EFEITOS CLIMÁTICOS DOS AEROSSÓIS ATMOSFÉRICOSE A QUEIMA DA BIOMASSA

Reginaldo Rosa Cotto de Paula

rcotto@mec.puc-rio.br

Universidade Federal do Espírito SantoUniversidade Federal do Espírito Santo20052005

INTRODUÇÃO

As emissões antropogênicas dos aerossóis atmosféricos tem aumentado significativamente nos últimos 156 anos, podendo causar vários

impactos ambientais, que incluem...

EFEITOS ADVERSOS A SAÚDE HUMANA

Partículas da moda grossa (2,0 m dap 100 m):

Partículas com dap 10m: retidas no nariz e nasofaringe e eliminadas através da tosse, espirros e aparelho

mucociliar.

Partículas com dap 10 m ficam retidas nas vias aéreas superiores e podem ser depositadas na árvore

traqueobrônquica.

Partículas da moda fina (0,001 m dap 2,0 m):

Podem causar alterações nos tecidos pulmonares, aumentando o agravamento das doenças cardiopulmonares.

Partículas ultrafinas: Depositam se nos alvéolos pulmonares e podem contribuir para deteorização da saúde.

REDUÇÃO DA VISIBILIDADE

Source: Artaxo, 2002.

Bacia Amazônica

Dia limpo

Visibilidade ~ ? ? ? km

CCN ~ 50 – 200 cm-3

BC ~ 0,1 – 0,2 mg m-3

Dia poluído

Visibilidade ~ 800 m

CCN ~ 3000 – 6000 cm-3

BC ~ 7 – 20 mg m-3

Ji-Paraná – Rondônia

Dia poluído Dia limpo

Source: Procópio, 2003

Os aerossóis atmosféricos podem agir como CCN (cloud condensation nuclei) durante o processo de formação das nuvens.

Mudanças na micro-física, micro-química e propriedades ópticas das nuvens.

Primeiro Efeito Indireto

Redução no raio das gotículas de nuvens + mais gotículas = aumento no albedo (Twomey, 1977).

Segundo Efeito Indireto

Redução na precipitação

Aumento na cobertura de nuvens

Aumento no tempo de residência

(IPCC, 2001).

More CCNSmaller CN

Polluted cloudClean cloud

Drizzle

EFEITO INDIRETO DOS AEROSSÓIS

Espalhamento e absorção da radiação de onda curta e de onda longa.

EFEITO DIRETO DOS AEROSSÓIS

EFEITO DIRETO DOS AEROSSÓIS

Absorção

+SW

(negative forcing)(negative

forcing)

-F

-F

+F(positive forcing)

TOA TOA

SurfaceSurface

Espalhamento

Ex.:Sulfatos, nitratos e orgânicos Ex.: Black carbon (fuligem)

EFEITOS CLIMÁTICOS DOS GEF E AEROSSÓIS

Gases de efeito estufa podem causar uma forçante positiva (aquecimento) e os cientistas tem um bom conhecimento de como eles causam as mudanças climáticas.

O EDA é umas das principais incertezas nos estudos climáticos. A comunidade científica entende muito pouco de como os aerossóis podem causar alterações no sistema climático.

O efeito direto dos aerossóis podem ter uma forçante negativa (resfriamento) que varia de 0 a 2,5 Wm-2, exceto no caso do black carbon.

O AEROSSOL ATMOSFÉRICO

Os aerossóis são definidos como partículas sólidas ou líquidas em suspensão em um gás.

Aerossóis de origem primária: sal marinho, aerossol mineral, poeira vulcânica, fuligem (black carbon), etc.

Aerossóis secundários: aerossol sulfato e nitratos.

Fontes naturais: erupções vulcânicas, poeiras provenientes do solo, vegetação (aerossol biogênico), etc.

Fontes antropogênicas: queima de combustíveis fósseis, mudanças do uso da terra e a queima da biomassa.

CICLO DE VIDA DOS AEROSSÓIS NA ATMOSFERA

Emissões veicularesIndústrias

Queima biomassa

SO2, NOx, Orgânicos

Oxidação, Nucleação

Ativação

fuligem,

orgânicos,

poeira,

sal marinho

CCN

Aerossol secundárioAerossol primário

Condensação, crescimento, Coagulação

Remoção

AS PROPRIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS E ÓPTICAS DOS AEROSSÓIS

Um grande número de propriedades dos aerossóis são importantes para descrever o seu papel nos processos atmosféricos.

