Observações da quantidade total de ozono e da radiação UV nos Açores Total Ozone and UV Radiation measurements in Azores

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1 Observações da quantidade total de ozono e da radiação UV nos Açores Total Ozone and UV Radiation measurements in Azores Diamantino Henriques (1), Fernanda Carvalho (1), Paulo Fialho (2) (1) Instituto de Meteorologia - Delegação Regional dos Açores, PT Ponta Delgada, Portugal (2) Universidade dos Açores, PT Terra Chã, Portugal SUMMARY First results of total ozone and ultraviolet radiation measurements carried out with a Brewer Sectrohotometer MKII in Terceira Is. (Azores) are resented. A brief descrition of the Brewer sectrohotometerand and total ozone and sulhur dioxide retrieval method is done. Six months of Brewer and TOMS total ozone data are comared and analysed as well as UV changes during a selected eriod. These measurements are a art of the Portuguese Meteorological contribution for the develoment of a Global Station in the scoe of the GAW/WMO rogramme in close cooeration with Azores University. The installation and oeration of this instrument are artially funded by ROCA II (FCT) and CIMAAT (INTERREG IIIB - Project CLIMAAT MAC 2.3/A3) rojects. Ground based measurements collected at Terceira Is. Should be useful on long term referencing and assessing of the erformance of sace-borne instruments over North Atlantic Region. Introdução O ozono é um gás resente na atmosfera em quantidades muito equenas que odem variar entre ~ % na baixa troosfera até ~10-3 % na estratosfera. No entanto, as suas roriedades físicas e químicas desemenham um ael chave quer na física quer na química da Atmosfera e ortanto no Clima da Terra. Por exemlo, a rória estrutura vertical da atmosfera é condicionada ela resença do ozono, o qual absorve quantidades de radiação suficientes ara aumentar a temeratura do ar entre os 10 km e 50 km de altitude, definindo or sua vez a estratosfera e ao mesmo temo delimitando o too da troosfera (trooausa), sob a qual se desenvolvem a maior arte dos fenómenos meteorológicos a que habitualmente designamos de Temo (Henriques, 1999). Por outro lado, constitui também um oxidante oderoso, articiando em muitas reacções químicas na troosfera e condicionado or isso a abundância de muitos oluentes atmosféricos. Embora a sua imortância tenha sido reconhecida ha muito temo ela comunidade científica (desde o século XIX), foi a cerca de 20 anos que o grande úblico lhe conferiu uma atenção esecial devido a esectacular descoberta do "buraco de ozono" na Antárctida, cujo desenvolvimento é do conhecimento geral. No entanto, a imortância do ozono atmosférico abrange outras áreas de interesse além do Clima e que vão desde a saúde ública até a resistência de materiais, assando ela agricultura. Este interesse recente foi em certa medida acomanhado de um corresondente aumento dos sistemas de observação quer da sua quantidade total quer da sua concentração à suerfície e distribuição vertical. No entanto, elevada a comlexidade dos instrumentos e métodos de medida, a falta de essoal qualificado e de locais com condições de fundo atmosférico adequados são limitações que dificultam o estudo do comortamento deste comosto à escala global, elo que a disonibilidade de observações em regiões remotas do globo é um roblema que normalmente é ultraassado recorrendo a camanhas observacionais intensivas mas limitadas no temo. Neste contexto, os Açores reresentam uma região com condições geográficas únicas ara este tio de observações, elo que embora muitas vezes tenha sido escolhido como base ara camanhas observacionais, nunca foi até agora levado a cabo um verdadeiro esforço ara a instalação de uma lataforma ermanente de qualidade or forma a contribuir de forma efectiva ara o conhecimento da evolução da comosição da atmosfera na região do Atlântico Norte, nomeadamente do ozono. Antecedentes As rimeiras observações da quantidade total de ozono efectuadas no território nacional, foram efectuadas na Ilha de Santa Maria (Açores) no ano de 1951 (Henriques, 1995), utilizando um esectrofotómetro Dobson com vista a execução de observações de ozono durante a camanha

