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Mini curso de química da atmosfera<br />
1. Monitoramento Atmosférico Aplicado a Unidades<br />
Industriais - Dr. Laerte de Castro<br />
2. Efeitos da poluição atmosférica à saúde humana, Estudos<br />
realizados no Brasil - Profa. Eliane Ignotti<br />
3. Aerossóis, amostragem, qualidade do ar em ambientes<br />
fechados e efeitos na saúde - Profa. Adriana Gioda<br />
4. Radiação atmosférica e aplicação em modelos - Prof.<br />
Henrique Barbosa
O que é poluição?<br />
Estado indesejável do ambiente natural<br />
contaminado por substâncias nocivas como<br />
consequência de atividades humanas.<br />
O que é poluição do ar?<br />
Estado indesejável da atmosfera natural<br />
contaminada por substâncias nocivas como<br />
consequência de atividades humanas.
OK, mas...<br />
na atmosfera que substâncias ou<br />
tipo de substâncias nocivas<br />
estamos falando?<br />
gases aerossóis
OK, mas...<br />
Todo gás é poluente atmosférico?<br />
OK, mas...<br />
Claro que não!! O 2, N 2,...<br />
Por exemplo, o CO 2, é um poluente?<br />
Depende...<br />
Vem de atividade humana?
Ok, mas...<br />
Todo aerossol é poluente atmosférico?<br />
Claro que não!! Sal marinho, poeira,...<br />
Ok, mas...<br />
O que é mesmo aerossol??<br />
O termo aerossol se refere às partículas<br />
líquidas e/ou sólidas, em suspensão em um<br />
gás (Seinfeld e Pandis, 1998).
OK, mas...<br />
Então a composição da atmosfera não é<br />
apenas N 2=78.08%, O 2=20.95% e<br />
Ar=0.93% ??<br />
19
OK, mas...<br />
Esta não era para ser uma aula de<br />
radiação e modelagem ?!?<br />
Sim!! E ainda é...<br />
Acontece que os gases, aerossóis e nuvens que<br />
compõe a atmosfera interagem com a radiação!<br />
Isso significa que a poluição do ar<br />
(gases+aerossóis) afetam não apenas a saúde<br />
humana, mas também o balanço de radiação.
Energia do sol<br />
Radiação eletromagnética:<br />
Ultra-violeta próximo<br />
Visível<br />
Infra-vermelho próximo<br />
A energia é repartida:<br />
30% é refletida<br />
50% é absorvida na superfície<br />
20% é absorvida na atmosfera
Efeito Estufa<br />
Sem o efeito estufa, a temperatura<br />
média seria de apenas -18 o C<br />
Com o efeito estufa, ela fica em<br />
torno de +15 o C
Distribuição da radiação<br />
O ar quente no<br />
equador sobe<br />
O ar frio desce em<br />
latitudes mais altas<br />
Saldo de radiação solar no topo da<br />
atmosfera, média anual (W/m2)<br />
Radiação de onda longa no topo da<br />
atmosfera, média anual (W/m2)<br />
Trenberth and Stepaniak, J. Clim. (2003)
Circulação atmosférica
Circulação oceânica
Um pouco de História...<br />
As previsões de tempo começaram baseadas na observação de padrões<br />
repetitivos:<br />
Em 650 AC os babilônios previam o tempo a partir do padrão de<br />
nuvens e da posição dos astros<br />
Em 340 AC, Aristóteles descreveu uma série de situações<br />
meteorológicas no livro Meteorológica<br />
Desde pelo menos 300 AC que os chineses faziam algum tipo de<br />
previsão de tempo<br />
Vamos explicar o trovão (…). Existem dois tipos de exalação: úmida<br />
e seca (...). A úmida se condensa em nuvem (…). O calor radiado se<br />
dispersa na parte de cima, esfriando. Uma exalação seca, que fica<br />
presa durante o esfriamento do ar, será ejetada e vai colidir com as<br />
