Detecção de Sinais de Variabilidade relacionados a Mudanças Climáticas na Incidência e Características das Descargas Atmosféricas no Brasil

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1 PROJETO TEMÁTICO DE PESQUISA Detecção de Sinais de Variabilidade relacionados a Mudanças Climáticas na Incidência e Características das Descargas Atmosféricas no Brasil COORDENAÇÃO GERAL OSMAR PINTO JUNIOR INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE)

2 ÍNDICE Resumo 1- Caracterização do Problema: Fundamentação Científica 2- Objetivos e Formulação detalhada da pesquisa 3- Estratégia de Ação: Metodologia e Forma de análise dos resultados 4- Plano de trabalho e cronograma de execução do projeto 5- Referências Bibliográficas RESUMO Este projeto tem como objetivo a detecção de sinais de variabilidade relacionados a mudanças climáticas na incidência e características das descargas atmosféricas registradas no Brasil na última década e o aperfeiçoamento das atuais técnicas de observação de raios no estado de São Paulo de modo a permitir um melhor monitoramento destas variabilidades para o futuro. Três principais atividades estão previstas: analisar os bancos de dados de descargas atmosféricas nuvem-solo da Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas (BrasilDat) na região sudeste desde 1999 e de descargas atmosféricas de todos os tipos obtido pelo sensor Lightning Imaging Sensor (LIS) no Brasil desde 1998, complementados por dados de dias de tempestade; aperfeiçoar no estado de São Paulo a performance da BrasilDat e implantar no estado uma rede de monitoramento de descargas intra-nuvem, de modo a permitir melhorar e ampliar as informações disponíveis para futuros estudos; realizar campanhas de observação com câmaras de alta velocidade de modo a avaliar o desempenho da nova configuração da BrasilDat e da nova rede de monitoramento de descargas intranuvem no estado de São Paulo. O impacto das mudanças climáticas sobre a incidência de descargas atmosféricas é um dos grandes desafios das pesquisas na área de eletricidade atmosférica, conforme evidenciado no último relatório do IPCC. Os resultados do projeto irão contribuir no entendimento de causas e tendências climáticas nas escalas regional e local, auxiliando na implantação de políticas públicas para minimização dos impactos em vidas e prejuízos decorrentes do fenômeno e colaborar no futuro com os objetivos do Programa de Mudanças Climáticas recém lançado pela FAPESP.

3 1- Caracterização do Problema: fundamentação científica A temperatura da atmosfera em nosso planeta tem aumentado nas últimas décadas, conforme ilustrado na Figura 1, caracterizando um fenômeno que tem sido denominado de aquecimento global. Figura 1 Média anual da temperatura observada na superfície relativa à média no período de 1961 to 1990 (Brohan et al., 2006). O impacto das mudanças climáticas decorrentes do aquecimento global sobre a incidência de descargas atmosféricas no planeta é um dos grandes desafios das pesquisas na área de eletricidade atmosférica. Tomando-se como referência o último relatório do IPCC (IPCC, 2007), tem-se que não existem evidencias suficientes para determinar se existem tendências de variação na incidência de eventos tais como raios. Tal situação deve-se a diversos fatores entre eles: às dificuldades de se obter longas e precisas séries históricas relacionadas à incidência global de raios, ou ao menos em largas regiões, e as pequenas mudanças de temperatura durante o período em que estes dados estão disponíveis, e às limitações na resolução espacial dos atuais modelos climáticos. Atualmente, tais modelos estão limitados a resoluções de centenas de quilômetros e, em conseqüência, processos físicos que ocorrem em escalas menores tais como nuvens de tempestades não podem ser simulados de forma completa. Tais limitações aliadas à falta de informação com respeito a diversos processos são responsáveis em muitos casos por resultados conflitantes (Vecchi et al., 2008). A incidência e distribuição de raios esta diretamente ligada ao clima da Terra, que por sua vez esta relacionada com o aquecimento solar. Nas escalas diurna e sazonal, a atividade de

