Estudo do transporte das partículas de aerossol de queimada via sensoriamento remoto



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ESTUDO DO TRANSPORTE DAS PARTÍCULAS DE AEROSSOL DE QUEIMADA VIA SENSORIAMENTO REMOTO
Fernando Sampaio Recuero

Karla Maria Longo(2)

Saulo Ribeiro de Freitas(3)


ABSTRACT


The operational aerosol products from MODIS/TERRA are used in order to validate the the Eulerian transport model CATT-BRAMS. A statistical analysis of the results obtained from the model numeric simulations, that are part of the biomass burning emission over South America and smoke transport monitoring for the 2002 dry season was done using the MODIS aerosol products. This monitoring was carried out in order to support the LBA/DRY-TO-WET AMC. With this analysis was observed that the model captured correctly the main export “corridors” of biomass burning aerosol particles over the South American continent, coherent with the MODIS observations, although the total amount of aerosol particles in the vertical column is underestimated over some regions. This underestimated could be associated with the dilution of the smoke in the model grid cell, loss of mass along the transport simulation and low detection of small fires for the satellite. The smoke particles once emitted, are transported by the whole continent and suffer a decrease of up to 20% in its Ångström coefficient, mainly in the most distant areas of the emission sources, as for example, Porto Alegre and Buenos Aires.

KEY WORDS: MODIS, CATT-BRAMS, biomass burning, smoke transport.
RESUMO

Os produtos de aerossol operacionais do MODIS/TERRA são utilizados com o objetivo de validar o modelo de transporte Euleriano CATT-BRAMS. Através dos resultados das simulações numéricas, obtidas pelo modelo, que fazem parte do monitoramento das emissões e do transporte de fumaça produzidas pela queima de biomassa na América do Sul para a estação seca de 2002, é feita uma análise estatística utilizando os produtos do MODIS. Este monitoramento foi realizado com o objetivo de dar suporte à Campanha LBA/DRY-TO-WET AMC. Com esta análise observou-se que o modelo identificou corretamente os principais “corredores” de exportação de aerossol de queimadas sobre o continente, coerente com as observações do MODIS, apesar de subestimar as concentrações de material particulado integrado na coluna em algumas regiões. Esta subestimativa pode estar associada à diluição da fumaça na célula de grade do modelo, perda de massa ao longo do transporte simulado e a não detecção de pequenos focos pelo satélite. As partículas de fumaça após serem emitidas, são transportadas pelo continente e experimentam uma diminuição de até 20% em seu coeficiente de Ångström, principalmente nas regiões mais distantes das fontes de emissão, como por exemplo, Porto Alegre e Buenos Aires.



PALAVRAS CHAVES: MODIS, CATT-BRAMS, QUEIMA DE BIOMASSA, TRANSPORTE DE FUMAÇA.

INTRODUÇÃO

Nas regiões tropicais e sub-tropicais da África, América do Sul, sudeste da Ásia e Austrália estão localizados os países que mais queimam biomassa em todo o globo terrestre (Andreae, 1991; Prins et al., 1998). Sobre a América do Sul são lançadas para a atmosfera aproximadamente 34 Tg ano-1 de partículas de aerossóis em decorrência das atividades de queima de biomassa, representando um terço do total do material particulado emitido mundialmente (Andreae, 1991). No Brasil, a queima de biomassa acontece com maior intensidade durante a estação seca (Julho – Outubro) e afeta principalmente os ecossistemas de floresta, pastagem e cerrado (Artaxo et al., 2001, Prins et al., 1998).

Durante o processo de queima de biomassa, uma grande quantidade de gases e partículas de aerossol é emitida para a atmosfera afetando tanto a qualidade do ar local, com também o clima regional e global, através de vários processos atmosféricos com os quais são envolvidos. O material particulado lançado para a atmosfera consiste de black carbon (BC), materiais orgânicos e, principalmente, de matérias orgânicas parcialmente oxidadas (Andreae, 1991).

Para incluir informações dos efeitos das emissões de queima de biomassa nos modelos numéricos de transporte, de previsão meteorológica e climática são necessárias as parametrizações dos principais processos envolvidos, entre eles a emissão das partículas de aerossol para a atmosfera durante o processo de queima. Entretanto, devido às regiões onde acontecem os fogos serem, na maioria das vezes, áreas distantes e inacessíveis, o sensoriamento remoto torna-se a melhor maneira de quantificar o impacto da queima de biomassa na química atmosférica global.

Para fornecer suporte à Campanha do LBA/DRY-TO-WET AMC (Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia/Dry to Wet Amospheric Mesoscale Campaign) que teve como objetivo obter dados da transição entre as estações seca e chuvosa da região tropical durante o ano de 2002, esteve operacional no laboratório MASTER (Meteorologia Aplicada a Sistemas de TEmpo Regionais) do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG), da Universidade de São Paulo (USP), um monitoramento das emissões por queima de biomassa e do seu transporte atmosférico. Este monitoramento foi realizado através de simulações numéricas do movimento das massas de ar utilizando a capacidade de transporte de escalares do modelo atmosférico RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) acoplado a um Modelo de Emissões por Queimadas (Freitas, 1999; Freitas et al., 2004). Neste método, a equação de conservação de massa é resolvida para o CO e material particulado (PM<2,5m). Fontes de emissão de gases e partículas associadas com atividades de queima de biomassa em florestas tropicais, cerrado e pastagens são parametrizadas e introduzidas no modelo. As fontes são espacial e temporalmente distribuídas e diariamente assimiladas de acordo com os focos de queimada identificados via sensoriamento remoto.

