XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR, 2002

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1 PRECIPITAÇÃO ATRAVÉS DE SEMEADURAS DE GOTAS DE TAMANHO CONTROLADO EM NUVENS CUMULUS CONGESTUS Jojhy Sakuragi 1 e Takeshi Imai 2 1 Laboratório de Meteteorologia/Universidade do Vale do Paraíba Av. Shishima Hifumi, Urbanova CEP São José dos Campos SP jojhy@univap.br 2 Air Micro Ltda R. Claudino Barbosa, Macedo CEP Guarulhos SP airmicro@dialdata.com.br ABSTRACT This paper shows a new metodology of cloud seeding using controlled size water drop over warm clouds (cumulus congestus) for weather modification (precipitation augment). The cloud seeding with 80 to 100 µ drop size provokes an advancing of colison/coalescense proccess. The inserted drops capture the smaller drops, earning size and weight, until the updraft flow can not support them. The water drops are generated by centrifuge force created by a disc where the rotation and water flux are controlled electronically (patent PI ). The experiment here presented was realized on November 13 th, 2001, over Sistema Cantareira and a doppler radar, S band, registered a growth in the reflectivity over the flight area. Even though more experiments are needed, the technic has a great potential. INTRODUÇÃO A modificação do clima pelo homem é ansiada desde os primórdios, inclusive se vislumbrava em meados do século XX, que na virada do milênio, o homem controlaria o tempo (atmosfera) baseado no rápido desenvolvimento tecnológico daquele período. Segundo a WKWMP (2001), provavelmente, a primeira tentativa de se fazer chuva com razoável base científica foi em 5 de abril de 1839, solicitado pelo National Gazette and Literary Register of Philadelphia, onde se provocou grandes queimadas para gerar convecção. A idéia era que em uma atmosfera úmida, as nuvens cumulus poderiam se desenvolver e gerar precipitação. Não houve registro de precipitação nesses campos experimentais, porém, em meados de 1880, o Congresso aprovou US$ 10 mil para conduzir outros experimentos. Na década de 1930, Ton Bergeron e W. Findeisen desenvolveram o conceito de que nuvens podem conter água superresfriada e cristais de gelo. A partir dos anos de 1940, nos laboratórios da General Electric emt Schenectady, New York, os cientistas Drs. Schaefer, Langmuir e Vonnegut usaram gelo seco e iodeto de prata como agentes nucleantes para provocar a precipitação. As fórmulas desses agentes para a semeadura de nuvens sofreram mudanças com o tempo. No caso da supressão de granizos, ainda é utilizado o próprio iodeto de prata como um de seus componentes (os processos físicos serão abordados mais adiante). A partir de então, inúmeros experimentos científicos foram realizados em vários países, inclusive no Brasil através do Projeto MODART, conduzido pelo Centro Tecnológico Aeroespacial. Entretanto, o sucesso desses experimentos era de difícil comprovação, uma vez que não se tinha idéia de quanto iria chover sem a interferência artificial do homem. Mesmo em balanços ao longo do tempo, não se tinha um número definido que indicasse um impacto positivo na precipitação acumulada (Sax et al., 1975). Esses resultados levaram a interrupção dos projetos de mudança climática através de semeadura de nuvens durante a década de 80. Nos anos 90, foram reinvestidos recursos para a área de modificação do clima devido aos constantes problemas oriundos das adversidades do tempo, da crescente demanda por água e a diminuição da mesma pelo desmatamento e ocupação indevida. Apenas nos Estados Unidos, pelo menos 29 estados tem licença para programas de modificação do clima (Thomas, 1999) e mesmo a Rússia tem o seu programa que tem por objetivo inclusive a prevenção de avalanches de neves (Roshydromet, 2000). Em paralelo, cresce dentro da comunidade a preocupação sobre o impacto das mudanças artificiais do clima nas atividades do homem e no ecossistema (Czys, 1995; Cotton, 1997) e até mesmo especulação 1474

