Fluxos de Calor na Camada Limite Atmosférica Marinha: Aplicação à Dispersão dos Componentes Voláteis de uma Mancha de Óleo

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1 Copyright 2004, Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás - IBP Este Trabalho Técnico Científico foi preparado para apresentação no 3 Congresso Brasileiro de P&D em Petróleo e Gás, a ser realizado no período de 2 a 5 de outubro de 2005, em Salvador. Este Trabalho Técnico Científico foi selecionado e/ou revisado pela Comissão Científica, para apresentação no Evento. O conteúdo do Trabalho, como apresentado, não foi revisado pelo IBP. Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás, Sócios e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho será publicado nos Anais do 3 Congresso Brasileiro de P&D em Petróleo e Gás. Fluxos de Calor na Camada Limite Atmosférica Marinha: Aplicação à Dispersão dos Componentes Voláteis de uma Mancha de Óleo Caroline Julliana Zotto 1, Nisia Krusche 2 1 Fundação Universidade Federal do Rio Grande - Departamento de Geociências - Laboratório de Meteorologia, Caixa Postal , ocecjz@furg.br 2 Fundação Universidade Federal do Rio Grande - Departamento de Geociências - Laboratório de Meteorologia, Caixa Postal , nkrusche@furg.br Resumo As características do petróleo derramado no mar sofrem grande influência da dinâmica do ambiente, variando com as propriedades físicas na interface entre a atmosfera e o oceano, onde são trocadas matéria e energia constantemente. Este trabalho busca entender como as trocas de calor e de momento contribuem à dispersão dos componentes voláteis. Os dados utilizados são da bóia ARGOS-32056, medidos em freqüência horária, durante 364 dias. Realizou-se um controle de qualidade dos dados e calcularam-se suas médias diárias e mensais. Foi utilizado um aplicativo para estimar os fluxos turbulentos. As distribuições de freqüência mostram que o fluxo de calor sensível é assimétrico, com média 2,99 W.m -2, o fluxo de calor latente é exponencial com assimetria positiva e média de 94,72 W.m -2 e o fluxo de momento é exponencial com assimetria negativa e média 0,1 N.m -2. A dispersão atmosférica relaciona-se diretamente à altura da camada limite, que é proporcional ao transporte de calor sensível. Portanto, foram selecionados seis períodos como propícios à dispersão, usando um valor de corte função do fluxo de calor sensível. Esta metodologia é adequada para selecionar períodos muito instáveis e favoráveis à dispersão. Pretende-se agora aplicar um modelo de dispersão de poluentes usando as situações meteorológicas escolhidas. Palavras-Chave: fluxos turbulentos; camada limite planetária; componentes orgânicos voláteis Abstract The oil properties, when spilled at an oceanic environment, are influenced by the environment dynamics, varying with the interaction of physical properties of ocean and atmosphere. A constant exchange of matter and energy happens across the interface between these layers. This work searches a better knowledge of how the processes of heat, moisture, and momentum exchange occurs, defining conditions that would favor dispersion of volatile organic compounds. The data used was measured at the moored buoy ARGOS-32056, with hourly frequency. After a data quality control was applied, daily and monthly means were derived. An applicative for the estimation of turbulent fluxes was used. The sensible heat flux frequency distribution is asymmetric with mean value of 2.99 W.m -2, the moisture flux distribution is exponential, with positive asymmetry and mean value of W.m -2, and the momentum flux distribution is exponential, with negative asymmetry and mean value of 0.1 N.m -2. The atmospheric dispersion is closely related to the boundary layer height, which is proportional to the sensible heat flux. Therefore, six periods that favor the dispersion were selected, using a cut value which is function of the heat flux. This methodology is adequate for select the instable periods that facility the dispersion. Keywords: turbulent fluxes, planetary boundary layer,volatile organic compounds

