EFEITOS CLIMÁTICOS DOS
AEROSSÓIS ATMOSFÉRICOS
E A QUEIMA DA BIOMASSA
Reginaldo Rosa Cotto de Paula
[email protected]
Universidade Federal do Espírito Santo
2005
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  10m: 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
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
Source: Artaxo, 2002.
Ji-Paraná – Rondônia
Dia limpo
Dia poluído
Source: Procópio, 2003
EFEITO INDIRETO DOS AEROSSÓIS
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
Clean cloud
Polluted cloud
More CCN
Smaller CN
Redução no raio das gotículas de
nuvens + mais gotículas = aumento
no albedo (Twomey, 1977).
Segundo Efeito Indireto
Drizzle
Redução na precipitação
Aumento na cobertura de nuvens
Aumento no tempo de residência
(IPCC, 2001).
EFEITO DIRETO DOS AEROSSÓIS
Espalhamento e absorção da radiação de onda curta e de onda longa.
EFEITO DIRETO DOS AEROSSÓIS
Espalhamento
TOA
+DSW
-DF
Absorção
TOA
(negative
(negative
forcing)
forcing)
+DF
(positive
forcing)
Surface
-DF
Ex.:Sulfatos, nitratos e orgânicos
Surface
Ex.: Black carbon (fuligem)
EFEITOS CLIMÁTICOS DOS GEF E AEROSSÓIS
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.
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 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
Aerossol
primário
CCN
Aerossol secundário
Condensação,
crescimento,
Coagulação
fuligem,
Oxidação,
Nucleação
orgânicos,
poeira,
sal marinho
SO2, NOx, Orgânicos
Indústrias
Queima
biomassa
Emissões
veiculares
Ativação
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 DOS AEROSSÓIS
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.
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
bext  bep  bap
a  T  R  O2  O3  H2O  NO2

R Q

 ( ) 
 R Q
p
0

0
2
p
esp
(, R p )n( R p ) dRp
2
p
ext
(, R p )n( R p )dRp
Coeficiente de extinção
Espessura óptica dos
aerossóis
Albedo espalhamento
simples
Fração do espalhamento “para cima”
Fração de luz que é espalhada pela partícula acima de seu horizonte local.
Relação entre a fração do espalhamento
para cima e o hemisfério da partícula como
função do ângulo de zênite solar.
Dependência com o raio da
partícula e ângulo de zênite
solar
MODELAGEM DO EFEITO DIRETO DOS
AEROSSÓIS – MODELOS BOX
A FRD dos aerossóis é dada por:


1 
DF    Fo (1  Ac )Ta2 1  Rs2   esp  4Rs  abs
4 

MODELAGEM NUMÉRICA DO EFEITO
RADIATIVO DIRETO DOS AEROSSÓIS
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
 
 
 
I (r , s )  I (r , s ) exp   r  rr 
 
 
 '







J
(
r
'
,
s
)

J
(
r
'
,
s
)
exp


r
'

r
b
(
r
o

r
ext ' ) ds'
  1
r  rr
Forma diferencial da ETR
 
4
 
 
be 4  
dI (r , s )
2 TL
 (ba  be ) I (r , s )  ba nr

I ( r , s´ )P (s , s´ )d sol
ds
 4 0

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  2,0m, 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
Mecanismos de geração de aerossóis na Região Amazônica
Tipo de partícula
Fontes e composição
Aerossol biogênico primário
Emitidos pela vegetação. Partículas da moda
grossa (dap  2,5m). 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.
Tipos de aerossóis encontrados
na Amazônia
Poeira do
Sahara
Flaming
Fumaça Smoldering
Cluster de
fumaça
Amazônia:
Cluster
Biogênico
Amazônia
INDOEX
Forçante média para céu limpo
Forçante média para céu limpo
Aline Procópio
Topo: - 10 w/m²
Atmosfera: + 28 w/m²
Superfície: - 38 w/m²
superfície: vegetação
AOT (=0.95 em 500nm); média 24 horas
7 anos (93-95, 99-02 Ago-Out)
Ramanathan, 2000
Topo: - 7±1 w/m²
Atmosfera: + 16±2 w/m²
Superfície: - 23±2 w/m²
superfície: oceano
AOT (=0.3 em 630 nm); média 24 horas
Jan-Mar 99
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).