METODOLOGIA

A metodologia deste trabalho utiliza os produtos de aerossol operacionais gerados pela NASA/GSFC (National Aeronautics and Space Administration/Goddard Space Flight Center) obtidos pelo sensor MODIS (MODerate – resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo do satélite TERRA sobre a América do Sul, o modelo atmosférico RAMS (Tripoli e Cotton, 1982; Mahrer e Pielke, 1977), que está acoplado ao modelo de emissões por queimadas (Freitas, 1999) e constitui o modelo CATT-BRAMS (Coupled Aerosol and Tracers Trasnport model to the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System) (Freitas et al., 2004).

Através das simulações numéricas que foram realizadas para monitorar as emissões e o transporte das plumas de fumaça produzidas pela queima de biomassa na América do Sul que esteve operacional no laboratório MASTER/IAG/USP, durante a estação seca de 2002, é feita uma análise estatística em algumas regiões do continente utilizando os produtos obtidos por sensoriamento remoto. A análise estatística é útil para avaliar a performance do modelo.
Produtos de Aerossol do MODIS

O sensor MODIS encontra-se a bordo do satélite TERRA, a uma altitude de aproximadamente 705km e circula em torno do globo terrestre 16 vezes ao dia de pólo a pólo. O sensor MODIS/TERRA, lançado em 18 de dezembro de 1999, obtêm medidas em 36 bandas espectrais (0,41 - 14m) em três diferentes resoluções espaciais (250m, 500m e 1km), sendo que a resolução dos produtos operacionais é de 10km. Os canais espectrais do MODIS utilizados na análise de partículas de aerossóis são os canais 0,47; 0,66; 2,1 e 3,8m, sendo que os dois últimos canais são utilizados para a determinação da refletância da superfície. Uma descrição detalhada do algoritmo de sensoriamento remoto sobre a superfície para o MODIS pode ser vista em Kaufman e Tanré (1998).

Os produtos de aerossol do MODIS monitoram, globalmente, a espessura óptica do aerossol sobre os oceanos e sobre uma porção dos continentes. Além de derivar a distribuição de tamanho sobre os oceanos e o tipo de aerossol em suspensão na atmosfera sobre os continentes. Estes produtos são utilizados para estudar a climatologia do aerossol, fontes e sumidouros de tipos específicos de aerossóis (aerossol de sulfato e queima de biomassa, por exemplo), interação dos aerossóis com nuvens e correção atmosférica de refletância, obtida via sensoriamento remoto, sobre o continente.
Descrição dos Modelos Numéricos

O modelo de emissão por queimadas desenvolvido por Freitas (1999) é utilizado na estimativa das emissões de CO e de material particulado fino em função da localização dos focos de queimadas detectados via sensoriamento remoto e dados de emissão dependentes do tipo de biomassa. Neste modelo, é possível estimar a quantidade emitida de uma dada espécie química () durante o processo de combustão da biomassa. A emissão é parametrizada em função do fator de combustão (veg); da fração de biomassa acima do solo (veg); do fator de emissão da espécie (EF); e da área queimada (afire) para um dado tipo de vegetação, que é dada pela seguinte equação:


(Equação 1)
Os parâmetros veg, veg e EF são indicados pela literatura e uma revisão mais detalhada dos valores estimados pode ser encontrada em Freitas, 1999 e Freitas et al., 2004.

No monitoramento de 2002 foi utilizado o produto de fogo do GOES-8 WF_ABBA (Geostationary Operational Environmental Satellites-8 WildFire_Automated Biomass Burning Algorithm). O algoritmo ABBA foi inicialmente desenvolvido pelo CIMSS (Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies) da Universidade de Wisconsin-Madison para detectar a variabilidade espacial, diurna, sazonal e interanual na atividade do fogo no Brasil, Bolívia, Peru, Paraguai, Uruguai e Argentina. A nova versão do ABBA, WF_ABBA versão 6.0, foi implementada permitindo o monitoramento da atividade do fogo na maioria dos ecossistemas da América do Sul, a cada meia-hora. Detalhes sobre o algoritmo de fogo do GOES podem ser encontrados em Prins et al., 1998.

A ocorrência de vários píxeis de fogo observados dentro de uma célula de grade do modelo pode acontecer. Para cada um dos píxeis que se encontra localizado dentro desta célula é calculada a massa do composto emitido, através da Equação 1, em função do tipo de vegetação que está sendo queimada. Para obter o tipo de vegetação que é consumida em cada um dos píxeis é realizada uma superposição entre o mapa de fogo com o de vegetação IGBP-INPE, com resolução de 1km (http://edcdaac.usgs.glcc/glcc.html; http://www.cptec.inpe.br/proveg). A informação do tamanho da área queimada é obtida pelo produto do GOES-8 WF_ABBA. Quando esta informação não é fornecida, o tamanho da área queimada utilizada é de 0,14km2, que representa uma estimativa média (Freitas et al., 2004).

A parametrização do termo fonte de emissão de queimadas é dada pela seguinte equação,


(Equação 2)
onde, r(t) é uma função Gaussiana centrada em 1745UTC que define o ciclo diurno da emissão, 0 é a densidade do ar no estado básico, V é o volume da primeira célula física de grade (corresponde ao segundo nível vertical do modelo atmosférico) e M() é a massa que é calculada para todos os fogos que estão dentro da célula de grade do modelo.

O modelo atmosférico RAMS permite a realização de simulações numéricas e previsões de fenômenos atmosféricos regionais, resolve o conjunto completo de equações que governam a evolução de estado atmosférico, baseado nas leis de movimento de Newton e na termodinâmica de um fluído, incluindo parametrizações dos diversos processos físicos presentes nestas equações.

O sistema composto pelo acoplamento do modelo de emissões por queimadas e do modelo atmosférico constitui o modelo CATT-BRAMS, que é um modelo de transporte “in-line”, isto é, que utiliza a mesma resolução espacial e temporal do modelo atmosférico e segue a aproximação Euleriana (Freitas, 1999).

