ANÁLISE PRELIMINAR DOS EFEITOS DOS CCN DO NORDESTE BRASILEIRO SOBRE A MICROESTRUTURA DE NUVENS CÚMULOS QUANTES

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1 ANÁLISE PRELIMINAR DOS EFEITOS DOS CCN DO NORDESTE BRASILEIRO SOBRE A MICROESTRUTURA DE NUVENS CÚMULOS QUANTES Afrânio de A. Coelho 1, Carlos J. de Oliveira 1,3, Jean-Louis Brenguier 2, Antônio José C. Sampaio 3 e J. Carlos Parente de Oliveira 3 1 Universidade Estadual do Ceará, Fortaleza (CE) 2 METEO-FRANCE (CNRM/GMEI), Toulouse, France 3 Universidade Federal do Ceará, Fortaleza (CE) ABSTRACT In 1994, a large aircraft field experiment was carried out in Ceará State, Northeast Region of Brazil. The Ceará comprises sub-regions with well-defined climatologies generated by the relief adversity and the trade-winds influence on the continent. All the available CCN counter and FSSP data were regrouped to make a preliminary analysis of effects of the continent on the maritime CCN (carried by the trade-winds) according to the observed microstructure of continental clouds. That is the first analysis which is carried out in the northeast of Brazil. Because of the research on cloud physics at Ceará has started a few years ago, the results shown in this paper are quite similar, in a qualitative aspect, with those obtained by the earlier researchers. Nevertheless, besides the fact that these results show the relationships between CCN and cloud granulometry for a so far unexplored region of the globe by cloud physicists, they give the first crucial information to the understanding of the complex precipitation mechanisms over a semi-arid region. 1. OS DADOS Os dados utilizados neste trabalho foram obtidos durante os oito vôos cobrindo principalmente a costa do Estado do Ceará. O número de dados obtidos no continente é consideravelmente menor. A grande maioria dos vôos experimentais foram realizados como parte do Programa de Semeadura Artificial de Nuvens do Governo do Estado do Ceará, portanto somente dois sistemas de nuvens quentes foram analisados pelo critério científico utilizado. Adicionalmente, os dados foram coletados em diferentes condições climáticas, antes e depois da estação chuvosa, estendendo-se de Março até Maio. Além dos dados de CCN (Cloud Condensation Nuclei) obtidos com a aeronave ALPA (Avião Laboratório para Pesquisas Atmosféricas de Almeida et al., 1992), também foram analisados os dados obtidos em solo, no primeiro semestre de 1994, na pequena cidade de Iguape, localizada na orla marítima, e em Juazeiro do Norte, cidade com cerca de habitantes no sul do Ceará. 1.1 OS DADOS DE CCN As medidas da concentração de CCN, a bordo da aeronave e em solo, foram obtidas utilizandose uma câmara estática de difusão de gradiente térmico capaz de gerar e manter supersaturações variando entre 0,3 % e 2,0 %. Os valores de supersaturação utilizados nos experimentos foram de 0,3 %, 0,5 %, 0,8 % e 1,0 %. O contador de CCN fornece somente valores da concentração. Nenhum algoritmo de correção foi utilizado neste artigo. 1.2 OS DADOS OBTIDOS PELA FSSP Os dados da granulometria (classificação por tamanho) das gotículas de nuvens foram obtidos pela sonda FSSP (Forward Scattering Spectrometer Probe - Particle Measuring System Incorporated) montada na asa da aeronave ALPA. As concentrações de gotículas foram calculadas utilizando o algoritmo para a correção da coincidência e do tempo morto na sonda FSSP (Brenguier, 1989). Nenhum algoritmo de correção do espectro de tamanhos foi utilizado.

