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UNIVERSIDADE DE SO PAULO
INSTITUTO DE ASTRONOMIA, GEOFSICA E CINCIAS ATMOSFRICAS
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS ATMOSFRICAS
PATRICIA DEL CARMEN CARVAJAL VERGARA
ANLISE DAS PROPRIEDADES PTICAS DO AEROSSOL
AO SUL DA AMRICA DO SUL
SO PAULO
2010
PATRICIA DEL CARMEN CARVAJAL VERGARA
ANLISE DAS PROPRIEDADES PTICAS DO AEROSSOL
AO SUL DA AMRICA DO SUL
Dissertao apresentada ao Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas da Universidade de So Paulo para obteno do titulo de Mestre em Cincias.
rea de concentrao: Meteorologia
Orientador: Prof. Dra. Mrcia Akemi Yamasoe
SO PAULO
2010
s pessoas que mais amo,
meu marido e minha famlia....
Agradecimentos
A Deus por me dar a vida, a fora, a paz e o amor em todas as horas, principalmente
naquelas mais difceis.
Ao meu marido, Marcelo Luna Sacco, que sempre esteve ao meu lado, pelo amor,
compreenso e amizade, tornando meus dias mais felizes e sorridentes.
Aos meus pais, Sergio Carvajal e Ruth Vergara, pelo amor e dedicao, incentivando-
me a buscar meus sonhos e seguir meus prprios caminhos. Ao meu irmo Paolo, pela sua
preocupao e carinho. Agradeo seus esforos para me proporcionar sempre o melhor,
mesmo estando longe de casa.
A minha orientadora, Dra. Mrcia Akemi Yamasoe, pela orientao, pacincia e
incentivo. Muito obrigada pela oportunidade e ensino.
Ao corpo docente, tcnico e administrativo do programa de Ps-Graduao em
Meteorologia do IAG/USP, pela oportunidade da realizao deste trabalho.
Aos meus amigos e companheiros do IAG, especialmente do grupo de radiao:
Vincius, Lvia, Tssio e Nilton, pela ajuda e principalmente pela amizade nestes anos de
trabalho aliviando as mais sentidas saudades.
CAPES pelo auxlio financeiro recebido durante este trabalho de Mestrado.
Da minha aldeia vejo quando da terra se pode ver no Universo...
Por isso a minha aldeia grande como outra qualquer
Porque eu sou do tamanho do que vejo
E no do tamanho da minha altura...
Fernando Pessoa
RESUMO VERGARA, P.C. Anlise das propriedades pticas do aerossol ao sul da Amrica do Sul. Dissertao de Mestrado apresentada ao Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas, Universidade de So Paulo, 108p 2010 A quantificao precisa dos efeitos do aerossol sobre o balano de radiao requer o conhecimento tambm preciso de suas propriedades pticas, as quais dependem fortemente das fontes emissoras podendo variar de local para local (Holben et al., 1998). Por este motivo, este trabalho visa analisar as propriedades pticas do aerossol na poro sul do continente sul americano, em particular sobre algumas localidades na Argentina e Chile, atravs da utilizao de distintas plataformas de medidas como radimetros instalados em superfcie, pertencentes rede mundial de radimetros, a AERONET (Aerosol Robotic Network) (Holben et al., 1998), e o sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo dos satlites Terra e Aqua (Kaufman et al., 1997a, Remer et al., 2005). Foi avaliada a evoluo temporal da profundidade ptica do aerossol (AOD) nas localidades de Arica e Santiago, no Chile, e em Buenos Aires, Crdoba, Puerto Madryn e Trelew, na Argentina, atravs do clculo de mdias anuais e mensais das sries de dados medidos pela AERONET e obtidos com o MODIS. Assim, para cada regio geogrfica em anlise, foi determinado um ciclo anual caracterstico de AOD, no qual, nos meses de primavera e vero a AOD atinge seus maiores valores, diminuindo nos meses de inverno. Com relao variabilidade anual, os maiores valores das mdias anuais da AOD foram obtidos nas localidades de Santiago e Buenos Aires nos anos de 2000 e 2007. Para avaliar a disperso local do aerossol, foi analisada a sua variao espacial calculando mdias dirias de AOD do MODIS e seus respectivos desvios padro (DP) nas resolues espaciais de 10 km, 30km e 50 km de raio, e posteriormente a diferena absoluta (DA) entre estes valores. O resultado mostrou que, na maior quantidade de dias, a DA menor que o DP, indicando que existe uma baixa variabilidade espacial da AOD ao sul da Amrica do Sul. Foram efetuadas anlises estatsticas permitindo comparar os dados do aerossol obtidos pela AERONET e pelo MODIS, obtendo resultados no muito satisfatrios, determinando que o MODIS superestima os valores de AOD com relao aos da AERONET. A fim de tentar explicar a qualidade insatisfatria, foram realizadas anlises da qualidade dos valores recuperados pelo MODIS (Quality Assurance, QA) com o intuito de complementar e respaldar os resultados obtidos para o sul da Amrica do Sul. Foi observado que, dos dados recuperados na resoluo espacial de 10km de raio, somente nas localidades de Puerto Madryn, Trelew e Crdoba a maior quantidade de dados so classificados como Muito Bom (QA=3), sendo essa ltima a que apresenta melhor qualidade nos seus dados. A partir desses resultados, foram feitas novas comparaes entre o MODIS e a AERONET, s levando em conta os dados classificados com qualidade QA=3, obtendo melhoras no muito significativas na correlao dos dados da AOD. Mesmo assim os dados recuperados do MODIS seguem superestimando os dados medidos pela AERONET, o qual sugere que os modelos pticos utilizados no algoritmo de recuperao do aerossol do MODIS sobre continente no so os apropriados para a caracterizao da profundidade ptica na regio sul da Amrica do Sul. Alm disso, a presena de nuvens pode provocar, por exemplo, a contaminao dos dados da AOD do MODIS provocando um aumento nos seus valores.
Palavras-chave: Profundidade ptica do aerossol, MODIS, AERONET.
ABSTRACT
VERGARA, P.C. Analysis of aerosol optical properties at the Southern portion of South America. Dissertation of Master presented in the Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas, Universidade de So Paulo, 108p 2010
The precise quantification of aerosol effects on the radiation balance requires knowledge also precise of their optical properties, which depend heavily on emission sources, because they can vary from one place to another (Holben et al., 1998). Therefore, this study analyzes the optical properties of aerosol in the southern portion of the South American continent, especially on some sites in Argentina and Chile, through the use of various platforms of measurements, such as radiometers ground based belonging to the worldwide network of radiometers, the AERONET (Aerosol Robotic Network) (Holben et al., 1998), and MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) onboard the Terra and Aqua satellites (Kaufman et al., 1997a, Remer et al., 2005). We evaluated the temporal evolution of the aerosol optical depth (AOD) in the cities of Arica and Santiago, Chile, and Buenos Aires, Puerto Madryn and Trelew, Argentina, by calculating the annual and monthly mean AOD from both platforms. Monthly mean AOD is highest in the months of spring and summer and is lower in the winter months. Considering the annual variability, the highest average AOD was obtained in the locations of Santiago and Buenos Aires in 2000 and 2007. Statistical analysis was carried out to compare data obtained from AERONET and from MODIS, obtaining unsatisfactory results, showing that MODIS systematically overestimates the values of AOD compared to AERONET results. In an attempt to explain the unsatisfactory results, we analyzed the quality of the MODIS retrievals using the Quality Assurance parameter (QA). Only in the cities of Puerto Madryn, Trelew and Crdoba most of the data was classified as "Very Good" (QA = 3). The latest with the higher number of better quality data. From these results, we made further comparisons between MODIS and AERONET AOD data, only taking into account data classified with QA = 3, with no improvements in the correlations. Data retrieved from MODIS still overestimate the data from AERONET, suggesting that the aerosol optical models used in the MODIS retrieval algorithm are not suitable for the characterization of the aerosol optical depth in southern South America. In addition, the presence of not screened clouds can cause contamination of the MODIS AOD data increasing artificially their values. Keywords: Aerosol optical depth, MODIS, AERONET.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1.1: Esquema da Distribuio de Tamanho do aerossol atmosfrico. (Fonte: adaptado de Finlayson-Pitts & Pitts, 1999)................................................................06 Figura 2.2.1: Balano de energia global do sistema terra-atmosfera. (Fonte: Kiehl & Trenberth, 1997).............................................................................................07 Figura 2.2.2: Estimativa de forantes radiativas do clima entre 1750 e 2005, para diferentes agentes naturais e antropognicos. (Fonte: IPCC 2007).........................................................08 Figura 2.3.1: Distribuio angular da radiao espalhada para partculas esfricas de diferentes tamanhos, a) por partculas muito pequenas com relao ao comprimento de onda da radiao incidente; b) por partculas maiores; c) por partculas muito maiores que o comprimento de onda da radiao incidente. (Fonte: Liou, 2002)..........................................11 Figura 2.4.1: Geometria de um radimetro em superfcie para a medio da radincia direta do sol (Fonte: Liou, 2002)........................................................................................................16 Figura 2.4.2: Vrios caminhos da radincia recebida por um sistema de sensoriamento remoto de satlites (Fonte: Wang et al., 2008).........................................................................17 Figura 2.5.2: Distribuio espacial das regies consideradas para a anlise da profundidade ptica do aerossol.....................................................................................................................21 Figura 4.1.1: Valores mdios anuais da AOD no canal de 550 nm na resoluo espacial de 20 km x 20 km para cada localidade analisada neste trabalho. a) Obtidos a partir das passagens do Terra para o perodo de anos 2000-2008; b) Obtidos a partir das passagens do Aqua para o perodo de anos 2002-2008..................................................................................39 Figura 4.1.2: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Arica na resoluo espacial de 100 km x 100 km, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Produto do aerossol sobre continente (Land); b) Produto combinado do aerossol sobre continente e oceano (Land + Ocean).......................................................................................................................................40 Figura 4.1.3: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nm em Arica na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra); b) A partir das passagens da tarde (Aqua).......................................................................................41 Figura 4.1.4: a) Distribuies de tamanho das partculas do aerossol por sazonalidade. b) Relao entre o Coeficiente de ngstrm () (calculado entre 440 e 870 nm) e a profundidade ptica do aerossol em 550 nm. Foram utilizadas medidas do radimetro da AERONET operado em Arica, para o perodo a partir de maio de 1998 at maro de 2004...........................................................................................................................................42 Figura 4.1.5: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Santiago, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua.