2 1. Introdução A exploração e o transporte de petróleo e seus derivados pode gerar uma constante introdução de poluentes no ambiente marinho. O comportamento desse poluente está muito relacionado com as características dinâmicas do ambiente. O petróleo quando derramado nos oceanos tende a se dissipar e os principais processos atuantes são (Clark, 1992): espalhamento, evaporação, dispersão, emulsificação, dissolução, oxidação, sedimentação, biodegradação e a própria combinação desses fatores. No estudo das propriedades físicas que atuam nesse sistema é importante observar as propriedades que atuam na interface entre a coluna de água e a atmosfera, pois as constantes interações das propriedades desses ambientes determinam o comportamento do poluente no caso de vazamentos. Os estudos de interação entre o oceano e atmosfera se baseiam na troca de matéria e energia entre as interfaces, a energia que é transferida da atmosfera domina a circulação de superfície do oceano e o balanço de energia com o oceano interfere nas características do clima e dos fenômenos atmosféricos. A camada limite marinha é essa camada da atmosfera, que sofre a influência da superfície oceânica, e sofre influência em escalas menores que uma hora. Dominada por processos turbulentos possui uma altura ente 100 e 3000 m (Stull, 1988). O escoamento da atmosfera pode ser separado em três componentes: vento médio, turbulência e ondas, que são responsáveis pelo transporte de propriedades como o calor sensível, calor latente, momento e poluentes. Estes transportes são dominados na horizontal pelo vento médio e na vertical, pela turbulência. O vento médio representa um transporte horizontal rápido, ou advecção, sendo menor conforme a proximidade com a superfície devido ao atrito. Os ventos médios na vertical, ou correntes de ar ascendentes e descendentes, são muito menores e possuem uma ordem de milímetros ou de centímetros por segundo. As ondas, que são mais freqüentes no período noturno, não são eficientes no transporte das propriedades como calor, umidade e poluentes, mas são efetivas no transporte de momento e energia (Stull, 1988). O oceano funciona como uma barreira, ambos os fluídos distante da superfície estão em movimento turbulento, mas próximo a ela a turbulência é suprimida e o transporte é controlado primariamente por processos moleculares. Então para quantificar essas trocas é importante conhecer como essas camadas turbulentas da atmosfera e do oceano estão conectadas, e como acontece o transporte das propriedades da superfície para o interior dos fluídos. Os processos fundamentais que conectam essa interação é o input de energia para o oceano pelo vento e os fluxos de calor. 2. Área de Estudo A região costeira do extremo sul do Brasil é constituída por uma extensa planície sedimentar, com extensos cordões de dunas nas áreas das praias e que sofre grande influência do sistema estuarino-lagunar da Lagoa dos Patos. Pela grande interação desses sistemas a região proporciona uma grande variedade da habitats que se tornam vitais na criação e reprodução de invertebrados marinhos e larvas de peixe, e consequentemente um local de alimentação e abrigo de espécies de topo de cadeia como os mamíferos marinhos e as aves. Além da importância ecológica da região o estuário e a costa tem uma forte atuação nas atividades pesqueiras de grande e pequeno porte, e uma importante via de navegação no escoamento de diversos tipos de bens de consumo pelo Porto de Rio Grande. Mesmo não sendo intenso o volume no transporte de petróleo e seus derivados, o Porto de Rio Grande tem uma movimentação significativa de navios comerciais que durante maio de 2001 e 2002 teve uma movimentação de 1855 navios, além disso a cidade abriga duas empresas do setor como a Ipiranga e a Petrobrás, que atuam no processo de refino, armazenamento e transporte de