A razão de mistura do escalar, S = (/ar), é calculada utilizando a equação de conservação de massa descrita por:


(Equação 3)

onde S/t é a tendência local, os índices adv, CLP turb, conv rasa e conv prof se referem aos processos de advecção na escala da grade, transporte sub-grade na CLP (Camada Limite Planetária), transporte sub-grade associado com a convecção rasa e com a convecção profunda, respectivamente, WPM2.5 é a remoção úmida convectiva para material particulado, R é o termo sumidouro associado com os processos de remoção/transformação (deposição seca para o material particulado e transformação química para o CO) e Q é o termo fonte associado à atividade de queima de biomassa.

Os efeitos da convecção úmida e profunda na distribuição dos traçadores estão baseados no esquema Grell de fluxo de massa, onde as parametrizações levam em consideração a subsidência ambiente (advecção), o entranhamento “updraft” e “downdraft” de massa. O transporte “updraft” carrega as massas de ar poluídas da CLP para a alta troposfera, enquanto que o “downdraft” age trazendo ar mais limpo da média troposfera para a CLP (Freitas et al., 2004). O transporte de convecção rasa segue o esquema Grell de convecção rasa, que age somente em transportar as partículas de aerossóis e gases da CLP para a baixa troposfera. A remoção úmida convectiva para material particulado é parametrizada conforme Berge (1993), que considera a probabilidade do aerossol de ser absorvido pela gotícula da nuvem, a taxa de precipitação, o conteúdo de água líquida e a espessura da camada do modelo. Os processos de advecção e de transporte turbulento na CLP seguem as parametrizações do modelo atmosférico RAMS. Descrições mais detalhadas destas parametrizações podem ser encontradas em Freitas et al., 2004.
Análise Estatística dos Produtos de Aerossol do MODIS na América do Sul

Uma análise estatística da distribuição de freqüência dos dados do produto de aerossol do MODIS foi realizada com o objetivo de estudar a evolução da pluma regional de fumaça emitida por queima de biomassa na América do Sul. Este estudo foi conduzido seguindo o transporte da pluma regional conforme previsto pelo monitoramento das emissões por queima de biomassa e do seu transporte (Freitas et al., 2004). Desta maneira, foi possível avaliar a coerência entre os resultados do modelo e o produto de aerossol do MODIS.

O período de estudo é de 01 de agosto a 07 de outubro de 2002, totalizando 68 dias analisados, em 15 diferentes regiões que estão distribuídas por toda a América do Sul (Figura 1). A localização das áreas a serem analisadas foi escolhida em função dos principais “corredores” de transporte das plumas de fumaça emitidas no continente sul-americano. As áreas de estudo foram delimitadas por 4o de latitude e 4o de longitude, exceto para a região, denominada neste trabalho como Sudeste, que inclui as cidades de Curitiba – PR, Rio de Janeiro – RJ e São Paulo – SP, no qual a área é de 8o de latitude e 12o de longitude.

Para cada uma das regiões ilustradas na Figura 1, o total de dias analisados foram divididos em dois períodos, um em que o monitoramento do transporte de fumaça, através das simulações numéricas, prevê o transporte de plumas de fumaça sobre a região de interesse e outro período com o restante dos dias, exceto para as regiões de Ji-Paraná e do Brasil Central, que são locais onde a maioria da atividade de queima de biomassa está concentrada (Prins et al., 1998).

As imagens obtidas pelo sensor MODIS para os dias previstos pelo modelo como tendo transporte de partículas de aerossóis de queimada e para os outros dias, em cada uma das regiões analisadas, são utilizadas nas análises estatísticas da distribuição de freqüência dos valores de concentração de massa, espessura óptica do aerossol, na banda 0,66m, tipo de partículas de aerossol e coeficiente de Ångström entre as bandas 0,47 e 0,66m.


Figura 1: Mapa da localização das cidades e regiões (delimitadas pelos quadrados) de estudo. A posição dos símbolos no mapa refere-se aos principais centros urbanos dentro das áreas de estudo. A legenda no lado direito da figura indica o nome da cidade e o símbolo que a identifica.


O número total de píxeis das imagens do MODIS e o percentual de píxeis inexistentes para cada uma das variáveis analisadas, ou seja, para os dados de concentração de massa, tipo de aerossol, espessura óptica do aerossol e coeficiente de Ångström são exatamente iguais devido às imagens utilizadas nas análises estatísticas serem as mesmas para todas as variáveis. Os percentuais de píxeis com dados válidos e inválidos são praticamente iguais para os dados de tipo de aerossol, concentração de massa e coeficiente de Ångström, variando no máximo entre dois pontos percentuais. O percentual de dados válidos para espessura óptica do aerossol, quando comparado com o percentual dos dados de coeficiente de Ångström, aumenta e, conseqüentemente, o percentual de dados inválidos diminui. Isto acontece, principalmente, em áreas fora das regiões fonte de emissão de queima de biomassa, devido à observação de píxeis com valores de espessura óptica do aerossol iguais a zero, que ao estimar o coeficiente de Ångström torna este pixel como sendo um dado inválido.

Na grande maioria dos casos, os percentuais de píxeis inválidos para os dados de espessura óptica do aerossol aumentam, nos dias em que há previsão de transporte de plumas de fumaça para a região, em relação ao restante dos dias. Este aumento ocorre em 75% das regiões analisadas e está associado à nebulosidade que se forma na presença de partículas de aerossóis de fumaça que são transportadas para essas regiões. Conseqüentemente, o sensor MODIS não consegue detectar as regiões encobertas pela nebulosidade e as identifica como sendo dados inválidos.




RESULTADOS


As principais características das circulações de grande escala que atingem o continente sul-americano durante e estação de queima de biomassa, conforme as simulações numéricas obtidas no monitoramento de 2002, são: a Zona de Convergência Intertropical (ITCZ, do inglês InterTropical Convergence Zone) quase-estacionária sobre os Oceanos Atlântico e Pacífico Tropical associada à atividade convectiva no noroeste da América do Sul, os sistemas frontais associados às frentes frias na superfície da América do Sul Temperada e Subtropical e o sistema de pressão Alta Subtropical do Atlântico Sul (SASH, do inglês South Atlantic Subtropical High) (Nobre et al., 1998).

