ESTUDO DE CASO DE ESPESSURA ÓPTICA DE AEROSSÓIS OBTIDOS A PARTIR DO ESPECTROFOTÔMETRO BREWER EM SÃO PAULO CAMPANHA OUTONO 2006 Samara Carbone 1, Adalgiza Fornaro 1, Maria de Fátima Andrade 1, Neusa Paes Leme 2 e Damaris K. Pinheiro 3 RESUMO Uma campanha está sendo realizada em São Paulo para obtenção de dados do perfil vertical e coluna total de ozônio atmosférico, a fim de implementar modelos de previsão de poluentes. Esta campanha teve início em Abril de 2006 e deverá durar até o final deste ano. O equipamento responsável por obter dados de coluna total de ozônio é o Espectrofotômetro Brewer MKIV #124 e possibilita também a obtenção da coluna total de outros gases traço como o dióxido de enxofre e o dióxido de nitrogênio, além da radiação ultravioleta incidente de 286,5 a 363,0 nm. Utilizando o Método de Langley é possível obter a espessura óptica atmosférica e, portanto, estimar a espessura óptica de aerossóis para a região. Foram utilizados dados preliminares de Abril a Junho de 2006 e, a fim de complementar os resultados obtidos, foram também utilizados dados dos instrumentos LIDAR e CIMEL da rede AERONET. ABSTRACT A campaign is being accomplished in São Paulo to obtain vertical profile and total ozone column to implement models of pollution forecast. This campaign has begun in April, 2006 and should last until the end of this year. The equipment responsible for obtaining total ozone column data is Brewer Spectrophotometer MKIV #124 which obtains the total column of others trace gases as sulphur dioxide and nitrogen dioxide besides incident ultraviolet radiation from 286.5 to 363.0 nm. The obtainment of the atmospheric optical thickness is also possible using the Langley Method and then the estimate of the aerosol optical data for the region. Preliminary data from April to June of 2006 have been used and in order to complement Brewer results the LIDAR and CIMEL from AERONET network data were used. Palavras-Chave poluição do ar, espessura óptica, Brewer, São Paulo. INTRODUÇÃO A espessura óptica atmosférica (τ atm ) indica a quantidade de material absorvedor e espalhador opticamente ativos encontrados no caminho atravessado pelo feixe de radiação. Na região do ultravioleta, as espessuras ópticas absorvedoras importantes são ozônio (τ O3 ), dióxido de enxofre (τ SO2 ) e dióxido de nitrogênio (τ NO2 ), enquanto que as espessuras ópticas espalhadoras mais significativas são Rayleigh (τ R ) e aerossóis (τ ae ). O estudo da espessura óptica de aerossóis, τ ae, na banda do ultravioleta, tem sido explorado nos últimos anos, uma vez que a τ ae pode causar uma atenuação da radiação UV-B em até 35% (Kylling et al., 1998), além de servir como indicador de poluição do ar em megacidades como São 1 Universidade de São Paulo IAG USP, Rua do Matão, 1226, Butantã, 05508-090 São Paulo SP, Brasil. 2 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE MCT, Av. dos Astronautas, 1758, Jd. Grande, 12227-010 São José dos Campos SP, Brasil. 3 Laboratório de Ciências Espaciais de Santa Maria LACESM/CT UFSM, Av. Roraima, Camobi Cidade Universitária, 97110 970 Santa Maria RS, Brasil. samara@model.iag.usp.br, fornaro@model.iag.usp.br, mftandra@model.iag;usp.br, nleme@dge.inpe.br e damaris@lacesm.ufsm.br.
