CALBRAÇÃO DE UM MULT-FLTER ROTATNG SHADOWBAND RADOMETER A PARTR DA TÉCNCA LANGLEY PLOT E DO MÉTODO GERAL Nlton E. do Rosáro 1*, Márca A. Yamasoe 1, André C. Sayão 1, Rcardo A. Squera 1, Paulo Artaxo 2 RESUMO: A técnca Langley Plot (LP é consderada padrão na calbração de fotômetros solares. Entretanto, devdo às restrtas condções atmosfércas sob as quas esta pode ser aplcada, métodos alternatvos têm sdo propostos. Neste trabalho é realzada a calbração de um Mult-Flter Rotatng Shadowband Radometer (MFRSR utlzando o Método Geral (MG proposto por Forgan (1994 a partr de dados coletados na cdade de São Paulo. A precsão com que foram estmadas as constantes de calbração do referdo nstrumento é comparável com a obtda calbrando o mesmo pela técnca Langley Plot em condções de topo de montanha, como sugerdo na lteratura. Este resultado é partcularmente mportante na estmatva de profunddades óptcas do aerossol. ABSTRACT: Calbraton constants of a Multflter Rotatng Shadowband Radometer were determned usng a General Method formulated by Forgan (1994 at an urban ste. The method was appled wth data collected at the operatonal ste of the MFRSR at Sao Paulo cty. The obtaned results are comparable wth Langley Plots appled on mountan tops, far from mportant polluton sources. The results show that t s possble to calbrate the radometer on a sem-contnuous bass at polluted stes lke São Paulo cty and provde successful Aerosol Optcal Depth (AOD retrevals. Palavras-Chave: sensoramento remoto, fotometra solar, aerossol atmosférco. NTRODUÇÃO A fotometra solar é uma das prncpas técncas de sensoramento remoto da atmosfera (Shaw, 1983, o que se deve à sua smplcdade e acuráca. Entretanto, a acuráca das nformações dervadas dependem sgnfcatvamente da establdade e da calbração dos fotômetros. A establdade é especalmente crítca quando se trata de montoramento de longo prazo. Os prncpas problemas estão assocados à degradação do sstema óptco (Alexandrov et al., 22; varação acma de 1% na sensbldade dos detectores tem sdo regstrada para períodos nferores a um ano (Forgan, 1994. sso obrga as redes de fotometra a calbrarem regularmente os seus nstrumentos. 1 nsttuto de Astronoma, Geofísca e Cêncas Atmosfércas, Unversdade de São Paulo. 2 nsttuto de Físca, Unversdade de São Paulo. * Rua do Matão, n o 1226, Cdade Unverstára, São Paulo, +55 113912833, e-mal: nrosaro@model.ag.usp.br
Por exemplo, a rede AErosol RObotc NETwork (AERONET calbra a cada ses meses os seus nstrumentos de referênca em Mauna Loa, Hawaí, a 34 m de alttude, utlzando a técnca LP (Holben et al., 1998. A aplcação do LP exge condções atmosfércas estáves e baxa concentração de aerossós, requstos observados apenas em regões especfcas, como por exemplo, topos de montanhas dstantes de fontes poludoras. Devdo aos custos elevados poucas são as redes que possuem condções para adotar o procedmento da AERONET. Por outro lado, a calbração em laboratóro não atende a acuráca requerda (Schmd e Wehrl, 1995. Métodos alternatvos, mas flexíves em relação às condções atmosfércas, e que possbltam a calbração dos fotômetros em sua própra base operaconal têm sdo propostos (Forgan, 1994. Neste trabalho é avalada a aplcação do MG sugerdo por Forgan (1994 na calbração de um MFRSR a partr de medções realzadas na cdade de São Paulo. O mesmo nstrumento é calbrado posterormente utlzando a técnca LP para medções realzadas no Observatóro Pco dos Das do Laboratóro Naconal de Astrofísca (OPD-LNA, localzado em Brasópols, Mnas Geras, a uma alttude de 18 metros, dstante de fontes sgnfcatvas