2 da utilização dessa técnica para finalidades bélicas (Norris, 1999). Esta preocupação chegou a um ponto que alguns governos publicaram estatutos e regulamentações sobre as atividades de modificação do clima, como o Canadá (Department of Justice, 2001). Esses projetos ainda têm as mesmas teorias dos anos anteriores, isto é, não houve um avanço significativo nas metodologias, apenas na tecnologia da instrumentação: aeronaves, espectrômetros, computadores etc. Segundo a WKWMP (2001) em suas atividades de modificação do clima, a supressão de granizos varia de 15% a 35% ou mais dependendo do número de aeronaves utilizados na semeadura e, no caso da precipitação, há um aumento significativo de 9 a 10%, aproximadamente. Assim, o objetivo desse trabalho é apresentar uma nova metodologia para provocar precipitação através de semeadura em nuvens cumulus congestus utilizando gotas de tamanho controlado (gotas coletoras). A TÉCNICA DA SEMEADURA DE NUVENS POR IODETO DE PRATA Segundo Klatt (2000), nem todas as nuvens são boas candidatas para a semeadura. Para uma semeadura ser efetiva, o topo da nuvem deve estar acima do nível de congelamento e deve conter uma quantidade suficiente de água líquida superresfriada. É importante também que a semeadura seja realizada na parte correta do complexo da tempestade (ver Fig. 1). Fig. 1 Vôos da aeronave para a semeadura na base e no topo da nuvem. Fonte: WKWMP, A semeadura terá pouco efeito em uma célula madura (Klatt, 2000) pois o sistema por si só deverá precipitar. A semeadura pode ser realizada ou na base ou no topo da nuvem onde a temperatura deve estar entre 10 e 25ºC (Cotton, 1997), entretanto, é preferível realizar semeaduras no topo da nuvem devido à visibilidade e a noção do sistema para semeadura e também soltar os agentes de semeadura mais preciso e rapidamente, que neste caso o agente de semeadura é o iodeto de prata (AgI). Cada vôo de semeadura é equipado com queimadores locais e queimadores ejetáveis (Fig. 2). Ambos os queimadores lançam iodeto de prata enquanto queimam, porém, com diferentes finalidades. Os queimadores locais são utilizados para a semeadura na base da nuvem na tentativa de introduzir o iodeto de prata na corrente ascendente da célula. O material semeado não produzirá cristais de gelo enquanto não ultrapassar o nível de congelamento. Assim, este procedimento leva um determinado tempo para atingir o nível correto e, ainda, é difícil de se prever para onde o fluxo ascendente levará os particulados. Os queimadores ejetáveis são lançados diretamente no alvo. Esse procedimento é mais efetivo pois produz cristais de gelo assim que se inicia o procedimento de semeadura dentro da nuvem e também é mais preciso. Outros agentes de semeadura também são lançados como o gelo seco, por exemplo, para a supressão de granizos (WKWMP, 2002). 1475

3 Fig. 2 Queimadores ejetáveis de iodeto de prata. (Fonte: Klatt, 2000). Para maiores informações sobre procedimento de semeadura higroscópica, fundamento de mudanças climáticas, a física envolvida, pode ser encontrado em Cotton e Pilke (1995) e Cotton (1997). A TÉCNICA DE SEMEADURA POR GOTAS DE TAMANHO CONTROLADO O crescimento da gota é por condensação sobre particulados ou núcleos higroscópicos seguida pela difusão e após atingir um determinado tamanho começa a ocorrer o processo de colisão/coalescência. Nesse último estágio, o crescimento é rápido atingindo um tamanho ou peso que a corrente ascendente não pode sustentar, ocorrendo a precipitação. Nem todas as nuvens contem quantidade suficiente de vapor e núcleos para atingir um tamanho de gota que precipite. Assim, a técnica de semeadura por gotas de tamanho controlado auxilia ou adianta o processo de colisão/coalescência, semeando gotas da ordem de 80 a 100 micras em nuvens quentes do tipo cumulus congestus. Essa nuvem está em um estágio de desenvolvimento onde contem uma grande quantidade de água, entrentanto, as gotas ainda estão pequenas e estão sendo sustentadas pela corrente ascendente. Essas gotas grandes, chamadas de gotas coletoras, irão colidir com as gotas menores durante a sua trajetória dentro da nuvem, aglutinando e crescendo rapidamente (Fig. 3). Fig. 3 Esboço do estágio de crescimento de uma gota e gota coletora. 1476

4 Para se ter uma trajetória onde haja um número maior de colisão, estas gotas coletoras são semeadas na terça parte superior da nuvens cumulus congestus. Assim, com a corrente ascendente, haverá uma pequena subida e depois uma queda no sentido contrário do movimento das pequenas que estão ascedendo, aumentando assim a eficiência da colisão/coalescênica acelerando o processo da precipitação da gota. O INSTRUMENTO E A AERONAVE A semeadura de gotas não pode simplesmente pulverizar a água com bicos ejetores, pois este procedimento produz um espectro muito grande de tamanhos de gotas. Para um controle do tamanho de gotas a ser gerado, foi desenvolvido um disco com pólipos onde a rotação e o fluxo de água são eletronicamente ajustados para gerar gotas d água de tamanho controlado (Fig. 4), cujo invento está patenteado sob o número PI Fig. 4 Disco com pólipos em rotação para a geração de gotas. O bico contendo três discos é adaptado sob a asa da aeronave (Fig. 5), um Cesna Experimental com turbohélice Mitsubishi, somando ao total seis bicos (três bicos por asa) onde pode ser gerado de 1 a 2 bilhões de gotas por minuto, dependendo do tamanho das mesmas. A aeronave tem capacidade para decolar com 400 litros de água e autonomia de 1h40 de vôo. Fig. 5 Conjunto de bicos com discos. 1477