a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................43 Figura 4.1.6: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Buenos Aires, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................43 Figura 4.1.7: Histograma de Frequncias de AOD em 550 nm em Santiago na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens da tarde (Aqua)........................................................................................................44 Figura 4.1.8: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nm em Buenos Aires na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens pela tarde (Aqua)....................................................................................45 Figura 4.1.9: a) Distribuies de tamanho das partculas do aerossol por sazonalidade. b) Relao entre o Coeficiente de ngstrm () (calculado entre 440 e 870 nm) e a profundidade ptica do aerossol em 550 nm.. Foram utilizadas medidas do radimetro da AERONET operado em Buenos Aires, para o perodo a partir de outubro de 1999 at junho de 2007......................................................................................................................................46 Figura 4.1.10: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Crdoba, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................48 Figura 4.1.11: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Puerto Madryn, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................48 Figura 4.1.12: Mdias mensais de AOD do MODIS no canal de 550 nm em Trelew, para o perodo de anos 2000-2008 no caso do Terra, e para o perodo 2002-2008 no caso do Aqua. a) Na resoluo espacial de 20 km x 20 km; b) Na resoluo espacial de 100 km x 100 km..............................................................................................................................................49 Figura 4.1.13: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nm em Crdoba na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens pela tarde (Aqua)....................................................................................50 Figura 4.1.14: a) Distribuies de tamanho das partculas do aerossol por sazonalidade. b) Relao entre o Coeficiente de ngstrm () (calculado entre 440 e 870 nm) e a profundidade ptica do aerossol em 550 nm. Foram utilizadas medidas do radimetro da AERONET operado em Crdoba, para o perodo a partir de outubro de 1999 at fevereiro de 2007...........................................................................................................................................50 Figura 4.1.15: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nm em Puerto Madryn na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens pela tarde (Aqua)....................................................................................51
Figura 4.1.16: Histograma de Frequncias de AOD no canal de 550 nn em Trelew na resoluo espacial 100 km x 100 km. a) A partir das passagens pela manh (Terra). b) A partir das passagens pela tarde (Aqua)....................................................................................51 Figura 4.2.1: Distribuio espacial dos valores de AOD em 550 nm no dia 247 de 2003 obtidos a partir do sensor MODIS. a) Abordo do satlite Terra; b) Abordo do satlite Aqua..........................................................................................................................................53 Figura 4.2.2: Distribuio espacial dos valores de AOD em 550 nm no dia 248 de 2003 obtidos a partir do sensor MODIS. a) Abordo do satlite Terra. b) Abordo do satlite Aqua..........................................................................................................................................53 Figura 4.2.3: Distribuio espacial dos valores de AOD em 550 nm no dia 249 de 2003 obtidos a partir do sensor MODIS. a) Abordo do satlite Terra. b) Abordo do satlite Aqua..........................................................................................................................................54 Figura 4.2.4: Passagem das 13:30 (UTC) no visvel do satlite Terra do dia 248 de 2003 (05/09/2003)..............................................................................................................................55 Figura 4.2.5: Passagem das 17:40 (UTC) no visvel do satlite Aqua do dia 248 de 2003 (05/09/2003)..............................................................................................................................55 Figura 4.2.6: Mdias das composies de dados do vetor vento (m/s), no nvel de 850 hPa., e da temperatura (C), no nvel de 1000 hPa sobre a Amrica do Sul. a) Climatologia de 20 anos de dados do ms de setembro; b) Mdia do perodo entre o dia 04 e 06 de setembro de 2003...........................................................................................................................................56 Figura 4.3.1: Variabilidade espacial de AOD a partir das passagens do Terra nos locais em estudo. a) Nmero de passagens no raio 30 km com coeficiente de variao de AOD maior ou menor que 1; b) Comparao entre os valores de DA e DP no raio 30 km, apenas para aqueles dias nos quais o coeficiente de variao menor que 1; c) Nmero de passagens no raio 50 km com coeficiente de variao de AOD maior ou menor que 1; d) Comparao entre os valores de DA e DP no raio 50 km, apenas para aqueles dias nos quais o coeficiente de variao menor que 1.............................................................................................................58 Figura 4.4.1: Qualidade dos dados de AOD do MODIS em Arica resoluo 100 km x 100 km. a) A partir das passagens do Terra no perodo de 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua no perodo de 2002-2008................................................................................................59 Figura 4.4.2: Qualidade dados de AOD do MODIS em Santiago. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008..........................................60 Figura 4.4.3: Qualidade dados de AOD do MODIS em Buenos Aires. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das
passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008.........................61 Figura 4.4.4: Qualidade dados de AOD do MODIS em Crdoba. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008..........................................62 Figura 4.4.5: Qualidade dados de AOD do MODIS em Puerto Madryn. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008.........................63 Figura 4.4.6: Qualidade dados de AOD do MODIS em Trelew. a) A partir das passagens do Terra resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2000-2008; b) A partir das passagens do Aqua resoluo 20 km x 20 km no perodo de anos 2002-2008; c) A partir das passagens do Terra resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2000-2008; d) A partir das passagens do Aqua resoluo 60 km x 60 km no perodo de anos 2002-2008...............................................64 Figura 4.5.1: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Terra e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Santiago. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................66 Figura 4.5.2: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Terra e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Buenos Aires. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................67 Figura 4.5.3: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Terra e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Crdoba. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................68 Figura 4.5.4: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Aqua e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Crdoba. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................69 Figura 4.5.5: Comparao de AOD obtida a partir das passagens do Terra e a AOD obtida a partir das medidas da AERONET em Puerto Madryn. a) AOD na resoluo 20 km x 20 km; b) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 20 km x 20 km; c) AOD na
resoluo 100 km x 100 km; d) Apenas AOD de qualidade muito boa (QA=3) na resoluo 100 km x 100 km........................................................................................................................71 Figura 4.6.1: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Arica. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples......................................................................................................................73 Figura 4.6.2: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Santiago. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples..................................................................................................74 Figura 4.6.3: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Buenos Aires. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples..................................................................................................75 Figura 4.6.4: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Crdoba. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples..................................................................................................76 Figura 4.6.5: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Puerto Madryn a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples..................................................................................................77 Figura 4.6.6: Propriedades pticas do aerossol da AERONET e dos modelos pticos do algoritmo do MODIS em funo do comprimento de onda em Trelew. a) Fator de Assimetria; b) Albedo Simples......................................................................................................................77 Figura 4.6.7: Mapas mostrando os tipos de aerossol da moda fina utilizados no algoritmo de obteno da profundidade ptica do aerossol sobre continentes para cada estao da AERONET, em diferentes pocas do ano. Em verde utilizado um modelo com albedo simples de aproximadamente 0,95 (no absorvedor), em azul de aproximadamente 0,90 (moderadamente absorvedor) e em vermelho de aproximadamente 0,85 (absorvedor). (Fonte: Levy et al. (2009a)....................................................................................................................78 Figura 4.6.8: Mapas mostrando os tipos de aerossol da moda fina utilizados no algoritmo de obteno da profundidade ptica do aerossol sobre continentes, em diferentes pocas do ano. Em verde utilizado um modelo com albedo simples de aproximadamente 0,95 (no absorvedor), e em vermelho de aproximadamente 0,85 (absorvedor). (Fonte: Levy et al. (2009a)......................................................................................................................................79
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.3.1: Nome da estao, sua localizao, altitude, nvel e perodo temporal de disponibilidade dos dados da AERONET................................................................................ 33 Tabela 3.4.1: Classificao da confiana de garantia de qualidade a partir do nmero de bits correspondente aos arquivos HDF dos produtos do aerossol do MODIS MOD04 e MYD04 para a regio em anlise..........................................................................................................33 Tabela 4.1.1: Nmero de dias com dados de AOD em cada zona de estudo para o MODIS a bordo dos satlites Terra e Aqua..............................................................................................38 Tabela 4.4.1: Quantidade de dados de AOD do MODIS com QAC = 3 comparados com a AOD da AERONET...................................................................................................................65