A circulação de grande escala é responsável por transportar as plumas de fumaça produzidas pela queima de biomassa para regiões distantes do local onde foram emitidas, muitas vezes dispersando-as por todo o continente sul-americano e cobrindo milhares de quilômetros quadrados. Na Error: Reference source not found são ilustrados alguns exemplos dos padrões de circulação e do transporte das plumas de fumaça, através das simulações numéricas do material particulado integrado na coluna atmosférica e do campo de vento em 700mb, obtidas pelo modelo CATT-BRAMS, em uma área que abrange praticamente toda a América do Sul.

A SASH posicionada na costa brasileira, entre as regiões nordeste e sudeste, faz com que a massa de ar oceânica penetre no continente e atinja a região fonte de emissão de partículas de fumaça. Dependendo da posição da SASH, a massa de ar oceânica penetra pela região sudeste (Error: Reference source not founda) ou pela região nordeste (Error: Reference source not foundb) do Brasil. Nas duas situações, a pluma de fumaça produzida pela queima de biomassa é transportada para o sul da América do Sul, porém se a massa de ar oceânica penetrar no continente pela região nordeste do Brasil desloca a pluma de fumaça para oeste sobre o Estado de Mato Grosso, limpando a atmosfera na região lesta deste Estado (Error: Reference source not foundb). No caso da Figura 2a, como existe um sistema de alta pressão localizado sobre o Estado de São Paulo, a pluma de fumaça acopla-se a este sistema e segue em direção ao Oceano Atlântico.



Figura 2: Simulações numéricas obtidas pelo CATT-BRAMS do material particulado integrado na coluna atmosférica e do campo de vento em 700mb, sobre a América do Sul, durante a estação seca de 2002. A barra vertical mostra os valores da concentração dada em mg/m2, os quadros vermelhos indicam os padrões de circulação de grande escala referenciados no texto e abaixo de cada figura está descrito o dia e o horário da simulação.


As entradas de massas de ar provenientes do sul do continente associadas a sistemas frontais impedem que a pluma de fumaça seja transportada para regiões mais ao sul da América do Sul, desviando-a em direção ao Oceano Atlântico saindo do continente em torno da latitude de 32o 30’ S (Figura 2c). A circulação meridional que se configura entre os sistemas de alta e de baixa pressão após a passagem do sistema frontal empurra a pluma de fumaça em direção ao Equador e a atmosfera sobre as regiões que anteriormente estava sujeita à presença de partículas de aerossóis de fumaçao (Figura 2c), agora se encontra praticamente limpa (Figura 2d). O deslocamento da pluma de fumaça acompanha o movimento das frentes frias e o local em que a pluma será escoada para fora do continente em direção ao Oceano Atlântico está associado com este sistema atmosférico (Figura 2e e f).

À medida que o sistema frontal avança em direção ao Equador, o anticiclone localizado no sul da América do Sul juntamente se desloca e a circulação da vanguarda deste sistema empurra a pluma em direção noroeste do continente (Figura 2e e f). Com este tipo de configuração atuante sobre a América do Sul, a pluma de fumaça acaba sendo escoada em direção ao Oceano Pacífico.

Os dados de fogo obtidos através do GOES-8 WF_ABBA, versão 6.0, a cada meia-hora, são utilizados para obter a distribuição dos focos de queimada dentro do domínio de cada região analisada durante o período estudado. A quantidade de focos de queimada detectada pelo GOES-8 será útil para analisar a existência de emissão local de partículas de aerossóis de queimada nas regiões.

J
untamente com a distribuição da quantidade de focos nas regiões fonte de emissão de partículas de aerossol está a distribuição do tipo de ecossistema consumido no processo de combustão, que é derivado dos dados obtidos pelo AVHRR (
Advanced Very High Resolution Radiometer), que utiliza o mapa de vegetação IGBP 2.0, com resolução de 1km. Esta distribuição tem como objetivo avaliar o quanto de biomassa de floresta, cerrado e pastagem é queimado durante o período analisado.
Figura 3: Distribuição da quantidade total de focos de queimada detectados pelo GOES-8 WF_ABBA, versão 6.0, a cada meia-hora, para o período de 01 de agosto a 07 de outubro de 2002, (a) e do tipo de ecossistema consumido durante o processo de queima para as regiões do Brasil Central e de Ji-Paraná e (b) dentro do domínio de cada região analisada.
O número de focos de queimada detectados pelo satélite GOES-8, no período de 01 de agosto a 07 de outubro de 2002, na região do Brasil Central é de aproximadamente 15.000 focos. Neste mesmo período, na região de Ji-Paraná há uma diminuição, em torno de 30%, da quantidade de focos detectados pelo satélite em comparação com a região do Brasil Central (Figura 3a). Os focos detectados na região de Ji-Paraná consomem, quase que em sua totalidade, ecossistemas de florestas, representando 96% do total e o restante dos ecossistemas são de cerrado (3%) e de outros tipos (1%), como por exemplo, cultivos agrícolas. Na região do Brasil Central, o percentual de focos detectados em ecossistemas de cerrado aumenta para 16% e em florestas diminui para 81% e o restante é em outros tipos de ecossistemas.