4 raios na maior parte do planeta tem um máximo umas poucas horas ou meses após o máximo do aquecimento solar e, globalmente, devido à assimetria entre os hemisférios, ela é maior no hemisfério norte do que no hemisfério sul, em função da maior quantidade de terra no hemisfério norte em relação ao hemisfério sul. Entretanto, prever mudanças na incidência de raios em resposta ao aquecimento global é uma tarefa complexa devido à existência de inúmeros fatores, os quais respondem diferentemente ao aquecimento da atmosfera, entre eles mudanças regionais de temperatura, mudanças na dinâmica da atmosfera, mudanças na freqüência e intensidade de fenômenos como o El Niño/La Niña, e mudanças na circulação oceânica. A relação entre aquecimento global e mudanças na incidência de raios é ainda mais complexa se considerarmos que estes processos podem atuar em diferentes escalas de tempo. 1.1 Incidência de raios versus mudanças de temperatura Embora a atividade de descargas atmosféricas seja resultado de processos micro-físicos e termodinâmicos essencialmente não lineares ocorrendo em toda a troposfera e dependentes sobre inúmeros parâmetros meteorológicos, é bem estabelecido na literatura científica que os raios são sensíveis as variações de temperatura em diversas escalas (Williams, 1992, 1994, 1999, 2005; Price, 1993; Markson and Price, 1999; Reeve and Toumi, 1999; Price and Asfur, 2006b; Sekiguchi et al., 2006; Markson, 2007; Pinto and Pinto, 2008). Entretanto, atualmente não existem evidências de aumento na atividade global de raios em resposta ao aquecimento global, embora existam evidências locais em centros urbanos (Pinto and Pinto, 2008) e evidências indicando altas correlações entre a temperatura superficial do ar e a atividade de raios em intervalos curtos de tempo (Williams, 2005; Price and Asfur, 2006a; Sekiguchi et al., 2006). Se por um lado não existem no momento evidências experimentais de que a atividade global de raios esteja aumentando, por outro lado a maior parte dos modelos climáticos sugere tal aumento (Schumann and Huntrieser, 2007). Um aumento na atividade global de raios devido ao aumento de temperatura tem sido predito por simples modelos globais (e.g. Price and Rind, 1994; Michalon et al., 1999), que assumem uma relação empírica entre a atividade de raios e um parâmetro associado à atividade convectiva. Tais modelos sugerem um aumento de cerca de 10% na atividade de raios para cada grau de aumento na temperatura. Limitações nestes modelos têm sido discutidas por Molinié and Pontikis (1995), Price et al. (1997), Ushio et al. (2001), Allen and Pickering (2002) e Cecil et al. (2005). Mais recentemente, outros modelos mais detalhados têm sido desenvolvidos sugerindo um aumento da mesma ordem (Grenfell et al., 2003; Shindell et al., 2006) e sugerindo ainda que ele deva ser mais evidente na região tropical. Em uma perspectiva global, a sensitividade da atividade de raios a mudanças globais na temperatura superficial do ar tem sido estimada a partir da análise de dados de raios obtidos por satélites (Reeve and Toumi, 1999; Ming et al., 2005), registros de dias de tempestade (Changnon, 1988, 2001; Pinto and Pinto, 2008), medidas de vapor d agua na alta troposfera (Price and Asfur, 2006a), medidas do potencial elétrico do circuito elétrico atmosférico global (Markson, 2007; Williams, 2007) e medidas da intensidade da radiação na freqüência de Schumann (Williams, 1992; Sekiguchi et al., 2006). Entretanto, as análises são em geral

5 limitadas a períodos não muito longos, baixa confiabilidade nos dados ou fraca sensibilidade das variações dos parâmetros as variações na atividade de raios. Em uma perspectiva local, por sua vez, as variações na atividade de raios podem ser mais complexas ainda, desde que aspectos locais podem ser tão importantes quanto aspectos globais, entre eles mudanças na circulação local da atmosfera, efeitos provocados por fenômenos tais como El Niño e mudanças relacionadas às atividades urbanas, tais como ilhas de calor e poluição (Steiger et al., 2002; Pinto et al., 2004; Naccarato et al., 2003). A sensitividade da atividade de raios a mudanças na temperatura superficial da atmosfera a nível global pode ainda ser investigada com base em argumentos físicos. Williams (2005) sugere que a sensitividade da atividade de raios a mudanças de temperatura diminua para escalas mais longas de tempo, com base na hipótese de que para longas escalas de tempo a atmosfera passe por um ajuste convectivo, à medida que o aumento de temperatura possa ser transferido as diversas camadas da atmosfera causando uma menor mudança na energia potencial de convecção disponível (CAPE). 1.2 Impacto das mudanças na incidência de raios sobre o aquecimento global Por outro lado, as mudanças na incidência de raios têm importância dentro do contexto do próprio aquecimento global, visto que os raios ao ocorrerem alteram a química da atmosfera e produzem compostos do tipo NOx, que afetam o equilíbrio radiativo da atmosfera e consequentemente o ritmo do aquecimento da mesma (Rakov and Uman, 2003; Schumann and Huntrieser, 2007; IPCC, 2007), causando um processo de realimentação entre a atividade de raios e o aquecimento global. Neste contexto é relevante o fato de que os raios são a principal fonte de NOx na troposfera tropical. Vários modelos globais tem observado um aumento na concentração de NOx devido ao aquecimento global (Schumann and Huntrieser, 2007). As estimativas variam de um aumento de 4 a 60% na concentração de NOx para cada grau de aumento na temperatura, com um valor médio de 15%. Outros modelos sugerem ainda significantes mudanças na distribuição global de NOx com o aquecimento global (Stevenson et al., 2005; Sanderson et al., 2006). Raios também produzem outros gases que afetam o equilíbrio radiativo da atmosfera através de queimadas, tais como CO 2. Mais de incêndios são causados anualmente por raios no mundo, sendo que cerca de somente nos Estados Unidos (Uman, 2008). No Brasil, tais episódios são freqüentes embora atualmente de pequenas proporções; tal situação pode, contudo, pode alterar-se em função das mudanças climáticas. 1.3 Observações de raios no Brasil O Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) do INPE tem realizado pesquisas sobre raios a cerca de 30 anos, sendo responsável por inúmeras atividades pioneiras tais como:

6 Primeiro registro de campo elétrico atmosférico no país Primeiro modelo da estrutura elétrica das nuvens de tempestade no país Primeira tese de doutorado em eletricidade atmosférica do país Primeiro registro de raios no país feito do espaço Primeiro livro sobre raios publicado no país Primeiro Workshop Brasileiro sobre Eletricidade Atmosférica Primeiro sensor do tipo IMPACT instalado no país Primeiro raio artificial gerado no hemisfério sul Primeiro mapa da atividade de raios no país com dados de satélite a partir de cooperação com a NASA Primeira observação de raios no país com câmeras de alta velocidade Primeiro registro de sprites no país Primeiro mapa de incidência de raios no país com base em dados de superfície e de satélite Primeiro sensor isolado de alerta da ocorrência de descargas no país Primeira observação do aumento da incidência de raios em grandes centros urbanos no país Primeiro centro da América do Sul a fazer parte do Comitê Internacional de Eletricidade Atmosférica Primeiro modelo de eficiência de detecção para redes no país Primeiro mapa da incidência de descargas em tempo real com acesso livre na internet Primeira Conferência Internacional sobre a Física das Descargas Atmosféricas e seus Efeitos (LPE) Primeiro sistema integrado de alerta da incidência de descargas no país Primeiro sistema automático de análise de desligamentos Primeira Rede Brasileira de Descargas Atmosféricas (BrasilDat) Primeiro sensor de campo elétrico do tipo "field-mill" desenvolvido no país Primeiro sensor do tipo LS7000 instalado no país Primeira central de processamento de dados de descargas do país a reprocessar dados em tempo real. No que se refere às publicações, o ELAT tem publicado mais de 50 artigos em periódicos internacionais (disponíveis no Portal ELAT em três livros (Pinto e Pinto, 1996, 2000; Pinto, 2005), mais de 200 artigos em anais de conferências internacionais e inúmeros artigos de circulação nacional. Um resumo dos principais resultados das pesquisas

7 do ELAT esta sendo publicado como capítulos de dois livros internacionais (Pinto, 2008; Pinto et al., 2008). No que se referem ao escopo deste projeto, três atividades podem ser consideradas como de maior importância: a criação da Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas (BrasilDat), a cooperação com a NASA estabelecida em 1998 para estudo de descargas atmosféricas com satélites (Pinto et al., 2003) e as observações com câmeras de alta velocidade (Saba et al., 2006a, 2006b). Associados a estas atividades foram criados três bancos de dados históricos de descargas atmosféricas. O banco de dados de descargas nuvem-solo da BrasilDat compreende 10 anos de dados na região sudeste e alguns anos de dados nas regiões sul, centro-oeste, norte e nordeste, as duas últimas de forma parcial. Nos últimos anos os dados passaram por diversas processos de qualificação, entre eles o reprocessamento para corrigir perdas de informação devido a atrasos nos canais de comunicação da BrasilDat e a correção por modelo de eficiência de detecção desenvolvido pelo ELAT para corrigir as variações devido as não homogeneidades espaciais e temporais da rede de sensores da BrasilDat (Cummins et al., 1998; Schulz et al., 2005; Pinto et al., 2006, 2007; Naccarato and Pinto, 2008). O banco de dados de descargas totais obtido pelo sensor LIS (Lightning Imaging Sensor) a bordo de satélite compreende cerca de 11 anos de dados. Nos últimos anos estes dados também passaram por diversos processos de qualificação, entre eles a correção devido à variação do tempo de observação do satélite com a latitude e as variações da eficiência de detecção devido a Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS). Ambas as correções foram feitas em parceria com a NASA e estendidas no território brasileiro para resoluções menores do que aquela disponível pela NASA de forma pública. O banco de dados de descargas observadas com câmaras de alta velocidade no sudeste do Brasil desde 1999 tem permitido a avaliação e validação dos bancos de dados da BrasilDat e de satélite, permitindo uma maior confiabilidade destas informações, além de determinar diversas características específicas das descargas Objetivos e formulação detalhada da pesquisa O objetivo geral deste projeto é o estudo da variabilidade da atividade de raios em função das mudanças climáticas decorrentes do aquecimento global no Brasil. De modo a atingir este objetivo três atividades estão previstas: 1. Utilizar os bancos de dados de descargas atmosféricas da BrasilDat na região sudeste desde 1999 e o banco de dados de descargas atmosféricas do sensor LIS desde 1998 no Brasil para identificar tendência que possam estar associadas a estas mudanças climáticas; 2. Aperfeiçoar no estado de São Paulo as características da rede de monitoramento de descargas nuvem-solo (BrasilDat) de modo a obter-se maior eficiência de detecção e implantar no estado uma rede de monitoramento de descargas intra-nuvem, de modo a permitir melhorar e ampliar as informações disponíveis para futuros estudos;