Paulo. No Brasil, alguns trabalhos reportam a τ ae para regiões variadas do país e estudos do seu comportamento, tais como Kirchhoff et al., 2001, 2002 e Silva e Kirchhoff, 2005. Uma campanha experimental está sendo realizada no Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo de Abril a Dezembro de 2006, a qual contempla lançamentos de sondagens de ozônio atmosférico, bem como utilização do Espectrofotômetro Brewer para posterior comparação. Tendo em vista a disponibilidade dos primeiros dados do Brewer para esta campanha, este trabalho tem como objetivo aproveitar as suas medidas para a obtenção da Espessura Óptica de Aerossóis (τ ae ) para São Paulo. METODOLOGIA Os dados foram obtidos com o Espectrofotômetro Brewer MKIV #124 instalado no terraço do prédio do IAG/USP. Este instrumento é formado por um monocromador e um detector para observar e medir o espectro de radiação ultravioleta de 290 a 320 nm, com resolução de 0,5 nm. Possibilita a obtenção de medidas da coluna total de gases como ozônio, dióxido de enxofre e dióxido de nitrogênio para cinco comprimentos de onda específicos: 306,3; 310,1; 313,5; 316,8 e 320,1 nm. O Método de Langley, Eq. 1, que consiste na linearização da Lei de Beer aplicada para a atmosfera terrestre, possibilita calcular a espessura óptica atmosférica τ at nos cinco comprimentos de onda acima citados, através do uso da técnica de medida Direto ao Sol (DS) usada pelo Brewer. ln I λ = ln I oλ τ atλ. m (1) Onde I λ é a irradiância medida pelo Brewer, portanto incidente na superfície, I oλ é a irradiância no topo da atmosfera, extrapolada pelo método e m é a massa óptica de ar aproximada pela secante do ângulo solar zenital quando este for inferior a 60º (Lenoble 1993). Sabendo-se quais os processos e os agentes de absorção e espalhamento da luz envolvidos na atenuação dessa região espectral do ultravioleta, foi possível estimar a espessura óptica de aerossóis - τ ae através da Eq. 2. τ at = τ R + τ ae + τ SO2 + τ O3 (2) O Método de Langley requer isenção de nuvens, pois considera em sua análise um feixe de luz direta. No propósito de se ter representatividade estatística foram utilizados períodos com pelo menos 5 medidas ditas diretas ao Sol (medidas DS), que por sua vez representam a média de cinco outras medidas, totalizando 25 por evento. Instrumentos complementares foram utilizados como o fotômetro solar CIMEL, laser LIDAR e monitor de material particulado de até 10μm, PM10, em superfície. O fotômetro CIMEL pertence à rede AERONET e encontra-se instalado no prédio do Pelletron (IF/USP). Este instrumento observa a radiação direta do Sol e espalhada pela atmosfera a fim de obter medidas de aerossóis e
suas propriedades ópticas em diversas regiões do espectro eletromagnético, entre elas o comprimento de 340 nm, próximo à faixa fornecida pelo Brewer. O sistema LIDAR Light Detection and Ranging consiste em um feixe de laser emitido no comprimento de onda 532 nm que se propaga verticalmente, a partir do solo, até a altura de aproximadamente 15 km. A radiação do laser retroespalhada é detectada por uma fotomultiplicadora e assim é possível estimar um perfil vertical de aerossóis para a atmosfera nessa banda espectral (Landulfo et al., 2003). Este instrumento encontra-se operando no Laboratório de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). Os dados de PM 10 foram disponibilizados pela CETESB Companhia de Tecnologia e Saneamento Ambiental e o instrumento de medição consiste em um amostrador de grande volume acoplado a um separador inercial de partículas, instalado na Estação Pinheiros, aproximadamente, 2 km do IAG/USP. RESULTADOS E DISCUSSÕES Devido a alguns problemas operacionais dos 65 dias iniciais da campanha, há dados do Brewer para cinqüenta dias, e em virtude das restrições requeridas pelo Método de Langley, somente cinco manhãs desse período puderam ter sua τ ae estimada: 31 de maio, 13, 19, 20 e 21 de junho de 2006, apresentadas na Figura 1. Todos os dias representam