IFUSP Variabilidade espacial e temporal da forante radiativa

IFUSP Variabilidade espacial e temporal da forçante radiativa direta de aerossóis de queimadas e os efeitos da mudança de uso do solo na Amazônia Aluna: Elisa Thomé Sena Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo Artaxo Netto Agosto/2013

Objetivo geral Investigar os impactos do desflorestamento e emissões de partículas de queimadas na Amazônia sobre o balanço radiativo de ondas curtas da região, em condições livres de nuvens. 2 / 42

Objetivos específicos - Calcular a forçante radiativa direta de aerossóis em larga escala na região amazônica e sua distribuição espacial e temporal durante a estação de queimadas. - Avaliar o impacto dos aerossóis de queimadas sobre diferentes tipos de superfície (floresta e cerrado). - Calcular a forçante radiativa devida a mudanças de albedo de superfície, causadas pelo desflorestamento em Rondônia. - Quantificar a alteração da quantidade de vapor d'água atmosférico após o desflorestamento e seu impacto no balanço radiativo de ondas curtas da região. 3 / 42

Aerossol atmosférico Aerossol: conjunto de partículas sólidas ou líquidas em suspensão na atmosfera. Tamanho: nm - mm. Naturais: aerossóis marinhos, biogênicos, fungos, ressuspensão de poeira do solo, etc. Antrópicas: queimadas, emissões veiculares e industriais, etc. Tempo de vida curto: segundos a semanas. Seinfeld, 2006 4 / 42

Efeitos climáticos dos aerossóis Efeito direto: Forster et al. , 2007 Espalhamento e absorção de radiação - Concentração de aerossóis; - Distribuições horizontal e vertical; - Propriedades ópticas dos aerossóis; - Interação dessas partículas com o vapor d’água (higroscopicidade); - Propriedades da superfície. 5 / 42

Efeitos climáticos dos aerossóis Efeitos indiretos: Aerossóis atuam como CCN, podendo alterar a distribuição de tamanhos e quantidade de gotas da nuvem. Modificando: - a fração de radiação refletida para o espaço (albedo da nuvem); - padrão de precipitação; - desenvolvimento vertical; - tempo de vida das nuvens. 6 / 42

Efeitos climáticos dos aerossóis Efeito semi-direto: A absorção da radiação por aerossóis gera aquecimento da atmosfera e das gotas de nuvens, intensificando a evaporação da nuvem. PS: Esta nomenclatura é do IPCC AR 4 que será alterada no AR 5 com a inclusão dos chamados “adjustments”, incorporando alguns feedbacks na forçante indireta. 7 / 42

Forçantes radiativas climáticas Equilíbrio radiativo: F↓ TOA = F↑ TOA Trenberth et al. , 2009 Forçante radiativa: perturbação imposta ao balanço radiativo terrestre causada por um agente climático externo. Naturais: erupções vulcânicas, variações solares, tempestades de poeira do deserto, etc. Antrópicas: emissões veiculares e industriais, usinas termoelétricas, queimadas, mudanças na cobertura vegetal, etc. Forçante positiva : balanço energético no TOA + (aquecimento) Forçante negativa : balanço energético no TOA - (resfriamento) 8 / 42

Forçantes radiativas climáticas Médias globais das componentes da forçante radiativa (IPCC – AR 4) Não perturbado: 1750 Forster et al. , 2007 9 / 42

Desflorestamento na Amazônia Maior floresta tropical do mundo: 6, 3 milhões de km 2 - Biodiversidade; - Ciclo hidrológico; - Reservatório global de carbono. INPE, 2012 Área desmatada até 2012: 746 mil km² Em 2012: 4600 km² 10 / 42

Queimadas na Amazônia Estação úmida: Aerossóis biogênicos Estação seca: Aerossóis de queima de biomassa Transporte de aerossóis em larga escala. 11 / 42