2 2. METODOLOGIA E RESULTADOS Os dados obtidos pela FSSP e contador de CCN foram analisados na perspectiva de descrever a distribuição espacial de CCN relacionando-a com a microestrutura das nuvens em diferentes regiões do Estado do Ceará. Esta descrição poderá caracterizar a influência do Oceano Atlântico, via a predominância de ventos de leste, sobre os vários aspectos dos CCN continentais. Evidentemente, a descrição será baseada na concentração de CCN e na granulometria das gotículas de nuvens. As medidas de CCN a bordo do ALPA foram obtidas em diferentes altitudes. Adicionalmente, não foram obtidas medidas de CCN exatamente abaixo da base das nuvens. Com o objetivo de minimizar a variabilidade na concentração de CCN com a altitude, todos os dados de CCN obtidos acima da camada de mistura foram rejeitados baseando-se na suposição de que as concentrações através dessa camada são aproximadamente uniformes. É bastante conhecido que os processos de mistura e entranhamento de ar seco circunvizinho na nuvem produzem parâmetros granulométricos diferentes daqueles preditos pelo modelo de parcela que ascende adiabaticamente. Mesmo na ausência de entranhamento, as flutuações turbulentas no interior das nuvens podem fazer com que gotículas de nuvens sigam diferentes trajetórias em seu interior, resultando em variações espaciais na supersaturação e no número de aerossóis ativados (Cooper, 1989). Desta forma, qualquer relação entre a concentração de CCN e a granulometria de gotículas de nuvens é difícil de ser detectada, a não ser que somente parcelas adiabáticas sejam levadas em conta. Portanto, os dados de FSSP foram analisados no sentido de selecionar somente os presumíveis cores adiabáticos das nuvens. Como mencionado acima, todos os resultados de CCN considerados foram coletados na camada limite. A altura desta camada para cada dia de experimento foi determinada a partir do perfil vertical da temperatura potencial. Foi utilizada a suposição de que a camada limite é aquela camada atmosférica onde a temperatura potencial é aproximadamente constante. Os círculos coloridos na Figura 1 representam as concentrações de CCN encontradas na camada limite a uma supersaturação de 0,8 % e a localização onde a medida foi realizada Sem levar em conta que o maior valor de concentração foi observado em Fortaleza (2.123 cm -3 ), uma grande cidade industrial com cerca de de habitantes, algumas regiões longe da costa apresentaram concentrações de CCN maiores que os respectivos valores obtidos na costa. Contudo, alguns valores pequenos também foram observados nestas regiões. A segunda maior concentração observada, valendo 1277 cm -3, foi obtida próximo a Juazeiro do Norte, uma grande cidade do interior do Estado do Ceará. Figura 1. Medidas da concentração de CCN no Estado do Ceará.

3 Uma curiosa característica das medidas de CCN pode ser vista na Figura 2. Esta figura mostra a concentração de CCN a nível do solo, na cidade de Iguape na costa cearense, no período de cinco dias (Figura 3a), e em Juazeiro do Norte (Figura 3b). Realmente, os máximos valores de concentração observados em Iguape tem a mesma ordem de grandeza que aqueles medidos em Juazeiro do Norte: o máximo valor observado em 08 de Março em Iguape (2.745 cm -3 ) é mesmo maior que aquele observado em Juazeiro do Norte, no dia 20 de Maio (2.059 cm -3 ). Figura 2. Medidas no solo da concentração de CCN em Iguape (a) e em Juazeiro do Norte (b). 2.2 RESULTADOS DA FSSP Para garantir que somente parcelas de nuvens com microestrutura próximas àquelas adiabáticas fossem escolhidas, as amostras medidas pela FSSP com valores do conteúdo de água líquida (LWC - Liquid Water Content) e da temperatura (T) próximos aos valores preditos pela teoria foram selecionados. Para uma dada termodinâmica da atmosfera do dia do experimento, caracterizada pela altitude, temperatura e pressão da base da nuvem, foi possível predizer os valores do LWC ad e T ad adiabáticos, para uma dada altitude, considerando a ascensão adiabática da parcela de nuvem. Adicionalmente, para cada amostra da FSSP foram associados valores de LWC e T. As amostras de nuvens presumidas como cores adiabáticos foram aquelas onde a distância geométrica entre os pontos (LWC ad, T ad ) e (LWC, T) são mínimos para uma dada altitude. Em adição ao critério de análise descrito acima, um outro critério gráfico também foi aplicado às amostras numa tentativa de assegurar a natureza adiabática da amostra de nuvem. A Figura 3 mostra um gráfico típico que foi desenhado para este propósito. A região nesta figura é limitada por uma "caixa" que indica a porção da nuvem onde se supõe ser a amostra adiabática, de acordo com o método analítico. A porção da nuvem dentro da caixa realmente apresenta propriedades associadas com um core adiabático tais como a baixa dispersão do espectro, o grande valor de LWC e uma concentração de gotículas quase uniforme. Esta análise gráfica dá então maior robusteza ao critério de seleção das amostras adiabáticas. Entre centenas de amostras de FSSP analisadas, somente quatro foram consideradas como possuindo um core adiabático no interior da nuvem. Na Figura 4 é apresentada a concentração de gotículas destas amostras plotadas como função dos respectivos diâmetros de gotículas observadas. A posição geográfica onde as amostras foram medidas são mostradas pelas respectivas setas numeradas desenhadas na Figura 1. A amostra (1), observada na costa, apresenta o mais baixo valor da concentração de gotículas e o mais alto valor do diâmetro médio. Por outro lado, a amostra (4) que é a mais afastada da costa, mostrou uma alta concentração de gotículas e o mais baixo valor de diâmetro médio. Assim como para outros pontos, a amostra (2) apresentou valores intermediários contudo, a concentração de gotículas encontrada na amostra (3) é quase igual (um pouco maior) que aquela da amostra (4). Os valores de concentração de gotículas encontrados nestas amostras não

