DOS MÉTODOS EMPREGADOS E SUAS ADEQUAÇÕES ............ 102

    6. CONCLUSÕES ............................................................................................. 105

    REFERÊNCIAS ................................................................................................ 108

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    17

    1. INTRODUÇÃO

    1.1 A REGIÃO AMAZÔNICA

    As atividades humanas estão causando alterações no modo como a Amazônia funciona

    como um sistema integrado, em que biota, atmosfera e a população humana interagem entre si

    (DAVIDSON et al., 2012). Estas mudanças poderão ter efeitos de longo alcance sobre o balanço

    global de carbono, concentração de gases de efeito estufa e material particulado na atmosfera

    global (DAVIDSON e ARTAXO, 2004).

    Nos últimos anos a região amazônica vem passando por profundas mudanças devido à

    intensa ocupação humana que ocorre desde o final da década de 1970 e todas essas alterações

    causam significativas mudanças nas características físicas e químicas de sua atmosfera, além

    do potencial efeito no clima global (ARTAXO et al., 2013). A Figura 1 apresenta um mapa da

    Amazônia brasileira que cobre cerca de 60% da área do território nacional.

    Figura 1: A Amazônia Legal Brasileira se estende por toda a região norte do país, além de parte

    do Maranhão e Mato Grosso. Fonte: IMAZON (2014).

    A região amazônica possui uma área de aproximadamente 6,9 milhões de km2, dos quais

    cerca de 80% de sua área total (5,5 milhões de km2) estão no território brasileiro (ARTAXO et

    al., 2013). A bacia Amazônica compreende a aproximadamente 1/3 da área do continente sul-

    americano, apresenta 80% de sua área formada por florestas tropicais primárias, o que

    corresponde a 40% da área de toda a floresta tropical do planeta e possui ainda uma imensa

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    18

    diversidade florística e faunística (ANDREAE et al., 2015), que continuamente é afetada pelo

    processo de desflorestamento.

    Neste sentido, avançar no nível de compreensão científica sobre o funcionamento do

    ecossistema amazônico é importante, visto que nosso conhecimento cientifico atual é

    insuficiente para avaliar estas mudanças e seus impactos (ARTAXO et al., 2013). Em um

    cenário onde fortes mudanças climáticas estão ocorrendo, a região Amazônica desempenha um

    papel fundamental nos processos de circulação atmosférica nos trópicos pela absorção de

    energia e reciclagem de água (MARENGO et al., 2009). A Amazônia mantem ainda estocado

    aproximadamente 160 bilhões de toneladas de carbono (DUFFY et al., 2015), que podem ser

    mobilizados para a atmosfera por uma série de processos, agravando o aumento da concentração

    atmosférica de CO2.

    1.2 AS PARTÍCULAS DE AEROSSOL ATMOSFÉRICO

    A atmosfera, os oceanos e os ecossistemas terrestres são os principais componentes do

    sistema climático terrestre. A atmosfera é uma fina camada de gases e partículas que envolve

    todo o planeta, e sua interação com a biosfera terrestre e a radiação solar define o clima na Terra

    (BOUCHER, 2015). O aerossol atmosférico, que são partículas solidas ou líquidas suspensas

    em um gás, consiste em partículas que variam de tamanho desde alguns nanômetros (nm = 10-

    9 m) até algumas centenas de micrometros (µm = 10-6 m). Partículas com diâmetro inferior a 2,5

    µm são geralmente referidas como pertencente à chamada “moda fina” e aquelas com diâmetro

    superior a 2,5 µm (até 10 µm ) são referidas como “moda grossa”. Em geral, as partículas das

    modas fina e grossa, originam-se de processos distintos, são transformadas na atmosfera, e sua

    remoção da atmosfera ocorre por diferentes mecanismos dinâmicos. A moda fina pode ser

    subdividida em outras três modas, como mostrado na Figura 2. A moda de nucleação

    compreende partículas com diâmetro de até 10 nm. A moda de Aitken está associada a

    partículas com diâmetros entre 10 nm até 100 nm (0,1 µm). A moda de acumulação se estende

    desde 0,1 µm até 1,0 µm, sendo esta última fração responsável pela maior parte da massa e

    superfície do aerossol da moda fina (SEINFELD e PANDIS, 2006). Os efeitos dos aerossóis no

    clima dependem fortemente do tamanho da partícula, de composição química, assim como de

    concentração.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    19

    Figura 2: Morfologia de alguns tipos de partículas e distribuição de tamanho associada. Fonte:

    Brasseur et al. (2003).

    As propriedades físicas e químicas da atmosfera da região amazônica quando não

    afetadas pela ação antrópica se equiparam àquelas encontradas nas mais remotas regiões do

    globo (ANDREAE, 2007; ARTAXO et al., 2002), podendo ser a única região restante nos

    continentes tropicais em que ainda se pode encontrar uma atmosfera com uma população de

    aerossol livre de influências antropogênicas diretas (MARTIN et al., 2010a). No entanto, estas

    propriedades sofrem fortes variações sazonais com o impacto de emissões antropogênicas, em

    particular as emissões de queimadas.

    A quantidade de material particulado na atmosfera amazônica varia significativamente

    ao longo do ano. A Figura 3 mostra a série temporal da profundidade ótica do aerossol (Aerosol

    Optical Depth – AOD) em 500 nm obtida pelos fotômetros solares da rede AERONET em

    algumas localidades da bacia Amazônica de 2000 a 2015 (HOLANDA, 2015).

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    20

    Figura 3: Medidas de AOD em 500 nm para diferentes regiões da Amazônia entre 2000 e 2015,

    utilizando os fotômetros solares da AERONET. Fonte: Holanda (2015).