Concentração, sua massa, seu tamanho, composição química e propriedades ópticas.

DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO

O estudo da distribuição de tamanho dos aerossóis é importante pois…

Tempo de residência atmosférico, efeitos ambientais (formação de nuvens, degradação da visibilidade).

Identificação das propriedades químicas e ópticas, fontes de origem e danos a saúde humana.

As variações na distribuição de tamanho dos aerossóis fortemente influencia as propriedades radiativas dos aerossóis.

DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO DOS AEROSSÓIS NA ATMOSFERA

Representação esquemática da distribuição da área superficial dos aerossóis, Whitby e Cantrell (1976).

A COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AEROSSÓIS

A composição química dos aerossóis reflete a sua fonte de origem e seus precursores.

Pode-se identificar: propriedades ópticas, impactos ambientais, efeitos na qualidade do ar e na saúde humana.

Composição química elementar

Fontes

Material carbonáceo Partículas de fuligem primárias emitidas durante os processos de combustão e material orgânico secundário formado na atmosfera. Queima de combustíveis fósseis em motores de combustão interna e queima da biomassa. Partículas emitidas: carbono orgânico e principalmente carbono elementar (black carbon).

Sulfato Aerossol secundário formado pela conversão do vapor do ácido sulfúrico, devido à oxidação atmosférica do SO2 e seus precursores

(sulfato dimetil) para sulfato.

Nitrato Aerossol secundário formado pela conversão do vapor de ácido nítrico, devido à oxidação atmosférica do N2 para nitrato.

Amônia Aerossol secundário proveniente das emissões de amônia, principalmente na agricultura, que reage na atmosfera com ácidos sulfúricos e nitratos. Está presente na atmosfera principalmente como sulfato amônia e nitrato amônia.

Magnésio e compostos de sódio Proveniente do sal removido do gelo de rodovias e principalmente do spray marinho.

Potássio e compostos de cálcio Associados com rochas e solos e entram na atmosfera principalmente por processos de re-suspensão e erosão.

Cloro As principais fontes são o sódio e o sal-marinho. Pode também ser originado durante a queima de carvão e processos de incineração.

Material biogênico Emitido de fontes biológicas. A vegetação florestal é a principal fonte. Composta de diferentes partículas: polens, bactérias, esporos, fungos, algas, etc.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA DOS AEROSSÓIS

AS PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS AEROSSÓIS ATMOSFÉRICOS

Importantes para avaliar a influência dos aerossóis nas mudanças climáticas.

Propriedades ópticas: coeficientes de extinção, absorção e espalhamento, fator de assimetria, espessura óptica dos aerossóis, função de fase, etc.

As propriedades ópticas dos aerossóis apresentam uma variabilidade espacial e temporal (Masmoudi et al., 2003).

Variabilidade temporal esta relacionada com os diferentes processos de escalas atmosféricos (Ristori et al., 2003).

Variabilidade espacial é associada com eventos locais e regionais de emissões naturais e antropogênicas (Ristori et al., 2003).

FORÇANTE RADIATA DIRETA DOS AEROSSÓIS

O termo forçante radiativa tem sido empregado para denotar uma perturbação externa no balanço líquido da energia radiativa do sistema

climático da Terra (IPCC, 1996).

Os aerossóis antropogênicos podem espalhar e absorver a radiação de onda curta e onda longa, portanto, eles perturbam o balanço de energia

do sistema superfície-atmosfera, e assim, exercem uma forçante radiativa direta.

AS PROPRIEDADES RADIATIVAS DOS AEROSSÓIS

2232 NOOHOORTa

Coeficiente de extinção

Espessura óptica dos aerossóis

pppextp

pppespp

p

dRRnRQR

dRRnRQR

)(),(

)(),()(

0

2

0

2

Albedo espalhamento simples

apepext bbb

Fração do espalhamento “para cima”

Dependência com o raio da partícula e ângulo de zênite solar

Relação entre a fração do espalhamentopara cima e o hemisfério da partícula como função do ângulo de zênite solar.

Fração de luz que é espalhada pela partícula acima de seu horizonte local.