8 3. Realizar campanhas de observação com câmaras de alta velocidade de modo a avaliar o desempenho da nova configuração da BrasilDat e da nova rede de monitoramento de descargas intra-nuvem no estado de São Paulo. O desenvolvimento destas atividades será realizado através de três subprojetos: - (SP01) Análise dos bancos de dados de descarga nuvem-solo da BrasilDat de modo a verificar variações na atividade e características dos raios que possam estar relacionadas às mudanças climáticas Responsável: Dr. Osmar Pinto Junior Pinto Doutores Participantes: Dra. Iara Regina Cardoso de Almeida Dr. Kleber Pinheiro Naccarato Dr. Earle Williams (MIT) O objetivo específico deste subprojeto é a avaliação das variações temporais relacionadas a condições médias e condições extremas na atividade e nas características dos raios ao longo da última década no sudeste do Brasil, através do uso do banco de dados da BrasilDat. Entre as características a serem investigadas destacam-se a polaridade e intensidade das descargas. O estudo irá abranger em particular os grandes centros urbanos nesta região e vizinhanças, em face das acentuadas mudanças climáticas entre estas regiões próximas. - (SP02) Análise dos bancos de dados de descarga totais do sensor LIS de modo a verificar variações na atividade de raios que possam estar relacionadas às mudanças climáticas Responsável: Dra. Iara Regina Cardoso de Almeida Pinto Doutores Participantes: Dr. Osmar Pinto Junior Dr. Kleber Pinheiro Naccarato Dr. Steve Goodman (NOAA) Dra. Rachel I. Albrecht (NOAA) O objetivo específico deste subprojeto é a avaliação das variações temporais relacionadas a condições médias e condições extremas na atividade de raios ao longo dos últimos 11 anos no Brasil, através do uso do banco de dados de satélite. Ênfase será dada à atividade total de descargas em nuvens de tempestade individuais e a razão de descargas intra-nuvem/nuvemsolo (Z) a partir da comparação dos dados de satélite com dados da BrasilDat. - (SP03) Implantação das novas redes de monitoramento de descargas Responsável: Dr. Kleber Pinheiro Naccarato Doutores Participantes: Dr. Osmar Pinto Junior Dra. Iara Regina Cardoso de Almeida Pinto Dr. Kenneth Cummins (Universidade do Arizona) O objetivo específico deste subprojeto é a atualização da rede de sensores e da estrutura computacional para registro das descargas nuvem-solo pela BrasilDat no estado de São Paulo

9 e a instalação de sensores no estado que permitam o monitoramento das descargas intranuvem. - (SP04) Avaliação detalhada das características do desempenho das novas redes de monitoramento de descargas Responsável: Dr. Marcelo Magalhães Fares Saba Doutores Participantes: Dr. Osmar Pinto Junior Dr. Kleber Pinheiro Naccarato Dr. Kenneth Cummins (Universidade do Arizona) O objetivo específico deste subprojeto é a avaliação detalhada do desempenho da nova configuração da BrasilDat no estado de São Paulo e a avaliação da nova rede de monitoramento de descargas intra-nuvem no estado. A avaliação será feita com o uso de câmeras de alta velocidade operadas de forma automática, com o suporte de detectores de campo elétrico do tipo field-mill. 3- Estratégia de ação: metodologia e forma de análise dos resultados Nesta seção será descrita a estratégia que será empregada para o desenvolvimento dos subprojetos, envolvendo as fontes de informação e as metodologias de análise. Esta estratégia consiste: - no desenvolvimento de aplicativos computacionais que permitam extrair dos dados de descargas atmosféricas tendências tanto na atividade como nas características das descargas atmosféricas que possam estar relacionadas a mudanças climáticas. O uso de dados de descargas obtidos por sistemas de detecção ou sensores a bordo de satélites em aplicações científicas requer, assim como qualquer outra técnica, uma cuidadosa análise das informações de modo a diferenciar variações físicas relacionadas a aspectos da natureza de variações devido ao desempenho dos sistemas. Para tal, um profundo conhecimento do sistema/sensores e de todas as etapas até a obtenção das informações é fundamental. A Figura 2 mostra a atual configuração da BrasilDat e exemplo de passagem do satélite TRMM (contendo o sensor LIS) sobre a América do Sul no dia 31/12/2007.