    A partir da Figura 3 é possível observar uma forte sazonalidade no impacto dos aerossóis

    para todos os sítios observados, atingindo valores máximos durante a estação seca. Na estação

    chuvosa observaram-se baixos valores de AOD, sendo que durante esta estação, a Amazônia

    recebe frequentes pulsos de poeira vindos do Saara, devido ao posicionamento favorável da

    Zona de Convergência Inter Tropical (ou do inglês Intertropical Convergence Zone - ITCZ)

    (RIZZOLO et al., 2017).

    Esta mesma presença dos aerossóis faz com que a capacidade de reflexão da energia

    incidente varie ao longo do ano (PAIXÃO, 2011). Essa capacidade que os aerossóis possuem

    em refletir a energia incidente é chamada de albedo de espalhamento simples (ou do inglês

    Single Scattering Albedo – SSA) e é um parâmetro que é usado para verificar a dominância de

    partículas espalhadoras ou absorvedoras presente na atmosfera. Na região localizada ao norte

    de Manaus o SSA varia entre 0,95 e 0,87 durante o ano (FURTADO, 2016).

    O tempo de permanência na atmosfera das partículas de aerossóis varia, dependendo de

    sua concentração, tamanho médio, altura de injeção e da efetividade dos processos de remoção.

    No geral, a maioria das espécies emitidas para a troposfera, orgânicas ou não, possuem um

    tempo de vida curto (BOUCHER, 2015), de dias a semanas. O processo de remoção pode ser

    dividido em dois processos distintos: deposição seca e deposição úmida.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    21

    A deposição seca é um processo que ocorre sem a presença da precipitação, sendo que

    este processo envolve três mecanismos, difusão, impactação e sedimentação. Estes processos

    sofrem a influência de outros parâmetros, como a velocidade dos ventos e o grau de mistura e

    turbulência da atmosfera, assim como parâmetros químicos, como peso molecular, polaridade,

    reatividade química, dentre outros. A deposição úmida representa o processo que contribui para

    a remoção de poluentes através da precipitação. Outro processo de remoção de aerossóis é a

    formação de gotas de nuvens através de núcleos de condensação de nuvens (do inglês, Cloud

    Condensation Nuclei – CCN). Este processo ocorre quando uma partícula de aerossóis serve

    como um núcleo de condensação para o vapor de água atmosférico, produzindo uma gota de

    chuva (CECCHINI et al., 2016)

    1.2.1 Fontes naturais de aerossóis na Amazônica

    As concentrações e propriedades dos particulados na Amazônia em condições não

    perturbadas são governadas tanto pelas emissões biológicas de aerossol primário (do inglês

    Primary Biological Aerosol Particles – PBAP) e pelos chamados aerossóis orgânicos

    secundários (Secondary Organic Aerosol – SOA), provenientes da oxidação dos compostos

    orgânicos voláteis biogênicos (Biogenical Volatile Organic Compounds – BVOCs) (POSCHL

    et al., 2010).

    As fontes de aerossóis dentro da Bacia Amazônica são dominadas, com exceção de

    algumas áreas urbanizadas e corredores de transporte, por emissões biogênicas naturais e de

    queimadas. Partículas biogênicas primárias são produzidas pela floresta (pólen, esporos de

    fungos, fragmentos de folhas, etc) predominantemente na moda grossa. Substancial produção

    de aerossol secundário ocorre na atmosfera devido a oxidação de gases traços para compostos

    orgânicos de baixa volatilidade (ANDREAE, 2007; DE SÁ et al., 2017), mais presente na moda

    fina. Esses produtos podem se depositar em partículas preexistentes ou nuclear novas partículas

    (MARTIN et al., 2010a). A Figura 4 mostra alguns exemplos dessas fontes de aerossóis e a

    Figura 5 mostra algumas dessas partículas biológicas primárias.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    22

    Figura 4: Fontes naturais de partículas de aerossóis emitidas para a atmosfera. Fonte: Andreae

    (2007).

    Os aerossóis influenciam fortemente o ciclo hidrológico na região pois parte das

    partículas atuam como núcleos de condensação de nuvens (Cloud Condensation Nuclei – CCN),

    assim, estando diretamente relacionados aos processos de formação e desenvolvimento de

    nuvens (CECCHINI et al., 2016; PÖHLKER et al., 2017; THALMAN et al., 2017). Os

    aerossóis também são fundamentais no controle do balanço de radiação na faixa do visível na

    Amazônia (SENA, 2013; SENA e ARTAXO, 2015).

    Figura 5: Micrografia eletrônica de varredura de partículas biológicas primárias coletadas na

    Bacia Amazônica coletadas no experimento European Studies on Trace Gases and Atmospheric

    Chemistry (LBA-EUSTACH) em 1999. Fonte: Martin et al. (2010a).

    Partículas de aerossóis espalham e absorvem radiação solar. As propriedades ópticas

    dos aerossóis na fração grossa são dominadas pelas partículas primárias biogênicas, incluindo

    pólen, esporos, bactérias, algas, protozoários, fungos, fragmentos de folhas, excrementos e

    fragmentos de insetos (ARTAXO et al., 2009).