4 foram consideravelmente distintos. Entretanto a amostra (4) é bastante dissimilar das outras amostras com relação ao diâmetro médio das gotículas. Figura 3. Dispersão da concentração medida pela FSSP, conteúdo de água líquida e medida da concentração durante uma penetração na nuvem. 3. DISCUSSÃO A sondagem a nível do solo para os CCN, realizadas em Iguape e Juazeiro do Norte, põe em dúvida a qualidade dos dados sobre a concentração de CCN. De fato, em 8 de Março de 1994, a direção do vento observada em Iguape foi de nordeste, indicando uma massa de ar puramente marítima fluindo sobre a costa durante a sondagem. Por outro lado, é bem conhecida que a concentração de CCN em massas de ar marítimas é significativamente menor que a correspondente em massas de ar continentais. sobre (Squires and Twomey, 1966; Jiusto, 1966; Twomey and Wojciechowski, 1969), como deveria ser em Juazeiro do Norte. Entretanto, em 8 de Março de 1994, o pico de concentração em Iguape foi próximo àquele valor observado na sondagem em Juazeiro do Norte. As flutuações na concentração de CCN, mostradas na Figura 1, são esperadas, uma vez que elas estão de acordo com a premissa de que a concentração de CCN pode variar tanto espacial quanto temporalmente. De fato, estes valores não representam valores médios locais ou temporais. Como a aeronave ALPA "subia e descia" no aeroporto de Fortaleza, muitas das altas concentrações observadas nas amostras de CCN foram medidas em baixos níveis da atmosfera desta cidade. Contudo, na Figura 1 são mostradas as mais altas concentrações e não as médias locais. O valor de pico (2.123 cm -3 ) talvez não esteja associado aos efeitos da poluição urbana de Fortaleza, mas às altas concentrações de CCN encontradas nas baixas camadas da troposfera. Figura 4. Parâmetros granulométricos observados- no interior de cores adiabáticos. Embora o core adiabático da amostra (3) tenha sido observado longe da costa, o valor observado para o diâmetro médio é menor que aquele observado em amostra da costa (amostra 1).

5 Apesar disto, a concentração de gotículas observadas naquela amostra é aproximadamente igual àquela amostra mais remota (amostra 4). A amostra 3 apresenta um comportamento dual, ela pode ser pensada como uma amostra de nuvem continental ou marítima. De fato, a região da amostra (3) é muito mais influenciada por ventos predominantes de leste (ventos do mar) que o sul do Estado do Ceará. 4. CONCLUSÃO A grande maioria dos dados de CCN coletados no Estado do Ceará no ano de 1994 em experimentos com o ALPA mostraram-se sem utilidade para um estudo detalhado sobre a influência dos CCN do Ceará na microestrutura das nuvens. Desde que, é pequena a utilidade dos dados de CCN obtidos em avião e que alguns dados obtidos em solo mostraram-se falsos, um desenho conclusivo sobre a concentração de CCN no Estado do Ceará não pode ser obtido. Da mesma forma, somente quatro amostras de FSSP foram consideradas para mostrar as diferenças na microestrutura de nuvens de regiões remotas e costais do Ceará. Em resumo, não é possível se fazer uma análise estatística representativa. No entanto, os dados podem ser utilizados para fornecer as seguintes informações preliminares: 1) As concentrações em regiões remotas do Ceará mostraramse, algumas vezes, menores que na costa; 2) Apesar da pequena diferença em concentração, um core muito remoto se distinguiu de um core costal, de acordo com a diferença típica entre nuvens continentais e marítimas; 3) Um core adiabático remoto localizado sobre uma região sujeitas aos ventos predominantes de leste apresentou um diâmetro médio próximos àqueles observados em dois cores costais. REFERENCES Brenguier, J. L., 1989: Coincidence and dead-time corrections for particle counters. Part II: High concentration measurements with an FSSP. J. Atmos. Oceanic Technol., 6, Cooper, W. A., 1989: Effects of variable growth histories on droplet size distributions. Part I: Theory. J. Atmos. Sci., 46, de Almeida, F. C., G. W. Munroe, C. A. R. Morales, M. C. Pereira, F. A. Barros, A. J. C. Sampaio e J. C. P. de Oliveira, 1992: An instrumented aircraft for tropical precipitation physics research: description and opportuniy. WMP report, 19, Jiusto, J. E., 1966: Maritime concentration of condensation nuclei. J. Rech. Atmos., 2, Squires, P., and S. Twomey, 1966: comparison of cloud nucleus measurements over central North America and the Caribbean Sea. J. Atmos. Sci., 23, Twomey, S., and T. A. Wojciechowski, 1969: Observations of the geographical variations of cloud nuclei. J. Atmos. Sci., 26,