Nas demais regiões analisadas, a distribuição dos focos de queimada, no período de 01 de agosto a 07 de outubro de 2002, segue o mesmo procedimento adotado para os produtos de aerossol do MODIS descrito anteriormente. A maior quantidade de focos de queimada detectados via sensoriamento remoto ocorre na região de Santa Cruz, na Bolívia, durante o período de dias em que o modelo CATT-BRAMS indica o transporte de plumas de fumaça para a região (Figura 3b). Nesta região, são detectados em torno de 750 focos de queimada que corresponde a uma quantidade de, aproximadamente, 14 e 20 vezes menor que nas regiões de Ji-Paraná e do Brasil Central, respectivamente (Figura 3a) e apresenta a diferença mais significativa entre os períodos de dias analisados. Essa diferença é de, aproximadamente, 550 focos.

Nas regiões de Buenos Aires e de Porto Alegre, não foram detectados focos de queima de biomassa pelo GOES-8 WF_ABBA em nenhum dos dois períodos de dias analisados. Nas regiões de Córdoba e de Tabatinga, os focos foram somente detectados nos dias que o modelo não indica a passagem de plumas de fumaça produzidas pela queima de biomassa sobre as regiões.

Nas outras regiões analisadas as quantidades de focos de queimada detectados são praticamente iguais nos dois períodos, indicando que além das partículas de aerossóis de queimadas que são transportadas para estas regiões, existe a influência das partículas que são emitidas localmente. Nas regiões de La Paz, Quito e Sudeste, é maior a quantidade de focos nos dias que o modelo não indica transporte de plumas de fumaça para estas regiões.

As regiões de Ji-Paraná e do Brasil Central (Figura 3a) que concentram uma maior quantidade de focos de queimada entre todas as regiões analisadas (Figura 3b), são tratadas como regiões fontes de emissão de partículas de aerossol produzidas pela queima de biomassa e de onde se originam as plumas que são transportadas por toda a América do Sul.

Na região de Ji-Paraná, mais de 40% dos valores de concentração de massa estão compreendidos entre 10 e 35mg/m2 e uma máxima concentração, obtida pelo sensor MODIS, compreendida entre 140 e 145mg/m2 e um valor médio de 46±28 (mg/m2) (Figura 4a). O modelo indica um valor máximo de 159mg/m2 e um valor médio de 32±26 (mg/m2). O valor médio previsto pelo modelo está subestimado em torno de 31% em relação ao valor observado pelo MODIS, considerando que o desvio padrão não apresenta diferença significativa entre os dados.

A espessura óptica do aerossol alcança um valor máximo em torno de 1,1, com um valor médio de 0,40,2 (Figura 4b). A concentração dos valores entre 0,1 e 0,4, representa 65% dos píxeis das imagens do MODIS com dados válidos, com uma maior concentração entre 0,1 e 0,2. Os dados da AERONET (AErosol RObotic NETwork), em Ji-Paraná, para espessura óptica do aerossol, na banda 0,67m, no mesmo período de dias analisados, indicam um valor médio de 0,60,3, que está de acordo com o valor encontrado pelo MODIS, apesar da diferença no comprimento de onda e dos dados da AERONET serem pontuais. A origem das partículas de aerossóis em suspensão na atmosfera da região de Ji-Paraná é exclusivamente proveniente de fumaça (Figura 4c), indicando que esta região emite para a atmosfera uma grande quantidade de partículas de aerossóis produzidos pela queima de biomassa.



Figura 4: Distribuição de freqüência dos valores de (a) concentração de massa, dada em mg/m2, (b) espessura óptica do aerossol, na banda 0,66m, (c) tipos de partículas de aerossóis em suspensão na atmosfera e (d) coeficiente de Ångström, para o período de 01 de agosto a 07 de outubro de 2002, na região de Ji-Paraná – RO, obtidos pelo sensor MODIS/TERRA.


Na distribuição de freqüência dos valores de coeficiente de Ångström, observa-se a ausência de sinal detectado pelo sensor MODIS da presença de partículas na fração da moda grossa (Figura 4d). Esta ausência está associada ao tipo de vegetação que é consumida durante o processo de queima, que é predominantemente ecossistema de floresta (Figura 3a). A fração da moda fina está bem caracterizada e está associada ao tipo de partículas de aerossóis que se encontra na atmosfera da região (Figura 4c). O valor médio é de 2,60,4, com uma maior concentração entre 2,5 e 2,6, com aproximadamente 70% dos valores compreendidos entre 2,3 e 2,8 (Figura 4d). Um estudo realizado por Echalar et al. (1998), com aerossóis atmosféricos coletados de agosto de 1992 a março de 1995, sobre regiões de floresta primária e de cerrado, indica que durante a estação seca, a fração da moda fina é originária predominantemente pela queima de biomassa.

Na região do Brasil Central, a concentração de massa atinge níveis de concentração entre 145 e 150mg/m2, semelhante ao que é encontrado na região de Ji-Paraná (Figura 4a). Acima de 40% dos valores estão concentrados entre 5 e 15mg/m2, que ao comparar com os valores encontrados na região de Ji-Paraná (10 a 35 mg/m2), são praticamente a metade e estão associados ao padrão de circulação que atinge a região, que em alguns dias dispersa rapidamente as partículas que são emitidas nesta região (Figura 2b). O valor médio é de 3231 (mg/m2), com uma maior concentração entre 5 e 10mg/m2, representando 20% dos valores válidos.

O valor máximo de espessura óptica do aerossol é de 1,2, com um valor médio de 0,30,3. Ao comparar estes valores com os encontrados na região de Ji-Paraná (Figura 4b), observa-se que apesar do valor máximo ser maior nesta região, o valor médio é, praticamente, igual. A variação dos valores entre 0 e 0,3, representa 65% do total, sendo que praticamente, a metade estão concentrados entre 0 e 0,1.

Os tipos de partículas de aerossóis que estão em suspensão na atmosfera do Brasil Central são provenientes de fumaça, que representam 92,5% dos dados e os 7,5% restantes estão distribuídos entre partículas de poeira, de sulfato e misturadas. O padrão da distribuição de freqüência nesta região é diferente do que o observado na região de Ji-Paraná (Figura 4c), devido às massas de ar transportarem estes outros tipos de partículas para a região (Figura 2b).

