INFLUÊNCIA DE QUEIMADAS NA ESPESSURA ÓPTICA DE AEROSSÓIS NA BANDA DO UV NO EXTREMO SUL DO BRASIL: 2002 2006. Germano Possani 1,3, Samara Carbone 2, Damaris K. Pinheiro 3, Plinio C. Alvalá 4 & Nelson J. Schuch 1 RESUMO A determinação da Espessura Óptica de Aerossóis (EOA) através do Método de Langley foi recentemente aplicada no Sul do Brasil, utilizando o equipamento Espectrofotômetro Brewer MKIII #167. Este equipamento encontra-se instalado no Observatório Espacial do Sul OES/CRSPE/INPE MCT no município de São Martinho da Serra RS, e efetua medidas da coluna total de gases traço como ozônio e dióxido de enxofre para cinco comprimentos de onda específicos, além de medidas de radiação ultravioleta de 286,5 a 363,0 nm. Foram calculadas as espessuras ópticas de aerossol de Julho de 2002 a Julho de 2006 para a Região Central do Rio Grande do Sul. A análise destes dados mostrou a presença de valores elevados, picos de aerossóis, para a região em determinados dias do período. Considerando que o Brasil é um grande emissor de material particulado proveniente da queima de biomassa e o período de ocorrência dos picos, é provável que queimadas do sul da Amazônia e do Brasil Central, assim como de caráter regional, influenciem nos picos de aerossóis encontrados no extremo sul do Brasil. ABSTRACT Determination of aerosol optical thickness (AOT) through Langley Method was lately applied to Southern Brazil using Brewer Spectrophotometer MKIII #167. This equipment is installed at Southern Space Observatory OES/CRSPE/INPE MCT located at São Martinho da Serra RS, Brazil, and it performs the total column gas trace measurements as ozone and sulphur dioxide for five specific wavelengths, besides the ultraviolet radiation measurements from 286.5 to 363.0 nm. AOT were calculated from July 2002 to July 2006 for the central region of Rio Grande do Sul. Data analysis showed the presence of high values, aerosol peaks, for the region in some days of the period. Considering Brazil as a potential producer of material particulate from biomass burning and the period of the peaks occurrence, it is probable that biomass burnings from southern Amazon Basin and Central Brazil, also regional events, has influenced on aerosol peaks found at southern Brazil. Palavras-Chave picos de aerossóis, queimadas, Sul do Brasil. INTRODUÇÃO Os aerossóis atmosféricos consistem em um complicado sistema de partículas líquidas ou sólidas suspensas por uma mistura gasosa (Finlayson-Pitts e Pitts, 2000). O estudo de suas prováveis fontes de emissão tem intensificado nos últimos anos, principalmente em países com grandes reservas florestais, onde a devastação tem avançado em benefício da produtividade agrícola (Crutzen and Andreae, 1990). No caso do Brasil, a queima de biomassa é a principal fonte emissora de aerossóis e o seu estudo é de enorme importância, uma vez que os aerossóis podem atenuar até 35% da Radiação UV-B e, desta forma, influenciar na formação de ozônio troposférico, através da 1 Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais CRSPE/INPE MCT, Santa Maria, RS, Brasil. 2 Instituto Astronômico e Geofísico IAG/USP, São Paulo, SP, Brasil. 3 Laboratório de Ciências Espaciais de Santa Maria LACESM/CT UFSM, na parceria INPE/UFSM Santa Maria, RS, Brasil. 4 Divisão de Geofísica Espacial DGE/CEA/INPE MCT, São José dos Campos, SP, Brasil. e-mail: germano@lacesm.ufsm.br, samara@model.iag.usp.br, damaris@lacesm.ufsm.br, plinio@dge.inpe.br, njschuch@lacesm.ufsm.br