10 (a) (b) Figura 2 (a) Configuração atual da BrasilDat e (b) exemplo de passagem do satélite TRMM (contendo o sensor LIS) sobre a América do Sul no dia 31/12/2007. Atualmente, o Brasil conta com uma rede de detecção de relâmpago nuvem-solo composta por 47 sensores (LPATS e IMPACT) instalados em doze estados do país: RS, SC, PR, SP,

11 MS, RJ, ES, MG, GO, TO, MA e PA (os dois últimos cobertos parcialmente), conforme mostra a Figura 2. Esta rede, denominada BrasilDat, é o resultado da integração de três redes regionais: (1) RINDAT (Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas, composta por 25 sensores instalados em cinco Estados do país: PR, SP, RJ, ES, MG e GO; (2) SIPAM (Sistema de Proteção da Amazônia Legal, composta por 12 sensores que cobrem parcialmente os estados de TO, MA e PA; (3) SIDDEM (Sistema de Informações Integradas Baseados no Sistema de Detecção de Descargas Atmosféricas, composta por 10 sensores instalados nos estados de RS, SC e MS. A BrasilDat é a maior rede do gênero na região tropical do planeta e a terceira maior rede do mundo. Os sensores LPATS fornecem apenas o horário da chegada da radiação EM gerada pelas descargas, medindo a componente elétrica do sinal EM. Esta tecnologia de detecção é denominada TOA ( time of arrival ). Já os sensores IMPACT são capazes de medir não só o campo elétrico da radiação EM, fornecendo assim o horário de chegada do sinal, como também as componentes ortogonais de seu campo magnético (através de duas antenas ortogonais na forma de loop ), o que lhe permitem fornecer a direção (ou azimute) da fonte de radiação em relação ao norte geográfico. Esta última tecnologia é chamada MDF ( magnetic direction finder ). Desta forma, os sensores IMPACT, além de serem mais modernos que os LPATS, com inúmeras melhorias em seus circuitos internos, algoritmos de processamento e critérios de discriminação de descargas intra-nuvem, possibilitam uma redundância de informações (por combinarem as tecnologias TOA e MDF) que melhora o processo de otimização da solução na central de processamento, minimizando as limitações inerentes de cada tecnologia quando empregados separadamente e aumentando a eficiência de detecção da rede. Todos os sensores possuem circuitos receptores de GPS, permitindo assim precisa sincronização temporal entre eles (da ordem de 100ns), fundamental para um bom desempenho do método TOA. Esses sensores, à medida que vão registrando a ocorrência de descargas atmosféricas, enviam esses dados (parâmetros da radiação EM medida) para a central de processamento do ELAT (através de canais de comunicação dedicados), a qual calcula a localização e os principais parâmetros físicos dos eventos, arquiva os dados brutos dos sensores e as soluções finais e monitora constantemente o desempenho da rede. Para que seja possível obter informações com a máxima qualificação possível, minimizando problemas como perda de dados causada por falhas nos sensores ou interrupção/atrasos nos canais de comunicação além de alterações na configuração física da rede devido à instalação de novos sensores ou atualizações de equipamentos, os dados sofrem um reprocessamento a partir dos dados brutos dos sensores. O reprocessamento dos dados de descargas atmosféricas consiste em extrair dos arquivos de dados brutos dos sensores gravados pela central de processamento, somente os dados de descargas atmosféricas, ordena-los cronologicamente e então recalcular todas as soluções. Essa última etapa permite escolher diferentes configurações dos parâmetros da central e quais os sensores participantes dentre aqueles em operação. A Figura 3 traz um diagrama esquemático das etapas do reprocessamento dos dados.

12 Raw Data Extração DFR Desordenado Ordenação DFR Ordenado Reprocessamento Reprocessamento RLFX Binário Sujo Conversão Binária DFF Binário Stroke Agrupamento Conversão Binária Conversão ASCII RLFX Binário Limpo Conversão Binária DFF ASCII Stroke DFF Binário Flash Conversão ASCII Conversão ASCII Conversão ASCII RLFX ASCII Limpo RLF ASCII DFF ASCII Flash Figura 3 Diagrama esquemático das etapas do reprocessamento indicando os tipos de dados gerados em cada transformação. Por fim, uma análise climatológica mais precisa da ocorrência de raios em uma dada região somente é possível se o número de raios reportados pela rede nesta região for corrigido por sua respectiva eficiência de detecção (ED), levando-se em conta cada período em que tenha havido qualquer tipo de alteração na rede que potencialmente afete seu desempenho. A rede BrasilDat, desde sua primeira integração em 1998 (na época denominada de RIDAT), sofreu inúmeras alterações na configuração espacial de seus sensores, causadas basicamente por falhas nos equipamentos, problemas nos canais de comunicação, troca e/ou adição de novos sensores. Isso porque, quando um sensor pára de funcionar ou perde comunicação com a central, ele desaparece da rede, alterando sua geometria. Se esse sensor está localizado numa região onde existem vários outros sensores ao redor, sua ausência tende a ser compensada pelos sensores remanescentes. A qualidade das soluções pode cair um pouco, mas a ED permanece relativamente inalterada. Por outro lado, se esse sensor está localizado na extremidade da malha, sua ausência reduz significativamente a ED da rede naquela região específica, já que não há sensores suficientes nas vizinhanças para suprir aquela falta de informação. O mesmo acontece quando se instala um novo sensor na rede. Como, na maioria das vezes, essa inclusão ocorre nas extremidades da malha (visando a própria expansão da rede), ocorrem alterações significativas em sua ED nessa região. Outra importante característica da BrasilDat é sua heterogeneidade no que se refere ao tipo dos sensores e de distribuição espacial. Atualmente, na rede, existem desde sensores desenvolvidos no início da década de 1980 (LPATS-III) até os sensores mais modernos (LS7000), com características e desempenhos bastante diferentes. Além disso, a rede possui as mais diferentes linhas de base (distância entre dois sensores adjacentes), havendo regiões com apenas 100 km de distância entre alguns sensores e outras regiões com distâncias superiores a 400 km. Tais aspectos