LISTA DE SIGLAS AERONET - AErosol RObotic NETwork
AOD - Aerosol Optical Depth
ASAS - Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul
ASPS - Anticiclone Subtropical do Pacfico Sul
CV - Coeficiente de Variao
DA - Diferena Absoluta
DP - Desvio Padro
FR - Forante Radiativa
GOES - Geostationary Operational Environmental Satellites
HDF - Hierarquical Data File
IAG - Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias Atmosfricas
IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change
LIDAR - Light Detection and Ranging
LUT - Look Up Tables
MATLAB - MATrix LABoratory
MODIS - Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer
NASA - National Aeronautic Spacial Agency
NCAR - National Center for Atmospheric Research
NCEP - National Center for Environmental Prediction
QA - Quality Assurance
QAC - Quality Assurance Confiance
RADAR - Radio Detection and Ranging
TOA - Top Of Atmosphere
USP - Universidade de So Paulo
ZCIT - Zona de Convergncia Intertropical
SUMRIO
CAPTULO 1: INTRODUO....................................................................................01
1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO....................................................................................04
1.1.1 Objetivo General...............................................................................................04
1.1.2 Objetivos Especficos.........................................................................................04
CAPTULO 2: REVISO BIBLIOGRFICA...........................................................05
2.1 O AEROSSOL ATMOSFRICO.................................................................................05
2.2 OS EFEITOS DO AEROSSOL NO BALANO RADIATIVO TERRESTRE..........06
2.3 PROPRIEDADES RADIATIVAS DO AEROSSOL...................................................09
2.3.1 Teoria de Espalhamento Mie (ou de Llorentz-Mie)..........................................10
2.4 O SENSORIAMENTO REMOTO DOS AEROSSIS................................................14
2.4.1 Sensoriamento Remoto Superfcie..................................................................15
2.4.2 Sensoriamento Remoto de Satlites...................................................................17
2.5 CARACTERISTICAS DA REGIO DE ESTUDO....................................................18
2.5.1 Circulao Atmosfrica no sul da Amrica do Sul...........................................18
2.5.2 Descrio e caractersticas climticas dos locais de estudo............................20
2.5.3 Antecedentes das propriedades pticas do aerossol no sul da Amrica do Sul...................................................24
CAPTULO 3: MATERIAIS E MTODOS...............................................................28
3.1 MODIS - MODERATE RESOLUTION IMAGING SPECTRORADIOMETER.......28
3.2 AERONET - AEROSOL ROBOTIC NETWORK.......................................................30
3.3 FONTES DE DADOS E INFORMAO...................................................................33
3.4 METODOLOGIA.........................................................................................................34
3.4.1 Variabilidade Temporal do Aerossol................................................................34
3.4.2 Variabilidade Espacial do Aerossol..................................................................35
3.4.3 Quality Assurance (QA)....................................................................................36
3.4.4 Comparao da Profundidade ptica do Aerossol AERONET X MODIS.......37
3.4.5 Anlise do albedo simples e fator de assimetria...............................................37
CAPTULO 4: RESULTADOS E DISCUSSO.........................................................39
4.1 VARIABILIDADE TEMPORAL DO AEROSSOL....................................................40
4.2 ANLISE DE CASO EM BUENOS AIRES...............................................................54
4.3 VARIABILIDADE ESPACIAL DO AEROSSOL.......................................................59
4.4 QUALITY ASSURANCE (QA)...................................................................................61
4.5 COMPARAO ENTRE A PROFUNDIDADE PTICA DO AEROSSOL
DERIVADA A PARTIR DO MODIS (QA = 3) X AERONET...................................67
4.6 ANLISE DO ALBEDO SIMPLES E FATOR DE ASSIMETRIA...........................74
CAPTULO 5: CONCLUSES....................................................................................80
CAPTULO 6: REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS..............................................83
Captulo 1 - Introduo 1
CAPTULO 1: INTRODUO
As mudanas decorrentes nas concentraes dos gases de efeito estufa e dos aerossis
na atmosfera alteram o balano de energia do sistema climtico e so fatores que do origem
s mudanas climticas (IPCC, 2007). O quarto relatrio do Intergovernmental Panel on
Climate Change (IPCC) discute que este um fenmeno natural que tem sido acelerado pela
massiva interveno humana nos ciclos naturais do planeta. Assim, a modificao progressiva
do meio ambiente pela ao do homem afeta direta (emisses da fumaa) e indiretamente
(mudanas no uso do solo) a formao e as propriedades dos aerossis atmosfricos
predominantes. No entanto, o conhecimento do papel dos aerossis no clima atualmente
muito impreciso, e as predies futuras sobre seus efeitos climticos vm acompanhadas de
incertezas comparveis s prprias predies (Gimeno et al., 2002).
As partculas de aerossol so um constituinte importante da atmosfera, que tm um
impacto sobre a poluio do ar em escala local e regional, influenciando significativamente o
balano radiativo do sistema terra-atmosfera e o ciclo hidrolgico (Houghton et al. 2001).
Portanto, a quantificao precisa dos efeitos do aerossol sobre o balano radiativo requer o
conhecimento tambm preciso de suas propriedades pticas. O aerossol interage diretamente
com a radiao solar e terrestre, podendo provocar absoro e/ou espalhamento dessa
radiao, e indiretamente quando determinados tipos de aerossis, atuam como ncleos de
condensao de nuvens (CCN) (Seinfeld & Pandis, 1998), influindo, ento, nos processos de
precipitao e na mudana de refletividade das nuvens.
Conhecer a distribuio espacial e temporal dos aerossis em escala global
importante para entender a dinmica da formao do aerossol e a sua influncia nas condies
climticas globais (Tripathi et al., 2005). H uma grande variedade de fontes que geram
partculas de aerossol com diferentes tamanhos e propriedades fsicas e qumicas, sendo curto
seu tempo de permanncia na atmosfera, da ordem de uma semana. Por esse motivo, suas
propriedades pticas dependem fortemente das fontes emissoras (Holben et al., 1998), e
apresentam grande heterogeneidade espacial (Seinfeld & Pandis, 1998). Seu transporte a
longas distncias por correntes de ar pode favorecer a interferncia na qumica e na fsica da
atmosfera no somente em escala local, mas tambm em escalas regionais e at globais
(Freitas et al., 2005).
No caso das queimadas de biomassa, esta uma prtica comum na Amrica do Sul,
geradora de gases de efeito estufa e maior fonte de poluio atmosfrica em escala
Captulo 1 - Introduo 2
continental, a partir do desenvolvimento de medies de satlites, possvel obter uma viso
integrada da magnitude desse problema (Mielnicki et al., 2005a). Nas regies tropicais e
subtropicais da frica, Amrica do Sul, sudeste da sia e Austrlia esto localizados os
pases que mais queimam biomassa em todo o globo terrestre (Andreae, 1991; Prins et al.,
1998). O continente Sul Americano lana para a atmosfera aproximadamente 21 Tg ano-1 de
partculas de aerossis em decorrncia das atividades de queima de biomassa (Reid et al.,
2004), contribuindo com o 13% do material particulado emitido mundialmente (van der Werf
et al., 2006). Grandes quantidades de partculas de aerossol so emitidas para a atmosfera por
queimadas nas pocas secas, majoritariamente nas regies norte e central do Brasil, incluindo
a Amaznia. Uma frao significativa dessa camada de fumaa transportada para outras
localidades, como a poro sul da Amrica do Sul (Recuero, 2003).
Nesta regio, outra importante fonte a suspenso de poeira do solo e a emisso
antropognica urbana devido ao trfego intenso de veculos, como acontece em Santiago, no
Chile, por exemplo, (Artaxo et al., 1999). Outras fontes que se destacam so as de origem
marinha e poeira do deserto de Atacama, em Arica (Chile), alm das indstrias minerais perto
da cidade (Otero et al., 2006c). Entretanto, mesmo em locais que compartilham do mesmo
tipo terico de aerossol, por exemplo, urbano/industrial, a variabilidade em muitos casos
bastante acentuada (Dubovik et al., 2002).
Como as partculas do aerossol tm uma participao muito importante sobre o clima
da Terra, existe um interesse mundial para caracterizar suas propriedades e seus efeitos
atravs de tcnicas de sensoriamento remoto (Levy et al., 2007). Estabelecer climatologias e
caracterizaes das distribuies espaciais dos aerossis na atmosfera possvel mediante o
monitoramento de longo prazo e em escala global (Holben et al., 2001); isto, atravs do uso
conjunto de redes de monitoramento em superfcie e medidas abordo de satlites (Ichoku et
al., 2005).
Desde o lanamento do sensor com resoluo moderada, o MODIS (Moderate
Resolution Imaging Spectroradiometer), a bordo dos satlites Terra (ao final do ano 1999) e
Aqua (comeo do ano 2002), cujos instrumentos medem a radincia espectral em 36 canais,
nas resolues entre 250 m e 1 km (no nadir), os dados recuperados de aerossol do MODIS
tm sido utilizados para responder questes cientficas acerca da radiao e do clima, mas
tambm para aplicaes tais como monitoramento da qualidade do ar na superfcie (Levy et
al., 2007). Entretanto, o sensoriamento remoto em superfcie, pela sua simplicidade e maior
acurcia para estimar as propriedades microfsicas e pticas da coluna de aerossis em uma
determinada regio (Kaufman et al., 1994; Holben et al., 1998, 2001), tem sido a ferramenta
Captulo 1 - Introduo 3
referncia no monitoramento do aerossol (Holben et al., 2001). Uma delas a rede mundial
concebida e operada pela National Aeronautic Spacial Agency (NASA Goddard Space Flight
Center) para caracterizar e monitorar as propriedades pticas do aerossol, AERONET
(Aerosol Robotic Network) (Holben et al., 1998), que atualmente opera com mais de cem
radimetros instalados em diversas partes do globo. Os radimetros so fabricados pela Cimel
e realizam medies automticas de radincia espectral solar direta do sol e difusa do cu, em
diferentes geometrias e comprimentos de onda. Assim, dados de fotmetros solares em terra,
especialmente da AERONET, so utilizados para a validao das medidas obtidas a partir das
passagens dos satlites.
As propriedades pticas do aerossol na Amrica do Sul no tm sido muito estudadas,
por isso de grande interesse analis-las especificamente ao sul da Amrica do Sul.
Considerando que h estaes da AERONET instaladas no Chile e na Argentina, que se
pretendeu analisar os dados disponveis com o objetivo de avaliar a qualidade das observaes
feitas pelo sensor MODIS nessa regio.