modificação do balanço energético da Atmosfera (Dickerson et al., 1997) e interferir na produção agrícola reduzindo a incidência de Radiação Fotossinteticamente Ativa. O estudo da espessura óptica de aerossóis na banda do ultravioleta, utilizando o Espectrofotômetro Brewer, foi possível através da aplicação do Método de Langley (Carvalho e Henriques, 2000; Cheymol e De Backer, 2003). No Brasil, alguns trabalhos utilizando esta metodologia apontam para a influência da queima de biomassa na determinação da espessura óptica de aerossóis na região central do Brasil (Silva, 2005). De Julho a Outubro são registrados altos índices de queimadas no sul da Amazônia e região central do Brasil, chegando a atingir 10000 focos por dia no auge deste período, de Agosto a Setembro (Pinto, 2001). O material proveniente desta queima pode ser transportado por milhares de quilômetros, chegando a atingir e interferir em dados de espessura óptica de aerossóis e ozônio de superfície em locais como São Paulo-SP (Longo et al., 1999) e Maringá-PR (Boian e Kirchhoff, 2005). No Rio Grande do Sul, o período característico de queimadas ocorre de Novembro a Fevereiro (Carbone et al., 2006), podendo variar de acordo com características agrícolas locais. METODOLOGIA O Método de Langley é uma aplicação da Lei de Bouguer-Lambert-Beer para a atmosfera terrestre irradiada pela luz solar, e relaciona a incidência de radiação no topo da Atmosfera e aquela incidente na superfície através da espessura óptica atmosférica, τ at, Equação 1: ln I λ = ln I oλ τ atλ. m (1) Onde I λ representa a irradiância solar na superfície da Terra para o comprimento de onda λ, I oλ a irradiância solar no topo da atmosfera terrestre para o comprimento de onda λ, τ atλ a espessura óptica atmosférica e m a massa óptica de ar. A massa óptica de ar corresponde ao caminho óptico percorrido pela luz. Uma vez obtida a τ at, esta representa o somatório dos constituintes atmosféricos atenuadores da irradiância solar. No caso da banda do ultravioleta, sabe-se que seus maiores atenuadores são: espessura óptica dos gases traço ozônio e dióxido de enxofre, calculados facilmente a partir da coluna total dos gases, espessura óptica de Rayleigh e aerossóis, Equação 2. As equações para obtenção dos gases traço e espessura óptica Rayleigh foram apresentadas em Carbone et al. (2006). τ ae = τ at - (τ R + τ SO2 + τ O3 ) (2) Para a obtenção das colunas de gases traço e irradiâncias, foi utilizado o Espectrofotômetro Brewer #167 modelo MKIII que se encontra instalado no Observatório Espacial do Sul OES/CRSPE/INPE MCT, no município de São Martinho da Serra, RS, 29,44º S e 53,82º O. Este equipamento efetua medidas de irradiância de 286,5 a 363,0 nm a cada 0,5 nm e medidas da coluna
total de ozônio e dióxido de enxofre em cinco comprimentos de onda específicos: 306,3; 310,1, 313,5; 316,8 e 320,1 nm. O período de dados utilizados foi de Julho de 2002 a Julho de 2006. A aplicação do Método de Langley utilizando este equipamento foi recentemente usada em locais como Uccle Bélgica (Cheymol e Backer, 2003), em Lisboa Portugal (Carvalho e Henriques, 2000) e também no Sudeste do Brasil (Silva e Kirchhoff, 2005). Dados dos satélites NOAA 12 e 16 da National Oceanic and Atmospheric Administration foram utilizados a fim de detectar focos de queimadas. Estes possuem sensores infravermelhos capazes de detectar focos de calor. Dessa forma é possível inferir focos de queimadas a