produtos como o óleo diesel, metanol e gases como o hexano e propano (Demore, 2001). Acredita-se que a circulação na plataforma continental seja principalmente forçada pelo vento, isso é comprovado pelas distribuições das propriedades físico-químicas e biológicas (Soares e Möller, 2001). A plataforma externa é influenciada pela parte oeste do giro anti-ciclônico do Atlântico sul, transportando águas quentes pela Corrente do Brasil, até encontrar com as águas frias subantárticas com fluxo para o norte da Corrente das Malvinas (Olson et al., 1988), na confluência Brasil-Malvinas que apresentam migrações sazonais e uma série de meandros de grandes amplitudes com a presença de vórtices. Essa região também é afetada por dois importantes sistemas atmosféricos, o anticiclone do Atlântico de características úmidas e quentes que são caracterizados por ventos de nordeste e os anticiclones de origem Polar de ar seco e frio e caracterizado por ventos de sul, sudeste e sudoeste. E a área compreendida entre esses dois sistemas é denominada frente fria que torna o tempo instável e geralmente chuvoso (Lages, 2003). 3. Metodologia Os dados utilizados neste trabalho são provenientes da uma bóia de fundeio ARGOS-32056, que se encontra na latitude de 32º54 S e longitude 50º 48 W, ela se posiciona a 190km da costa aproximadamente na altura da boca da barra da Lagoa dos Patos que é uma área de trafego intenso de embarcações que constantemente sofrem com a impossibilidade de navegação devido ao mau tempo. Os dados, que são disponibilizadas pelo Programa Nacional de Bóias (PNBOIA) e fazem parte da contribuição brasileira para o Global Ocean Observation System (GOOS), são de temperatura do ar e de superfície do mar, umidade relativa, velocidade e direção do vento coletados em dois níveis, pressão atmosférica e insolação. Os dados, que tem freqüência horária em universal time code (UTC) e são

3 transformadas para o horário local e devem passar por um controle de qualidade. São selecionados apenas os períodos que se encontram em um intervalo determinado, que está representado na tabela 1. Esta técnica utilizada no trabalho de Reboita e Krusche (2001) é necessária para a determinação de erros grosseiros, principalmente no caso de dados coletados em bóias de fundeio onde a incidência de erros é muito alta. Isto ocorre porque a manutenção é realizada por cruzeiros anuais e as falhas nos dados são na ordem de meses. O período utilizado para o cálculo dos fluxos foi do dia 25 de maio de 2001 às 0h até o dia 24 de maio de 2002 às 23h. Os sensores de vento são os anemômetros RM Young e estão a 3,95 e 4,95m acima do nível da água e os sensores de temperatura do ar e umidade estão à 3,15m acima do nível do mar. O sensor de pressão atmosférica ao nível do mar é o barômetro AIR-SB-2A. A resolução e a precisão dos sensores também estão apresentadas na tabela 1. Tabela 1.Intervalo do controle de qualidade, resolução e precisão dos sensores das variáveis. Variável Intervalo Resolução Precisão Velocidade do vento (m/s) ,1 1 Direção do vento (graus) Temperatura (ºC) -10 a 50 0,1 ±1 Umidade relativa (%) ,1 ±5 Pressão atmosférica (hpa) ,01 ±0,50 Neste trabalho todos os cálculos foram realizados através do programa MATLAB e para o cálculo dos fluxos o aplicativo air_sea toolbox desenvolvido por Bob Beardlsley e Rick Pawlowicz. Fluxos são taxas de transferência de energia por unidade de tempo e área. Por isso é comum nestes estudos separar as variáveis em parte médias e perturbações o último representando efeitos das ondas e/ou da turbulência. Essa técnica, representada pela equação 1 denomina-se decomposição de Reynolds, e quando aplicada nas equações do movimento descreve interações nãolineares (Stull, 1988). u' = U U (1) E portanto uma série temporal é composta da sua média adicionada da sua parte turbulenta, sendo que a média das perturbações é igual a zero. Um fluxo é convenientemente calculado através dos fluxos cinemáticos divididos pela densidade