VARIABILIDADE DA PROFUNDIDADE ÓPTICA ESPECTRAL DO AEROSSOL EM SÃO PAULO A PARTIR DE UM MULTI-FILTER ROTATING SHADOWBAND RADIOMETER

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1 VARIABILIDADE DA PROFUNDIDADE ÓPTICA ESPECTRAL DO AEROSSOL EM SÃO PAULO A PARTIR DE UM MULTI-FILTER ROTATING SHADOWBAND RADIOMETER André C. Sayão 1,2 ; Márcia A. Yamasoe 1 ; Nilton É. Do Rosário 1 ; Ricardo A. Siqueira 1 RESUMO - Avaliar a variabilidade das partículas de aerossol na atmosfera torna-se uma necessidade principalmente quanto ao seu efeito no balanço de radiação. Técnicas de monitoramento da radiação solar possibilitam a caracterização da variabilidade do aerossol na atmosfera devido à proporcionalidade entre a concentração do aerossol e a profundidade óptica espectral do aerossol (POA). A variabilidade observada a partir de um Multi-Filter Rotating Shadowband Radiometer (MFRSR) em São Paulo no ano de 2002 aponta um comportamento sazonal da POA com valores máximos entre julho a outubro. Este comportamento é consistente com a variabilidade observada nos resultados da rede AERONET, distante aproximadamente 15,5 km do sítio do MFRSR. Entretanto foram observadas diferenças entre as medidas dos dois instrumentos principalmente para os maiores valores médios de POA. Estas diferenças apontam para uma variabilidade espacial do aerossol em São Paulo. ABSTRACT- Evaluating the variability of aerosol particles in the atmosphere is a very important task mainly due to their effect on the radiation budget. Techniques of solar radiation measurements allow the characterization of the variability of aerosol in the atmosphere due to the proportionality between aerosol concentration and the spectral aerosol optical depth (AOD). The variability observed from Multi-Filter Rotating Shadowband Radiometer (MFRSR) data in São Paulo for the year 2002 indicates a seasonal behavior of the AOD with maximum values between July and October. This behavior is consistent with the variability observed in data from AERONET, about 15.5 km far from the MFRSR site. However differences between the two instruments results were observed, mainly for highest values of AOD. These differences indicate that there is a spatial variability of aerosol in São Paulo. Palavras-Chaves Propriedades ópticas do aerossol, aerossol urbano, fotometria solar. 1 Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo IAG-USP. Rua do Matão, n o 1226, Cidade Universitária, São Paulo, acsayao@model.iag.usp.br 2 Apoio Financeiro Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo FAPESP

2 INTRODUÇÃO O efeito resultante das partículas de aerossol sobre o balanço de radiação atmosférico e sobre o clima constitui hoje uma das principais fontes de incerteza na tentativa de modelar e prever o clima [IPCC, 2001].. A profundidade óptica do aerossol (POA) é proporcional à concentração de partículas em toda a coluna atmosférica enquanto que a dependência espectral fornece informações sobre a sua distribuição de tamanho, constituindo desta forma informações necessárias à avaliação dos seus efeitos. Observações de irradiância solar espectral direcional, efetuadas com instrumentos MFRSR (Multi- Filter Rotating Shadowband Radiometer) têm sido analisadas de forma a estimar propriedades ópticas atmosféricas integradas acima do plano de observação, como a POA [Michalsky et al., 1995; Alexandrov et al., 2002]. Neste trabalho é apresentada à variabilidade da POA para o ano de 2002 em São Paulo (Capital) a partir de observações espectrais efetuadas por um radiômetro do tipo MFRSR instalado na Estação Meteorológica do IAG-USP (23 39'7''S e 46 37'22''W) no bairro da Água Funda. Os resultados são comparados com a variabilidade observada por um radiômetro da rede