Interação entre aerossóis e nuvens na Amazônia Interação entre aerossóis e nuvens é muito importante e pouco compreendida atualmente. Koren et al. (2008) Medidas de propriedades físicas em nuvens são escassas e os processos físicos envolvidos na formação de nuvens ainda não são bem compreendidos, principalmente para nuvens profundas. Impactos: Desmatamento + Queimadas ASTER 29/08/2006 - Desenvolvimento de nuvens - Circulação atmosférica - Balanço radiativo - Taxa de absorção de CO 2 (fotossíntese) 12 / 42

Fundamentação teórica: Transferência radiativa Interação da radiação eletromagnética com moléculas e partículas na atmosfera. Coeficiente linear de extinção: bext(l, s) = besp(l, s)+babs(l, s) Lei de Beer-Lambert-Bouguer : Espessura óptica: dext Profundidade óptica: q 0 TOA Profundidade óptica de aerossóis (AOD) Sup.

Equação de transferência radiativa (ETR) ETR: Espalhamento de outras Emissão térmica: direções para a direção de interesse Função de fase de espalhamento Albedo de espalhamento simples: Códigos de transferência radiativa: resolução numérica da ETR. 14 / 42

Propriedades ópticas de um meio material Parâmetro de assimetria: Simétrico: g = 0 Totalmente frontal: g = 1 Totalmente retroespalhada: g = -1 Mc. Cartney, 1976 Expoente de Ångström: Fator de eficiência de extinção: 15 / 42

Sensores a bordo de satélites Cruzam o Equador Terra: 10: 30/22: 30 h Aqua: 13: 30/1: 30 h Órbita polar Altitude: 705 km MODIS (MODerate resolution Imaging Spectrometer) 36 bandas espectrais entre 0, 4 e 14, 4 mm Swath: 2330 km CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System) Radiância ADM Irradiância AOD em 550 nm: 10 km Máscara de nuvens: 1 km Albedo e BRDF: 1 km SW Irradiância no topo da atmosfera CERES-SSF: produtos do MODIS reprojetados para a resolução do CERES: 20 km SW (0, 3 a 5, 0 mm) LW (8 a 12 mm) Total (0, 3 a 200 mm) 16 / 42

Metodologia • Pico da estação de queimadas (ago/set) 2000 – 2009 • Condições livres de nuvens: MODIS • Pixels localizados sobre rios, lagos, etc. foram removidos • Grade: 0, 5º x 0, 5º Cada célula foi classificada de acordo com o tipo de superfície: Albedo de superfície < 0, 140 > 0, 155 Caso contrário Floresta Cerrado Transição 17 / 42

Forçante radiativa direta de aerossóis SWARF: Forçante radiativa direta de aerossóis Fcl: Irradiância ascendente no TOA para condições limpas Faer: Irradiância ascendente no TOA para condições poluídas Como obter Fcl? CERES: Irradiância no TOA SWARF < 0 18 / 42

Metodologia 1 – SWARF sazonal Cálculo da forçante radiativa direta de aerossóis média durante a estação de queimadas. Patadia, F. , et al (2008) Lat x Lon: 0, 5 o x 0, 5 o Fcl • N em cada célula > 10 • R em cada célula > 0, 2 • Regressão linear: AOD < 2 2 meses de q 0 e FTOA Alta medidas variam dispersão 19 / 42

Metodologia 2 – SWARF diária Desenvolvimento de uma metodologia para calcular a forçante radiativa direta de aerossóis para cada dia do ano. CERES: julho a outubro – AOD < 0, 1 background Fcl(q 0) para cada célula de 0, 5º x 0, 5º y = ax + b q 0 está no eixo x Dispersão é menor q 0, Faer 20 / 42

SWARF média de 24 h - Normalização: comparação com medidas em diferentes horários - Utilização em modelos climáticos Código de transferência radiativa: SBDART Ciclo de 24 h da forçante radiativa direta de aerossóis Modelo para representar os Modelos de superfície: aerossóis de queimada Floresta e cerrado 21 / 42