do ar e no caso do fluxo de calor sensível também seja dividido pelo calor específico do ar. Essa definição é possível porque dentro da camada limite planetária as variações na densidade do ar podem ser desconsideradas quando comparadas com as outras variáveis atmosféricas. Assim os fluxos podem ser medidos diretamente. O fluxo de calor sensível ocorre devido às diferenças de temperatura entre o oceano e a parcela da atmosfera adjacente, normalmente esse fluxo ocorre de baixo para cima, ou seja, o oceano aquece a atmosfera por baixo, logo espera-se encontrar valores em média positivos, já que o referencial é a atmosfera. O fluxo de calor sensível pode ser definido pelo fluxo de Reynolds pela equação 2 (Castelão, 2002). Q = c w't' (2) sen pa Onde ρ ar é a densidade do ar, e c pa é o calor específico do ar, w 't' é o fluxo turbulento vertical de calor sensível. A parametrização proposta para a equação 2 (Fairall,. et al 1996) é uma formulação mais aplicável, onde são incluídos o coeficiente de transferência de calor sensível C h, a magnitude do vento U, a temperatura de superfície do oceano t s e a temperatura potencial do ar θ, representadas na equação 3. O coeficiente de transferência de calor sensível é calculado de acordo com a altura onde foi realizada as medidas pelo sensor e para os cálculos foi utilizada a altura de 4,95m. ( t ) Q ρ c C U θ (3) sen = ar pa h s O fluxo de calor latente é a quantidade de energia que o vapor de água na atmosfera libera quando condensa, esse fluxo é unidirecional e positivo, sendo o referencial a atmosfera e também pode ser definida através fluxo de Reynolds pela equação 4 (Castelão, 2002). Onde Le é o calor latente de vaporização, w 'q' é fluxo vertical de calor latente Q = L w'q' (4) lat e

4 O fluxo de momento é quantidade de energia que é transferida da atmosfera por atrito com a superfície do oceano, esse fluxo também é unidirecional e negativo, tendo como referência a atmosfera e é representado na equação 5 a componente zonal e na equação 6 a componente meridional (Stull, 1998). τ = u' w' (5) x τ = v' w' (6) y Para a identificação dos períodos que são mais propícios as dispersões dos componentes voláteis foram selecionadas seis períodos onde o fluxo de calor sensível se encontrava além da linha de corte, que corresponde a três vezes o valor do desvio padrão sobre sua média. 4. Resultados e Discussão Foram feitas análises nas séries temporais que são compostas por 8750 dados, que correspondem a um pouco mais de um ano de dados do dia 25 de maio de 2001 a 24 de maio de 2002 e estão representados no figura 1. As séries originais são muito maiores mas os alguns dados tiveram que ser removidos para não afetar a qualidade da análise. Figura 1. Séries temporais a)temperatura do ar b)temperatura da superfície do mar c)pressão atmosférica d)insolação e)umidade relativa As médias feitas para essa série foram comparadas com as Normais Climatológicas Provisórias para a Cidade de Rio Grande (Reboita e Krusche, 2001) na tabela 2. As variáveis de insolação não podem ser comparadas pois são medidas nas unidades de horas de sol e não em W.m -2 como é medida na bóia. Mas todas as outras variáveis se comportam de acordo com o clima da região não apresentando desvios muito grandes. Isso deve-se também porque dados das estações meteorológicas são registrados geralmente três vezes ao dia, enquanto que a bóia afere as variáveis de hora em hora, deixando a série mais rica em informações e em detalhes. Tabela 2. Comparação entre os valores médios variáveis Série Temporal Normais climatológicas Temperatura C TSM C Pressão Atmosférica hpa Insolação W.m -2 Umidade Relativa % ± ± ± ± ± ± ± ± 0.12 Os fluxos de calor estão representados na figura 2 na unidade de W.m -2 enquanto que o fluxo de momento está em N. m -2, utilizada em fluxos turbulentos. No gráfico de fluxo de calor sensível está representada a linha de corte para os eventos de maior dispersão, ela representa o valor três vezes o desvio padrão acima do valor da média, que funciona para separar os eventos de extrema instabilidade. Foi utilizado esse método pois a seleção com a diferença de três

