SONDAGENS DE OZÔNIO NA CIDADE DE SÃO PAULO: TRAJETÓRIAS E PERFIS VERTICAIS TROPOSFÉRICOS

Transcrição

1 SONDAGENS DE OZÔNIO NA CIDADE DE SÃO PAULO: TRAJETÓRIAS E PERFIS VERTICAIS TROPOSFÉRICOS Pinheiro, S. L. L. A. 1 ; Andrade, M. F. 2 ; Paes Leme, N. M. 3 RESUMO O ozônio tem se mostrado como um preocupante poluente troposférico nas grandes metrópoles. Inserida neste contexto há a necessidade de caracterizar melhor o transporte deste gás na troposfera. Entre os dias 15/05/2006 e 18/05/2006 foi realizada a primeira campanha de sondagem do perfil vertical de ozônio em um experimento no DCA/IAG, com colaboração do Grupo de Ozônio do INPE. No presente trabalho são apresentadas as análises de 3 sondagens de ozônio e de parâmetros meteorológicos. Foram realizadas 10 sondagens de ozônio e de parâmetros meteorológicos com o lançamento de balões meteorológicos que atingiram até 30 km. Além disto, foram analisadas e discutidas as trajetórias dos balões visando uma descrição do escoamento em baixos níveis, para a caracterização do transporte do poluente ozônio na camada limite planetária. ABSTRACT The ozone has been shown as a preoccupying tropospheric pollutant in the great metropolises. Inserted in this context it has the necessity to better characterize the transport of this gas in the troposphere. Between days 15/05/2006 and 18/05/2006 the first campaign of sounding of the vertical ozone profile was carried through in an experiment in the DCA/IAG, with contribution of the INPE s Ozone s Group. In the present work the analyses of 3 soundings of ozone and meteorological parameters are presented. 10 soundings of ozone and meteorological parameters with the launching of meteorological balloons had been carried through that had reached up to 30 km. Moreover, they had been analyzed and argued the trajectories of the balloons aiming at a description of the draining in low levels, for the characterization of the transport of pollutant ozone in the planetary boundary layer. Palavras-chave: ozônio; sondagens; poluição fotoquímica. INTRODUÇÃO O presente trabalho se insere no contexto do projeto de políticas públicas com recursos da FAPESP Modelos de Qualidade do Ar Fotoquímicos: Implementação para Simulação e Avaliação das Concentrações de Ozônio Troposférico em Regiões Urbanas (Processo 03/ ), envolvendo o DCA-IAG e a CETESB, com uma descrição mais detalhada no trabalho de Andrade et al. (neste congresso). Esse projeto tem como objetivo principal, implantar, de forma operacional na CETESB, um modelo fotoquímico euleriano que descreva as condições de formação e transporte de oxidantes fotoquímicos, como o O 3, na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). Ao final do projeto, como benefícios futuros, o modelo operacional poderá ser uma ferramenta importante para 1 Aluno de Graduação em Meteorologia - Departamento de Ciências Atmosféricas IAG/USP Rua do Matão, 1226, Cidade Universitária São Paulo SP CEP samya@model.iag.usp.br 2 Docente - Departamento de Ciências Atmosféricas IAG/USP mftandra@model.iag.usp.br 3 Pesquisador - INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Divisão de Geofísica nleme@dge.inpe.br 1

2 o estabelecimento de políticas de monitoramento, controle e licenciamento ambiental pela CETESB/SMA. O projeto de políticas públicas tem como eixo central o uso de modelos de qualidade do ar, cujas maiores incertezas estão associadas com a representação das fontes de emissão dos precursores de oxidantes fotoquímicos e a representação do transporte na Camada Limite Planetária. Essas duas vertentes estão sendo atacadas com a melhoria do inventário de emissões com medidas em túneis de grande tráfego na RMSP e com a realização de experimentos de sondagem atmosférica para fornecimento de dados para a calibração do modelo. Em Madri, na Espanha (Plaza et al., 1997), foi realizado um estudo com as mesmas características do experimento aqui descrito, com a caracterização do perfil vertical do ozônio em diferentes condições meteorológicas. A parte experimental de lançamento de balões foi dividida em duas campanhas: campanha de outono (de 15/05/2006 a 18/05/2006) e campanha de primavera. A campanha de outono foi realizada no DCA/IAG com colaboração do grupo de ozônio do INPE.Na campanha de outono foram realizadas medidas em superfície dos poluentes e medidas em altitude de ozônio e de parâmetros meteorológicos como vento, temperatura e umidade relativa. Há muitos anos planeja-se a realização de um experimento com essas características, pois existem evidências de transporte de ozônio de camadas mais elevadas da atmosfera para a Camada Limite, sendo essas evidências suportadas pelos modelos, mas não se pôde verificar com dados experimentais até o momento (Andrade et al., 2004). Este trabalho analisa os dados de três sondagens da campanha de outono. Procurou-se estabelecer uma descrição mais completa do perfil vertical de ozônio nos primeiros 10 km e sua variação temporal. Este tipo de análise futuramente será utilizado para a validação dos modelos. Além disto, como as ozoniossondas possuíam acopladas a si um GPS, foi possível acompanhar as suas trajetórias. Esta análise trouxe maiores informações sobre o escoamento nos diferentes níveis. METODOLOGIA Experimental Na campanha de outono do experimento foram lançadas 10 sondas do topo do prédio do IAG/USP na Cidade Universitária (São Paulo-SP). Os lançamentos e recepção dos dados foram realizados pelo grupo de ozônio do INPE, com a coordenação da Dra. Neusa Paes Leme. A sondagem consiste no lançamento de uma ozoniossonda acoplada a um GPS. As Ozoniosondas ECC (Eletrochemical Concentration Cell) constituem um equipamento desenvolvido pela NOAA - National Oceanic and Atmospheric Administration (Komhyr, 1969). O sensor 2