O valor médio do coeficiente de Ångström é de 2,30,5, com cerca de 70% dos valores compreendidos entre 1,8 e 2,7 e uma maior concentração dos valores entre 2,4 e 2,5. Observou-se a presença de partículas na fração da moda fina e grossa, diferente do que é observado na região de Ji-Paraná (Figura 4d). A quantidade de focos de queimadas detectada em ecossistema de cerrado é maior nesta região do que em Ji-Paraná (Figura 3a). Este tipo de biomassa quando é consumido pelo processo de combustão lança para a atmosfera partículas de poeira de solo, juntamente com as de fumaça, estando associada à presença da moda grossa nesta região. A fração da moda fina está presente na distribuição de freqüência pelos mesmos motivos descritos anteriormente para região de Ji-Paraná.


Figura 5: Série temporal (a) da concentração simulada de material particulado integrada na coluna atmosférica, dada em mg/m2 e (b) do perfil vertical simulado de CO, indicada pelo modelo CATT-BRAMS para a região de Buenos Aires, Argentina, durante a estação seca de 2002. A letra “T” (Transporte) destaca os dias em que há indicação de transporte de plumas de fumaça para a região.


O modelo prevê que na região de Buenos Aires, Argentina, o transporte de plumas de fumaça ocorre em 19% dos dias analisados. Na Figura 5a, temos a série temporal da concentração simulada de material particulado integrada na coluna atmosférica, que ilustra o período de dias analisados e indica um máximo de, aproximadamente, 40mg/m2. A série temporal do perfil vertical simulado de CO (Figura 5b), na região, mostra o transporte de baixos níveis até uma altitude de 3,3 km nos dias de ocorrência da entrada de plumas de fumaça na atmosfera local. Durante a campanha LBA-CLAIRE-98 (Large-scale Biosphere-Atmosphere experiment in Amazonia – Cooperative LBA AIrborne Regional Experiment, 1998), foi encontrada presença de CO na alta troposfera, em altitudes superiores a 10km de altura, com concentrações de aproximadamente 300ppb. O enriquecimento de CO de baixas camadas atmosféricas para níveis superiores está associado ao transporte convectivo (Andreae et al., 2001).

Para os dias que o modelo não indica transporte para a região, 74% dos valores de concentração de massa estão entre 0 e 10mg/m2, sendo que 33% deste percentual está concentrado entre 0 e 5mg/m2 (Figura 6a). Para o restante dos dias, este mesmo percentual compreende uma variação entre 5 e 45mg/m2. Observa-se que há um aumento nos maiores valores de concentração e uma diminuição nos valores próximos de zero, caracterizando a entrada de massas de ar contendo partículas de aerossóis. As duas modas observadas na distribuição de freqüência para dias que é indicado transporte, estão associadas a diferentes plumas com distintas massas de ar contaminadas por aerossóis. Comparando o valor máximo obtido pelo MODIS e pelo modelo, observa-se que o modelado está subestimado cerca de 89% em relação ao do MODIS. O valor médio para os dias com indicação de transporte pelo modelo é de 2917 (mg/m2) e para o restante do tempo é de 1213 (mg/m2) que é menos do que a metade (Figura 6a).





Figura 6: Distribuição de freqüência dos valores de (a) concentração de massa, dada em mg/m2, (b) espessura óptica do aerossol, na banda 0,66m, (c) tipos de partículas de aerossóis em suspensão na atmosfera e (d) coeficiente de Ångström, para o período de 01 de agosto a 07 de outubro de 2002, na região de Buenos Aires, Argentina, obtidos pelo sensor MODIS/TERRA.


Nos dias que o modelo indica transporte das partículas de aerossóis de fumaça, cerca de 92% dos valores de espessura óptica do aerossol estão concentrados entre 0 e 0,4 e para o restante dos dias este percentual compreende os valores entre 0 e 0,2 (Figura 6b). O valor médio é de 0,30,1 para os dias com previsão de transporte para a região e de 0,10,1 para os outros dias. Cerca de 89% das partículas de aerossóis presentes na atmosfera são provenientes de fumaça, 4% de poeira, 4% de aerossol de sulfato e 3% de partículas misturadas para os dias que o modelo prevê o transporte de plumas de fumaça para a região (Figura 6c). A quantidade de partículas de fumaça diminui no restante dos dias, ficando em torno de 58%. O aumento da quantidade das partículas de poeira (19%), sulfato (12%) e partículas misturadas (11%) está associado à circulação de grande escala que é diferente entre os dias com e sem a previsão de transporte de plumas de fumaça para a região.

O valor médio do coeficiente de Ångström nos dias com indicação da passagem de plumas de fumaça sobre a região é de 2,10,6 e no restante dos dias é de 2,11,0 (Figura 6d). Nos dias que o modelo não indica transporte de plumas de fumaça, se observa um aumento das concentrações na fração da moda grossa que está associado aos sistemas de baixa pressão que atingem a região após a passagem de sistemas frontais (Figura 2c, d e e). A circulação ciclônica destes sistemas muitas vezes passa sobre o oceano (Figura 2f) antes de atingir a região, devido a sua localização (Figura 1). A diferença no padrão da circulação de grande escala para os períodos com indicação de transporte pelo modelo e o restante do tempo modifica o padrão da distribuição de freqüência dos valores de coeficiente de Ångström nos dois períodos de dias analisados.

Dos 68 dias analisados, o modelo prevê transporte de plumas de fumaça para a região de Santa Cruz, na Bolívia, em 80% dos dias. Para estes dias, a máxima concentração de material particulado é de 50mg/m2, conforme indicado pela série temporal simulada (Figura 7).