de polução. MATERAS E MÉTODOS O MFRSR é um radômetro mult-espectral que utlza dferentes fltros de nterferênca e a técnca de sombreamento para medr a rradânca solar global e o componente dfuso nos canas espectras: 415, 67, 87, 94, 136 nm (Harrson et al., 1994. A rradânca solar dreconal ( DN,λ é estmada a partr da dferença entre a rradânca global e o componente dfuso. O MFRSR operou entre junho de 24 e março de 26 no topo do edfíco Pelletron do nsttuto de Físca da USP (FUSP ao lado do fotômetro CE-318A da AERONET. Entre julho e agosto de 25 fo deslocado para o OPD-LNA para a calbração. O CE-318A mede a radânca solar dreta em oto canas espectras: 12, 94, 87, 67, 5, 44, 38 e 34 nm. A sua calbração é realzada anualmente nos laboratóros da AERONET a partr de fotômetros referênca (Holben et al., 1998. Le de Beer-Bouguer-Lambert A técnca da fotometra solar fundamenta-se na le de Beer-Bouguer-Lambert, doravante, por smplcdade, denomnada le de Beer, que descreve a atenuação de um fexe de radação solar monocromátco ao atravessar um meo. Para a atmosfera, esta le é aproxmada pela segunte expressão: DN, λ, λ 2 m ( τ m, λ g, λ a, λ = e (1 R
onde é a rradânca solar dreta normal ncdente à superfíce para o comprmento de onda λ,,λ DN,λ é a rradânca solar observada no topo da atmosfera (TOA, do termo nglês Top Of Atmosphere para a dstânca Terra-Sol de 1 Undade Astronômca (U.A., 2 R é o fator de correção da dstânca Terra-Sol, m é a massa óptca relatva da atmosfera, τ m, λ é a profunddade óptca molecular, τ, λ g é profunddade óptca devdo à absorção gasosa e τ a, λ é a profunddade óptca de extnção devdo aos aerossós (AOD. A calbração dscutda neste trabalho está relaconada com,λ, denomnado de constante de calbração e representa o valor que o nstrumento regstrara caso localzado no TOA para uma dstânca Terra-Sol de 1 U.A. A obtenção da constante de calbração pode ser feta em laboratóro através de fontes artfcas de radação ou por meo de métodos de campo como, por exemplo, o LP e o MG, ambos utlzados no presente trabalho. Langley Plot (LP A técnca de calbração LP é baseada na forma lnearzada da le de Beer ln, λ = (2 2 R DN, λ m( τ m, λ g, λ a, λ + ln O logartmo da rradânca medda à superfíce ( versus a massa óptca ( m fornece uma ln DN,λ reta cujo declve representa a profunddade óptca total da atmosfera, e o seu coefcente lnear, o logartmo da rradânca solar no TOA. A massa óptca total da atmosfera usualmente é estmada por meo de aproxmações empírcas como função do ângulo zental solar (Shaw, 1983; Kasten e Young, 1989. Entre julho e agosto de 25 o MFRSR fo nstalado no OPD-LNA, onde as condções atmosfércas são favoráves à aplcação do LP. Método Geral (MG O MG relaxa as restrções que o LP mpõe às condções atmosfércas. Ao nvés de requerer que as condções de extnção permaneçam constantes, o método exge apenas que a dependênca espectral seja preservada. Para quasquer dos canas espectras, λ e λ τ a ( λ = cons tan te = Ψ, τ ( λ a A constante de calbração de um dos canas do fotômetro deve ser conhecda a pror. Uma alternatva, é que o componente de extnção do aerossol seja obtdo de um outro nstrumento calbrado. Admtndo λ como o canal de referênca, para qualquer outro canal λ temos que (3 { ln + m[ τ ( λ τ ( λ ]} ψ, [ mτ a ( λ ] ln, = m + g (4