MODELAGEM DO EFEITO DIRETO DOS AEROSSÓIS – MODELOS BOX

A FRD dos aerossóis é dada por:

abssespsaco RRTAFF

41)1(

4

1 22

soleL

raea dssPsrIbT

nbsrIbbds

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0

42

')'('exp),'(),'(exp),(),( '1 dsrbrrsrJsrJrrsrIsrI ext

rrror

r

EQUAÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA RADIATIVA:

Aplicação da conservação da energia num meio que absorve, espalha e emite a radiação térmica.

Forma integral da ETR

Forma diferencial da ETR

MODELAGEM NUMÉRICA DO EFEITO RADIATIVO DIRETO DOS AEROSSÓIS

A QUEIMA DA BIOMASSA

Nas regiões tropicais tem ocorrido um aumento significativo das emissões de aerossóis provenientes dos incêndios naturais sazonais ou intencionais.

A queima da biomassa é uma prática comum para converter a vegetação em campos de pastagem, removê-la para promover a agricultura e na

eliminação de resíduos após as colheitas.

A fumaça da queima da biomassa pode causar perturbação no balanço de radiação local, regional e até global.

O maior percentual de aerossóis produzidos pela queima de biomassa é de partículas com dap 2,0m, em proporção de aproximadamente 90%

(EPA, 1998a).

AS QUEIMADAS NAS REGIÕES DA AMAZÔNIA E DE CERRADO BRASILEIRO

Amazônia: 5,5 milhões de km2, taxa de desflorestamento: 20 – 30000 km2 por ano. Concentrações de aerossóis variam de 5-12 g/m3 sem influência das queimadas para 500 g/m3 em regiões afetadas pela queima da biomassa.

Cerrado: 2,0 milhões de km2, 22% do território nacional, 40% de sua extensão atualmente são transformados em pastagens cultivadas e agricultura

intensiva.

O atual conhecimento científico é insuficiente para avaliar quais os impactos ambientais causados pelas mudanças climáticas relacionadas às atividades

antropogênicas.

A Amazônia é uma região de meteorologia com intensa atividade convectiva (Greco et al., 1990).

A fumaça de queimadas cobre áreas de milhões de km2

Tipo de partícula Fontes e composição

Aerossol biogênico primário Emitidos pela vegetação. Partículas da moda grossa (dap 2,5m). Pólens, esporos,

bactérias, fungos, etc. Elementos associados: P, S e Zn

Aerossol biogênico secundário

Formados pela conversão de gases biogênicos a partículas. Compostos principalmente por partículas da moda fina (0,001 m dap 2,5 m).

Poeira mineral Mudanças do uso da terra. Elementos associados: Al, Si, Mg, Fe, Ti e Cl.

Aerossol marinho Sal do mar. Principal componente: Cl

Aerossol da queima da biomassa

Incêndios sazonais e antropogênicos. Principal elemento é o black carbon. Outros: MPF, K, Cl, Zn, etc. Predominância de partículas com dap 2,5 m.

Mecanismos de geração de aerossóis na Região Amazônica

Poeira do Sahara

Cluster de fumaça

Flaming Fumaça Smoldering

Amazônia: Cluster

Biogênico

Tipos de aerossóis encontrados na Amazônia

Superfície: - 23±2 w/m²

Topo: - 7±1 w/m²

AtmosAtmosffereraa: + 16: + 16±2 w/m²±2 w/m²

INDOEX Forçante média para céu limpo

superfície: oceanoAOT (=0.3 em 630 nm); média 24 horas

Jan-Mar 99

superfície: vegetaçãoAOT (=0.95 em 500nm); média 24 horas

7 anos (93-95, 99-02 Ago-Out)

Topo: - 10 w/m²

AtmosAtmosffereraa: + 28: + 28 w/m² w/m²

Superfície: - 38 w/m²

AmazôniaForçante média para céu limpo

Aline Procópio Ramanathan, 2000

Impactos ambientais devido o aumento significativo das emissões dos aerossóis

Aumento das concentrações de CCN;

Supressão da formação de nuvens baixas;

Redução da radiação solar que atinge a superfície;

Significativa redução da visibilidade;

Aumento nos valores da forçante radiativa na superfície (negativa) e na atmosfera (positiva).