3 consiste de uma pequena célula com dois eletrodos de platina imersos em uma solução de iodeto de potássio, numa câmara de cátodo e ânodo. Quando o ar contendo O 3 é bombeado para dentro do cátodo, uma corrente elétrica é gerada e convertida em um sinal compatível com radiossondas meteorológicas padrões, de modo que ambos os dados de O 3 e meteorológicos são transmitidos para uma estação receptora. Os dados de localização do GPS são enviados para a estação receptora via satélite. As radiossondas contêm sensores meteorológicos, os quais fornecem medidas de pressão, temperatura e umidade. Tratamento de dados Foram analisados dados de 3 sondagens feitas nos seguintes dias e horários: 14h50min (17/05/2006), 6h (18/05/2006) e 11h (18/05/2006). Os dados da ozoniossonda e da radiossonda meteorológica possuíam resolução temporal de 1s a partir do acionamento do sensor do sinal ainda em superfície. Os dados de localização possuíam resolução temporal de 1 s, entretanto, os dados passaram a ser processados a partir de 8 a 10min após o lançamento. Essa defasagem se dá devido ao sinal do GPS depender também da localização do satélite que envia o sinal para a superfície. Os perfis foram analisados até 10km de altitude, por ser a região de maior interesse para este trabalho. Os dados meteorológicos foram comparados com os perfis do mesmo dia das radiossondas lançadas pelo aeroporto de Campo de Marte (dados disponibilizados pelo laboratório MASTER do ACA- IAG). Os estudos de trajetória foram feitos a partir dos dados de localização da sonda. Os estudos de perfis verticais foram feitos utilizando dados de altitude dados pelo GPS e dados meteorológicos e de ozônio da radiossonda. Para contornar a falta de dados iniciais de altura do GPS considerou-se que o balão subiu numa velocidade constante até o 8 o minuto. RESULTADOS Trajetórias Figura 1 a - 17/05 14h50min Figura 1 b - 18/05 06h00min Figura 1 c - 18/05 11h00min 3

4 Todas as sondas permaneceram acima do prédio do DCA/IAG (23,559 S 46,733 O) até aproximadamente 10km. Considerando Osasco como extremo Oeste: 23,526 S 46,7915 O, São Miguel Paulista a Leste: 23,498 S 46,4445 O, Horto-florestal a Norte: 23,4615 S 46,5792 O e Diadema ao Sul: 23,6851 S 46,6113 O) observamos que as sondagens se referem à RMSP até 15076,00m (18/05 06h00min) e até 17032,30m (18/05 11h00min). A sondagem do dia 17/05 (14h50min) permaneceu na RMSP durante todo seu trajeto (9634m); a partir desta altura seu sinal foi perdido. As figuras 1a, 1b e 1c ilustram as trajetórias de cada balão. O comportamento observado na figura 2a mostra uma tendência de deslocamento na direção noroeste, para a região de Sorocaba (23,5021 S 47,4784 O), até 6995,8m. A partir deste ponto a tendência do balão é subir na direção do Vale do Paraíba (nordeste) evidenciando a presença de ventos fortes de sudoeste em baixos níveis. Tanto na figura 2b quanto na figura 2c observamos uma tendência de deslocamento na direção do Vale do Paraíba, região de São José dos Campos (23,187 S 45,8706 O). Este comportamento se mantém até 19404,9m para a sondagem da figura 2b e até 18351,7m para a sondagem da figura 2c. A partir de então ambas as trajetórias evoluem para a direção sudeste, evidenciando fortes ventos de noroeste em altos níveis. As trajetórias mostraram presença de ventos de sudoeste até 19km e ventos de noroeste em níveis mais elevados, no dia 18/05. No dia 17/05 a sonda não atingiu mais que 9,7km e a trajetória evidenciou ventos de sudeste até 6km e ventos de sudoeste a partir desta altura. Os balões não se afastaram muito da RMSP, e todos os dados podem ser considerados referentes à atmosfera acima de tal região. Perfis verticais As figuras 2a, 2b e 2c apresentam os perfis verticais de temperatura e as figuras 3a, 3b e 3c, os perfis verticais de umidade relativa registrados nas sondagens dos três horários diferentes. As figuras 2d e 2e mostram os perfis verticais de temperatura e as figuras 3d e 3e, os perfis verticais de umidade relativa registrados pelo aeroporto de Campo de Marte em horários próximos aos horários das três sondagens para efeito de comparação e validação de dados. Observa-se nas sondagens que para a variação vertical de temperatura a tendência geral dos três perfis foi a de um perfil típico com lapse rate médio de 7,03 C/km nos primeiros 10km da atmosfera. Comparando os perfis das sondagens com os perfis do aeroporto observamos que não há muita discrepância em termos do comportamento médio; as diferenças são justificadas pela diferença de horário entre cada perfil. O lapse rate médio dos perfis do aeroporto é 7,05 C/km. Comparando os perfis das sondagens com os perfis do aeroporto observamos que a tendência dos perfis é a mesma e apenas os valores em si diferem ilustrando a variação temporal da 4