partir de 30 x 0,5 m, o que é comumente chamado de píxel. RESULTADOS E DISCUSSÕES A aplicação da metodologia proposta possibilitou a obtenção das EOA para os períodos da manhã e tarde, separadamente, Figura 1(a) e(b). Claramente, observa-se na Figura 1 valores mais elevados de aerossóis para determinados dias, aqui chamados picos de aerossóis. Calculando-se a média de aerossóis para o período de análise, os valores de picos foram definidos como aqueles iguais ou maiores que a média mais duas vezes o seu desvio padrão. Os dados são apresentados na Tabela 1. 1.8 1. 6 Manhã 1.4 306,3 nm 310,1 nm 313,5 nm 316,8 nm 320,1 nm 1.8 1.6 1.4 Tarde 306,3 nm 310,1 nm 313,5 nm 316,8 nm 320,1 nm 1. 2 1.2 EOA 1. 0 0. 8 0. 6 EOA 1.0 0.8 0.6 0. 4 0. 2 0.0 5/9/2002 8/9/2002 11/9/2002 2/9/2003 5/9/2003 8/9/2003 11/9/2003 2/9/2004 5/9/2004 8/9/2004 11/9/2004 2/9/2005 5/9/2005 8/9/2005 11/9/2005 2/9/2006 5/9/2006 8/9/2006 0.4 0.2 0.0 6/9/2002 9/9/2002 12/9/2002 3/9/2003 6/9/2003 9/9/2003 12/9/2003 3/9/2004 6/9/2004 9/9/2004 12/9/2004 3/9/2005 6/9/2005 9/9/2005 12/9/2005 3/9/2006 6/9/2006 9/9/2006 (a) (b) Fig. 1 Valores de EOA de Julho de 2002 a Julho de 2006 para o OES no sul do Brasil para (a) manhãs e (b) tardes. Tab. 1 Valores médios de aerossóis para o período analisado. λ (nm) Média SD Média + 2 x SD Médias SD Média + 2 x SD Manhã Tarde 306,3 0,23 0,21 0,65 0,22 0,23 0,68 310,1 0,22 0,19 0,60 0,24 0,22 0,68 313,5 0,19 0,18 0,55 0,21 0,22 0,64 316,8 0,20 0,17 0,54 0,23 0,21 0,65 320,1 0,20 0,17 0,54 0,23 0,21 0,65
Observa-se facilmente que o desvio padrão das médias é bastante alto, isso é devido a grande variabilidade nas medidas. Os dias que apresentaram valores de picos estão discriminados na Tabela 2, totalizando oito manhãs e dez tardes. Uma vez que 61% dos picos de EOA ocorreram no período de Julho a Outubro de cada ano, período este característico de queimadas na Amazônia e Brasil Central (Pinto, M. A., 2001), e sabendo-se que os aerossóis de queimadas interagem com a radiação ultravioleta e que estes podem percorrer grandes distâncias (Boian e Kirchhoff, 2005), é provável que estes picos de EOA no Observatório Espacial do Sul sejam devidos a estas queimadas. Para a comprovação de tal afirmação, foram feitas análises dos campos de ventos para a pressão atmosférica de 850 hpa, de acordo com Boian e Kirchhoff (2005). O dia 17 de Agosto de 2002 foi escolhido, por possuir picos pela manhã e pela tarde. Foram calculadas as médias diárias dos campos de vento do dia 11 ao dia 17 de Agosto de 2002, estima-se que de três a seis dias seria tempo suficiente para que as massas de ar vindas da região Central do Brasil atingissem o centro do estado do Rio Grande do Sul. Para a maioria dos dias deste período observou-se que, em média, os ventos que chegam ao estado do Rio Grande do Sul, neste nível, são oriundos do Brasil Central e, em muitos casos, do sul do Paraguai, que por sua vez é proveniente das regiões Norte e Central do Brasil. A média diária de campos de ventos para o dia 13 de Agosto de 2002, que é um dia intermediário, está representada na Figura 2. Tab. 2 Dias com picos de aerossóis. Dia Manhã Tarde 17/08/2002 X X 07/11/2002 X 25/12/2002 X 19/07/2003 X 13/09/2003 X 18/10/2003 X 27/10/2003 X 19/06/2004 X 04/09/2004 X X 05/09/2004 X X 30/11/2004 X 05/08/2005 X 02/12/2005 X 18/6/2006 X X Total 8 10 Os focos de queimadas detectados por satélite no dia 13 de Agosto de 2002, dia próximo ao selecionado para análise, estão mostrados na Figura 3. Observa-se o elevado número de focos de queimadas no norte e centro do Brasil. Queimadas regionais no Rio Grande do Sul são características de Novembro a Fevereiro, conforme apresentado na Figura 4 adaptada de Carbone et al. (2006), devido a questões de plantio, renovação