Modelo de aerossóis AERONET – sítios localizados na região estudada entre 2000 e 2009 (agosto e setembro). Algoritmos de inversão Propriedades ópticas de aerossóis a 440 -870 nm = 1, 647 22 / 42

Modelos de superfície MODIS BRDF: fornece parâmetros anisotrópicos que permitem calcular o Albedo(q 0, t, l) em 7 l : 0, 47; 0, 555; 0, 648; 0, 858; 1, 24; 1, 64 e 2, 13 mm Interpolação linear do albedo de superfície em l. Floresta Cerrado Curvas espectrais de albedo de superfície em função da AOD e q 0. 23 / 42

Resultados de SWARF obtidos pelo SBDART SWARF Instantânea em função de q 0, AOD, Tipo de superfície. Verde: Floresta Laranja: Cerrado AOD 550 nm q 0 Latitude Resolução 0, 1 1º 2º O conteúdo de vapor d’água médio de cada região foi utilizado no SBDART. SWARF q 0, Latitude, instantânea Dia do ano: 243 Horário SWARF média em 24 h 24 / 42

SWARF média de 24 h obtida pelo SBDART Tipo sup. , Lat. , q 0, t SWARF Instantânea obtida pelo SBDART 25 / 42

Validação dos modelos utilizados no SBDART F↓BOA: Piranômetros x SBDART - Áreas 50 x 50 km centradas l: 0, 3 a 2, 8 mm nas estações da AERONET (BRDF MODIS para cada sítio) - AOD, vapor AERONET (½ d’água: hora da passagem do Terra) F↑TOA: CERES x SBDART - w 0 , g, Qext, a 440 -870 nm: l: 0, 3 a 5, 0 mm AERONET inversões do dia 26 / 42

Correção para a SWARF – ADMs Empíricos Modelos de distribuição angular do CERES não consideram a anisotropia das partículas de aerossol (Patadia et al. , 2011). Patadia, F. , et al (2013) Floresta: Cerrado: Estas correções foram aplicadas às forçantes radiativas diretas obtidas a partir de medidas do CERES e do MODIS. 27 / 42

Comparação entre SWARFs SWARF Instantânea: Grande CERES (M 2) x SBDART influência dos modelos de aerossóis e superfície na SWARF calculada por códigos de transferência radiativa. Medidas espacialmente coincidentes de SWARF 24 h: CERES (M 2) x AERONET e CERES (M 2). Horários diferentes SWARF 24 h 28 / 42

Resultados: Variações temporais da SWARF Médias durante as estações de queimadas (Ago/Set). O ano 2004 foi excluído da análise devido a problemas no produto CERES-SSF naquele ano. Média AOD: 0, 25 + 0, 04 Média SWARF 24 h M 1: -8, 2 + 2, 1 W/m 2 Média SWARF 24 h M 2: -5, 2 + 2, 6 W/m 2 Parte da diferença entre as SWARFs (cerca de 2 W/m 2) pode ser explicada pelas diferentes referências utilizadas para Fcl (AOD=0 x background). 29 / 42

O impacto da coleção do MODIS na SWARF As diferenças apresentadas para as SWARFs entre 2000 e 2003, também ocorre devido ao fato de a coleção 4 do MODIS ter sido utilizada para estes anos. - Coleção 4 não permite AOD < 0. Método 1 - Coleção 5 permite AOD < 0. Reprojeção MODIS no CERES Coleção 4 NA 0, 05 (0; F) Coleção 5 -0, 05 (0, 05; F) 0, 05 NA AOD Média: 0, 05 -0, 05 AOD Média: 0 Quando a FR Sazonal (Método 1) é obtida a partir da AOD da coleção 4, o valor absoluto da SWARF é superestimado. 30 / 42

Distribuição espacial da SWARF 24 h Média durante a estação de queimadas. Correlações Médias (2000 a 2009): RM 1: -0, 75 + 0, 05 RM 2: -0, 86 + 0, 03 31 / 42