nuvens vizinhas. O barulho do impacto é o que chamamos de trovão.<br />
– Aristoteles Meteorologica
Era moderna<br />
1400's<br />
Hygrometer - Cryfts (1450)<br />
Anemometer - Alberti (1450)<br />
1500's<br />
Thermoscope - Galileo<br />
1600's<br />
Barometer - Torricelli (1643)<br />
Les Meteores - Descarte (1637)<br />
1700's<br />
Trade winds - Hadley (1730)<br />
1800's<br />
Three-cell model - Ferrel (1855)<br />
Weather maps of surface pressure<br />
1900's<br />
Weather prediction - Bjerknes (1903)<br />
Polar front theory - Bjerknes (1921)
Era numérica<br />
1900's<br />
Numerical weather prediction<br />
Richardson (1922)<br />
First computer forecast<br />
Charney / von Neumann (1948)<br />
Daily balloon observations (1940's)<br />
Weather satellites (Tiros I, 1960)
Previsão Numérica de Tempo<br />
Durante a 2ª guerra, os EUA financiaram a<br />
construção do primeiro computador (em segredo)<br />
Em 1946 o ENIAC foi apresentado ao mundo<br />
Em 1950, Charney, von Neumann e outros<br />
cientistas usaram o ENIAC para fazer a 1ª<br />
previsão numérica de tempo<br />
A partir de 1955 as previsões<br />
de tempo tornaram-se<br />
sistemáticas
Que equações são resolvidas?<br />
p RT<br />
dpa a<br />
gdz<br />
<br />
v<br />
v<br />
T T q 608 . 0 1 <br />
a<br />
a<br />
dv<br />
1<br />
<br />
dt c<br />
V<br />
t<br />
d<br />
p<br />
<br />
T<br />
v<br />
v<br />
v<br />
dQ<br />
dt<br />
V<br />
V<br />
<br />
V<br />
P<br />
<br />
<br />
<br />
1000<br />
hPa <br />
<br />
<br />
v Tv<br />
pa<br />
<br />
2 v <br />
Resolvemos os movimentos: da atmosfera, das correntes<br />
oceânicas, da água em um cano, do ar passando sobre uma asa,<br />
das estrelas em uma galáxia<br />
<br />
g<br />
d<br />
dt<br />
<br />
t
Como resolver?<br />
N<br />
t<br />
<br />
<br />
<br />
x<br />
(Nu)<br />
Dividir o problema em<br />
pequenos pedaços<br />
(discretização numérica).<br />
As equações são calculadas<br />
apenas nos pontos<br />
definidos por essa grade.<br />
N<br />
i<br />
t1<br />
N<br />
t<br />
i<br />
t<br />
<br />
<br />
Nu<br />
i<br />
t<br />
1<br />
Nu<br />
2x<br />
i1<br />
t
Como resolver?<br />
N<br />
t<br />
<br />
<br />
<br />
x<br />
(Nu)<br />
Neste exemplo, precisamos:<br />
u(x,t=0) e N(x,t=0)<br />
u(x=0,t) e N(x=0,t)<br />
u(x=L,t) e N(x=L,t)<br />
Problema de C.I. em t e<br />
problema de CC em x<br />
N<br />
i<br />
t1<br />
<br />
N<br />
i<br />
t<br />
<br />
Nu<br />
i<br />
t<br />
1<br />
Nu<br />
2x<br />
i1<br />
t<br />
t
As eq. básicas resolvem tudo?<br />
Como<br />
incluir<br />
processos<br />
sub-grade?
Como incluir processos sub-grade?<br />
Nuvens,<br />
chuva,<br />
vegetação,<br />
cidade, rios,<br />
etc, etc,<br />
etc...
Como incluir processos sub-grade?<br />
Poluição,<br />
aerossóis,<br />
turbulência,<br />
etc, etc,<br />
etc...
Como incluir processos sub-grade?<br />
Fisiologia,<br />
atividades<br />
humanas,<br />
etc, etc,<br />
etc...
Parametrização<br />
Temp., pres.,<br />
umid. e vento<br />
15m<br />
100km<br />
500m<br />
5km<br />
é um conjunto de<br />
equações empíricas<br />
usadas para determinar o<br />
qual o efeito médio de<br />
um processo sub-grade<br />
Apenas modelos de altíssima<br />
resolução conseguem<br />
resolver explicitamente<br />
alguns destes processos.