do solo. Como 22% dos picos estão concentrados neste período e considerando que o OES foi construído numa região tipicamente agrícola e afastada de grandes centros urbanos, queimadas dentro do estado podem estar influenciando nos altos valores de EOA para este período de Novembro a Fevereiro. Os restantes 17% dos picos podem ser devidos à queima de biomassa local, a qual não é registrada por satélite em virtude da resolução do mesmo. Fig. 2 Média dos campos de ventos para 850 hpa no para o dia 13 de Agosto de 2002. Fig. 3 Focos de queimadas detectados pelo satélite NOAA-12 no dia 13 de Agosto de 2002. NUMBER OF BURNING SITES FROM 1996 TO 2000 10000 1000 100 10 1 JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC MONTHS Fig. 4 Número de focos de queimadas medidos pelo satélite NOAA-12 de 1996 a 2000.
CONCLUSÕES O Método de Langley foi aplicado aos dados do Brewer e as EOA foram obtidas para o período proposto. O estudo das prováveis causas dos picos de aerossol para o Observatório Espacial do Sul mostrou a sua ocorrência juntamente com o período de queima de biomassa nas regiões Central e Norte do Brasil, bem como o período de queimadas regional, indicando, portanto, uma possível influência desta fonte de aerossóis na região central do Rio Grande do Sul. A análise de campos de ventos indicou ainda a possibilidade da entrada de massas de ar por países vizinhos como Paraguai, no nível de 850 hpa, contendo material particulado proveniente de queimadas do Norte e Centro do Brasil. Para a comprovação deste fato, faz-se necessária uma análise de trajetórias das massas de ar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Boian, C. and Kirchhoff, V. W. J. H. Surface ozone enhancements in the South of Brazil owing to large-scale air mass transport. Atmospheric Environment, v. 39, p. 6140 6146, 2005. 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. Carvalho, F. e Henriques, D. Use of brewer ozone spectrophotometer for aerosol optical depth measurements on ultraviolet region. Advances in Space Research, 25, nº 5, 997 1006, 2000. Cheymol, A. e De Backer, H. Retrieval of the aerosol optical depth in the UV-B at Uccle from Brewer ozone measurements over a long time period 1984 2002. Journal of Geophysical Research, v. 108, n. D24, 2003. Crutzen, P.J., Andreae, M.O. Biomass burning in the tropics: impact of atmospheric chemistry and biogeochemical cycles. Science 250, 1669 1678, 1990. Dickerson, R. R.; Kondragunta, S.; Stenchikov, G.; Civerolo, K. L.; Doddridge, B. G. e Holben, B. N. The impact of aerosols on solar ultraviolet radiation and photochemical smog. Science, v. 278, p. 827 830, 1997. Finlayson-Pitts, B. J. e Pitts, J. N. Chemistry of the upper and lower atmosphere. San Diego: Academic Press, 2000. 969. 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. Pinto, M. A. Relação empírica da visibilidade com profundidade óptica, concentração de aerossóis e focos de queimadas em alta floresta e Cuiabá, em 1993 e 1994. Dissertação de Mestrado, 2001. Silva, A. A. e Kirchhoff, V. W. J. UVB direct sun measurements from Brewer spectrophotometer to determine the aerosol optical thickness at several sites.