AERONET que se encontra instalado a uma distância de aproximadamente 15,5 km do sítio do MFRSR. MATERIAL E MÉTODOS Instrumentos utilizados O radiômetro do tipo MFRSR é um instrumento que permite a observação de irradiância solar integrada sobre seis regiões espectrais relativamente estreitas (415, 672, 870 e 1036nm com largura de 10nm) e dois canais de 940nm (com largura de 10nm e 35nm) mediante o uso de um conjunto de detectores independentes (foto-diodo) e de filtros de interferências, iluminados através de um difusor horizontal. Observações de irradiância solar espectral: difusa (obtida através de um sistema de sombreamento do disco solar), da global e direta normal (E λ,d-n ) são obtidas a cada 15 segundos sendo armazenada a média a cada minuto em (W/m 2.nm) [Harrison et al.,1994]. A POA analisada neste trabalho, para o MFRSR, foi obtida no canal de 672nm. O fotômetro solar da rede AERONET (AErosol RObotic NETwork) mede a radiância solar direta através de um sistema automático em oito canais espectrais: 340, 380, 440, 500,670, 870, 940 e 1020nm [Holben et al., 1998]. O fotômetro está instalado sobre o edifico Pelletron, no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (23º33'43''S e 46º45'43''W) com medidas a partir de novembro de Cálculo da profundidade óptica do aerossol - Lei de Beer A profundidade óptica do aerossol atmosférico tem sido tradicionalmente obtida com base na lei de Beer, Bouguer e Lambert ou simplesmente lei de Beer, a partir da fotometria solar multi-espectral (Shaw, 1983). A lei de Beer descreve a atenuação de um feixe de radiação monocromático ao atravessar um meio, na atmosfera descreve o seu percurso do topo da atmosfera (TOA - Top Of

3 Atmosphere) até a superfície da Terra. Para tanto é necessário conhecer o valor da irradiância direta espectral incidente no topo da atmosfera (E (λ,d,ζ0 ) obtido corrigindo o valor da constante solar [(E 0λ ) irradiância espectral solar direta normal a superfície de observação para uma distância Terra-Sol igual a 1U.A.], ponderá-la pela variação da distância Terra-Sol [( d /d) 2 ] e cosseno do ângulo zenital solar [cos(ζ 0 )]. O valor da constante solar para o MFRSR foi obtido segundo o método de Langley Plot Intercept [Harrison et al.,1994], com dados medidos em Campos do Jordão na estação do DAEE no ano de 2000 (22º22`S e 45º29`W). A razão entre as duas irradiâncias diretas (no TOA e na superfície) define a transmitância espectral direta da atmosfera (T λ,d ). O decréscimo da radiação solar transmitida com o aumento da distância zenital solar dá origem ao termo massa óptica (m). A transmitância também diminui quando a concentração de constituintes atmosféricos aumenta (partículas de aerossol, gases traço, etc), isto é: Tλ, d τ.m = e λ = E E λ,d ( λ, d,ζ 0 ) onde (τ λ ) é a profundidade óptica total da atmosfera A profundidade óptica do aerossol (POA) é obtida subtraindo da profundidade óptica total da atmosfera (τ λ ) as contribuições provenientes de espalhamento molecular ou Rayleigh e atenuação por absorção gasosa, em particular devido ao Ozônio (O 3 ) e Dióxido de Nitrogênio (NO 2 ) [Alexandrov et al., 2002a]. As concentrações destes gases foram obtidas por satélite para São Paulo segundo o TOMS- NASA (Total Ozone Mapping Spectrometer) e pelo SCIAMACHY-ENVISAT (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography). (1) RESULTADOS A profundidade óptica espectral do aerossol (POA) obtida com o MFRSR, para o ano de 2002 em São Paulo - Capital, apresentou uma variabilidade sazonal bem caracterizada, com os maiores valores de POA entre os meses de julho a outubro quando ocorre à estação seca em São Paulo e a remoção do aerossol fica prejudicada. Os menores valores de POA foram encontrados próximos aos meses de verão, auge da estação úmida quando há uma intensificação da remoção do aerossol pela precipitação. Nesse período há também um aumento da cobertura de nuvens, o que acarreta uma diminuição do número de dados disponíveis, principalmente em janeiro e dezembro. Ao compararmos a POA obtida pela rede AERONET no canal 670nm, para o mesmo período, observamos uma tendência semelhante de oscilação entre as duas bases de dados. Os valores de POA obtidos com o MFRSR e com a rede AERONET são ilustrados na figura 1:

4 Figura 1 Variabilidade da POA para o ano de 2002 na cidade de São Paulo com valores instantâneos com o uso do MFRSR e pela rede AERONET. A figura 1 também ilustra que os dois instrumentos possuem medidas efetuadas em dias diferentes, e em alguns casos em horários diferentes para o mesmo dia, principalmente no verão e início do outono, o que se deve a problemas técnicos e a cobertura diferenciada de nuvens no caminho óptico da radiação solar nos dois sítios de medição analisados. Os dados obtidos com a AERONET apresentam mínimos diários menores do que os observados pelo MFRSR. Além disto podemos perceber que quando a atmosfera está mais limpa (valores de POA instantâneos menores) a discrepância entre os valores obtidos se deve à falta de dados sendo mais acentuada para os meses de novembro a abril. Ao calcularmos os valores médios diários no período em que temos medidas simultâneas com os dois instrumentos, podemos avaliar a diferença entre as duas localidades, onde os valores fornecidos pela rede AERONET são em média menores do que os obtidos com o MFRSR como é ilustrado na figura 2a: 0,7 0,6 0,5 AERONET 670nm MFRSR 672nm (a) 0,7 0,6 0,5 (b) 0,4 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12/3 11/4 11/5 10/6 10/7 9/8 8/9 8/10 7/11 7/12 Data[dia/mês] 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,93x - 0,04 R 2 = 0,82 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 MFRSR Figura 2 Valores médios diários da POA para dias em que houve medições simultâneas entre o MFRSR (672nm) e o fotômetro solar Cimel da rede AERONET (670nm) no ano de 2002 em São Paulo, onde temos:(a) variabilidade temporal dos valores médios diários de POA; (b) comparação por regressão linear entre os valores médios diários da POA com os dois instrumentos nos canais já citados. A figura 2b apresenta a correlação entre os valores médios diários de POA obtidos com os dois instrumentos para os dois sítios analisados. Observa-se que para os valores de POA até 0,4 a diferença entre os dois instrumentos fica em torno de 0,06 em média. Já para o mês de setembro e outubro

5 quando temos os maiores valores de POA esta diferença tende a crescer chegando a quase 0,2. Também se observa que os valores do MFRSR tendem a serem maiores que os da AERONET, na maioria dos casos, o que indica que a Água Funda pode estar mais afetada pela contribuição do aerossol do que a Cidade Universitária. Um estudo recentemente realizado com os dois instrumentos operando no mesmo sítio experimental mostrou que a diferença entre a POA derivada com o MFRSR e com a AERONET é aproximadamente sistemática e da ordem de 0,03 [Rosário, 2006], o que significa que as diferenças observadas em 2002 podem ser resultantes da existência de distintas fontes de aerossol nas duas localidades. O coeficiente de correlação de 0,82, obtido ao compararmos as médias diárias da POA, por outro lado, indica que, embora as fontes locais possam ser distintas, o padrão de circulação pode ser o mesmo, de caráter mais regional. O coeficiente de Ångstrom [MCARTHUR et al., 2003], é apresentado no seu valor médio diário (adimensional) na figura 3 onde observamos a predominância de um aerossol em média menor do que no sítio da AERONET. O