    Aerossol orgânico

    secundário

    Sulfato

    Sulfeto de dietilaPoeira

    Partículas biológicas

    Compostos

    orgânicos voláteis

    FumaçaSO2

    Sulfato

    Partículas biológicas

    Matéria orgânica

    Spray marinho

    DESERTO

    FLORESTA, SAVANA, PASTO

    QUEIMADA

    VULCÃO

    OCEANOPLÂNCTON

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    23

    1.2.2 Fontes antropogênicas de aerossóis na Amazônia

    Inserido no contexto da composição da atmosfera amazônica, temos as emissões da

    cidade de Manaus, capital do estado do Amazonas, uma área urbana situada no meio da floresta,

    que possui uma população de cerca de 2 milhões de habitante (IBGE, 2018). As atividades

    humanas associadas com a produção de poluentes do ar da cidade interagem com os gases e

    partículas naturais. Com isso, recentes pesquisas do experimento GoAmazon (FAN et al., 2018)

    observaram que a poluição atmosférica da cidade pode interagir com emissões biogênicas

    naturais da floresta, o que causa um aumento na formação de aerossóis secundários, sendo que

    esta interação causa um aumento nas concentrações de gases e material particulado e também

    alteram os processos de formação de nuvens e balanço de radiação (MARTIN et al., 2010a).

    Durante a estação seca na Amazônia, as concentrações de aerossol atmosférico

    aumentam drasticamente devido às emissões provocadas pela queima de biomassa da floresta

    na região, principalmente relacionadas às atividades agrícolas, e essas emissões são

    transportadas e disseminadas na bacia Amazônica como um todo. (ARTAXO et al., 2013)..

    A formação de partículas de aerossóis em meio urbano se dá a partir da queima de

    combustíveis por fontes veiculares ou industriais, produzindo aerossóis na fração fina e fração

    ultrafina (diâmetro inferior a 0,1 µm) (SALVO et al., 2017) e essas fontes correspondem a 70%

    de toda a emissão de partículas na atmosfera (BOND et al., 2013). Um esquema das emissões

    de black carbon para a atmosfera global é apresentado na Figura 6. Na fração fina (partículas

    menores que 2.0 µm) os aerossóis são fortes espalhadores de radiação por terem tamanhos

    próximos ao comprimento de onda da luz visível, e também têm grande capacidade de

    absorverem uma fração significativa da radiação, dependendo da concentração de black carbon.

    O chamado black carbon (BC) é um distinto aerossol carbonáceo, formado pela

    combustão de material a base do carbono, e se distingue dos demais aerossóis carbonáceos

    devido ser refratário (mantêm sua morfologia a temperaturas muito elevadas, com uma

    temperatura de vaporização acima de 1.000º C) e ser insolúvel em água. Possui ainda uma forte

    capacidade de absorção na maior parte dos comprimentos de onda na faixa do visível, possuindo

    reatividade química muito baixa na atmosfera com sua remoção se dando pela deposição úmida

    ou seca sobre a superfície, fazendo com que seu tempo de residência na atmosfera global seja

    relativamente curto (dias a 2 semanas) (BOND et al., 2013)

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    24

    Figura 6: Visão esquemática das fontes primárias de emissão de BC, seu transporte e

    processamento atmosférico. Fonte: Bond et al. (2013).

    Segundo o quinto relatório de avaliação do IPCC (Painel Intergovernamental de

    Mudanças Climáticas, do inglês Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC AR5),

    gases e partículas emitidas por processos naturais e antropogênicos alteram o balanço de energia

    da Terra, considerados como os motores do clima e das mudanças climáticas globais. O efeito

    no clima de gases e partículas é quantificado através da chamada Forçante Radiativa (do inglês

    Radiative Forcing – RF). A RF quantifica a variação nesses fluxos de energia causadas por

    esses agentes climáticos, e o seu valor pode ser estimado por meio de cálculos que se utilizam

    de modelos numéricos globais, representando processos observados, in situ e remotamente, de

    gases do efeito estufa e aerossóis (IPCC, 2013). Uma RF positiva indica um efeito líquido de

    aquecimento da superfície, enquanto que uma RF negativo indica um efeito de resfriamento

    climático na superfície. Conforme os valores dispostos na Figura 7, a resultante global da RF é

    positiva, e leva a um acumulo de energia para o sistema climático, sendo que a maior

    contribuição para o total desta forçante é causada pelo aumento das concentrações de CO2 na

    atmosfera (BOUCHER et al., 2013).

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    25

    Ainda segundo o IPCC, o efeito do total do aerossol na atmosfera sobre a RF, que inclui

    ajustes de nuvem devido a aerossóis é de -0,9 (-1,9 a -0,1) W m-2 e resulta de um forçamento

    negativo da maioria dos aerossóis. Há também uma contribuição positiva na absorção de

    radiação solar pelo BC. Há uma alta confiança de que os aerossóis e suas interações com as

    nuvens têm compensado uma parcela substancial do aquecimento global. Os aerossóis

    continuam a contribuir com a maior incerteza para a estimativa da RF global.

    Figura 7: Estimativas de forçante radiativa em 2011 em relação a 1750 e incertezas agregadas

    para os principais fatores causadores das mudanças climáticas. Fonte: IPCC (2013).

    A absorção de radiação solar por parte das partículas de aerossol é causada

    principalmente pela componente carbonácea (Carbono Elementar – EC) e poeira mineral.

    Dentre os impactos dos aerossóis no clima a fração absorvedora dos aerossóis carbonáceos é

    tida como a segunda maior contribuinte para o aquecimento global (CAZORLA et al., 2013).

    Além disso, as estimativas atuais dos modelos de forçantes de aerossol atribuem a absorção

    solar inteiramente ao BC. No entanto a emissão de OC (carbono orgânico) a partir da queima

    de biomassa, assim como o proveniente de fontes biogênicas, tem a capacidade significativa de

    absorver radiação em curtos comprimentos de onda que pode ser comparável a absorção do EC,

    e esta componente é chamada de Brown Carbon (BrC) (BOND et al., 2013). Dessa forma, é

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    26

    importante uma separação da absorção total de aerossóis em diferentes espécies químicas, tanto

    para restringir as grandes incertezas nas atuais estimativas de forçante de aerossóis, quanto seus

    efeitos no clima.