onde, é a constante de calbração do canal, a ser determnado. As restantes ncógntas são b conhecdas ou podem ser estmadas. sto nos leva a uma equação do tpo y = ax +, onde a = ψ,, = ln, y = { ln + m[ τ ( λ ( λ ]} e x = [ mτ a ( λ ]. b, m g Pelo fato de não se conhecer, a pror, a constante de calbração dos canas do MFRSR, o canal de 87 nm fo calbrado a partr dos dados do nível 2. 3 da AERONET. Posterormente, este fo utlzado para calbrar os demas canas do MFRSR. A preservação da dependênca espectral fo avalada com base nos valores do coefcente de Ångström (α obtdos para os canas 44 e 87 nm da AERONET, períodos com desvos maores de 5% em α foram rejetados.o α é defndo como ln( τ a 44 / τ,87 α(44,87 =, a (5 ln(44 / 87 A Fgura 1 apresenta um exemplo da aplcação do MG para o da 24/9/24 em São Paulo. 2,2 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8 y = 1,456x-,227 R 2 = R 2 =,9998 y = 1,4557x -,2271,6,4,7,8,9 1, 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Fgura 1 - Exemplo de aplcação do MG para dados coletados durante a manhã do da 24/9/24, sendo λ = 87 nm e λ = 67 nm. A constante de calbração do canal 67 nm do MFRSR é estmado utlzando o canal 87 nm como referênca. RESULTADOS Para a cdade de São Paulo, no nverno de 24, foram dentfcados 17 períodos, entre manhãs e tardes, que atenderam ao requsto do MG. A Tabela 1 apresenta os resultados da calbração do canal 87 nm do MFRSR utlzando como referênca quatro canas espectras da AERONET: 44, 67, 87 e 12 nm. Em todos os casos, a ncerteza na constante fnal obtda fo menor que 1%. A estmatva fnal para a constante de calbração do canal 87 nm consstu-se na 3 Dados de máxma qualdade da rede.
méda ponderada pelas correspondentes ncertezas estatístcas. Em seguda, este canal fo utlzado para calbrar os demas canas do MFRSR, 415, 67 e 136 nm. Tabela 1: Constante de calbração,λ (Wm -2 nm -1 do canal 87 nm do MFR34 obtda partr do MG utlzando como referênca os canas 44, 67, 87 e 12 nm do CE-318A. λ 44 nm 67 nm 87 nm 12 nm (σ,87 (4,84 (3,814 (3,815 (3,87 Durante a permanênca do MFRSR no OPD-LNA foram dentfcados 16 períodos com condções favoráves à aplcação do LP. As estmatvas fnas das constantes de calbração foram calculadas a partr da méda das constantes obtdas para todos os períodos, conforme sugerdo por Mchalsky et al. (21. A Tabela 2 apresenta as estmatvas fnas das constantes de calbração dos canas do MFRSR obtdas durante os nvernos de 24 e 25 pelo MG e LP, respectvamente. As ncertezas estatístcas obtdas pelos dos métodos são comparáves, com exceção do canal 415 nm. Entretanto, a dferença entre as constantes obtdas para os dos períodos supera sgnfcatvamente as ncertezas. Atrbu-se esse fato, prncpalmente, à degradação do nstrumento, o que evdenca o problema da establdade e a necessdade da calbração regular do MFRSR. Tabela 2: Constantes de calbração,λ do MG e do LP para os nvernos de 24 e 25, respectvamente. (Wm -2 nm -1 e respectvas ncertezas σ dos canas do MFRSR obtdas a partr Δ, λ representa a dferença relatva. λ 415 nm 67 nm 87 nm 136 nm (σ - MG 1,4 (2 1,26 (3,81 (3,58 (1,λ,λ (σ - LP 1,13 (2 1,186 (2,772 (2,56 (1 Δ,λ (% -3% -6% -5% -3% A Fgura 2 compara médas dáras de AOD em 67 nm dadas pela AERONET e obtdas pelo MFRSR para alguns das dentro dos dos períodos, nvernos de 24 e 25, em que este fo calbrado. Ressaltando que para o cálculo da AOD, em 24, fo utlzada a constante obtda pelo MG e, em 25, pelo LP. AOD - 67 nm,5,4,3,2,1 AERONET MFRSR MFRSR-AERONET (a AOD - 67 nm,5,4,3,2,1 (b, 24-jul 25-jul 26-jul 27-jul 28-jul 29-jul 1-ago Data - 24, 27-ago 28-ago 29-ago 3-set 8-set 9-set 1-set Data - 25 Fgura 1 Comparação entre médas dáras de AOD obtdas pela AERONET e calculadas para o MFRSR a partr das constantes dervadas para os nvernos de 24 e 25 utlzando, respectvamente, o MG (a e o LP (b.