coeficiente de Ångstrom médio no período foi em torno de (1,7 ± 0,2) para a Água Funda enquanto que para a Cidade Universitária foi de (1,4 ± 0,3). Além disto observam-se diferenças significativas em vários dias do ano, chegando a extremos de 1,1 no mês de maio (dia 25/05) quando a atmosfera encontrava-se mais limpa (POA baixa) nos dois sítios. Para os eventos extremos observados de POA, figura 2a, quando temos a maior diferença e amplitude nos valores de POA, podemos afirmar que o aerossol é da mesma ordem de tamanho, figura 3, para os dois sítios, quando o valor médio do coeficiente de Ångstrom observado é de (1,8 ± 0,1) MFRSR e (1,84 ± 0,04) AERONET para o dia 09/09 e (1,6 ± 0,3) MFRSR e (1,5 ± 0,2) AERONET no dia 18/09. Nestes dias de POA extrema pode relacionar-se com o transporte de aerossol de queimadas proveniente da região amazônica para São Paulo. Coeficiente de Ångstrom 2 1,5 1 0,5 MFRSR 672/870 AERONET 670/ /3 11/4 11/5 10/6 10/7 9/8 8/9 8/10 7/11 7/12 Data [dia / mês ] Figura 3 Variabilidade média diária do coeficiente de Ångstrom em 2002, quando há medições simultâneas em São Paulo, para 672/870nm com o MFRSR e 670/870nm com a AERONET. CONCLUSÕES A variabilidade da POA para São Paulo ao longo do ano de 2002 foi caracterizada por uma sazonalidade, apresentando os maiores valores no inverno até o meio da primavera, quando a remoção

6 do aerossol da atmosfera fica prejudicada. Os menores valores de POA ocorreram no final do verão quando se intensifica a remoção do aerossol da atmosfera por eventos de chuva. As diferenças encontradas para o período de 2002 entre o MFRSR e o da rede AERONET, são maiores que as encontradas no trabalho de Rosário (2006), o qual encontrou diferenças sistemáticas de 0,03 na POA, quando os instrumentos operaram no mesmo do sítio da AERONET. O coeficiente de Ångström é em média menor na Água Funda (1,7 ± 0,2) do que o encontrado no sítio da AERONET (1,4 ± 0,3). Estes fatos indicam que influências locais podem ser significativas na estimativa da POA e do Coeficiente de Ångstrom para São Paulo e que medidas pontuais podem não representá-los bem para toda a cidade ao longo do ano. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIAS ALEXANDROV, M.D., A.A. LACIS, B.E. CARLSON & B. CAIRNS - Remote sensing of atmospheric aerosols and trace gases by means of Multifilter Rotating Shadowband Radiometer. Part I: retrieval algorithm. Journal of the Atmospheric Sciences, 59(3): , HARRISON, L., J. MICHALSKY & J. BERNDT- Automated multifilter rotating shadow-band radiometer: an instrument for optical depth and radiation measurements. Applied Optics, 33(22): , HOLBEN, B. N. and Coauthors. AERONET- A federated instrument network and data archive for aerosol characterization. Remote Sensing of Environment, 66: 1-16, Intergovernmental Panel On Climate Change, Climate Change 2001 The Scientific Basis (Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change), MACARTHUR, J.L., HALLIWELL, D.H., O.J.N., N.T.O., J.R.S., C.W. Field comparison of network Sun promoters. J. of Geophysical Research. 108, NO. D19:4596, 2003 MICHALSKY, J.J.; LILJEGREN, J.C. & HARRISON, L.C. - A comparison of Sun photometer derivations of total column water vapor and ozone to standard measures of same at the Southern Great Plains Atmospheric Radiation Measurement site. Journal of Geophysical Research, 100(D12): , ROSÁRIO, N. M. E do. Comparação de profundidades ópticas espectrais do aerossol obtidas para São Paulo a partir de um Multifilter Rotating Shadowband Radiometer e do fotômetro solar da AERONET p. Dissertação (Mestrado) Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo, SHAW, G.E. - Sun photometry. Bulletin of the American Meteorological Society, 64(1): 4-10, 1983.