    1.3 TRANSPORTE DE MATERIAL PARTICULADO PARA A AMAZÔNIA

    Como fontes externas de material particulado, o aerossol marinho proveniente do

    oceano Atlântico, se manifesta principalmente na forma de sal marinho (NaCl e outros

    compostos) que são produzidos predominantemente na moda grossa. (ANDREAE e

    ROSENFELD, 2008). Ao longo de seu transporte do Atlântico tropical para o Brasil, o aerossol

    marinho pode se misturar e ser transportado juntamente com poeira do deserto do Saara e BC

    proveniente de queimadas da região do Sahel, ambos trazidos da África pelo transporte

    transatlântico. Sua presença na atmosfera amazônica é máxima na atmosfera nos meses de

    fevereiro a abril, coincidindo com a estação úmida na região central da Amazônia (MARTIN

    et al., 2010a). O transporte desse material particulado da África para a Amazônia Central só

    ocorre quando a ITCZ está ao Sul de Manaus (ANSMANN et al., 2009; BEN-AMI et al., 2010;

    RIZZOLO et al., 2017). A figura abaixo mostra a variação que a ITCZ apresenta ao longo do

    ano, onde fica evidente a variação desta zona de convergência que apresenta sua posição mais

    ao sul, em janeiro, e que se desloca para o norte, onde alcança seu máximo em julho.

    Figura 8: Variação da ITCZ ao longo do ano, com posição mais ao sul em janeiro, e mais ao

    norte em julho. Fonte: Allen e Armstrong (2012).

    Um esquema do transporte de longo alcance do aerossol desde a África até a Bacia de

    Amazônica, é apresentado na Figura 9. A poeira do deserto é diretamente advectada do Saara,

    cruzando as áreas onde ocorrem queimadas na África central e ocidental, transportando uma

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    27

    mistura da poeira do solo e emissões de queimadas. O tempo de transporte do aerossol da África

    para a Amazônia é de aproximadamente 10 dias de acordo com dados modelados pelo sistema

    HYSPLIT (BAARS et al., 2011).

    Figura 9: Ilustração esquemática do transporte de aerossóis da África para a Bacia Amazônica

    durante a estação chuvosa. A estrela indica a localização do LIDAR. O mapa de incêndio

    subjacente mostra a composição mensal das contagens de incêndio MODIS para fevereiro de

    2008 (Fonte dos dados: site da NASA Earth Observatory http://neo.sci.gsfc.nasa.gov). Fonte:

    Baars et al. (2011).

    Há registros na literatura que identificam que o Saara é a principal fonte de poeira em

    nosso planeta, e esta poeira do Saara é transportada a grandes distâncias, alcançando desde o

    norte da Europa, Caribe, sul da América do Norte e a porção norte da América do Sul (GRIFFIN

    et al., 2002). Este transporte foi estudado em diversos trabalhos anteriores e é significativo para

    deposição de partículas na Amazônia originárias do Saara (BAARS et al., 2011; SWAP et al.,

    1992). A Figura 10 mostra os quatro primeiros dias de um evento onde a poeira que foi

    advectada e lançada na atmosfera por oito dias na região norte da África durante o mês de março

    de 2018, entre os dias 22 e 30 (NASA, 2018).

    A partir de medidas na região do Caribe, Prospero et al. (1981) mostraram que o máximo

    impacto do transporte do Saara naquela região ocorre nos meses de março e abril, com um

    transporte estimado de 100 a 400 megatons (onde 1 megaton = 1012g) por ano. Entre os meses

    de dezembro e fevereiro há um intenso processo de tempestades de areia no Chade (porção

    centro-norte da África) e no Niger (porção centro-oeste da África), o que pode acarretar um

    intenso transporte de fósforo (P), como foi reportado posteriormente por Martin et al. (2010), e

    mais recentemente por Yu et al., (2015). Há ainda trabalhos que mostram que além do P (que

    contribui no processo de fertilização do solo), o ferro (Fe) e outros minerais presentes na poeira

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    28

    são benéficos para a vegetação (RIZZOLO et al. 2017), e a poeira do Saara pode ainda fornecer

    tanto macronutrientes quanto micronutrientes para as plantas.

    Figura 10: Tempestade de poeira ocorrida entre 22 e 30 de março de 2018 no norte e oeste da

    África, na região do deserto do Saara, observado pelo Visible Infrared Imaging Radiometer

    Suite (VIIRS). Fonte: NASA (2018).

    A propagação do material particulado partindo da África, sendo transportado sobre o

    Oceano Atlântico até a Amazônia foi estudado por Ben-Ami et al. (2010), utilizando dados

    obtidos a partir do sensor MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo

    dos Satélites Terra e Aqua, e do CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Ortogonal Polarization),

    instrumento a bordo do satélite CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder

    Satellite Observation). A Figura 11 mostra uma ilustração do transporte desde o Saara, através

    do Atlântico até atingir a Amazônia Central.

    Os pesquisadores analisaram a propagação de poeira originada na depressão de Bodélé,

    localizada na Republica do Chade, a partir dos perfis verticais do CALIOP sobre o norte da

    África, e sobre o oceano usando as medidas do sensor MODIS e do CALIOP, e concluíram que

    a propagação de poeira e a pluma de queima de biomassa iniciada próxima do ponto marcado,

    avançam sobre o Atlântico e alcançam a Bacia Amazônica em aproximadamente 8 a 12 dias.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    29

    Figura 11: Perfis verticais noturnos do sensor CALIOP atenuado pelo retroespalhamento (km-

    1 s-1) no comprimento de onda de 532 nm, plotados na área de estudo. Os perfis verticais têm

    5 km de altura (fevereiro de 2008). A localização do Bodélé na África está marcada por uma

    estrela. O alargamento inferior mostra a região de interação entre a fumaça de queima de

    biomassa e as plumas de poeira. A poeira é reconhecida pelo forte sinal de retrodifusão em

    relação à pluma de queima de biomassa (os dados foram verificados com MODIS). Fonte:

    Adaptado de Ben-Ami et al. (2010).