Modelo numérico da atmosfera<br />
Equações que descrevem a física da atmosfera<br />
Parametrizações para processos sub-grade ou aqueles<br />
muito complicados<br />
Código fonte:<br />
um texto escrito em<br />
uma linguagem de<br />
programação<br />
Compilador<br />
Programa<br />
executável:<br />
Linguagem de<br />
máquina
Modelo numérico da atmosfera<br />
Equações que descrevem a física da atmosfera<br />
Parametrizações para processos sub-grade ou aqueles<br />
muito complicados
Complexidade Computacional<br />
A alta complexidade de um modelo atmosférico requer<br />
muitos pesquisadores e muitos anos para o seu<br />
desenvolvimento.<br />
PROGRAM PARES<br />
DO I=1,5<br />
PRINT I*2<br />
ENDDO<br />
END PROGRAM<br />
Programa de 3 linhas para<br />
escrever na tela os 5<br />
primeiros números pares<br />
2<br />
4<br />
6<br />
8<br />
10<br />
Atmosfera<br />
Oceano<br />
Superfície<br />
Química<br />
Modelo Climático<br />
100k<br />
80k<br />
60k<br />
50k<br />
100-300 MIL linhas de código
O resultado da previsão é bom??<br />
A qualidade da nossa solução (previsão de tempo) vai<br />
depender de vários fatores:<br />
A resolução espacial e temporal adequada
Resolução espacial
Resolução espacial
Resolução espacial
Resolução espacial
O resultado da previsão é bom??<br />
A qualidade da nossa solução (previsão de tempo) vai<br />
depender de vários fatores:<br />
A resolução espacial e temporal adequada<br />
Qualidade da condição inicial<br />
Melhorou muito com os satélites a partir de 1970<br />
É o limitante da qualidade hoje em dia
Apenas 1 satélite<br />
nos dá muito mais<br />
informações<br />
Radio sondagens,<br />
esforço de muitas<br />
pessoas, todos os<br />
dias
O resultado da previsão é bom??<br />
A qualidade da nossa solução (previsão de tempo) vai<br />
depender de vários fatores:<br />
A resolução espacial e temporal adequada<br />
Qualidade da condição inicial<br />
Melhorou muito com os satélites a partir de 1970<br />
É o limitante da qualidade hoje em dia<br />
Processos físicos incluídos<br />
Radiação<br />
Biosfera-atmosfera<br />
Química<br />
...<br />
Quais processos físicos<br />
incluir depende do problema<br />
que queremos resolver!
An example of long range transport (advection) of smoke<br />
27 August 2002<br />
AOT Córdoba Buenos Aires<br />
26–29 Aug 2002 26–29 Aug 2002
Vertical cross section showing vertical velocity and the<br />
transport of CO from the PBL to the high troposphere<br />
PBL<br />
S. Freitas - INPE
Radiação eletromagnética<br />
É uma forma de energia emitida e absorvida por partículas<br />
carregadas e que se propaga no espaço como uma onda e<br />
como partícula ao mesmo tempo;<br />
É formada por um campo magnético e um campo elétrico<br />
que vibram em fase, perpendiculares entre si e a direção de<br />
propagação;<br />
A velocidade de propagação<br />
no vácuo é a constante e<br />
dada pela razão E/B = c
Espectro eletromagnético
Espectro Solar e Terrestre
Radiação na Atmosfera<br />
A extinção e a emissão são as principais interações da<br />
radiação com a atmosfera<br />
Extinção:<br />
É um processo que diminui a quantidade de radiação.<br />
Pode ser devido a absorção ou espalhamento<br />
Absorção: transforma energia E.M. em outra forma<br />
Espalhamento: muda a direção de propagação<br />
Emissão:<br />
É um processo que aumenta a quantidade de radiação.<br />
Todo corpo com T>0K emite radiação<br />
Pode haver radiação espalhada na direção do feixe
Lei de Beer-Bouguer-Lambert<br />
O processo de extinção é proporcional a intensidade<br />
da radiação e a quantidade de matéria<br />
I I dI<br />
ds<br />
Portanto, a fração de fótons que sofre extinção é:<br />
dI <br />
<br />
I<br />
<br />
<br />
NAds<br />
A<br />
A<br />
σ = sessão de choque<br />
N = # / vol<br />
N A ds = #
Lei de Beer-Bouguer-Lambert<br />
Portanto, em termos da seção de choque, σ:<br />