Captulo 1 - Introduo 4
1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO
1.1.1 Objetivo General
O objetivo deste trabalho foi a anlise das propriedades pticas do aerossol em
diferentes localidades do Chile e Argentina utilizando-se distintas plataformas de medidas
como radimetros instalados em superfcie pertencentes AERONET (Aerosol Robotic
Network) (Holben et al., 1998), e o sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer) a bordo dos satlites Terra e Aqua (Kaufman et al., 1997a, Remer et al.,
2005). Pretendeu-se avaliar a evoluo temporal do aerossol, e com o sensor MODIS, outro
objetivo analisar a variabilidade espacial da profundidade ptica do aerossol sobre o sul da
Amrica do Sul.
1.1.2 Objetivos Especficos
Analisar as propriedades pticas do aerossol em diferentes localidades do Chile e da
Argentina.
Avaliar a evoluo temporal do aerossol, existncia de sazonalidade e verificar a
possvel influncia do aerossol de queimadas.
Analisar a variabilidade espacial da profundidade ptica do aerossol sobre a poro sul
da Amrica do Sul, atravs dos dados do MODIS.
Avaliar a qualidade dos dados do MODIS sobre o sul da Amrica do Sul utilizando os
dados da AERONET.
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 5
CAPTULO 2: REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 O AEROSSOL ATMOSFRICO
Os aerossis atmosfricos so pequenas partculas slidas ou lquidas em suspenso na
atmosfera, que contm compostos orgnicos e inorgnicos de origem antropognica, bem
como de fontes naturais (Lang-Yona et al., 2010). O tamanho dessas partculas pode variar
entre 0,001 a 100 m (Seinfeld & Pandis, 1998). Sua composio e tamanho dependem das
fontes de emisso e de processos fsico-qumicos que ocorrem na atmosfera. Um modelo
clssico de distribuio por tamanho das partculas atmosfricas apresentado na figura 2.1.1
que mostra uma distribuio trimodal, com indicao dos respectivos processos de formao,
transformao e remoo da atmosfera.
Os aerossis podem ser emitidos diretamente na atmosfera (aerossis primrios) a
partir de vrias fontes, tais como a queima de combustveis fsseis, a queima de biomassa, as
emisses vulcnicas, a poeira do solo transportada pelo vento, o sal marinho, e de materiais
biolgicos (plen, bactrias, etc.) (Seinfeld & Pandis, 2006). As partculas de origem
secundria so formadas indiretamente na atmosfera por meio de processos de converso gs-
partcula (Raes et al., 2000), isto , pela condensao de compostos em fase gasosa em
partculas pr-existentes, a nucleao homognea de compostos volteis ou semi-volteis para
formar partculas em escala nanomtrica, ou por reaes heterogneas e de fase mltipla
(Finlayson-Pitts & Pitts, 2000; Seinfeld & Pandis, 2006).
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 6
Figura 2.1.1: Esquema da Distribuio de Tamanho do aerossol atmosfrico. (Fonte: adaptado de Finlayson-Pitts & Pitts, 2000).
O perodo de permanncia dos aerossis na atmosfera pode variar de minutos a
semanas, entretanto, as partculas presentes na estratosfera (por exemplo, produto do
transporte de emisses vulcnicas) podem alcanar tempo de residncia de at anos (Horvath,
2000). Assim, os aerossis podem ser transportados pela circulao atmosfrica, afetando
regies remotas s fontes (Yamasoe, 1999; Horvath, 2000).
2.2 OS EFEITOS DO AEROSSOL NO BALANO RADIATIVO TERRESTRE
A energia radiante instantnea incidente perpendicularmente a uma unidade de rea
(irradincia) localizada a uma distncia mdia entre o Sol e a Terra denominada constante
solar (S0). Existe uma pequena variao nos valores de S0 adotados por diferentes
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 7
pesquisadores, avaliados entre 1350 Wm-2 a 1370 Wm-2 (Liou, 2002; Thomas & Stamnes,
1999; Seinfeld & Pandis, 1998). A quantidade mdia de energia incidente sobre uma
superfcie plana, fora da atmosfera, ao longo do ano a cada 24 horas de aproximadamente
um quarto do total da irradincia solar, ou 342 Wm-2 (Trenberth & Stepaniak, 2004).
Aproximadamente 31% desta energia espalhada ou refletida de volta para o espao, esta
frao denominada albedo planetrio e contribuem para ela os efeitos das nuvens (~17%),
da superfcie terrestre (~6%) e das molculas e partculas (aerossol) naturalmente presentes na
atmosfera (~7%), que deixam 235 Wm-2 para aquecer a superfcie terrestre e a atmosfera.
Figura 2.2.1: Balano de energia global do sistema terra-atmosfera (Fonte: Kiehl & Trenberth, 1997)
Para equilibrar a energia recebida, a Terra deve irradiar a mesma quantidade de
energia de volta para o espao (figura 2.2.1), e 235 Wm-2 corresponde radiao de corpo
negro a uma temperatura de aproximadamente 254 K (Trenberth & Stepaniak, 2004). A
energia solar incidente que absorvida pelo sistema Terra-atmosfera deve ser contrabalanada
por uma quantidade igual de energia emitida no infravermelho termal, de modo a atingir o
equilbrio do clima (Liou, 2002).
Os aerossis modificam o balano de energia terra-atmosfera atravs do espalhamento
e absoro de radiao, chamado de efeito direto (Charlson et al., 1992), alterando a
termodinmica atmosfrica e a formao de nuvens (o chamado efeito semidireto) (Koren et
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 8
al., 2004), e tambm mudando a microfsica de nuvens, denominado de efeito indireto
(Rosenfeld & Lensky, 1998). As mudanas positivas ou negativas do balano de energia por
efeito desses fatores se expressam em termos de forantes radiativas (FR), que a magnitude
utilizada para comparar as influncias de natureza trmica sobre o clima mundial (IPCC,
2007). As FRs positivas tendem a aquecer a superfcie da Terra e a baixa atmosfera, e as
forantes negativas tendem a esfri-las, sendo as principais FRs o Sol, o albedo terrestre, os
gases de efeito estufa, os aerossis e as nuvens.
Figura 2.2.2: Estimativa de forantes radiativas do clima entre 1750 e 2005, para diferentes agentes, naturais e antropognicos. (Fonte: IPCC 2007)
O foramento radiativo dos aerossis um componente crtico do clima global e
regional devido sua influncia na superfcie terrestre e nos processos atmosfricos da
camada limite (Yu et al., 2002), nas temperaturas da superfcie global, no clima e no ciclo
hidrolgico (Ramanathan et al., 2001), e nos ecossistemas (Chameides et al., 1999). O
resfriamento por aerossis antropognicos pode ser comparvel em magnitude ao
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 9
aquecimento de gs de efeito estufa em escala global, mas pode ser muito maior em uma
escala regional (IPCC, 2001). No entanto, subsistem incertezas substanciais para o efeito
direto e ainda muito maior para o efeito indireto (Anderson et al., 2003).
A figura 2.2.2 compara a forante radiativa para gases de efeito estufa e outros
agentes, mostrando os valores da FR para o perodo entre 1750 a 2005. O maior componente,
de 1,66 Wm-2, deve-se ao aumento da concentrao de dixido de carbono na atmosfera.
Outros gases do efeito estufa contribuem com 0,98 Wm-2. Os demais componentes so de
magnitude de poucos dcimos de Wm-2. Por exemplo, as partculas de aerossis
(principalmente do resultado das emisses industriais de dixido de enxofre) tm produzido
uma FR de -0,5 Wm-2, negativo, reforando o albedo planetrio.
Os clculos do efeito direto dos aerossis tm um elevado nvel de incerteza, apesar de
ser o grande foco cientfico nas ltimas dcadas (IPCC, 2007). Estimativas do IPCC apontam
que o impacto global desse efeito no sentido de resfriamento do sistema terra-atmosfera com
valores entre -0,2 e -1,5 Wm-2, que atuam de forma a mascarar parte do aquecimento induzido
pelos gases do efeito estufa. No entanto, determinados tipos de aerossis (black carbon)
apresentam uma forante radiativa positiva estimada entre 0,16 e 0,42 Wm-2 (Haywood &
Boucher., 2000). Bellouin et al. (2005) estimaram a forante radiativa direta (FRD) dos
aerossis globais em 2002, com base em medies por satlite. Eles calcularam uma FRD de -
0,8 Wm-2 com um desvio padro (DP) de 0,1 Wm-2. Um estudo recente da FRD desde o
tempo pr-industrial forneceu novas estimativas com base em nove modelos globais de
aerossis (AeroCom) (Schulz et al., 2006). O estudo AeroCom estimou uma FRD global
anual de -0,2 Wm-2 com um desvio padro de 0,2 Wm-2. Estes estudos salientam a grande
incerteza ainda conectada com o efeito radiativo direto dos aerossis antropognicos na
atmosfera.
2.3 PROPRIEDADES RADIATIVAS DO AEROSSOL
No caminho percorrido pela radiao h interao com os aerossis e atravs desta
pode-se estimar a quantidade de aerossol presente na atmosfera. O efeito radiativo dos
aerossis estimado resolvendo-se a equao de transferncia radiativa ETR (Thomas &
Stamnes, 1999) e requer as propriedades pticas das partculas tais como: profundidade
ptica do aerossol )( , funo de fase ),( P e albedo simples )( .
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 10
2.3.1 Teoria de Espalhamento Mie (ou de Llorentz-Mie)
A teoria Mie, para a extino de radiao, descreve a interao de ondas
eletromagnticas de comprimento de onda ( ) com partculas esfricas homogneas. Esta
interao depende do parmetro de tamanho (X), que a razo entre o tamanho da partcula e
o comprimento de onda da radiao incidente, e do seu ndice de refrao complexo (m). A
teoria desenvolvida baseando-se em:
H uma forte e complexa dependncia da radincia espalhada com o ngulo de
observao, dependncia que aumenta conforme a razo entre o tamanho da partcula
e o comprimento de onda da radiao incidente aumenta (figura 2.3.1).