Figura 7: Série temporal da concentração simulada de material particulado integrada na coluna atmosférica, dada em mg/m2, indicada pelo modelo CATT-BRAMS para a região de Santa Cruz, Bolívia, durante a estação seca de 2002. A letra “T” (Transporte) destaca os dias em que há indicação de transporte de plumas de fumaça para a região.


A concentração de massa obtida pelo MODIS sobre a região, para os dias em que o modelo não prevê a entrada de massas de ar poluídas com aerossóis de fumaça, atinge um valor máximo de 50mg/m2 e para o restante dos dias alcança 120mg/m2, ou seja, mais que o dobro. Os valores modelados estão subestimados em torno de 60%, em relação aos dados do MODIS (Figura 8a). Aproximadamente, 80% dos valores de concentração de massa estão compreendidos entre 0 e 15mg/m2 e entre 5 e 60mg/m2 para os dias sem e com a indicação de transporte pelo modelo, respectivamente. A maior concentração está entre 10 e 15mg/m2, para os dias sem a previsão de transporte, que representa cerca de 30% do total. O valor médio é de 3925 (mg/m2) para os períodos de dias que o modelo prevê transporte de fumaça para a região e de 139 (mg/m2), para o restante do tempo (Figura 8a).

O
valor médio de espessura óptica do aerossol nos dias em que o transporte é previsto pelo modelo é de 0,30,2 e para o restante dos dias é de 0,100,08. O máximo valor está entre 0,4 e 0,5 para os períodos de dias sem passagens de plumas de fumaça na região e entre 1,0 e 1,1 para os outros períodos de dias (Figura 8b). Aproximadamente, 85% dos valores estão compreendidos entre 0 e 0,1 e entre 0 e 0,5 para os dias sem e com a indicação de transporte, respectivamente. Para os dias que o modelo não prevê presença de plumas de fumaça na região, 50% dos dados indica um valor de espessura óptica do aerossol entre 0 e 0,1.

Figura 8: Distribuição de freqüência dos valores de (a) concentração de massa, dada em mg/m2, (b) espessura óptica do aerossol, na banda 0,66m, (c) tipos de partículas de aerossóis em suspensão na atmosfera e (d) coeficiente de Ångström, para o período de 01 de agosto a 07 de outubro de 2002, na região de Santa Cruz, Bolívia, obtidos pelo sensor MODIS/TERRA.
A distribuição de freqüência dos dados do tipo de partícula de aerossol indica que as quantidades de partículas provenientes de fumaça, poeira, sulfato e misturadas são praticamente as mesmas para os dois períodos de dias analisados. No período com indicação de transporte pelo modelo, as partículas provenientes de fumaça são em torno de 98% dos dados e para o restante dos dias é de 96%.

O valor médio do coeficiente de Ångström para os dias que o modelo indica transporte de plumas de fumaça é de 2,50,4, sendo que os valores estão mais concentrados entre 2,5 e 2,6. Para o restante dos dias é de 2,60,7, com uma maior concentração entre 2,2 e 2,3 (Figura 8c). Na fração da moda grossa, o aumento das concentrações de partículas maiores, nos dias que o modelo não prevê transporte quando comparado com os outros períodos está associado ao padrão de circulação. Durante estes períodos de dias, a região é atingida pela circulação anticiclônica localizada no sul da América do Sul após a passagem de sistemas frontais ou pelas massas de ar vindas do noroeste do continente. Qualquer uma das configurações transporta partículas de tamanhos maiores para a região. A fração da moda fina está associada a emissões locais de queima de biomassa (Figura 3b).

Os coeficientes de Ångström médios obtidos em todas as regiões analisadas juntamente com o desvio padrão, são mostrados na Figura 9a. A região de Ji-Paraná que representa umas das regiões fontes de emissão de queima de biomassa e consume, quase que em sua totalidade, ecossistemas de florestas (Figura 3a) tem um coeficiente de Ångström médio de 2,60,4. Na região do Brasil Central, as partículas de aerossóis apresentam, em média, um tamanho maior quando comparada com as encontradas na região de Ji-Paraná. Este aumento está associado provavelmente à suspensão de partículas de solo, mais importante sobre cerrado e pastagens do que sobre floresta (Figura 3a). Nos dias em que as plumas de fumaça são transportadas para a região de Campo Grande, as partículas tendem a diminuir de tamanho devido às emissões locais que acontecem (Figura 3b), juntamente com as partículas que são transportadas.
Figura 9:
(a) Coeficiente de Ångström médio e (b) concentração de massa média, para o período de 01 de agosto a 07 d e outubro de 2002, obtidas pelo sensor MODIS/TERRA, em todas as regiões analisadas, juntamente com o desvio padrão. Os pontos, em (b), indicam os valores médios obtidos pelo modelo.
À medida que as plumas de fumaça são transportadas e atingem as regiões de Assunção, Córdoba e Buenos Aires, as partículas apresentam tamanhos maiores quando comparadas com as encontradas na região de Ji-Paraná. Os coeficientes de Ångström médios diminuem em torno de 8%, 4% e 20% para estas regiões, respectivamente. Com exceção da região de Assunção, as outras duas regiões são afetadas somente pelas partículas de aerossóis de fumaça que são transportadas das regiões fontes de emissão (Figura 3b).

Na região oeste da América do Sul, os coeficientes de Ångström médios, nos dias indicados como havendo transporte pelo modelo, diminuem em cerca de 4% para as regiões de La Paz e Santa Cruz quando comparados com o valor médio em Ji-Paraná. Estas duas regiões são relativamente próximas uma da outra e, também, das regiões fonte de emissão de queima de biomassa (Figura 1). Na região de Cuzco há um aumento de 8% no valor médio, para os dias que há transporte de pluma de fumaça para região. Nos dias que não ocorre transporte, o coeficiente de Ångström médio na região é 14% maior do que em Ji-Paraná, indicando que o “background” na região já apresenta um coeficiente de Ångström médio maior do que o de Ji-Paraná.