dI NIds<br />
Ou em termos do coeficiente de extinção, α:<br />
dI I<br />
ds<br />
Podem haver os dois processos de extinção, então:<br />
<br />
<br />
absorção espalhamen<br />
to
Extinção ao longo da trajetória<br />
Resolvendo a equação diferencial, encontramos:<br />
I<br />
<br />
s <br />
( s)<br />
I<br />
( s0)<br />
exp <br />
<br />
( ,<br />
s')<br />
ds'<br />
s0<br />
<br />
E se há vários tipos de partículas diferentes:<br />
I<br />
<br />
) exp <br />
<br />
s<br />
( s)<br />
I<br />
( s0<br />
<br />
i(<br />
<br />
i s0<br />
<br />
( s0,<br />
s)<br />
<br />
, s')<br />
ds'
Emissão de radiação<br />
A função de Planck explica a intensidade (radiância)<br />
emitida por um corpo negro (ideal):<br />
B<br />
2<br />
2 hc<br />
5 / <br />
<br />
hc kT<br />
e 1<br />
Unidades: W m −2 sr −1 m −1<br />
No caso não ideal, há<br />
a emissividade:<br />
B λ cinza = Bλ negro • ε
Lei de Kirchoff<br />
A lei de Kirchoff diz que, se um corpo está em<br />
equilíbrio em equilíbrio termodinâmico, então:<br />
Emissividade = Absortividade<br />
Portanto a radiância devido ao processo de emissão<br />
térmica tem a mesma constante α:<br />
dI B<br />
ds<br />
<br />
I I dI<br />
ds<br />
A
Observação 1<br />
Se a direção de propagação (s) não<br />
for a vertical (z), aproximamos:<br />
cos(<br />
dI<br />
ds<br />
<br />
dI<br />
dz<br />
I<br />
<br />
<br />
B<br />
<br />
) I<br />
B<br />
E a solução fica ainda mais complicada...<br />
s<br />
θ<br />
z
Observação 2<br />
Para concluir a aproximação de<br />
atmosfera plano paralela, temos<br />
que considerar toda a radiância em<br />
uma direção:<br />
Fluxo para<br />
cima<br />
Fluxo para<br />
baixo<br />
cos( )<br />
<br />
z
A parametrização de radiação<br />
resolve a equação...<br />
Para cada comprimento de onda<br />
Para cada gás<br />
Para cada tipo de aerossol<br />
Para cada tipo de nuvem<br />
( s<br />
0<br />
, s)<br />
<br />
esp ( ,<br />
s')<br />
<br />
constituinte<br />
<br />
s<br />
s<br />
0<br />
<br />
abs<br />
Medidas<br />
experimentais!<br />
( ,<br />
s')<br />
ds'
Absorção gasosa<br />
Teoria e medidas em<br />
laboratório para<br />
determinar a<br />
absorção de cada<br />
constituinte
Espalhamento<br />
Teoria eletromagnética clássica para a interação da<br />
radiação com a matéria:<br />
Rayleigh - moléculas<br />
Mie – aerossóis e gotas<br />
Tamanho λ<br />
Complicado!<br />
Propriedades das<br />
partículas de aerossol...
A interação do<br />
aerossol com a<br />
radiação vai<br />
depender:<br />
do tamanho<br />
da forma<br />
da superfície
Os aerossóis são muito diferentes
Amazonia: 3 different types of aerosols<br />
Biogenic (primary and SOA) Biomass Burning Dust from Sahara<br />
Each with VERY different properties and impacts
Medidas do espalhamento da<br />
radiação pelas partículas de<br />
aerossol<br />
Medidas in-situ<br />
SMPS, DMPS, Nephelometer, MAAP, TEOM,<br />
Aethalometer, etc...<br />
Sensoriamento remoto do chão<br />
Fotômetros<br />
Lidar<br />
Sensoriamento remoto do céu<br />
Satélites
Medidas In-situ na Amazônia
Artaxo et al., 2013: Faraday Discuss., 165, 1-31
Manaus<br />
Porto Velho<br />
Artaxo et al., 2013: Faraday Discuss., 165, 1-31
Manaus wet<br />
Porto Velho dry<br />
Artaxo et al., 2013: Faraday Discuss., 165, 1-31
Exemplo: Lidar<br />
Clouds<br />
Aerosol<br />
Back<br />
scattering<br />
LIDAR<br />
Telescope<br />
Laser pulses<br />
at 10Hz<br />
Speed of light is 3 x 10 8 m/s and<br />
we measure at 20Mhz, hence<br />
vertical resolution is 7.5m<br />
We measure light intensity vs time
Exemplo: Lidar
Exemplo: Lidar
http://www-calipso.larc.nasa.gov/
Yearly deforestation with MODIS AOD and hot pixels from NOAA<br />
Yearly deforestation over the Brazilian Amazon region (INPE, 2010) compared to MODIS daily<br />
smoke optical depth and the daily number of hot pixels from NOAA-12 and NOAA-15.