    Simulações realizadas no modelo de retrotrajetórias do HYSPLIT (Hybrid Single

    Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model) mostram que as origens das massas de ar

    que aportam sobre Manaus sofrem variação no decorrer do ano. Utilizando este modelo de

    retrotrajetórias de massas de ar, com duração de 9 dias para cada retrotrajetória, é possível

    demonstrar a origem espacial das altas concentrações de elementos de solo que são observados

    na Amazônia central. A Figura 12 apresenta o resultado da análise de retrotrajetórias de massas

    de ar, realizado por Andreae et al. (2015). Esta análise mostra que as trajetórias de massas de

    ar estimadas pelo HYSPLIT partem do Saara entre os meses de janeiro e junho, entre 9 dias

    antes dos aerossóis serem identificados na Amazônia, carregando até ali elementos associados

    à poeira do solo. Esta análise foi feita para todos os meses do ano e é possível notar que entre

    os meses de julho e dezembro as massas de ar são predominantes do Oceano Atlântico Sul ou

    mesmo de outras regiões da América do Sul.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    30

    Figura 12: Gráficos de frequência de retrotrajetória para o ATTO em 2014. Trajetórias de

    retroalimentação (9 dias) foram calculadas com HYSPLIT (NOAA-ARL, GDAS1, altura

    inicial 1000 m). Quatro retrotrajetórias foram iniciadas por dia (0:00, 06:00, 12:00, 18:00 UTC);

    as parcelas de frequência são baseadas em conjuntos mensais de trajetória e a coloração dos

    gráficos indica a frequência: > 10% (verde), > 1% (azul) e > 0.1% (ciano). Fonte: Adaptado de

    Andreae (2015).

    Para quantificar a contribuição relativa de partículas de poeira e fumaça para a

    Amazônia durante os eventos de advecção da África, Baars et al. (2011) calculou a AOD a

    partir dos perfis verticais da fração de poeira e do coeficiente de extinção de partículas. A Figura

    13 mostra os resultados de 17 casos de transporte de longo alcance identificados. Subtraiu-se

    um AOD de 0,03 (média de condição atmosférica limpa na Amazônia) do AOD relacionado à

    fumaça para ter em conta o impacto local. Pode-se concluir que o AOD de 532 nm estava entre

    0,05 e 0,15 para as partículas de aerossol de queima de biomassa (BBA – Biomass Burning

    Aerosol) africanas durante o período de 8-15 de fevereiro. A contribuição do BBA para o AOD

    foi de até 0,1 para o período encerrado em fevereiro e entre 0,06-0,09 para meados de março.

    Um forte evento de poeira do Saara foi observado apenas em um dia (8 de maio de 2008) com

    um valor de AOD relacionado com poeira de até 0,18. A contribuição absoluta da fumaça para

    o AOD foi maior em fevereiro de 2008 com valores de até 0,15.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    31

    Figura 13: AOD de emissão de queimada e poeira do solo para os 17 casos observados em 2008

    indicando a advecção do aerossol africano em direção à Amazônia. A profundidade óptica total

    do aerossol medido é obtida adicionando 0,03 ao AOD. Fonte: Baars, et al. (2011).

    Para validação desses dados, pode-se realizar comparações entre o modelo de transporte

    e as análises de filtros de um Amostrador de Particulado Fino e Grosso (AFG) que foram

    coletados no mesmo sítio. A Figura 14 mostra que os maiores valores de Al, Si, Ti e Fe,

    considerados traçadores de poeira do solo, ocorrem na estação chuvosa (MARTIN et al.,

    2010a).

    Figura 14: Séries temporais das concentrações elementares para a Rebio Cuieiras. Fonte:

    Adaptado de Arana e Artaxo (2014).

    Em 2015, Yu et al. (2015), após um trabalho que envolveu dados multianuais (2007-

    2013), usando dados de LIDAR, estimaram que aproximadamente 28 (8-48) Tga-1 (ou 28

    milhões de toneladas) de poeira é depositado sobre a Bacia Amazônica entre os meses de

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    32

    dezembro e maio, a partir do cálculo da diferença entre o que é importado para a bacia e o que

    ela exporta, sugerindo que grande parte da ciclagem de nutrientes nos solos amazônicos, como

    por exemplo o P (fósforo), são de origem africana. Com isso, estes pesquisadores tentaram

    reduzir as discrepâncias de estimativas anteriores e forneceram uma estimativa alternativa

    baseada em dados de satélites para deposição de poeira e entrada de fósforo na Bacia

    Amazônica.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    33

    2 OBJETIVO

    2.1 GERAL

    Este trabalho teve como objetivo realizar um estudo do aporte de poeira da África para

    a Amazônia Central, analisando a frequência e intensidade com que ocorrem. Para tanto,

    utilizou-se medidas in situ, sensoriamento de superfície e remoto, identificando os metais

    traçadores de poeira (Al, Si, Ti e Fe), assim como o Black Carbon, traçador de queimadas.

    2.2 ESPECÍFICOS

    1. Identificar as ocorrências e intensidades dos eventos de aporte de poeira do deserto do

    Saara e seus efeitos sobre as propriedades físicas do aerossol na coluna atmosférica,

    medidas pela rede NASA/AERONET, na Amazônia Central;

    2. Identificar e quantificar os elementos traços de poeira do solo, a partir da análise da série

    temporal dos dados de filtros coletados na ZF2, assim como as concentrações de BC.