13 fazem com o desempenho da rede seja bastante variável, afetando diretamente a qualidade das informações geradas. No sentido de minimizar esses efeitos, foi então desenvolvido um modelo de eficiência de detecção (MED) para correção do número de raios em cada período em que houve alteração da geometria da rede em função dos fatores discutidos anteriormente. Isso possibilitou atribuir eventuais diferenças na incidência de raios entre duas ou mais regiões a fatores físicos do fenômeno e não ao instrumento de medida em si. As Figuras 4 e 5 ilustram os dados obtidos pela BrasilDat de set/2006 a set/2007 sem correção e corrigidos pelo MED do INPE, respectivamente. Analisando as figuras, observa-se que as diferenças são maiores no Centro-Oeste e Norte do país devido à geometria pouco favorável da rede, a qual não possibilita uma cobertura uniforme nessas regiões. Porém, mesmo no Sul e Sudeste do país, existem variações que em alguns locais chegam a quase 100%. Figura 4 Mapa de densidade de raios para o período de set/2006 a set/2007 obtido pela rede BrasilDat de 47 sensores sem correção pela ED.

14 Figura 5 Mapa de densidade de raios para o período de set/2006 a set/2007 obtido pela rede BrasilDat de 47 sensores corrigido pelo MED do ELAT. Outra tecnologia bastante avançada disponível para detecção de relâmpagos é o sensor LIS a bordo do satélite TRMM ( Tropical Rainfall Measurement Mission ) da NASA, o qual foi lançado em 28/11/1997. O satélite possui órbita baixa (350 km de altitude) e sua inclinação de 35º de latitude possibilita a detecção de descargas atmosféricas em todo o território brasileiro. O sensor LIS possui uma resolução que varia de 3 a 6 km dependendo da posição do satélite (3 km no equador e 6 km na latitude 35º) e pode imagear uma área de aproximadamente 600x600 km. Como o satélite viaja a uma velocidade de aproximadamente 7 km/s, o sensor observa cada ponto da superfície por cerca de 90 s, passando novamente sobre o mesmo ponto duas vezes por dia. São necessários 49 dias para que o sensor observe igualmente o mesmo ponto em todas às horas do dia. Por detectar apenas os pulsos luminosos dos relâmpagos, o sensor LIS não tem como diferenciar relâmpagos intra-nuvem ou nuvemsolo. Desta forma, sua informação corresponde ao número total de relâmpagos observados com uma eficiência de detecção estimada entre 90-95%. O ELAT, mediante um acordo de colaboração técnico-científica com o Marshall Space Flight Center (MSFC) da NASA, tem acesso ao banco de dados de descargas atmosféricas medidas pelo sensor LIS em todo mundo desde janeiro de 1998 até a presente data. Para que se possa utilizar os dados do LIS com a máxima confiabilidade é necessário também um processamento especial para minimizar as várias distorções nas informações causadas pela amostragem diferenciada entre a região equatorial e tropical, pelas variações na ED do sensor durante o dia e a noite e pelo fato do sensor não diferenciar descargas nuvem-solo e intranuvem, o que exige a comparação com dados de raios obtidos por outra técnica, no caso, a rede BrasilDat.