Amazonia<br />
Average aerosol forcing clear sky<br />
Top: - 10 w/m²<br />
Atmosphere: + 28 w/m²<br />
Surface: - 38 w/m²<br />
Conditions: surface: forest vegetation<br />
AOT (=0.95 at 500nm); 24 hour average<br />
7 years (93-95, 99-02 dry season Aug-Oct)<br />
Procópio et al. (2004)<br />
INDOEX<br />
average aerosol forcing clear sky<br />
Top: - 7±1 w/m²<br />
Atmosphere: + 16±2 w/m²<br />
Surface: - 23±2 w/m²<br />
Conditions: surface: ocean<br />
AOT (=0.3 at 630 nm); 24 hour average<br />
Jan-Mar 99
Radiative forcings of the global climate system IPCC 2007
Estimates of the aerosol direct radiative forcing by<br />
different climate models<br />
Best estimate: -0.5 W/m 2 Range: -0.9 to -0.1 W/m 2
Combining all anthropogenic effects<br />
What is being doing to this component is critical to the final forcing<br />
•Combined anthropogenic forcing is not straight sum of individual terms.<br />
•Tropospheric ozone, cloud-albedo, contrails asymmetric range about the central estimate<br />
•Uncertainties for the agents represented by normal distributions except: contrail (lognormal);<br />
discrete values trop. ozone, direct aerosol, cloud albedo<br />
•Monte Carlo calculations to derive probability density functions for the combined effect
Aerosol-cloud-precipitation feedbacks<br />
CCN = cloud condensation nuclei and IN = ice nuclei.<br />
Cloud/Aerosol<br />
Radiative<br />
Transfer<br />
Cloud Dynamics<br />
CCN Activation<br />
AEROSOLS<br />
Cloud Microphysics<br />
PRECIPITATION<br />
Ice Nuclei Activation<br />
Aerosol Wet<br />
Removal
(Lauer & Hendicks, 2006)
CN concentrations from a model with detailed<br />
treatment of new particle formation<br />
Spracklen et al., 2008
AOT500<br />
Observations of CCN and AOT<br />
1.000<br />
0.100<br />
0.010<br />
Remote Marine<br />
Remote Continental<br />
Polluted Marine<br />
Polluted Continental<br />
y = 0.0027x 0.6397<br />
R 2 = 0.8758<br />
10 100 1000 10000<br />
CCN 0.4 [cm -3 ]<br />
CCN concentrations and AOT over the cleanest<br />
continental sites are similar to the cleanest marine sites!
Large scale low cloud<br />
suppression<br />
Terra and Aqua satellite images<br />
of the east Amazon basin, 11<br />
August 2002. (A) The clouds<br />
(Terra, 10:00 local time) are<br />
beginning to form. (B) The<br />
clouds (Aqua, 13:00 local time)<br />
are fully developed and cover the<br />
whole Amazon forest except for<br />
the smoke area. The boundary<br />
between forest and Cerrado<br />
region is marked in white on<br />
both images, and the seashore is<br />
marked in green. (From Koren et<br />
al., 2004)
Relationships between cloud properties and aerosol loading in Amazonia<br />
Koren et al., Science 2008<br />
Microphysics absorption effects<br />
Aerosol Optical Thickness
ZF2<br />
Manaus<br />
ATTO<br />
Aconvex
Change language