As partculas tendem a possuir o espalhamento frontal mais intenso que o traseiro, tal
comportamento ser mais significativo quanto maior for o parmetro de tamanho das
partculas.
A dependncia do espalhamento com o comprimento de onda diminui com o aumento
do tamanho das partculas, motivo pelo qual as nuvens, cujos centros de espalhamento
so gotculas de gua ou cristais de gelo de tamanho significativo, so brancas.
A teoria Mie pode ser utilizada para descrever a interao da radiao com partculas
de um tamanho qualquer; no entanto, ela costuma ser utilizada quando o tamanho das
partculas da mesma ordem de grandeza do comprimento de onda da radiao incidente.
comum definir o regime de espalhamento Mie quando 0,1 X 50 (Wallace & Hobbs, 2006).
Quando X 1 entra-se no regime
da ptica geomtrica.
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 11
Figura 2.3.1: Distribuio angular da radiao espalhada para partculas esfricas de diferentes tamanhos, a) por partculas muito pequenas com relao ao comprimento de onda da radiao incidente. b) por partculas maiores; c) por partculas muito maiores que o comprimento de onda da radiao incidente. (Fonte: Liou, 2002)
A composio qumica do aerossol determina suas propriedades radiativas,
especialmente atravs do ndice de refrao complexo ( )(m ), que uma grandeza que
depende do comprimento de onda. A parte real (n) do ndice que determina o desvio da onda
incidente; portanto maior o ndice, maior o efeito da partcula sobre a radiao incidente. A
parte imaginria (ki) determina a sua capacidade de absoro de radiao, quanto mais
absorvedora for uma partcula, maior o valor da parte imaginria.
Funo de Fase e Fator de Assimetria
A funo de fase ( P ) o parmetro que descreve a dependncia angular da radincia
espalhada pela partcula, e pode ser escrita por:
=
0
),,,(
),,,(),,,(
dsenmXL
mXLmXP (2.3.1)
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 12
onde a integral da funo de fase em uma esfera centrada na partcula 4 :
4),,,(2
0 0
= ddsenmXP (2.3.2)
onde o ngulo azimutal, corresponde ao ngulo formado entre a direo incidente e a
emergente. Para 0= a radincia L espalhada na mesma direo que a radincia incidente
(espalhamento frontal) e para 180= tem-se a inverso da direo incidente (ou retro-
espalhamento).
O parmetro de assimetria g definido como:
=1
1
)(coscos)(cos2
1dPg (2.3.3)
o qual um importante parmetro na avaliao do espalhamento de partculas, derivado
diretamente da funo de fase. Este parmetro corresponde ao valor mdio do cosseno do
ngulo de espalhamento, ponderado pela funo de fase, que descreve o grau de assimetria do
espalhamento (Liou, 2002). Os valores de g podem variar entre -1 a 1 e alguns valores
possuem interpretao imediata:
g = 1, espalhamento completamente frontal
g = -1, espalhamento completamente traseiro
g = 0, espalhamento simtrico
Coeficiente Linear de Extino
O coeficiente linear de extino )'(, sext uma medida da atenuao da radiao
provocada por um conjunto de partculas no meio.
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 13
Albedo Simples
O albedo simples ,0 um parmetro que quantifica quanto da radiao atenuada ou
extinta pelos aerossis sofreu espalhamento, isto , a frao da radiao que foi atenuada por
espalhamento ao interagir com as partculas de aerossol. O albedo simples ,0 pode ser
expresso a partir do coeficiente linear de extino:
)'(
)'(
)'()'(
)'(
,
,
,,
,,0 s
s
ss
s
ext
esp
absesp
esp
=
+= = (2.3.4)
Profundidade ptica de Extino
A profundidade ptica de extino do aerossol definida como a integrao do
coeficiente linear de extino ao longo de um caminho ptico (s) definido na vertical.
=s
exta sds )'()'(,, (2.3.5)
onde denota o topo da atmosfera, definida como sendo a altura onde no ocorre interao
significativa entre o meio e a radiao e, por definio, a profundidade ptica no topo da
atmosfera nula. O termo s denota a extenso do caminho ptico considerado desde o topo
da atmosfera.
Coeficiente de ngstrm
O coeficiente de ngstrm ),( 21 permite avaliar o tamanho mdio das partculas
de aerossol que interagem com o feixe de radiao solar quando o mesmo atravessa a
atmosfera. ngstrm em 1929 sugeriu a seguinte aproximao emprica conhecida como
frmula de turbidez de ngstrm para descrever a dependncia espectral da profundidade
ptica do aerossol (Iqbal, 1983; Mc Arthur et al., 2003):
=,a (2.3.6)
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 14
onde o coeficiente de turbidez, representa a quantidade de aerossol na coluna
atmosfrica. Para igual a 1 m equivalente AOD neste comprimento de onda. O
usualmente denominado coeficiente de ngstrm e est relacionado com a distribuio de
tamanho das partculas (Iqbal, 1983). Altos valores de indicam maior presena de
partculas da moda fina e valores de prximos a zero indicam predomnio de partculas
grandes. Os parmetros e podem ser determinados simultaneamente a partir da AOD
obtida em dois comprimentos de onda diferentes. Utilizando medies nos diversos canais
que compem os fotmetros e a frmula sugerida por ngstrm, as redes que monitoram o
aerossol obtm valores de atravs da seguinte expresso:
)/ln(
)/ln(),(
21
,,21
21
aa= (2.3.7)
2.4 O SENSORIAMENTO REMOTO DOS AEROSSIS
O termo sensoriamento remoto em um sentido geral refere-se s medies realizadas
distncia, adquirindo informaes de um objeto sem interagir diretamente com ele. A
informao transportada do observado ao observador por meio de ondas que so geralmente
eletromagnticas ou sonoras (Lenoble, 1993). O sensoriamento remoto envolve a
interpretao e a inverso da radiao eletromagntica medida a certa distncia, onde a
radiao caracterizada por um comprimento de onda especfico que sensvel a algum
aspecto fsico do meio (Liou, 2002). O sensoriamento remoto dos aerossis visa obteno de
parmetros pticos e fsicos necessrios para a correta aferio do papel dos aerossis no
sistema Terra-atmosfera. A obteno realizada de forma indireta atravs da captao,
realizada por instrumentos, da radiao eletromagntica refletida ou espalhada pelas
partculas. De maneira geral, esses instrumentos so denominados de radimetros ou sensores,
ou seja, so instrumentos capazes de realizar medies de uma dada grandeza radiomtrica
(como a radincia ou irradincia) em diferentes faixas espectrais.
Em geral, o sensoriamento remoto dos aerossis realizado atravs de medies
realizadas por instrumentos presentes em superfcie, aeronaves ou satlites, cada uma com
suas vantagens e desvantagens (Charlson, 2001).
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 15
2.4.1 Sensoriamento Remoto Superfcie
A profundidade ptica do aerossol uma varivel que permite avaliar remotamente a
carga de aerossis na atmosfera a partir de instrumentos em superfcie. Esta varivel
utilizada nas investigaes locais para caracterizar aerossis, avaliar a poluio atmosfrica e
fazer as correes atmosfricas de satlites de sensoriamento remoto de dados. por estas
razes que registros da profundidade ptica do aerossol abrangendo a maior parte do sculo
20 tm sido efetuados a partir de fotmetros solares (Holben et al., 2001). O monitoramento
de aerossis atmosfricos feito por medidas in situ realizadas em superfcie fornece resultados
localizados e representativos somente dos nveis atmosfricos mais prximos da superfcie,
pois vrias caractersticas das partculas de aerossol podem apresentar variaes na vertical
(Yamasoe, 1999). Alm disso, geralmente as medidas realizadas em aeronaves e na superfcie
podem alterar as propriedades das partculas, seja por sec-las ou por causa da volatilizao
de certos compostos constituintes das partculas de aerossol.
A vantagem da fotometria que permite a determinao de parmetros micro-fsicos
das partculas presentes em toda a coluna vertical da atmosfera em condies ambientais, ou
seja, sem alterar o ambiente ou as partculas nele inseridas alm de propiciar estudos de longo
prazo. A desvantagem da fotometria solar est na falta de informaes quanto distribuio
vertical das partculas de aerossol (Yamasoe, 1999). Os instrumentos empregados na tcnica
de fotometria solar, atualmente, so constitudos por um radimetro capaz de medir o
componente direto da radiao solar incidente (figura 2.4.1) por um estreito campo de viso
(da ordem de 1 a 3) passando tambm por filtros de interferncia com bandas de transmisso
estreitas, da ordem de 6,0 a 10 nm (Rollin, 2010). Outros instrumentos so capazes de estimar
o componente direto espectral da radiao solar empregando tcnicas de sombreamento do
disco solar, sem restringir o campo visual de deteco, denominados como radimetros multi-
espectrais com anel de sombreamento (Harrison & Michalsky, 1994).