A dferença entre o MFRSR e a AERONET é sstemátca e com equvalente magntude para ambos os períodos analsados. Em outras palavras, o comportamento da AOD do MFRSR em relação à AERONET entre os dos períodos é consstente, o que sugere que a calbração pelo MG fornece resultados comparáves ao LP, quando este é aplcado em regões com condções atmosfércas mas propícas que as de São Paulo. CONCLUSÕES As constantes de calbração do MFRSR obtdas utlzando o MG para São Paulo apresentaram ncertezas menores que 1%. Esse resultado é comparável com o obtdo para a calbração do radômetro a partr do método LP no OPD-LNA. A mportânca deste resultado está assocada à necessdade de calbração rotnera dos fotômetros, almejando nformações mas acuradas e precsas e aos custos que envolvem o deslocamento de nstrumentos para regões remotas. Apesar de se tratar de períodos dferentes, a profunddade óptca méda dára do aerossol estmada com a constante dervada pelo MG apresenta o mesmo comportamento, em relação aos dados da AERONET, que a AOD calculada utlzando a constante obtda a partr do LP, aplcado em condções de topo de montanha. Em se tratando da aplcação dos dos métodos em São Paulo, contraramente ao LP, o MG fornece resultados que permtem obter estmatvas de profunddade óptca de aerossol de qualdade comparável aos dados da AERONET. REFERÊNCAS BBLOGRÁFCAS Alexandrov, M. D.; Lacs, A. A.; Carlson, B. E. Remote sensng of atmospherc aerosols and trace gases by means of multflter rotatng shadowband radometer. Part : retreval algorthms. Journal of the Atmospherc Scences, v. 59, n. 31, p. 524-523, 22. Forgan, B. W. General method for calbratng Sun photometers. Appled Optcs, v. 33, p. 4841-485, 1994. Harrson, L.; Mchalsky, J. E Berndt, J. Automated multflter rotatng shadow-band radometer: an nstrument for optcal depth and radaton measurements. Appled Optcs, v. 33, p. 5118-5125, 1994. Holben, B. N. et al. AERONET- A federated nstrument network and data archve for aerosol characterzaton. Remote Sensng of Envronment, v. 66, p. 1-16, 1998. Kasten F. e Young, A. T. Revsed optcal ar mass tables and approxmaton formula. Appled Optcs, v. 28, p. 4735-4738, 1989. Mchalsky, J. J. et al. Multyear measurements of aerosol optcal depth n the Atmospherc Radaton Measurement and Quanttatve Lnks programs. Journal of Geophyscal Research, v. 16, p.1299-1217, 21. Schmd, B. e Wehrl, C. Comparson of Sun photometer calbraton by Langley technque and standard lamp. Appled Optcs, v. 34, p. 45-4512, 1995. Shaw, G. E. Sun photometry. Bulletn of the Amercan Meteorologcal Socety, v. 64, p. 4-1. 1983.