15 Por outro lado, é conhecido também que a existência da AMAS (Pinto et al., 1992) afeta diretamente a ED do sensor LIS em boa parte do Brasil. Isso porque, como este sensor detecta os pulsos de luz gerados pelas descargas atmosféricas durante as tempestades, é obrigatória a existência de filtros específicos no processamento do sinal que eliminem com a maior eficiência possível quaisquer outras fontes de pulsos de luz que não sejam descargas atmosféricas. Entretanto, quando o satélite passa pela AMAS, a quantidade de pulsos de luz gerada pelas partículas de alta energia que penetram na atmosfera aumenta significativamente fazendo com que os filtros acabem por eliminar pulsos de descargas atmosféricas classificados erroneamente como ruído. Como efeito resultante, tem-se a diminuição da ED do sensor para as descargas atmosféricas mais fracas, as quais geram pulsos de luz menos intensos que são então confundidos com os ruídos gerados pelas partículas de alta energia da AMAS. O último passo na correção dos dados do sensor LIS é determinar o tempo de visão do sensor em cada ponto da superfície da Terra, o chamado view time (VT). Este parâmetro permite saber exatamente quanto tempo cada ponto foi observado pelo sensor durante o período considerado. Com isso, podem-se calcular os valores de densidade de descargas atmosféricas. A determinação dos valores de VT está diretamente relacionada com a órbita do satélite no instante considerado, o ângulo de visada do sensor, a velocidade do satélite e a hora do dia. A partir destas considerações, são então efetuadas as correções dos dados do sensor LIS com base em seu tempo de visão e devido à perda de eficiência em função da luz de fundo. A partir daí, são criados as grades de dados de incidência de descargas atmosféricas com base nos dados já corrigidos pelas diferentes variações de sua ED em função da hora do dia, estação do ano e órbita do satélite. A Figura 6 mostra um exemplo de mapa de incidência de descargas obtidas a partir do sensor LIS corrigidos pela ED e VT para todo o Brasil numa resolução de 0,5x0,5 grau. Como os dados do sensor LIS representam todas as descargas atmosféricas, a comparação com os dados da rede BrasilDat dentro de sua área de cobertura permite obter a razão Z.

16 Figura 6 Distribuição das descargas atmosféricas no Brasil (resolução de 0,5x 0,5grau) com base nos dados do sensor LIS. O mapa foi gerado aplicando-se as correções pela ED dos sensores e o VT. - no aperfeiçoamento das observações de descargas nuvem-solo feitas pela BrasilDat no estado de São Paulo com a substituição de sensores instalados a cerca de uma década por sensores de última geração e na implantação de uma rede de monitoramento de descargas intra-nuvem. Em linhas gerais, um sistema de detecção de relâmpagos consiste em uma rede de sensores de radiação eletromagnética (EM) interligados a uma central de processamento capaz de detectar a ocorrência de descargas atmosféricas e identificar a localização de sua fonte de radiação. Atualmente, existem diferentes tecnologias de detecção que permitem identificar e localizar tanto relâmpagos nuvem-solo quanto descargas intra-nuvem em função, basicamente, da faixa de freqüência em que os sensores operam (Pinto, 2005). No caso de descargas nuvem-solo, a localização da fonte de radiação tende a coincidir com o ponto de impacto do raio na superfície, obviamente com um erro intrínseco devido ao próprio processo de detecção e localização. Na verdade, esse erro no posicionamento, ou mais comumente denominado de precisão de localização (PL), é resultado de uma soma de erros sistemáticos e randômicos tanto nas medidas fornecidas pelos sensores quanto no algoritmo matemático de triangulação usado para calcular as coordenadas geográficas do evento. Além do erro de localização, outro parâmetro importante de uma rede é sua eficiência de detecção, ou seja, qual o percentual de eventos que ela consegue registrar em relação o número real de ocorrências. Isso porque não existe um sistema de detecção que seja capaz de registrar todos os eventos que ocorrem. Para a faixa de freqüência de 10 a 350 khz (LF), utilizada pela BrasilDat para a detecção de descargas nuvem-solo, o limite da tecnologia atualmente existente no mundo estabelece uma PL média de 200 m e ED média de 95%, com base em sensores do tipo LS7001 fabricados pela empresa Vaisala Inc. Atualmente, no estado de São Paulo, a BrasilDat possui sensores do tipo LPATS-IV e IMPACT, instalados ao longo da última década, e apresenta como características PL entre 500 e 1000 m e ED entre 70 e 85%. Além disso, devido ao desgastes provocados pelo tempo de operação o uptime dos sensores tem se reduzido consideravelmente. Tais limitações embora possam ser parcialmente superadas através de modelos, tem resultados limitados principalmente no que se referem às descargas de fraca intensidade (pico de corrente abaixo de 10 ka), uma componente muito pouca estudada até hoje. Para as descargas intra-nuvem, uma vez que não há um ponto de impacto no solo, os sistemas de detecção devem tentar localizar essas fontes da radiação EM à medida que ocorrem no interior das nuvens de tempestade. Além disso, devido ao fato de que estas descargas produzem radiação com pico em freqüências principalmente em VHF, sua detecção em LF requer sensores com alta sensibilidade. Atualmente, no estado de São Paulo, os sensores da BrasilDat não detectam estas descargas. Este subprojeto tem como meta a aquisição e instalação de cinco sensores LS7001 para substituírem alguns dos atuais sensores da BrasilDat no estado de São Paulo e acrescentar um sensor em um novo local no estado, de modo a permitir uma melhora do desempenho da BrasilDat e o monitoramento de descargas intra-nuvem. Dois sensores LS7000 (versão