5 EXPERIMENTO NA BACIA DO SISTEMA CANTAREIRA Para realizar um experimento de campo de semeadura de nuvem, é necessário um infraestrutura que envolve: monitoramento de sistemas através do radar meteorológico; comunicação em tempo real com a base no hangar; aeronave carregada e abastecida; plano de vôo e ataque onde são estudadas as altitudes e velocidade do sistema e comunicação entre a aeronave e a base para orientação. Para tanto, foi utilizado o Radar Meteorológico Doppler da TECSAT (RMT0100D), Banda S, operado pelo Laboratório de Meteorologia (LabMet) da Universidade do Vale do Paraíba (UniVap). A calibração foi reajustada para ser mais sensível a baixa refletividade, enfocando o monitoramento de nuvens no estágio das cumulus congestus, que contenha uma quantidade de água suficiente para ser detectado pelo radar ou que já tenha alguma precipitação. O experimento foi realizado no dia 13 de novembro de O LabMet monitorou os sistemas através do radar meteorológico e acionava a base assim que fosse detectado um sistema em formação e que se deslocasse em direção à área de interesse, no caso, a Bacia da Cantareira (Sistema composto por três represas controladas pela Sabesp Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo Represas de Jaguari, Cachoeira e Atibainha, área localizada a noroeste do Vale do Paraíba). A base era informada da intensidade, altura do sistema, velocidade de deslocamento, posição geográfica e estimativa de tempo para interceptação sobre a área de interesse. A aeronave decolou com 400 litros de água em direção ao sistema onde a localização era constantemente atualizada via rádio. RESULTADOS No dia 13/11/01, o radar já acompanhava um sistema que estava se desenvolvendo lentamente e com deslocamento em direção leste/sudeste, onde a projeção indicava passagem sobre o Sistema Cantareira. A aeronave decolou e interceptou o sistema após 30 minutos, aproximadamente. A Fig. 6 é um produto MacCappi e mostra o sistema detectado às 12h40 (hora local) pelo radar. O sistema apresentava uma altura de 5 a 6 km (vide a projeção da escala vertical na parte superior da Fig. 6) e largura de cerca de 25 km com refletividade variando de 0 a 35 dbz (Fig. 7 para a escala de cores em dbz), esta distribuída ao longo da banda. Fig. 6 Imagem de 13/11/01 às 12h40. Fig. 7 Escala de refletividade em dbz. 1478

6 A aeronave começou o processo de semeadura com gotas de tamanho controlado na faixa de 80 a 100 micras às 12h50 a uma altitude de 4 km (12 mil pés). O local e a altura foram demarcados com círculos vermelhos como podem ser vistos na Fig. 8 (imagem de radar das 12h50). Na Fig. 9 (13h) já pode ser observada uma refletividade maior (cor amarela ou 35 a 40 dbz), pontual, sobre o sul da banda a uma altitude em torno de 4 km. Este padrão se difere do que acontece na parte do sistema ao lado onde a intensificação é rodeada por bordas de refletividade menores e também se inicia de baixo para cima, localização natural já que no ciclo normal as gotas maiores estão mais próximas a base da nuvem. A ausência de um espectrômetro para medir o tamanho das gotas dificulta em estimar um valor quantitativo para o tamanho das gotas, mas pode-se fazer uma analogia do pára-brisa do avião para uma estimativa qualitativa. Quando o pára-brisa começa a suar, as gotas já são maiores que 35 micras, quando começam a molhar, 60 micras, e quando batem gotas grandes, já ultrapassam 80 micras. Na Fig. 10 (13h10) pode-se notar uma intensificação no nível superior ao da semeadura indicando que uma parte das gotas coletoras foi deslocada para cima pela corrente ascedente do sistema. Fig. 8 Imagem de 13/11/01 às 12h50. Fig. 9 Imagem de 13/11/01 às 13h00. A intensificação continua sobre o nível da semeadura (4km) mas houve uma expansão horizontal. A abrangência horizontal depende da área pulverizada pela aeronave e também pelo arrasto provocado pelas asas durante a penetração na nuvem. Quanto menor for a velocidade da aeronave na pulverização, maior vai ser a área de arrasto. A semeadura pela aeronave foi interrompida às 13h25 a pedido da torre de controle do tráfego aéreo, já que a área serve de trânsito das grandes aeronaves que vão pousar no Aeroporto Internacional de Guarulhos. Nesse período, foram consumidos 2/3 do volume de água transportado pelo avião. Na Fig. 12 (13h30), o processo de colisão/coalescência está bem evidenciado com áreas de intensificação que vão desde os 6km de altura até a superfície, indicando já a precipitação. Este processo continuou até às 13h40 (Fig. 13) com desintensificação do sistema a seguir. A chuva observada pela tripulação da aeronave indica chuva forte, porém sem registro já que a precipitação ocorreu dentro da bacia do Sistema Cantareira mas em uma área sem um pluviômetro da Sabesp. 1479