Em Porto Alegre, as partículas de aerossóis de queima de biomassa que atingem a região são transportadas pela circulação de grande escala. Para a região sudeste da América do Sul, que compreende as áreas em torno de Porto Alegre e do Sudeste do Brasil, os coeficientes de Ångström médios diminuem em aproximadamente 20%. Este aumento das partículas está associado à nebulosidade presente nos sistemas frontais que pode aumentar as taxas de alguns processos responsáveis pelo crescimento das partículas. O transporte das plumas de fumaça em direção à região de Tabatinga indica um aumento de aproximadamente 14% no valor médio do coeficiente de Ångström. Na região de Quito, as partículas de aerossóis de queimada experimentam um crescimento quando são transportadas, via circulação de grande escala, para a região. O coeficiente de Ångström diminui em média 4%.

Na Figura 9b é ilustrada uma comparação entre os valores médios de concentração de massa obtidos pelo modelo e pelo sensor MODIS. Como o modelo utilizado nestas análises está parametrizado em função de partículas de aerossóis provenientes de fumaça, não faz sentido comparar todos os píxeis de concentração de massa obtidos pelo MODIS. O histograma apresentado é somente para os píxeis que correspondem às partículas de aerossóis de fumaça. Nas regiões fontes de emissão por queima de biomassa, o valor modelado está subestimado em torno de 31% na região de Ji-Paraná, enquanto que no Brasil Central há uma pequena superestimativa de aproximadamente 5%. Essa pequena discrepância, na região do Brasil Central, entre os valores modelados e observados representa uma boa aproximação, se levarmos em consideração a diferença na resolução dos dados comparados.

Nos períodos de dias que o modelo indica transporte das plumas de fumaça para as diferentes regiões da América do Sul, observa-se que praticamente todas as áreas apresentam uma subestimativa dos valores modelados em relação aos observados. Essa subestimativa varia entre 42 e 74% para a região de Porto Alegre e Cuzco, respectivamente. Os dados modelados para a região de Campo Grande estão superestimados em cerca de 44% quando comparados com os observados. Para a região Sudeste, os dados são praticamente iguais e apresentam uma boa concordância, sendo o modelado 9% menor do que o observado.

Para o restante do período, todas as regiões apresentam valores modelados abaixo dos observados. Esta subestimativa oscila entre 62% para a região de Assunção até 71% para a de La Paz. Os valores modelados para as regiões de Córdoba, Cuzco, Tabatinga, Quito e Porto Alegre são próximos de zero, enquanto que os observados ficam em torno de 10mg/m2. Novamente, para a região Sudeste a diferença entre os dados modelados e observados é menor, ficando em torno de 26%.

CONCLUSÃO

Nos períodos de dias em que o sensor MODIS detecta a entrada de massas de ar que contêm as partículas de aerossóis de queimada, o modelo identifica corretamente os principais “corredores” do transporte de plumas de fumaça para as regiões analisadas, apresentando formas e padrões bastante semelhantes aos observados.

O coeficiente de Ångström médio nas regiões de Ji-Paraná e do Brasil Central apresenta uma diferença que está associada ao tipo de biomassa que é consumida durante o processo de combustão. Nos dias em que as plumas de fumaça são transportadas para a região de Campo Grande, as partículas tendem a diminuir de tamanho devido às emissões locais, quando comparado com a região do Brasil Central. À medida que as plumas de fumaça são transportadas em direção ao sul da América do Sul, o coeficiente de Ångström médio diminui, quando comparado com o valor encontrado na região de Ji-Paraná. Esta diminuição é maior na região de Buenos Aires, onde o coeficiente de Ångström médio é 20% menor do que em Ji-Paraná.

Na região oeste da América do Sul, o coeficiente de Ångström médio diminui em aproximadamente 4% nas regiões de La Paz e Santa Cruz e aumenta em cerca de 8% na região de Cuzco, quando comparado com a região de Ji-Paraná. Nos dias em que as plumas de fumaça são transportadas para a região sudeste da América do Sul, há uma diminuição do coeficiente de Ångström médio em torno de 20%, que está associado à nebulosidade presente nos sistemas frontais. Nas regiões localizadas na parte noroeste da América do Sul, há um aumento de 14%, em Tabatinga, e uma diminuição de 4%, em Quito, no valor médio do coeficiente de Ångström.

De um modo geral, as partículas que são transportadas pela circulação de grande escala para regiões distantes do local onde são emitidas, experimentam um crescimento em seus tamanhos, como pôde ser observado pelos valores médios de coeficiente de Ångström para cada uma das 13 regiões analisadas.

As concentrações modeladas de material particulado integrado na coluna atmosférica estão subestimadas em algumas regiões. Na região de Ji-Paraná, o valor modelado está subestimado em torno de 31% e está associado à baixa detecção dos focos observados via sensoriamento remoto que são assimilados pelo modelo. Somente os focos de queimada que têm uma área relativamente grande são detectados pelo satélite. Os pequenos focos, apesar de não serem detectados, contribuem para contaminar a atmosfera com partículas de aerossóis de fumaça que são observadas pelo sensor MODIS, aumentando a concentração de massa sobre esta região.

Nas áreas remotas, nos períodos de dias que o modelo indica transporte das plumas de fumaça para as regiões, essa subestimativa varia entre 42 e 74% para a região de Porto Alegre e Cuzco, respectivamente.
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(2) CPTEC/INPE – Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Rodovia Presidente Dutra, km 40, CEP 12630-000, Cachoeira Paulista, São Paulo, Brasil, (12) 3186-8565, longo@cptec.inpe.br

(3) CPTEC/INPE – Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos/Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Rodovia Presidente Dutra, km 40, CEP 12630-000, Cachoeira Paulista, São Paulo, Brasil, (12) 3186-8538, sfreitas@cptec.inpe.br



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