17 anterior do sensor LS7000, com diferenças apenas de ordem mecânica) já foram instalados no estado pelo INPE em Cachoeira Paulista e São José dos Campos em 2007 pelo ELAT, ainda não incorporados a BrasilDat. Estudos realizados com estes sensores em comparação com os sensores IMPACT instalados nestes mesmos locais e com observações com câmeras rápidas no verão de 2008 mostraram que a PL e a ED nesta região do estado subiu para os valores citados anteriormente e que cerca de 50% das descargas intra-nuvem foram detectadas. Este resultado é bastante expressivo, tendo-se em conta que os recursos utilizados são muito inferiores aqueles que seriam utilizados para monitorar estas descargas por um sistema em VHF. As informações obtidas sobre descargas nuvem-solo de fraca intensidade e descargas intra-nuvem permitirão o surgimento de novos campos de pesquisa e possibilitarão de forma mais abrangente no futuro avaliar o impacto das mudanças climáticas sobre as descargas atmosféricas, bem como seu impacto sobre estas mudanças. - na realização de campanhas de observação de descargas com câmeras de alta velocidade e detectores de campo elétrico para avaliação do desempenha das novas redes. De modo que a nova configuração da rede BrasilDat e a nova rede de monitoramento de descargas intra-nuvem no estado de São Paulo possam fornecer informações com alto nível de confiabilidade para estudos futuros é fundamental que os dados das mesmas sejam avaliados por uma técnica independente, com alto nível de detalhamento das descargas individuais. O ELAT tem desde 1999 operado câmaras de alta velocidade em diferentes regiões do Brasil para o estudo das descargas atmosféricas (Saba et al., 2006a, 2006b) e para a análise do desempenho da atual rede BrasilDat (Ballarotti et al., 2006). Este subprojeto pretende utilizar a metodologia já empregada na avaliação da BrasilDat para a avaliação das novas redes a serem implantadas por este projeto, complementada com sensores de campo elétrico do tipo field-mill para aumentar a confiabilidade e o número de descargas registradas. 4- Plano de trabalho e cronograma de execução do projeto A Tabela abaixo descreve as principais atividades a serem realizadas e o cronograma de execução das mesmas. Atividade Cronograma de Execução (ano/trimestre) X X 02 X 03 X X 04 X X 05 X X 06 X X X X 07 X X X X 08 X X 09 X X X X

18 10 X X X X X 11 X 01 Importação de 5 (cinco) sensores de raios LS7001 para atualização da rede BrasilDat e monitoramento de descargas intra-nuvem. 02 Aquisição de infra-estrutura computacional para armazenamento e processamento dos novos dados. 03 Importação da nova versão do software de processamento da central de processamento de dados de raios. 04 Importação de 3 (três) câmeras de alta velocidade para validação das novos dados de raios. 05 Instalação dos sensores LS7001 e da nova versão do software da central de processamento Desenvolvimento de aplicativos para posterior análise dos bancos de dados de descargas. 07 Preparação dos novos bancos de dados para registrar as novas informações. 08 Realização de campanhas com câmeras rápidas para validar os novos sistemas de detecção. 09 Tratamento e análise de dados da BrasilDat, do sensor LIS e de descargas intra-nuvem. 10 Análise dos resultados e publicações de artigos. 11 Elaboração do relatório final do projeto. 5- Referências Bibliográficas (fonte reduzida devido à limitação de páginas) Allen, D. J. and Pickering, K. E.: Evaluation of lightning flash rate parameterizations for use in a global chemical transport model, J. Geophys. Res., 107, 4711, doi: /2002jd002066, Ballarotti, M.G., Saba, M.M.F., and Pinto Jr., O., A New Performance Evaluation of the Brazilian Lightning Location System (RINDAT) based on High-Speed Camera Observations of Natural Negative Ground Flashes, Proceedings of ILDC, Tucson, AZ, Brohan P., et al., 2006: Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: A new data set from J. Geophys. Res., 111, D12106, doi: /2005jd Cecil, D. J., Goodman, S. J., Boccippio, D. J., Zipser, E. J., and Nesbitt, S. W.: Three years of TRMM precipitation features. Part I: Radar, radiometric, and lightning characteristics, Mon. Wea. Rev., 133, , Changnon, Jr., S.A., Climatography of thunder events in the conterminous United States, part I: temporal aspects, J. Climate, 1, , Changnon, Jr., Assessment of the quality of thunderstorm data at first-order stations, J. Applied Met., 40, , Cummins, K., M. Murphy, E. Bardo, W. Hiscox, R. Pyle, A. Pifer, A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S. National Lightning Detection Network, J. Geophys. Res., 103, 9035, Grenfell., J.L., D.T. Suindell, and V. Grewe, 2003, Sensitivity studies of oxidative changes in the troposphere in 2100 using the GISS GCM, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 3, IPCC, 2007: Climate Change: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z.

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