5 desvios em uma distribuição assimétrica, como é a distribuição de freqüência do fluxo de calor sensível, isolam poucos mas os períodos de maior intensidade e significância. O fluxo de calor sensível, que geralmente é devido ao aquecimento da atmosfera pelo oceano e descreve essa entrada de energia, ele está associado a movimentos convectivos, pois a atmosfera aquece de baixo para cima. E se poluentes estiverem presentes na camada limite nos períodos em que essa forte instabilidade ocorre podem ser facilmente transportados e dispersados. Os períodos de grande intensidade identificados foram: de 17 à 18 de junho de 2001, sendo o dia do ano de a , de 20 a 23 de junho de 2001 correspondentes ao e dia do ano respectivamente, de 21 a 28 de julho de 2001 correspondentes ao e dia do ano respectivamente, 15 a16 de setembro de 2001 respectivos e , 1 e 2 de abril de 2002 respectivos e e também nos dias 20 a 22 de abril correspondentes ao e Figura 2. Série temporal de fluxos turbulentos a)fluxo de calor sensível e faixa de corte b)fluxo de calor latente c)fluxo de momento Também foram calculadas as distribuições de freqüência percentual das variáveis de fluxo de calor sensível e latente e de momento que estão representadas respectivamente nas figuras 3, 4, 5. Figura 3.Freqüência Percentual do Fluxo de Calor Sensível Figura 4. Freqüência Percentual do Fluxo de Calor Latente

6 Figura 5. Freqüência Percentual do Fluxo de Momento 5. Agradecimentos Os autores agradecem ao PNBOIA, pela disponibilidade dos dados e manutenção da bóia. Aos órgãos financiadores do projeto a FINEP, Financiadora de Estudos e Projetos e a ANP, Agência Nacional do Petróleo pelo financiamento, promoção e a inovação na pesquisa científica e tecnológica através de programas como o PRH-27, que junto com a Universidade Federal do Rio Grande dão continuidade a Estudos Ambientais na Área de Atuação da Indústria do Petróleo. Também gostaria de a agradecer a todos do Laboratório de Meteorologia pela estrutura fornecida para a execução do trabalho. 6. Referências CASTELÃO, G. P. Um estudo sobre os fluxos de calor na superfície do Atlântico Tropical usando dados do PIRATA, Dissertação de mestrado em ciências na área de oceanografia física, Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo. CLARK,R.B. Marine Pollution, 3 rd edition. Oxford University Press, DEMORE,J.P. Aspectos sedimentares do estuário da Lagoa dos Patos e sua interação com a poluição por petróleo: subsídios para um plano de contingência, Monografia de graduação em oceanologia, Fundação Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande. DOURADO, M., CANIAUX, G. One-dimensional modeling of the oceanic boundary layer using PIRATA data at 10S, 10W, Revista Brasileira de Meteorologia, v.19, n.2, p.217-4, 2004 FAIRALL, C.W., BRADLEY, E. F., ROGERS, D. P.,EDSON, J. B.,YOUNG, G. S. Bulk parameterization of air-sea fluxes in TOGA COARE. J. Geophys. Res., 101, a. GAN,M.A. Ciclogênises e Ciclones sobre a América do Sul. Tese de doutorado,1992. KRUSCHE, N., FERREIRA, C. S. Principal component analysis of oceanographic and meteorological data at southwestern Atlantic, Departamento de Geociências, Fundação Universidade Federal do Rio Grande, Rio grande OLSON, D. B., PODESTÁ, G. P., EVANS, R. H., BROWN, O. B. Temporal variations in the separation of Brazil and Malvinas Currents. Deep-sea Research, v. 35, p , REBOITA, M. S; KRUSCHE, N.. Normais Climatológicas Provisórias de Rio Grande, RS, no Período de 1991 à Monografia de graduação em geografia, Fundação Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande. SOARES, I., MÖLLER, O. Low-frequency currents and water mass spatial distribution onthe southern Brazilian shelf. Continental Shelf Research, STULL, R., An Introduction to Boundary Layer Meteorology, Kluwer Academic, p.666, 1988.