5 umidade e a possível evolução de um sistema de alta pós-frontal na RMSP. É importante observar que os dados do aeroporto são a partir de 722m e que o último registro da primeira sondagem (17/05 14h50min) ocorreu antes da perda total do sinal. a b c d e Figuras 2 Perfis de temperatura a b c d e Figuras 3 Perfis de umidade relativa As figuras 4 ilustram os perfis verticais de ozônio obtidos das sondagens. Observamos em todos os perfis uma tendência linear de aumento da razão de mistura de ozônio com a altura dentro dos primeiros 10km. Há alguns pontos fora da tendência devido às falhas no dispositivo de medida durante o percurso do balão. As diferenças de valores de ozônio entre as três sondagens ilustram a variação temporal de tal gás devido a variações de concentração dos precursores e ao transporte de ozônio entre as camadas. A sondagem das 11h apresentou a maior taxa de aumento de razão de mistura na altura, 5,20ppb/km. As sondagens das 06h e das 14h50min apresentaram taxas de 4,60ppb/km e 5,14ppb/km, respectivamente. Às 11h temos maiores valores de ozônio, pois o pico de emissão dos gases precursores ocorre entre 7h e 10h e há radiação solar suficiente para a formação do ozônio e aumento da mistura nas camadas. Na madrugada e início da manhã o quadro é invertido, a 5

6 turbulência na baixa atmosfera geralmente é fraca, não há precursores do poluente e radiação solar. À tarde a mistura se intensifica e o gradiente de razão de mistura de ozônio diminui. a b c Figuras 4: Perfis verticais de ozônio CONCLUSÕES O ozônio troposférico é um poluente bem preocupante nas grandes metrópoles. Entretanto ainda não há uma boa descrição de todos os processos de transporte dentro da camada limite na RMSP. O experimento realizado no IAG em parceria com o Grupo de Ozônio do INPE visa dar mais subsídios para tal descrição sobre a Região Metropolitana de São Paulo e auxiliar na validação dos modelos eulerianos em operação de qualidade do ar. O presente trabalho avalia os perfis verticais de temperatura, umidade relativa e ozônio dos primeiros 10km de três sondagens da campanha de outono deste experimento. Além disso, são discutidas as trajetórias das sondagens para analisar o escoamento. Os resultados obtidos serão utilizados na validação dos modelos de qualidade do ar em operação. A campanha de outono foi realizada em dias não muito favoráveis à formação de ozônio, portanto tais dados refletem uma situação média de tal estação. Para apurar esta análise pretende-se tentar estabelecer alguma relação entre as variáveis meteorológicas, os sistemas atuantes, campos de vento e os perfis observados de ozônio. Para isto serão utilizados também dados de modelos numéricos meteorológicos como o RAMS (Regional Atmospheric Modeling System). AGRADECIMENTOS À FAPESP (financiadora do experimento); ao CNPq (financiadora deste projeto); ao grupo de Ozônio do INPE; à toda equipe de profissionais e pesquisadores do Laboratório de Análise de Processos Atmosféricos (LAPAt-IAG/USP); eng. Francisco Raimundo da Silva, INPE/NATAL. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE M. F., YNOUE R. Y., HARLEY R., MIGUEL A. H.. Air Quality Model simulating photochemical formation of pollutants: the São Paulo Metropolitan Area, Brazil. International Journal Environment and Pollution, Vol 22, No 4, PLAZA J., PUJADAS M., ARTIÑANO B.: Formation and Transport of the Madrid Ozone Pluma. Journal of the Air & waste Management Association. Volume 47: , KOMKYR, W. D.. Eletrochemical Concentration cells for Gas Analysis. Annales Geophysicae, v.25 pp ,