Influência do tipo de superfície na SWARF 24 h Média (2000 a 2009): Floresta: -6, 5 + 2, 8 W/m² Cerrado: -3, 3 + 2, 2 W/m² SWARF 24 h é sistematicamente maior sobre regiões de floresta. 1) Transporte de aerossóis para regiões cobertas por floresta. 2) O albedo de superfície de floresta é menor. Koren et al. (2004) 32 / 42

Eficiência da forçante radiativa Taxa de variação da SWARF com a AOD: Et foi calculada para floresta e para cerrado. Não linearidade de SWARF (ou FTOA) com AOD < 2 33 / 42

Eficiência da forçante radiativa AOD < 1 AOD < 2 AOD < 3 AOD < 4 AOD < 5 2009: AOD baixa, Et alta Et 24 h Média (2000 a 2008): Floresta: -19 + 1 W/m²/t 550 nm Não linearidade: Não utilizar Et para regiões de queimadas. Cerrado: -16 + 3 W/m²/t 550 nm 34 / 42

Distribuição espacial da SWARF 24 h Metodologia 2: SWARF para cada dia do ano 35 / 42

RF de Mudança de albedo de superfície LURF: Forçante radiativa de mudança do uso do solo (alterações no albedo de superfície causadas pelo desflorestamento) Sazonalidade LURF: Primeira aproximação: baixa em áreas tropicais Preservada Desmatada LURF BB season anual Sazonalidade SWARF: estação de queimadas dura aproximadamente 2 meses Média anual: LURF = Fclpres - Fcldesm LURF 24 h: -8, 1 + 1, 0 W/m² SWARF 24 h: -0, 9 + 0, 4 W/m²

Impacto do desflorestamento no H 2 O Reserva biológica Jaru: preservada Abracos Hill (Ji-Paraná): desmatada Distância: 86 km H 2 O: AERONET em 2002 Áreas desmatadas são aproximadamente 0, 35 cm de H 2 O mais secas do que áreas preservadas (10%). 37 / 42

Influência da redução de vapor d’água SBDART: 0, 4 W/m 2 0, 3 a 5, 0 mm LURF 24 h x CWV 1, 2 W/m 2 Linhas contínuas: mesmo conteúdo de vapor d’água integrado na coluna antes e após desflorestamento. Linhas pontilhadas: conteúdo de vapor d’água precipitável após o desflorestamento é 0, 35 cm de H 2 O menor. 38 / 42

Conclusões - A média da SWARF durante a estação de queimadas para o período de 10 anos analisado foi de -5, 2 + 2, 6 W/m 2; - Valores de até -30 W/m 2 foram observados localmente para a média diária da SWARF 24 h; - A SWARF 24 h é sistematicamente maior sobre áreas cobertas por floresta do que sobre o cerrado; - A eficiência da forçante de aerossóis 24 h foi cerca de 3 W/m 2/AOD maior sobre floresta do que sobre cerrado; - A mudança de albedo de superfície gera uma forçante radiativa média anual cerca de 8 vezes maior do que a de aerossóis considerando condições livres de nuvens; 39 / 42

Conclusões - A quantidade de vapor d’água integrado na coluna atmosférica é 0, 35 cm de H 2 O menor em áreas desmatadas do que sobre floresta; - Este decréscimo contribui para o aumento do impacto do desflorestamento no balanço radiativo de ondas curtas que varia entre 0, 4 e 1, 2 W/m 2; - Os altos valores de forçantes obtidos indicam que o desmatamento e a emissão de partículas podem ter fortes implicações para a taxa fotossintética, convecção e para o ciclo hidrológico na Amazônia. 40 / 42

Sugestões para trabalhos futuros - Melhorar a caracterização das propriedades ópticas de aerossóis; - Melhorar a caracterização do albedo de superfície espectral; - Incluir a sazonalidade do albedo de superfície no cálculo da LURF; - Incluir a contribuição da distribuição vertical dos aerossóis no cálculo da SWARF; - Investigar interações entre aerossóis e nuvens na Amazônia. 41 / 42

Obrigada!