medidas entre 08:00 11:00h da manhã com R 2 > 0,99. Fig.1 Medidas de τ ae para os 5 dias obtidos a partir do Brewer no IAG em São Paulo para os cinco comprimentos de onda específicos. Analisando-se a Figura 1, é possível observar que a τ ae para a manhã do dia 31 de maio é bastante elevada se comparada com os outros dias. Este valor aproxima-se de valores encontrados de τ ae em cidades como Campo Grande, MS, em períodos de queima de biomassa na região (Silva e Kirchhoff, 2005). Nenhuma das datas se encontra em um período de queima de biomassa de caráter regional, tal como o período de queima de cana de açúcar no estado de São Paulo, ou de caráter nacional, tal como queimadas da Bacia Amazônica e região Central (Longo et al., 1999). As
manhãs dos dias 13 e 20 de junho apresentam valores intermediários τ ae, os quais estão de acordo com Silva e Kirchhoff (2005) que em 2004, durante o mês de abril, realizaram uma campanha com o Brewer em São Paulo e encontraram o valor de τ ae médio de 0,4. Os dias 19 e 21 de junho apresentaram valores bastante baixos indicando uma atmosfera mais limpa, com valores próximos aos obtidos no Observatório Espacial do Sul, região rural no centro do Rio Grande do Sul (Carbone et al., 2006). Na busca por uma explicação para os altos valores de τ ae obtidos no dia 31 de maio foram analisados primeiramente dados de PM 10 e PM 2,5 em superfície, este último deve apresentar maior interação com a radiação devido ao seu tamanho reduzido. Como os monitores da CETESB só efetuam medidas de PM 2,5 a cada seis dias, não há medidas para este dia. Já o monitor de PM 10 para a parte da manhã deste mesmo dia apresentou valores acima do padrão da média de 24 horas que corresponde a 160 μg/m 3, conforme apresentado na Figura 2. Fig. 2 Valores horários de PM 10 para os dias 30 e 31 de maio de 2006 e padrão primário (linha vermelha). Deve-se levar em consideração que esta é uma medida representativa somente da superfície e esta estação, por se encontrar próxima a Marginal Pinheiros, sofre grande interferência das emissões da mesma. O prédio do IAG na USP, onde o Brewer encontra-se instalado, é também próximo da Marginal Pinheiros. A presença destes particulados poderia interferir na incidência de radiação na superfície contribuindo para maior valor de τ ae, conforme o encontrado para este dia. A comprovação da existência de uma pluma de aerossóis muito próxima à superfície pode ser obtida com os dados do LIDAR apresentados na Figura 3. Durante a manhã do dia 31 de maio, foi observada uma mudança na resposta do sinal do LIDAR de 600 a 800 m de altitude, o que indica provável entrada de uma pluma de aerossóis na banda de 532 nm. É provável que essa pluma possuísse aerossóis em uma ampla faixa espectral, abrangendo inclusive o ultravioleta. Tendo em vista que os dados de τ ae do fotômetro CIMEL da rede AERONET possuem medidas em 340 nm, faixa do ultravioleta, e encontram-se disponíveis na Internet, foram utilizados
a fim de complementação da análise. Entretanto, para a manhã do dia 31 de maio, os valores de τ ae deste equipamento apresentaram-se pela metade, conforme verificado na Figura 4.a). É possível que as medidas do Brewer tenham sofrido maior interferência em superfície, já que este se encontra num local mais baixo. Os dados do CIMEL para este dia não mostraram aumento significativo, apesar da existência da pluma sugerida pelo LIDAR. Fig. 3 - Dados do LIDAR para o dia 31 de maio mostrando a entrada de uma pluma de aerossóis indicada pela seta vermelha. Para os demais dias estimados pelo Brewer, a τ ae dos demais instrumentos é bastante aproximada. No caso dos valores intermediários de τ ae encontrados nos dias 13 e 20 de junho, o CIMEL confirma com valores bastante aproximados, considerando a diferença espectral de medida entre eles (Fig. 4. b e d). Fig. 4 Dados de τ ae obtidos pelo fotômetro CIMEL para os dias (a) 31 de maio, (b) 13 de junho, (c) 19 de junho, (d) 20 de junho e (e) 21 de junho de 2006.