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 16
Figura 2.4.1: Geometria de um radimetro em superfcie para a medio da radincia direta do sol (Fonte: Liou, 2002)
Algumas redes mundiais de monitoramento da atmosfera empregam fotmetros
solares e radimetros multi-espectrais, das quais se destaca a rede Aerosol Robotic Network
(AERONET) (Holben et al., 1998) pertencente NASA (National Aeronautics and Space
Administration/Goddard Space Flight Center). Os dados de AOD da AERONET so
utilizados neste trabalho para validar os dados de AOD recuperados pelo MODIS,
empregando fotmetros solares Cimel Eletronique em algumas localidades no sul da Amrica
do Sul. A AERONET possui centenas de estaes em todo mundo e os instrumentos so
calibrados anualmente em centro especializado onde so reavaliados diante de instrumentos
de referncia (Holben et al., 1998). Redes desse tipo so capazes de obter diversos parmetros
pticos e fsicos relacionados aos aerossis como seu albedo simples, distribuio de
tamanho, ndice de refrao complexo e profundidade ptica, mas possuem a desvantagem de
obter apenas a dependncia temporal destes parmetros, pois seu alcance apenas local. No
caso das medies realizadas a bordo de aeronaves, possvel estender as caractersticas
discutidas no caso das observaes de superfcie para uma rea de atuao maior, mas os altos
custos impedem que os parmetros sejam obtidos em grandes extenses de rea e para
grandes perodos de tempo. Por ltimo, os satlites apresentam a vantagem de oferecer
cobertura global, mas em contrapartida so incapazes de realizar medies de vrios
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 17
parmetros como o albedo simples, a distribuio de tamanho e outros. Em geral, os satlites
so capazes de fornecer informaes com relao profundidade ptica do aerossol, o
coeficiente de ngstrm e o raio efetivo das partculas.
2.4.2 Sensoriamento Remoto de Satlites
Recentemente, uma srie de satlites de baixa altitude (por exemplo, Terra, Aqua,
Aura) foi lanada como parte do Sistema de Observao da Terra (EOS) que fornece dados de
mltiplos instrumentos. Estes instrumentos fornecem uma oportunidade para realizar
observaes, em escala global, da superfcie terrestre, biosfera, atmosfera e oceanos. Os dados
coletados so usados para estimar perfis de temperatura atmosfrica, propriedades de
aerossis, nuvens, ou da cobertura vegetal. Atingir estimativas precisas um requisito
essencial para o sucesso dos estudos cientficos decorrentes.
A radincia observada pelos sensores a bordo de satlites tem origem em diversas
fontes (Figura 2.4.2).
Figura 2.4.2: Vrios caminhos da radincia recebida por um sistema de sensoriamento remoto de satlites (Fonte: Wang et al., 2008)
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 18
Na figura 2.4.2 observa-se: no caminho 1 a radincia solar que foi atenuada pouco
antes de chegar superfcie e refletida de volta para a atmosfera; no caminho 2 a radincia
que nunca atinge a superfcie da Terra por causa do espalhamento na atmosfera, sendo uma
certa quantidade de radiao detectada pelo sistema do sensor; no caminho 3 a radiao solar,
que sofreu espalhamento e absoro talvez um pouco antes de atingir a superfcie e no
caminho 4 a radiao que foi refletida por superfcie vizinha ao campo de viso do sensor.
O sensoriamento remoto da profundidade ptica do aerossol (AOD) baseia-se no
conceito de que a radiao solar modificada pelos aerossis enquanto atravessa a atmosfera.
No entanto, a radiao total observada pelo sensor do satlite a combinao de radincia
refletida tanto pela atmosfera quanto pela superfcie (figura 2.4.2). Para estimar a AOD
usando observaes por satlite, necessrio determinar com preciso a
quantidade exata de radiao refletida pela atmosfera (caminho 2, na figura 2.4.2), que
transmite as informaes diretamente relacionadas com a AOD. Nesse caso, a radiao
refletida pela superfcie (caminhos 1, 3 e 4 da figura 2.4.2) considerada como um rudo
indesejado (Wang et al., 2008). Apesar do sensoriamento remoto dos aerossis via satlite
apresentar desvantagens, trata-se do nico meio disponvel para realizar o monitoramento das
partculas em todo globo e por isso constitui uma fonte de dados que no deve ser desprezada.
Este aspecto se torna importante levando-se em conta o fato de os aerossis possurem curto
tempo de permanncia na atmosfera e de possurem alta variabilidade espacial e temporal de
suas propriedades (Remer et al., 2005). Dessa forma, qualquer melhoria das capacidades do
sensoriamento remoto via satlite importante.
2.5 CARACTERISTICAS DA REGIO DE ESTUDO
2.5.1 Circulao Atmosfrica no sul da Amrica do Sul
O continente sul-americano possui uma orografia singular estendendo-se desde os
trpicos at altas latitudes e apresenta uma das montanhas mais altas do mundo, a Cordilheira
dos Andes, que tem uma altura mdia de 4000m, que acompanha toda a costa do Pacfico
contribuindo em gerar uma grande diversidade de climas nos seus 17,6 milhes de km2
(Ambrizzi et al., 2006). Uma das conseqncias mais importantes da presena dos Andes o
bloqueio imposto aos ventos de oeste e a canalizao do fluxo meridional da baixa troposfera
sobre o continente (Gan & Rao, 1994; Garreaud &Wallace, 1998).
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 19
Do lado oeste da cordilheira, nas latitudes tropicais, o clima controlado
principalmente pela Zona de Convergncia Intertropical (ZCIT) e pelo Anticiclone
Subtropical do Pacfico Sul (ASPS). A subsidncia associada ao ASPS e o escoamento dos
baixos nveis transporta pouca umidade para a costa subtropical da Amrica do Sul e sustenta
a corrente ocenica de Humboldt, transportando guas frias do sul ao longo da costa e
mantm as guas costeiras relativamente frias nessas latitudes, inibindo o deslocamento para o
sul da ZCIT (Nieuwolt, 1977). por isto (e tambm por estar sob a poro subsidente do
ASPS) que o sul do Peru e a metade norte do Chile (entre o equador e 20S) compem uma
das regies mais ridas do planeta, um enorme contraste com a regio tropical mida do lado
leste da cordilheira. O ASPS bastante forte e persistente ao longo do ano (Trewartha, 1961),
seu centro se localiza entre 25 a 30 S e 90 a 105 O e sua influncia tipicamente atinge os
38 S, podendo penetrar at o sul alm dos 45S, durante o vero austral (Fuenzalida, 1971).
Os ventos alsios associados ao ASPS tm orientao SSO, mas nos nveis mais baixos so
defletidos pela cordilheira assumindo orientao paralela costa, provocando ressurgncia e
baixando a temperatura da superfcie do mar j fria (Nieuwolt, 1977). O que tambm
contribui para que o norte do Chile seja uma das regies mais ridas caracterizada pela
escassez de precipitaes. A zona central apresenta chuvas abundantes no inverno e, devido
ao enfraquecimento do anticiclone, predomina a atividade ciclnica o que permite a passagem
de sistemas frontais. Os veres so secos, pois quando o ASPS est mais intenso atingindo
latitudes maiores (Satyamurty et al., 1998). Na regio sul do Chile os veres apresentam
precipitaes, mas em quantidades menores do que no inverno, pois os ventos de oeste esto
mais constantes e mais frequente a passagem de ciclones formados sobre o Pacfico Sul,
muitas vezes barrados pela cordilheira dos Andes (Trewartha, 1961).
No lado leste da Amrica do Sul a situao oposta: os ventos quentes e midos
gerados pelo Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul, o efeito frontogentico e ciclogentico
a sotavento dos Andes e a canalizao do fluxo meridional permite a propagao meridional
de sistemas migratrios (Gan & Rao, 1994) e, como consequncia, a intensa troca de massas
de ar entre os trpicos e as latitudes mdias. No extremo sul da Amrica do Sul, a distribuio
sazonal de precipitao proporcionalmente equivalente mesma latitude a oeste da
cordilheira. medida que avana em direo costa atlntica, no entanto, o volume anual de
chuva cai para ndices de deserto causados pela circulao em altos nveis (Dewes, 2007). No
centro-leste da Argentina, Uruguai e Rio Grande do Sul (a bacia do Rio da Prata), o
escoamento de altos nveis torna-se ciclnico, e os sistemas ciclnicos formados nessa latitude
so fortalecidos pelo encontro com massas de ar tropical e pela convergncia de ar prximo
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 20
costa atlntica (Trewartha, 1961). sobre esta rea que se formam as frentes frias, principal
determinante do regime de precipitao anual, sendo mais frequentes nos perodos de outono
e inverno, e aumentando ligeiramente o volume pluviomtrico. No vero, alm da passagem
de frentes frias mais rpidas, esta regio recebe precipitao de sistemas convectivos
formados sobre o norte da Argentina, a Baixa do Chaco, devido ao intenso aquecimento desta
plancie. O deslocamento das massas de ar de origem tropical at latitudes mdias pode estar
associado Baixa do Chaco (Ratisbona, 1976) e ao ASPS. Entre esses dois sistemas se
estabelece um corredor de ventos de norte que transporta ar de origem tropical para latitudes
mdias (Seluchi & Marengo, 2000).
Estas caractersticas da circulao da Amrica do Sul influenciam os sistemas frontais
que conseguem avanar at latitudes subtropicais no vero, j que frequentemente so
acompanhados por intensas precipitaes devido grande quantidade de umidade disponvel e
as condies de instabilidade predominantes. Em geral, estes sistemas se tornam mais lentos e
tendem a estacionar em torno de 20-25 S, misturando-se com a ZCAS (Nogus-Peagle &
Mo, 1997; Garreaud & Wallace, 1998).
2.5.2 Descrio e caractersticas climticas dos locais de estudo
As localidades consideradas para analisar as propriedades pticas do aerossol ao sul da
Amrica do Sul esto localizadas nas regies Norte e Centro do Chile, e nas regies
Pampeana e Patagnica, na Argentina (Figura 2.5.2), cujas caractersticas geogrficas e
climticas so descritas a seguir.