2 observacional do Ano Geofísico Internacional (1957/58). No entanto, devido a avarias surgidas antes da camanha, não foi ossível concretizar este objectivo. Contudo, este instrumento foi rearado e instalado em Lisboa em 1960, onde ainda hoje se encontra em funcionamento na estação aerológica de Lisboa/Gago Coutinho. Mais tarde, em 1992, foi instalado um esectrofotómetro Brewer no Observatório José Agostinho (Fig.1) em Angra do Heroísmo na ilha Terceira (Açores), o qual teve uma oeração bastante irregular até 1994 devido a sucessivas avarias causadas elas deficientes condições de alimentação eléctrica e extrema humidade característica do clima dos Açores. Descrição do esectrofotómetro Brewer O esectrofotómetro Brewer foi desenvolvido no AES (Atmosheric Enviroment Service) do Canadá esecialmente ara a medição automática do ozono total, efeito Umkehr, total e radiação global UV-B ( nm). O método é semelhante ao do clássico esectrofotómetro de Dobson, no entanto, neste caso cada observação é constituida or 5 c.d.o. diferentes (306.3 nm, nm, nm, nm, e 320 nm). Figura 1. Observatório Ten. Cor. José Agostinho (Angra do Heroísmo, 2000) Situação actual Aós acções de melhoramento das condições de alimentação eléctrica, foi recentemente instalado um novo esectrofotómetro Brewer (Fig.2), dotado de um melhor sistema de isolamento or forma a evitar avarias devido as condições de elevada humidade relativa. Durante os rimeiros seis meses de funcionamento (Julho a Dezembro de 2004), não se verificaram avarias significativas devido aos roblemas aontados anteriormente, demonstrando assim uma melhoria significativa na eficiência do novo sistema. O sistema de comando e aquisição de dados foi também substancialmente modificado, devido ao desenvolvimento tecnológico entretanto verificado. Os dados são diariamente transmitidos e rocessados or forma a oderem ser disonibilizados sob a forma gráfica na ágina web do rojecto CLIMAAT, ermitido o controle remoto e verificação das resectivas condições de funcionamento em diferido. Figura 2. Esectrofotómetro Brewer #102,instalado no terraço do Observatório José Agostinho (2004). O esectrofotómetro de Brewer (Brewer, 1973), consiste numa versão modificada do esectrometro f/6 de Ebert com uma rede de difracção holográfica de 1800 linha / mm oerada em 2ª ordem. O es. Brewer é básicamente constituido or: Esectrómetro + ótica exterior + microrocessador Azimtuth Tracker (ara orientação azimutal) Comutador O esectrofotómetro é controlado or um comutador que ermite executar observações, testes e cálculos interactivamente ou em modo automático com uma sequência de comandos redefinidos. Por exemlo, durante uma observação com luz directa, o comutador comunica com o microrocessador do esectrofotómetro, o qual osiciona o azimuth tracker no azimute actual do

3 sol e seguidamente, osiciona também a objectiva da ótica exterior no angulo zenital actual do sol (Fig. 3), ermitindo a entrada aenas da luz directa. Seguidamente, a luz atravessa a ótica exterior assando or um diafragma e um conjunto de filtros que ermitem a obtenção de uma imagem focada sobre uma janela em forma de fenda do esectrómetro. O feixe de luz branca que entra através da fenda é reflectida num eselho esférico ara a rede de difracção, a qual seara a luz nas suas várias cores. A osição da rede deende da temeratura interna do instrumento e é ajustada or um micrómetro. Figura 3. Esquema do esectrómetro Brewer MKII (Sci-Tec, 1994). As várias comonentes da luz rocedentes da rede voltam a ser reflectidas elo mesmo eselho sobre uma mascara