7 Fig. 10 Imagem de 13/11/01 às 13h10. Fig. 11 Imagem de 13/11/01 às 13h20. Fig. 12 Imagem de 13/11/01 às 13h30. Fig. 13 Imagem de 13/11/01 às 13h

8 CONSIDERAÇÕES FINAIS XII Congresso Brasileiro de Meteorologia, Foz de Iguaçu-PR, 2002 A técnica de semeadura de nuvens cumulus congestus utilizando gotas de tamanho controlado se mostra bastante promissora com rápida resposta para ocorrência da precipitação. Essa técnica capta as gotas menores agilizando/adiantando o processo de crescimento da gota de água na fase conhecida como colisão/coalescência. O acompanhamento utilizando o radar é essencial para a localização das nuvens quentes com quantidade de água suficiente para a técnica ser aplicada. Muitas vezes o radar não indicava a presença de sistemas mas visualmente estava presente. Ao sobrevoar esses sistemas, detectava-se que a consistência da nuvem era rala com muitos buracos, indicando uma infiltração ou mistura com o ar seco em várias partes da nuvem. O bico contendo três discos com pólipos e sua rotação e fluxo de água controlados eletronicamente são eficientes na geração de gotas de tamanho controlado. O acoplamento de três bicos por asa gera de 1 a 2 bilhões de gotas por minuto e o arrasto das asas proporciona uma ampla cobertura de área, e pode-se ainda, acoplar discos de raios diferentes para gerar um espectro maior de gotas. A rotação e o fluxo de água ou um espectro maior de gotas podem, em princípio, controlar a intensidade da precipitação sobre uma determinada região, minimizando os danos por precipitação intensa. Uma aeronave de dimensões maiores poderia proporcionar uma autonomia maior de vôo e também de carga de água para uma ação mais rápida sobre os sistemas e também atacar outros sistemas em potencial. Essa técnica utiliza somente água potável e é ecologicamente correta, isto é, não utiliza ou lança produtos químicos no ar como as outras técnicas. A mudança climática proporcionada por essa técnica sobre os locais onde são necessárias as precipitações, é fator de inestimável valor nacional e mundial, onde seu campo de aplicação é vasto com enormes benefícios à sociedade e à natureza. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a TECSAT e em especial ao Engº Carlos Tomio Seguchi pelo apoio logístico do radar; a SABESP que fomentou parte do experimento, ao piloto Ulysses pela sua experiência e sua fantástica aeronave, aos técnicos da Ar Micro e do LabMet/UniVap. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA COTTON, W. R. Weather Modification by Cloud Seeding-A Status Report Website of Department of Atmospheric Sciences, Colorado State University. Fort Collins, CO, Apr Disponível em: < Acesso em: 21 jan COTTON, W. R. AND PILKE, R. A. Human Impacts on Weather and Climate, Cambridge Univer. Press. 288 pp CZYS, R. R. Progress in planned weather modification research: Rev. Geophys. Vol. 33 Suppl Disponível em: < Acesso em: 21 jan DEPARTMENT OF JUSTICE. Weather Modification Information Act (R.S. 1985, c.w-5). Department of Justice, Canada, Apr Disponível em: < Acesso em 21 jan KLATT, M. Oklahoma Weather Modification Demonstration Program. Environmental Verification and Analysis Center. Oklahoma, Aug Disponível em: < Acessado em: 21 já NORRIS, M. Weather as a Weapon? ABC News Internet Ventures. CA, Apr, Disponível em: < Acesso em: 21 jan ROSHYDROMET Russian Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring. Roshydromet homepage. Ru Disponível em: < Acesso em: 21 jan SAX, R. I.; CHANGNON, S. A.; GRANT, L. O.; HITSCHFELD, W. F.; HOBBS, P. V.; KAHAN, A. M. AND SIMPSON, J. Weather Modification: Where are we now and where should we be going? An Editorial Overview. Journal Applied Meteorology, 14, pp Aug

9 THOMAS, W. Fixing the Weather. Environment News Service (ENS), Feb Disponível em: < Acesso em: 21 jan WKWMP Western Kansas Weather Modification Program. Wkwmp home, Lakin, Kansas, Jan Disponível em: < Acesso em: 21 jan