    3. Determinar as ocorrências dos eventos de poeira do Saara na Amazônia Central, a partir

    da análise do espalhamento óptico e do coeficiente de Å ngström de espalhamento, assim

    como o albedo de espalhamento simples (SSA), com o auxílio de Nefelômetros;

    4. Determinar a ocorrência de eventos de transporte de poeira do Saara e de queimadas da

    África na Amazônia Central a partir da análise da absorção espectral de radiação

    utilizando Aetalômetro e o coeficiente de Å ngström de absorção;

    5. Validar as medidas da incidência de poeira de solo com o transporte em larga escala

    utilizando produtos de sensoriamento remoto disponibilizados pelo sistema NASA-

    Giovanni e trajetórias de massas de ar com o sistema de retrotrajetórias HYSPLIT.

    Foram utilizados dados in situ obtidos nos experimentos AMAZE-08 (Amazonian

    Aerosol Characterization Experiment, realizada em 2008 durante a estação chuvosa na

    Amazônia central, e procurou compreender a formação, as transformações e as propriedades de

    nuvens a partir de partículas de aerossol biogênico fino e grosso), GoAmazon2014/15 (Green

    Ocean Amazon 2014/15 que foi realizado entre 2014 e 2015 e teve como objetivo entender

    como o ciclo de vida do aerossóis e das nuvens em condições naturais são influenciados pelas

    emissões urbanas de Manaus) e outros realizados na Amazônia Central desde 2008. O primeiro

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    34

    objetivo será alcançado a partir da análise das propriedades ópticas integradas na coluna

    atmosférica, obtidas pelos fotômetros solares CIMEL da rede NASA/AERONET e operadas

    pelo IFUSP na região central da Amazônia. A partir das amostras de AFG coletadas na ZF2,

    que fornece uma rica base de dados sobre a composição atmosférica, o segundo será obtido.

    Para o terceiro e quarto objetivos, foram realizadas desde 2008, medidas de absorção ótica

    utilizando os instrumentos Aetalômetro e MAAP na ZF2. Em paralelo foram realizadas

    medidas de espalhamento ótico utilizando Nefelômetros. O quinto objetivo será alcançado

    utilizando a modelagem de transporte de massas de ar através da ferramenta de transporte

    HYSPLIT, onde a partir das análises das retrotrajetórias é possível determinar a origem das

    massas de ar contendo a poeira, e assim ser possível estabelecer uma relações fonte-receptor,

    assim como a análise de dados online NASA-Giovanni, que fornece produtos como AOD para

    a região amazônica, mostrando a chegada das massas de ar sobre a Amazônia Central, assim

    como o seu impacto na AOD da região. De forma geral, objetiva-se quantificar a frequência das

    ocorrência e intensidades dos eventos de aporte de poeira do solo provenientes do Deserto do

    Saara e BC de queimadas do Sahel na Amazônia Central.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    35

    3 FUNDAMENTOS DA INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM OS

    CONSTITUINTES ATMOSFÉRICOS

    Nesta seção serão abordados de maneira sucinta os conceitos fundamentais relacionados

    à interação de partículas de aerossol e a radiação incidente, assim como suas propriedades

    ópticas. Estas definições e caracterizações são necessárias devido à utilização de diversos

    termos aqui descritos ao longo deste trabalho.

    3.1 ESPALHAMENTO E ABSORÇÃO DE RADIAÇÃO

    O espalhamento e absorção de radiação por partículas de aerossóis são processos

    associados à interação da radiação solar com a matéria , sendo fundamentais na atenuação da

    radiação na atmosfera (LIOU, 2002).

    O espalhamento é um processo físico fundamental na interação da radiação com

    partículas. Ocorre em todos os comprimentos de onda e em todo o espectro eletromagnético. É

    um processo físico pelo qual uma partícula posicionada na trajetória de uma onda

    eletromagnética interage continuamente com a energia da onda incidente e reirradia a energia

    em todas as direções. O processo de dispersão ou espalhamento da luz ocorre juntamente com

    o processo de absorção da radiação.

    A absorção da radiação é um processo físico que ocorre devido a radiação incidente ter

    absorvida parte da energia, e isto está relacionado com sua estrutura molecular, sendo que a

    absorção da radiação provoca uma combinação de transições eletrônicas e vibracionais na

    estrutura de gases e partículas. Como consequência, a energia incidente transforma-se em outro

    tipo de energia, como radiação infravermelha, por exemplo. (LIOU, 2002).

    O processo de espalhamento da radiação depende do chamado parâmetro de tamanho

    da partícula x, determinado pela razão da circunferência e o comprimento de onda incidente.

    𝑥 =2𝜋𝑟

    𝜆 (1)

    Nesta equação r representa o raio da partícula e λ o comprimento de onda da radiação

    incidente. Caso x

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    36

    chamado de Espalhamento Lorenz-Mie (ou Espalhamento Mie), e quando x >> 1, este

    fenômeno é descrito pelas leis da óptica geométrica (LIOU, 2002).

    3.2 PROPRIEDADES INTENSIVAS E EXTENSIVAS DOS AEROSSÓIS

    ATMOSFÉRICOS

    As propriedades ópticas do aerossol descrevem a interação das partículas com a radiação

    eletromagnética incidente. As propriedades intensivas do aerossol são aquelas que não

    dependem da concentração de partículas, estando associadas com a capacidade que uma

    partícula tem em absorver/espalhar a radiação incidente, e são dadas pelos fatores de eficiência

    de extinção da radiação, albedo simples, coeficiente de Å ngström, dentre outros. As

    propriedades extensivas dependem da concentração do aerossol, como o coeficiente de extinção

    e a profundidade óptica de extinção do aerossol.