Arica localiza-se na regio de Arica e Parinacota no Chile, entre 1828S de latitude e
7018O de longitude, a uma elevao de 2 m abrange uma superfcie de 4.799 km e uma
populao de 185.268 habitantes. Possui um clima desrtico costeiro, caracterizando-se pela
nebulosidade estratocumuliforme que se forma em horrio noturno, dissipando-se durante o
transcurso da manh, denominada Camanchaca. Apresenta temperaturas baixas e
homogneas, e escassez de precipitaes, aproximadamente 1 mm anual. A temperatura
mdia alta de 22,1 C e a mdia baixa de 15,8 C. A topografia caracterstica de Arica
complexa, caracterizada por uma serra de direo Norte-Sul que atua como parede,
encerrando Arica contra o mar e impedindo a circulao de ventos no interior da zona, isto
somado presena do Morro de Arica no setor sul da cidade. Trata-se de uma zona costeira,
exposta a fenmenos de escala local, produto das diferenas de aquecimento entre o mar e o
continente, brisa marinha (no perodo diurno) e a brisa terrestre (no perodo noturno), com
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 21
ventos prevalecentes de SO y velocidade mdia anual de 2,8 m/s. Em Arica, os maiores
aportes, em termos de Material Particulado (PM10) e Dixido de Enxofre (SO2), provm da
atividade industrial, enquanto os maiores aportes de xidos de Nitrognio (NOx) e Monxido
de Carbono (CO), tm origem no trfego veicular. Alm das contribuies de aerossol
industrial e urbano, existe uma mistura de poeira e spray marinho, devido a sua proximidade
ao deserto de Atacama e ao oceano Pacfico (Otero et al., 2006c).
Figura 2.5.2: Distribuio espacial das regies consideradas para a anlise da profundidade ptica do aerossol
A bacia de Santiago (3329S, 7045O) se localiza na borda ocidental da Amrica do
Sul subtropical, a uma elevao de 520 m, do lado oeste da cordilheira dos Andes e a uns 100
km de distncia da cordilheira da Costa. A rea da regio Metropolitana de Santiago excede
os 15.000 km2, com uma populao aproximada de 6,2 milhes de habitantes (Silva et al.,
2003). O Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul exerce sua influncia nessa regio durante
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 22
quase a totalidade do ano, resultando uma persistente inverso trmica de subsidncia e um
clima semi-rido com precipitaes anuais de aproximadamente 400 mm, que ocorrem nos
meses de inverno, temperaturas mnimas anuais de -2,0 C e mximas anuais de 35,0 C, e
ventos que prevalecem do SO com velocidade mdia de 3,2 m/s. Esses fatores climatolgicos
desfavorveis para a disperso de contaminantes, as caractersticas geogrficas da cidade e os
altos nveis de emisses de poluentes antropognicos fazem de Santiago uma das cidades mais
poludas da Amrica do Sul por partculas em suspenso e gases (SOx, COV, CO, etc) durante
o perodo de inverno (maio-setembro). Nos meses de vero o maior aquecimento superficial
permite quebrar a inverso trmica sobre a bacia nas horas da tarde, melhorando
significativamente a ventilao da cidade (Garreaud & Rutllant, 2006).
Buenos Aires (3438S, 5828O) est localizada na margem sul do rio de La Plata
aproximadamente a 160 km do Oceano Atlntico. A cidade se estende sobre uma vasta
plancie (elevao entre 1 e 27 m), cobrindo uma superfcie de 200 km2 e tem uma populao
de cerca de 3 milhes de pessoas (Bocca et al., 2006). Seu clima temperado o ano todo, com
uma temperatura mdia anual de 18,0 C, sendo julho o ms mais frio do ano, e o vero
quente e mido, sendo as precipitaes frequentes nos meses de outono e primavera, com
velocidades de vento anual de 4,3 m/s e direo E-NE. Os veculos constituem a principal
fonte de poluentes atmosfricos, entretanto, devido s favorveis caractersticas geogrficas e
meteorolgicas da cidade, os nveis de poluio no apresentam condies severas como
ocorre em outras metrpoles latino-americanas. A geografia e o vento beneficiam a cidade, j
que est localizada em uma plancie aberta que favorece a circulao do ar. Nesta regio, alm
da contribuio do aerossol de queimada que transportado desde o norte da Amrica do Sul,
h contribuies locais diferentes na regio Pampeana da Argentina: a queima de biomassa
no perodo agosto-setembro, produzida principalmente pela queima de cobertura florestal, e
no perodo janeiro-maro, pela queima de pastagens (Mielnicki et al., 2005a and 2005b).
Crdoba est localizada em 3124S de latitude e longitude 6411O, 440 m acima do
nvel do mar, com uma superfcie de 576 km2 e populao aproximada de 1,4 milhes de
habitantes. caracterizada por um clima sub-mido, com precipitao mdia anual de 790
mm concentrados principalmente no vero. A temperatura mdia anual de 17,4 C, sendo o
ms de janeiro o mais quente, com temperatura mdia mxima de 31,0 C e mnima de 17,0
C. Em julho, ms mais frio, as temperaturas mdias so de 19,0 C (mxima) e 4,0 C
(mnima), e os ventos prevalecentes so de N e SE. Crdoba uma das cidades mais poludas
da Argentina, uma grande variedade de indstrias localiza-se em reas suburbanas que
rodeiam a cidade (Carreras et al., 2006), sendo a poluio fundamentalmente causada por
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 23
fontes mveis. Est situada em uma formao cncava que reduz a circulao do ar e provoca
frequentes inverses trmicas, no outono e inverno. Durante o inverno, a intensidade do vento
fraca com direo NE, a umidade relativa baixa e praticamente sem precipitaes. Este
cenrio favorece a formao de uma camada de inverso de baixa altitude que se quebra ao
redor do meio dia, e que produz a acumulao de poluentes perto da superfcie. Durante o
vero, tanto a temperatura (mdia de 23C) como a umidade relativa (57%) so altas. Devido
s condies meteorolgicas de Crdoba os aerossis na cidade mostram um padro
semelhante a cada ano, com concentrao aumentando entre os meses de agosto e outubro
(Toselli et al., 2009). Do mesmo modo que em Buenos Aires, aerossol de fumaa, produto da
queima de biomassa na regio norte da Amrica do Sul, transportado para essa regio
(Wolfram et al., 2004).
A localidade de Puerto Madryn encontra-se situada do lado nordeste da Regio
Patagnica e prxima do mar, (42 46S, 65 02O), a uma elevao de 17 m e uma populao
aproximada de 57.614 habitantes. A circulao atmosfrica predominante na regio
fortemente influenciada pela presena de dois extensos sistemas de alta presso, ou
anticiclones quase-estacionrios localizados a ambos os lados do continente nos oceanos
Pacfico e Atlntico aproximadamente em 30S, e por baixas presses localizadas
aproximadamente em 65S. A persistncia desses sistemas de presso durante o ano todo
determina uma maior proporo de ventos O e SO. A temperatura mdia anual 13,4 C, a
mdia mensal varia entre 6,4 C no ms de julho e 20,4 C no ms de janeiro. A umidade
relativa mdia anual de 68,4%, variando entre 62,4% em janeiro e 75,5% em junho.
Distribuda quase uniformemente ao longo do ano, a precipitao apresenta um mximo
relativo no ms de abril de 32,6 mm e um mnimo relativo em janeiro de 10,5 mm, sendo a
precipitao mensal superior a 20 mm nos meses de fevereiro a junho. A velocidade mdia
anual do vento de 4,6 m/s, sendo a variabilidade ao longo do ano muito pequena, com um
mximo em dezembro de 5,4 m/s e um mnimo em maio de 4,1 m/s. Esta localidade
altamente influenciada pela presena de partculas salinas, dada sua proximidade ao mar e por
ser um local austral, afetada frequentemente por massas de ar polares procedentes do
Continente Antrtico.
Finalmente, a cidade de Trelew est localizada entre 4314 S e 6519O, no nordeste
da provncia de Chubut na Patagnia, na regio denominada "Valle Inferior del Ro Chubut"
(VIRCH) a uma altura de 11 m acima do nvel do mar, com uma superfcie de 249 km2 e uma
populao de 116.192 pessoas (DGEyC, 2010). Possui um clima desrtico, com precipitaes
muito escassas, marcadas amplitudes trmicas e anuais. As precipitaes quase no superam
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 24
200 mm anuais e sua distribuio ao longo do ano no permite definir uma estao
tipicamente chuvosa. A temperatura mxima oscila em 40 C e a mnima em -10 C. Segundo
um estudo feito por Otero e colaboradores (2006c), na poro mais meridional da Argentina,
Trelew e Puerto Madryn, os aerossis predominantes so de origem marinha, com alto
contedo de sais, e os aerossis antrticos, com sais e sulfatos. Alm disso, encontram-se
misturas de aerossis de origem industrial, poeira e areia.
2.5.3 Antecedentes das propriedades pticas do aerossol no sul da Amrica do Sul
Vrios estudos tm sido desenvolvidos a nvel mundial para determinar as
propriedades dos aerossis oriundos da queima de biomassa e suas modificaes durante o
transporte, em escala regional e intercontinental, mas at a presente data poucos estudos
foram realizados na poro sul da Amrica do Sul.
Na maior parte da Amrica do Sul os meses de maior queima so entre julho e
dezembro, com mximos entre agosto e outubro, no entanto, existem variaes regionais. Ao
norte da Amaznia as queimadas se realizam entre dezembro e maio; em regies ao sul da
Amaznia entre agosto e outubro; enquanto que na Argentina e no Paraguai existe um
mximo adicional entre janeiro e maro. Na regio patagnica, as queimadas ocorrem
tambm durante os meses de vero (Mielnicki et al., 2005a and 2005b).