com seis janelas, que corresondem aos 5 c.d.o. oeracionais referidos e mais um reservado ara testes( nm). A mascara é osicionada de tal forma que aenas um dos 5 c.d.o assa de cada vez ara o fotomultilicador. A corrente eléctrica obtida é roorcional a intensidade da radiação ara um dado c.d.o.. Cada observação é constituída or um certo número de leituras que são imediatamente rocessadas, resultando num valor médio de ozono total. As equações utilizadas são também diferentes, no entanto, baseiam-se também em combinações lineares da Lei de Beer alicadas a cada um dos 5 c.d.o. : λ 1 = nm λ 2 = nm λ 3 = nm λ 4 = nm λ 5 = nm A combinação linear das equações da Lei de Beer fica então reduzida a: F = F β m δ m α X m α X m (1) 0 air aer 0 onde: X : quantidade total de ozono m : ercurso ótico relativo ara o ozono X : quantidade total de dióxido de enxofre m So2 : ercurso ótico relativo ara o dióxido de enxofre. m air : ercurso ótico relativo no ar. F = log I log I log I log I 5 F 0 = log I 0,2 0.5 log I 0,3 2.2 log I 0, log I 0,5 I i : irradiância directa observada ara o c.d.o. i I 0,i : irradiância estimada no too da atmosfera ara o c.d.o. i β = β β β β 5 β i : Coeficiente de difusão Rayleigh ara o c.d.o. i δ = δ δ δ δ 5 0 α = α 2, 0.5 α 3, 2.2 α 4, α 5, 0 α = α 2, 0.5 α 3, 2.2 α 4, α 5, 0 α i, : Coeficiente de absorção do ara o c.d.o. i α i, : Coeficiente de absorção do ara o c.d.o. i δ i : Esessura ótica do aerossol ara o c.d.o. i. No intervalo esectral em causa, assume-se que a esessura ótica dos aerossóis δ λ é uma função montónica do comrimento de onda (Carvalho et al. 2000). Os factores de onderação 1.0, -0.5, -2.2 e 1.7 foram seleccionados or forma a que δ e α fossem desrezáveis. Assim, a Eq. (1) toma a seguinte forma: F0 F β mair 0 X = αm (2) O mesmo método é alicado ao cálculo da quantidade total de SO 2, utilizando um novo conjunto de factores de onderação () e o valor de X estimado em (2): S = S β m α X m α X m (3) onde: 0 air SO 2 SO 2 SO 2 0 S = log I log I log I 5 S 0 = log I 0,1 4.2 log I 0, log I 0,5 β = β β β 5 α = α 1, 4.2 α 4, α 5, α = α 1, 4.2 α 4,S α 5, 0 X S0 S β mair αo 3Xm 0 = α m (4) F 0 e S 0 são as constantes de calibração do instrumento, também chamadas de "constantes extraterrestres", foram determinadas elo instrumento adrão rimário a través do método de extraolação à massa zero no Observatório de Mauna Loa (Hawai) durante condições muito

4 estáveis de ozono, dióxido de enxofre e aerossóis e osteriormente transferidas ara os adrões secundários e finalmente ara os restantes instrumentos da rede a través de sessões de intercomaração. O funcionamento conjunto com a lataforma de observação de radiação ermitirá obter um conjunto de observações coerentes com alicação em áreas tão diferentes como a saúde, a agricultura, o ambiente, a engenharia de materiais, os recursos naturais, etc.. baixos que atingiram valores muito róximos de 220 D. Resultados Nos rimeiros 6 meses de funcionamento (Junho a Dezembro de 2004), o sistema de observação teve uma eficácia razoável (~80 %), sendo a maioria das falhas devidas a falhas de energia or motivos de obras de melhoramento no Observatório. Nos meses de Novembro e Dezembro foram registados valores relativamente baixos da quantidade total de ozono ( D) obtidos com luz directa, embora sejam também os meses onde normalmente se observam os menores valores anuais no Hemisfério Norte. Contudo, dado que se tratava ainda de um eríodo exerimental, foi decidido confirmar estas observações com as de outro sitema indeendente. Nesse sentido, os resultados obtidos foram comarados com os do esectrómetro TOMS (Total Ozone Maing Sectrometer) abordo do satélite Earth Probe (EP) da NASA (Fig. 4). Figura 5. Evolução da diferença relativa Brewer-TOMS e do ercurso ótico relativo ara o ozono. Contudo, quando comarados com os valores róximos do meio dia solar, a diferença relativa