    3.2.1 Coeficiente linear de extinção (σext)

    Quando um feixe de radiação incide sobre uma partícula, cargas elétricas presentes na

    partícula são excitadas em movimentos oscilatórios. A excitação dessas cargas elétricas

    reirradia a energia em todas as direções em um processo de espalhamento, e também converte

    parte dessa radiação em energia térmica, ocasionado pelo processo de absorção (SEINFELD e

    PANDIS, 2006). O efeito combinado do espalhamento e absorção é referido como extinção, ou

    atenuação da radiação.

    A atenuação de um dado comprimento de onda λ provocada pelo aerossol está

    relacionada com o coeficiente linear de extinção, que é definido como:

    𝜎𝑒𝑥𝑡 𝜆 = 𝐶𝑒𝑥𝑡𝜆𝑁 (2)

    onde N é a concentração numérica de partículas (m-3) e Cext é a seção de choque eficaz de

    extinção (m2) dada por uma única partícula, que é a área efetiva que esta partícula possui para

    atenuar a radiação. Pelo princípio da conservação de energia a radiação removida do feixe

    incidente, que foi classificado seção de choque eficaz de extinção, pode ser definida por:

    𝐶𝑒𝑥𝑡 = 𝐶𝑎𝑏𝑠 + 𝐶𝑒𝑠𝑝 (3)

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    37

    onde Cabs e Cesp são respectivamente a seção de choque eficaz de absorção e espalhamento, o

    que nos remete que o coeficiente de extinção é a soma dos coeficientes de absorção (σabs) e de

    espalhamento (σesp). Quanto menor for o tamanho da partícula em questão, maior será sua

    interação.

    3.2.2 Espessura Óptica do Extinção (δext)

    Uma das formas de se avaliar a influência dos aerossóis na interação com a radiação

    incidente é através da análise de suas propriedades ópticas, dentre elas a espessura óptica de

    extinção do aerossol, ou EAOT (Extinction Aerosol Optical Thickness). A EAOT, definida

    como o coeficiente de extinção integrado sobre uma coluna vertical de secção transversal

    unitária, é o grau em que os aerossóis dificultam a transmissão de luz através da sua absorção

    ou espalhamento. A AOT está relacionada com o forçamento dos aerossóis no clima

    (MCCORMICK e LUDWIG, 1967).

    Para caracterizar a dependência espectral da espessura óptica do aerossol (Aerosol

    Optical Thickness ou AOT), o coeficiente de Ångström é o parâmetro que melhor explica a

    relação entre o comprimento de onda da radiação incidente e a variações na distribuição de

    tamanhos de vários tipos de aerossóis que influenciam fortemente a permeabilidade radiativa,

    como o espalhamento, o albedo de espalhamento único e a variação espectral da espessura

    óptica de aerossol (ECK et al., 1999; REID et al., 1999). Com isso, podemos inferir a

    distribuição do tamanho médio predominante das partículas. Muitos estudos de espessura óptica

    de aerossóis e sua dependência espectral dependem do expoente de comprimento de onda de

    Å ngström para quantificar esta dependência espectral.

    Os coeficientes de extinção, absorção e espalhamento são propriedades locais da

    atmosfera, isto é, eles variam com o local e a altitude (BOUCHER, 2015). A EAOT para um

    determinado comprimento de onda λ é definida como a integração do coeficiente linear de

    extinção, bext λ, ao longo de um caminho, dS (da superfície para o topo da atmosfera) (REID et

    al., 1999) como mostrado na Figura 15, e é um indicativo da quantidade e da eficácia da matéria

    opticamente ativa no comprimento de onda no caminho dS.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    38

    Figura 15: Representação da radiação incidente desde o topo da atmosfera ao longo de um

    caminho (dS) até a superfície de interação, formando um ângulo θ entre o feixe incidente e o

    ângulo Zênite.

    Matematicamente podemos descrever a EAOT a partir da expressão matematicamente

    como:

    𝛿𝑒𝑥𝑡 𝜆 = ∫ σ𝑒𝑥𝑡 𝜆

    𝑆

    𝑆0

    𝑑𝑆 (4)

    Contudo, esta propriedade óptica de extinção varia em função do espalhamento e da

    absorção, podendo ser expressa em função da soma destes dois termos:

    𝛿𝑒𝑥𝑡 𝜆 = 𝛿𝑒𝑠𝑝 𝜆 + 𝛿𝑎𝑏𝑠 𝜆 (5)

    Neste trabalho, as espessuras ópticas de absorção e espalhamento serão referidas como

    AAOT e SAOT respectivamente.

    3.2.3 Profundidade Óptica do Extinção (τext)

    A Profundidade Óptica de Extinção do Aerossol, ou EAOD (Extinction Aerosol Optical

    Depht) é definida a EAOT medida na vertical em um dado comprimento de onda:

    𝜏𝑒𝑥𝑡 𝜆 = 𝛿𝑒𝑥𝑡 𝜆𝑐𝑜𝑠𝜃 (6)

    onde θ é o ângulo formado entre o feixe incidente e o ângulo zenital solar. De forma análoga a

    EAOT, a EAOD pode ser decomposta em profundidade óptica de Absorção e de Espalhamento,

    AAOD e SAOD respectivamente, e é dada pela relação:

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    39

    𝜏𝑒𝑥𝑡 𝜆 = 𝜏𝑒𝑠𝑝 𝜆 + 𝜏𝑎𝑏𝑠 𝜆 (7)

    3.2.4 Albedo de Espalhamento Simples (ωo)

    O albedo de espalhamento simples, ou SSA (do inglês Single Scattering Albedo) de um

    determinado comprimento de onda pode ser definido como a razão entre o σesp e o σext, e sua

    razão pode ser interpretada como a fração que é absorvida pelos aerossóis, sendo que o restante

    é absorvido pelos mesmos. Esta relação é dada por:

    𝜔𝑜 = σ𝑒𝑠𝑝σ𝑒𝑥𝑡

    = σ𝑒𝑠𝑝

    σ𝑎𝑏𝑠 + σ𝑒𝑠𝑝 (8)

    Valores próximos de 1 mostram que há uma predominância de partículas

    majoritariamente espalhadoras, enquanto que os valores inferiores (< 0,6) indicam a forte

    presença de partículas absorvedores, com alta presença de black carbon.