CONCLUSÕES As espessuras ópticas de aerossóis foram obtidas para o primeiro período da campanha com o Brewer, porém somente cinco dias estiveram de acordo com os requisitos necessários para aplicação do Método de Langley. Na primeira manhã, a τ ae estimada pelo Brewer apresentou valores elevados, indicando uma atmosfera poluída. A presença de aerossóis na atmosfera durante essa manhã foi confirmada pelo LIDAR, porém não pelo fotômetro CIMEL. As manhãs dos dias 13 e 20 de junho apresentaram valores intermediários em torno de 0,4, estes foram confirmados pelo fotômetro CIMEL. As τ ae para as manhãs de 19 e 21 de junho foram baixas, indicando uma atmosfera mais limpa, estas foram também confirmadas pelo fotômetro CIMEL. Poucos dias puderam ter sua τ ae estimada, porém foi possível observar grande variabilidade entre as medidas de aerossóis para esse período. Dessa forma, conclui-se que o Brewer pode estimar a τ ae, porém, se possível, seus dados devem ser complementados com medidas de outros instrumentos. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a Fundação de Amparo a Pesquisa de São Paulo (FAPESP, 03/06414-0) e Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq). Também ao grupo de pesquisa do Professor Eduardo Landulfo do IPEN e aos professores Augusto José Pereira Filho e Oswaldo Massambani. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Carbone, S.; Padilha, L. F.; Rosa, M.B.; Pinheiro, D. K. e Schuch. N. J. First estimations of the aerosol optical thickness using Langley Method at Southern Brazil (29.4ºS, 53.8ºW). Advances in Space Research, 37, p. 2178 2182, 2006. Kylling, A.; Bais, A. F.; Blumthaler, M.; Schreder, J.; Zerefos, C. S. and Kosmidis, E. Effect of aerosols on solar UV irradiances during the photochemical activity and solar ultraviolet radiation campaign, Journal of Geophysical Research, v. 103, n.d20, p. 26051 26060, 1998. Landulfo, E.; Papayannis, A.; Artaxo, P.; Castanho, A. D. A.; de Freitas, A. Z.; Souza, R. F.; Vieira, J. N. D.; Jorge, M. P. M. P.; Sánchez-Ccoyollo, O. R. e Moreira, D. S. Synergetic measurements of aerosols over São Paulo, Brazil using LIDAR, sunphotometer and satellite data during the dry season. Atmospheric Chemistry and Physics, v. 3, p. 1523 1539, 2003. Lenoble, J. Atmospheric Radiative Transfer. Hampton: A DEEPAK Publishing, 1993, 553 p. Longo, K. M.; Thompson, A. M.; Kirchhoff, W. J. H.; Remer, L. A.; Freitas, S. R.; Dias, M. A. F. S.; Artaxo, P.; Hart, W.; Spinhirne, J. D. e Ymasoe, M. A. Correlation between smoke and tropospheric ozone concentration in Cuiabá during Smoke, Clouds, and Radiation-Brazil (SCAR-B). Journal of Geophysical Research, v. 104, n. D10, p. 12113 12129, 1999. Kirchhoff, V.W.J.H., A.A.Silva, C.A.Costa, N.Paes Leme, H.G.Pavão, and F.Zaratti, UV-B Optical Thickness Observations of the Atmosphere, J.Geophys.Res., 106, 2963-2973, 2001. Kirchhoff, V.W.J.H.; Silva, A.A.; Costa, C.A. e Pinheiro, D.K. Wavelength dependence of aerosol Silva, A. A. e Kirchhoff, V. W. J. UVB direct sun measurements from Brewer
spectrophotometer to determine the aerosol optical thickness at several sites. Energy 30, 1641 1647, 2005.optical thickness in the uvb band. Geophys. Res. Lett. 29 (12), 2002.