entre os dois instrumentos varia entre ± 10% com um valor médio de ±3,3% e ossui também uma variação ao longo do ano que aarentemente está relacionada com a variação do ercurso ótico relativo m (M2) (Fig. 5). Figura 6. Deendência entre a diferença relativa Brewer-TOMS e do ercurso ótico relativo ara o ozono (M2). Figura 4. Série de valores diários da quantidade total de ozono observada em Angra do Heroísmo com o esectrofotómetro Brewer e elo sensor TOMS a bordo do satélite EP. Os valores TOMS corresondem as leituras efectuadas durante a assagem do satélite róximo das coordenadas de Angra do Heroísmo, elo que naturalmente é eserada alguma diferença. No entanto, qualitativamente ode verificar-se uma boa concordância entre as duas séries durante este eríodo, reetindo inclusivamente os valores mais De facto, verifíca-se uma deendência desta diferença com o ercurso ótico relativo, a qual tem um valor mínimo ara M2 =1,7 (Fig. 6). Quanto à radiação UV, foi também analizado um eríodo onde se verificou uma diminuição significativa da quantidade total de ozono. O gráfico da figura 7 aresenta os valores da quantidade total de ozono e da irradiância esectral a 320 nm registadas entre 1 e 11 de Novembro de Neste caso, não existe uma relação muito evidente entre as variações da quantidade total de ozono e a irradiância a 320 nm em virtude do efeito da nebulosidade e rincialmente orque que a

5 absorção elo ozono neste comrimento de onda ser relativamente fraca. embora exista uma equena deendência com a massa ótica (-2.5 A otimização do rocessamento de observações com luz zenital ermitirá uma maior cobertura temoral das observações, devido as condições de céu muito nublado, características de regiões insulares como os Açores. Referências Brewer, A.W., A relacement for the Dobson Sectrohotometer. Pure and Al. Geohys., Vol , , Figura 7. Ozono total e irradiância global esectral a 320 nm observada entre 1 e 11 de Novembro de 2004 no Observatório José Agostinho. Por outro lado, a figura 8 aresenta o mesmo eríodo mas com a irradiância a 295 nm, onde o ozono absorve muito mais. De facto, uma observação mais cuidada ermite detectar variações maiores a 295 nm, ilustrando assim a sensibilidade da radiação UV nos comrimentos de onda mais curtos ara as variações de ozono (Carvalho et al., 1997, Henriques et al. 1998). Carvalho F., D. Henriques, Variações da radiação ultravioleta em Portugal: Efeitos nas lantas. XXVII Jornadas científicas de la asociación meteorológica esañola, Ciudad Real, Esanha (Outubro de 1997) Carvalho, F., D. Henriques, Use of the Brewer Ozone Sectrohotometer for Aerosol Otical Deth measurements in the Ultraviolet Region", Advances in Sace Research (2000). Henriques D.V., A Camada de Ozono: um recurso natural vital, (1999), Revista Terra Mais. Henriques D.V., F. Carvalho, Radiação UV-B em Portugal e Índice de UV", Revista de Radiorotecção da SPPCR, Henriques D.V., J.M. Vilalana, J.P. Bolivar, Análise de situações de mínimos da quantidade total de ozono nas estações de Lisboa e El Arenosillo" (2000), Resumos da 2ª Assembleia Luso-Esanhola de Geodesía e Geofísica. Henriques D.V., S. Antunes, Trinta anos de Observações de Ozono Total em Lisboa, 1º Simósio de Meteorologia e Geofísica da APMG, Figura 1. Exemlo de resultados de observações da quantidade total de ozono obtidos no dia 1 de Novembro de Conclusões Henriques, D.V., The Portuguese Ozone and UV-B Monitoring Stations. Atmosheric Ozone Dynamics: Observations in the Mediterranean Region. NATO ASI Series I, vol. 53, , Sci-Tec, Brewer MKII Oerations Manual (1994). Nos rimeiros 6 meses de funcionamento, o sistema de observação teve uma eficácia razoável (~80 %), sendo a maioria das falhas devidas a falhas de energia or motivos de obras de melhoramento no Observatório. A quantidade total de ozono observada é consistente com os resultados obtidos elo TOMS (±3.3%),