    3.2.5 Expoente Å ngström de Espalhamento (αesp)

    A dependência espectral do coeficiente de espalhamento (σesp), da espessura de óptica

    espalhamento (δesp) ou da profundidade óptica de espalhamento (τesp), são frequentemente

    parametrizados em relação ao expoente de Å ngström de partículas (α). Uma vez que estas

    grandezas decrescem monotonicamente com o comprimento de onda, aproxima-se esta

    dependência pela lei de potências (ÅNGSTRÖM, 1929).

    𝜏𝑒𝑠𝑝 𝜆 = 𝛽𝜆𝛼𝑒𝑠𝑝 (10)

    Onde τespλ é o SAOD, λ é o comprimento de onda (em µm), e β é o coeficiente de

    turbidez de Ångström que é igual a τespλ quando λ = 1 µm. Ao relacionar a equação (10) em

    dois comprimentos de onda diferentes e então fazendo o logaritmo o expoente dos

    comprimentos de onda, o expoente de Ångström de espalhamento (αespλ) (do inglês Scattering

    Ångström Exponente ou SAE) pode ser calculado a partir dos valores espectrais de τespλ por:

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    40

    𝛼𝑒𝑠𝑝 = −𝑑 ln 𝜏𝑒𝑠𝑝𝜆

    𝑑 ln 𝜆= −

    ln (𝜏𝑒𝑠𝑝 𝜆2𝜏𝑒𝑠𝑝 𝜆1

    )

    ln (𝜆2𝜆1

    ) (11)

    e portanto, α como definido na equação acima, é a inclinação negativa (ou primeira derivada

    negativa) de τespλ com comprimento de onda em escala logarítmica, e esta mesma relação

    também pode ser utilizada para calcular o Å ngström de espalhamento a partir de medidas in

    situ do coeficiente de espalhamento medidos pelo nefelômetro. O SAE fornece informações

    sobre a moda predominante na mistura do aerossol (CAZORLA et al., 2013). Valores de αespλ

    > 2.0 indicam partículas de origem antropogênicas, pertencentes à moda fina, como partículas

    de fumaça, onde predominam a presença de partículas na moda de acumulação, e valores de

    αespλ ~ 0 indicam a presença de partículas de moda grossa como por exemplo emissões

    biogênicas primárias e poeira do deserto (ECK et al., 1999; REID et al., 1999).

    3.2.6 Expoente Å ngström de Absorção (αabs)

    O coeficiente Å ngström de Absorção (do inglês Absorption Å ngström Exponent - AAE)

    relaciona as propriedades físicas e químicas do aerossol (RIZZO et al., 2011), ou seja, possui

    forte correlação com o tipo de composição do aerossol presente na coluna atmosférica. Os

    valores de αabs ~ 1 são associados com BC, enquanto que valores de αabs > 1 indicam a presença

    de aerossol orgânico secundário, carbono orgânico e poeira, presentes na moda grossa

    (CAZORLA et al., 2013; RUSSELL et al., 2010) sendo que tem-se observado valores de AAE

    > 1,5 estão associados a poeira.

    O AAE é obtido da mesma maneira que o SAE, conforme descrito no tópico anterior,

    sendo que o seu cálculo utiliza a relação entre os coeficientes de absorção e os comprimentos

    de onda, conforme mostrado abaixo:

    𝛼𝑎𝑏𝑠 = −𝑑 ln 𝜏𝑎𝑏𝑠𝜆

    𝑑 ln 𝜆= −

    ln (𝜏𝑎𝑏𝑠 𝜆2𝜏𝑎𝑏𝑠 𝜆1

    )

    ln (𝜆2𝜆1

    ) (12)

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    41

    Da mesma maneira que ocorre com o nefelômetro, esta mesma relação também pode

    ser utilizada para calcular o Å ngström de absorção a partir de medidas in situ do coeficiente de

    espalhamento medidos pelo aetalômetro.

  • Dissertação Rayner Monteiro dos Santos – Aporte de poeira do Saara na Amazônia Central

    42

    4. METODOLOGIA

    Para a realização deste trabalho foram utilizadas as medidas de profundidade óptica do

    aerossol (AOD – Aerosol Optical Depth) e do Coeficiente de Å ngström dos fotômetros solares

    CIMEL, da rede AERONET. Para a amostragem de poeira e BC transportados pelos ventos

    alísios durante as estações úmidas, foram utilizadas medidas de elementos traços em filtros

    policarbonato AFG. Também foram analisadas as séries temporais de medidas obtidas pelo

    Nefelômetro, Aetalômetro e o MAAP (Multi Angle Absorption Photometer) para analisar o

    espalhamento e a absorção por aerossóis, assim como a influência de BC e poeira na interação

    com a radiação nos sítios de amostragem. Produtos de dados a partir de medidas de AOD do

    sensor MODIS disponibilizados na plataforma NASA/Giovanni foram utilizadas para

    caracterizar a distribuição de aerossóis e