Otero et al., (2006c) estudou a evoluo da profundidade ptica do aerossol durante o
ano de 2002, em dez estaes da AERONET: na Argentina, em Buenos Aires, Crdoba e
Puerto Madryn; no Brasil, em Alta Floresta; no Chile, em Arica; no Mxico, na Cidade do
Mxico; nos Estados Unidos, em Greenbelt; na Espanha, em El Arenosillo; na Arbia Saudita,
em Solar Village e no Marrocos, em Dahkla. Foi determinado o tipo de aerossol presente em
cada estao, evidenciando o comportamento da AOD versus o coeficiente de ngstrm. Para
a poro sul da Amrica do Sul, em Arica, alm das contribuies de aerossol industrial e
urbano, existe uma mistura de poeira e spray marinho, devido sua proximidade ao deserto de
Atacama e ao oceano Pacfico. Em Buenos Aires, o tipo de aerossol predominante o
continental limpo, mdio e continental poludo, principalmente produto do transporte de
fumaa de queima de biomassa da poro norte da Amrica do Sul, alm das contribuies de
aerossol urbano de origem local. Em Crdoba, o tipo de aerossol predominante o continental
limpo e continental mdio, sendo produto das contribuies do transporte de fumaa de
queimadas, aerossol urbano e poeira de origem local (Otero et al., 2004). Enquanto que na
poro mais ao sul da Argentina, em Puerto Madryn (e Trelew pela sua proximidade), os
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 25
aerossis predominantes so martimos, com alto contedo de sais e os antrticos, com sais e
sulfatos. Alm disso, encontram-se misturas de aerossis de origem industrial, poeira, sal e
areia.
Santiago do Chile uma cidade com grandes problemas na sua qualidade do ar, sendo
uma das cidades mais poludas do mundo (Morata et al., 2008). Esta condio intensificada
durante o inverno, pela sua topografia e suas condies meteorolgicas. Estudos quantitativos
da poluio do ar foram iniciados na dcada de 1970 em Santiago, um deles Prndez et al.,
(1984) no qual foram analisadas as medidas das concentraes elementares do ar utilizando
um amostrador Hi-vol para aerossis. Outro estudo mais recente de Didyk et al., (2000), o
que proporciona uma base de referncia para os componentes orgnicos relacionados
qualidade do ar em Santiago. Artaxo et al., (1999) coletaram vrias amostras de aerossol em
dois diferentes stios na rea urbana de Santiago (Gotuzo e Las Condes), e determinaram
assim que as principais fontes das partculas de aerossol em Santiago so a suspenso de
poeira do solo e a emisso antropognica urbana devido ao trfego de veculos, sendo as
partculas da moda grossa responsveis por 63% de PM10 em Gotuzo e por 53% em Las
Condes.
Um trabalho feito por Oyanadel et al. (2006) compara as medies de AOD obtidas a
partir do sensor MODIS a bordo do Terra e a AOD medida a partir um fotmetro solar
pertencente rede AERONET entre agosto de 2001 e outubro de 2002, alm disso analisa
dados de aerossol (partculas de PM10 e PM2.5) coletados in situ em Santiago, sendo
utilizados aqueles dados de material particulado para estimar AOD. Para isso, consideraram
uma camada limite bem misturada e calcularam a altura da camada atravs do modelo MM5.
Foi dada especial ateno aos eventos extremos de poluio nos perodos de inverno e outono,
que ocorrem quando o regime subsidente do ASPS reforado por sistemas de baixas
presses, chamadas de Baixas Costeiras (BC), o que produz a diminuio da base da inverso
de subsidncia. Assim, eles encontraram uma pequena correlao entre os dados do satlite e
os dados in situ, argumentando que pode ser parcialmente atribudo a problemas no algoritmo
de recuperao ligados a uma caracterizao inadequada da refletividade da superfcie, e
suposies erradas sobre a distribuio vertical de aerossis. Da comparao dos valores de
AOD da AERONET e as obtidas a partir das medies de material particulado in situ,
mostraram baixa correlao em relao s correlaes encontradas em outros estudos (Wang
& Christopher, 2003). Por isso, os autores sugerem que a carga de aerossis medida pelo
fotmetro solar no s correspondem a medidas de aerossis na camada limite, mas tambm
de camadas em nveis mais altos, como plumas de origem industrial e aerossis oriundos da
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 26
suspenso de poeira do solo provocada pelo vento. Um estudo mais atual foi desenvolvido por
Morata et al., (2007), e que foi centrado na identificao de alguns dos principais elementos
qumicos e partculas slidas presentes no ar de Santiago.
Na Argentina, a cidade de Buenos Aires tem caractersticas geogrficas e topogrficas
muito diferentes das reas urbanas da Amrica Latina que sofrem de altos ndices de poluio
(Bogo et al., 2003), como Santiago do Chile, cidade do Mxico e So Paulo. Nos ltimos
anos tm sido realizados alguns estudos para explorar as caractersticas atmosfricas de
Buenos Aires, com nfase na pesquisa dos nveis dos poluentes atmosfricos e suas fontes, no
entanto, poucos estudos referem-se s propriedades pticas do aerossol. Na Argentina (Ristori
et al., 2003), no qual, para medies das propriedades pticas do aerossol foi desenvolvida
uma relao logartmica entre a profundidade ptica dos aerossis com o comprimento de
onda, com isso foram determinadas as propriedades dos aerossis como seu tamanho e
coeficiente de ngstrm, estudado para diferentes comprimentos de onda.
Outro o trabalho de Wolfram et al., (2004), onde foi estudada a atenuao que os
aerossis atmosfricos causam na radiao solar que atinge a superfcie da Terra, na regio
espectral do ultravioleta (290 nm 400 nm) durante um evento de poluio intensa por
aerossis sobre a cidade de Buenos Aires. Para isso foi utilizado o radimetro de banda
estreita moderada GUV (Biospherical Inst) pertencente Rede de Monitoramento Solar da
Argentina. Atravs do modelo Tropospheric Ultraviolet-Visible (TUV), que resolve a equao
de transferncia radiativa, calcularam os aerossis efetivos para Buenos Aires no evento
considerado, sendo esses resultados comparados com dados derivados do fotmetro solar
CIMEL pertencente rede AERONET localizado no CEILAP (Centro de Investigaes em
Lasers e Aplicaes). Alm disso, foram analisadas medies gravimtricas de aerossis
atmosfricos da frao fina PM2.5 e grossa PM2.5-10 coletadas simultaneamente durante o
evento de poluio extremo estudado. Da anlise desenvolvida determinou-se que, nesse
evento, a principal fonte de aerossis atmosfricos foi a queima de biomassa, que
provavelmente vem da parte norte do Brasil, e que so transportados at Buenos Aires nas
camadas baixas e mdias da atmosfera.
No ano de 2004 foi realizado um estudo intensivo de um episdio de transporte de
aerossis na cidade de Crdoba durante o ms de outubro de 2003 (Otero et al., 2004). Uma
combinao de retrotrajetrias (HYSPLIT) e imagens de satlite foram utilizadas para estimar
a origem das massas de ar. As propriedades pticas dos aerossis foram caracterizadas por um
fotmetro solar pertencente rede AERONET, e foi possvel estimar o tipo de partculas
presentes. Contrariamente ao esperado, as partculas presentes na atmosfera no foram de
Captulo 2 Reviso Bibliogrfica 27
fumaa proveniente de um foco de queimada detectado pelo satlite argentino SAC-C. O
estudo das propriedades pticas dos aerossis medidos durante o evento demonstrou presena
de partculas de poeira predominante durante os dias 16 e 20 de outubro e uma mistura de
aerossis continentais, fumaa e poeira para os demais dias.
Murruni et al., (2005) caracterizaram quimicamente aerossis atmosfricos totais
coletados em Buenos Aires, desde 15 de julho at 27 de agosto de 2003. Tais amostras foram
analisadas utilizando a tcnica PIXE a fim de determinar sua composio elementar global.
Uma dessas amostras foi, adicionalmente, analisada com microPIXE para conhecer a
composio elementar das partculas individuais que a constituram. Alm disso, amostras de
aerossis finos PM2.5 e grossos PM2.5-10 foram coletados durante um evento de queima de
biomassa, produzido na rea da desembocadura do Rio Paran (Delta, 34 S, 58 O). Estas
amostras foram analisadas com SEM/EDX a fim de caracterizar os aerossis emitidos durante
aquele evento. Foi determinado que houve contribuio de emisso veicular, fontes naturais,
tais como a crosta terrestre, a brisa marinha e materiais de construo.
Um trabalho mais atual foi feito por Otero et al., (2006a), onde um fotmetro solar
pertencente rede AERONET e um sistema LIDAR de mltiplos comprimentos de onda
foram utilizados para obter a AOD durante o dia na regio espectral UV - IR. As propriedades
pticas dos aerossis troposfricos foram medidas simultaneamente por ambos os sistemas
instalados no CEILAP.
Captulo 3 Materiais e Mtodos 28
CAPTULO 3: MATERIAIS E MTODOS
Anlises estatsticas foram utilizadas para estudar a variabilidade temporal e espacial
das propriedades pticas do aerossol. Comparaes, quando possvel, de resultados obtidos
com os radimetros da AERONET prximos s passagens dos satlites Terra e Aqua sobre os
stios da AERONET foram realizados para a profundidade ptica do aerossol. Tais
comparaes visam verificar a qualidade dos produtos MODIS para essas localidades.
3.1 MODIS - MODERATE RESOLUTION IMAGING SPECTRORADIOMETER
O MODIS foi o primeiro sensor desenhado especificamente para obter observaes
globais de aerossis com resoluo moderada. O instrumento constitudo por um radimetro
espectral passivo de imagem convencional, com 36 bandas espectrais discretas entre 0.4 e
14.5 m . Tais band
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