PROJETO TEMÁTICO DE PESQUISA
Detecção de Sinais de Variabilidade
relacionados a Mudanças Climáticas na
Incidência e Características das
Descargas Atmosféricas no Brasil
COORDENAÇÃO GERAL
OSMAR PINTO JUNIOR
INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE)
ÍNDICE
Resumo
1- Caracterização do Problema: Fundamentação Científica
2- Objetivos e Formulação detalhada da pesquisa
3- Estratégia de Ação: Metodologia e Forma de análise dos resultados
4- Plano de trabalho e cronograma de execução do projeto
5- Referências Bibliográficas
RESUMO
Este projeto tem como objetivo a detecção de sinais de variabilidade relacionados a
mudanças climáticas na incidência e características das descargas atmosféricas registradas no
Brasil na última década e o aperfeiçoamento das atuais técnicas de observação de raios no
estado de São Paulo de modo a permitir um melhor monitoramento destas variabilidades para
o futuro. Três principais atividades estão previstas: analisar os bancos de dados de descargas
atmosféricas nuvem-solo da Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas
(BrasilDat) na região sudeste desde 1999 e de descargas atmosféricas de todos os tipos obtido
pelo sensor Lightning Imaging Sensor (LIS) no Brasil desde 1998, complementados por
dados de dias de tempestade; aperfeiçoar no estado de São Paulo a performance da BrasilDat
e implantar no estado uma rede de monitoramento de descargas intra-nuvem, de modo a
permitir melhorar e ampliar as informações disponíveis para futuros estudos; realizar
campanhas de observação com câmaras de alta velocidade de modo a avaliar o desempenho
da nova configuração da BrasilDat e da nova rede de monitoramento de descargas intranuvem no estado de São Paulo. O impacto das mudanças climáticas sobre a incidência de
descargas atmosféricas é um dos grandes desafios das pesquisas na área de eletricidade
atmosférica, conforme evidenciado no último relatório do IPCC. Os resultados do projeto
irão contribuir no entendimento de causas e tendências climáticas nas escalas regional e
local, auxiliando na implantação de políticas públicas para minimização dos impactos em
vidas e prejuízos decorrentes do fenômeno e colaborar no futuro com os objetivos do
Programa de Mudanças Climáticas recém lançado pela FAPESP.
1- Caracterização do Problema: fundamentação científica
A temperatura da atmosfera em nosso planeta tem aumentado nas últimas décadas, conforme
ilustrado na Figura 1, caracterizando um fenômeno que tem sido denominado de
aquecimento global.
Figura 1 – Média anual da temperatura observada na superfície relativa à média no período
de 1961 to 1990 (Brohan et al., 2006).
O impacto das mudanças climáticas decorrentes do aquecimento global sobre a incidência de
descargas atmosféricas no planeta é um dos grandes desafios das pesquisas na área de
eletricidade atmosférica. Tomando-se como referência o último relatório do IPCC (IPCC,
2007), tem-se que “não existem evidencias suficientes para determinar se existem tendências
de variação na incidência de eventos tais como raios”. Tal situação deve-se a diversos fatores
entre eles: às dificuldades de se obter longas e precisas séries históricas relacionadas à
incidência global de raios, ou ao menos em largas regiões, e as pequenas mudanças de
temperatura durante o período em que estes dados estão disponíveis, e às limitações na
resolução espacial dos atuais modelos climáticos. Atualmente, tais modelos estão limitados a
resoluções de centenas de quilômetros e, em conseqüência, processos físicos que ocorrem em
escalas menores tais como nuvens de tempestades não podem ser simulados de forma
completa. Tais limitações aliadas à falta de informação com respeito a diversos processos são
responsáveis em muitos casos por resultados conflitantes (Vecchi et al., 2008).
A incidência e distribuição de raios esta diretamente ligada ao clima da Terra, que por sua
vez esta relacionada com o aquecimento solar. Nas escalas diurna e sazonal, a atividade de
raios na maior parte do planeta tem um máximo umas poucas horas ou meses após o máximo
do aquecimento solar e, globalmente, devido à assimetria entre os hemisférios, ela é maior no
hemisfério norte do que no hemisfério sul, em função da maior quantidade de terra no
hemisfério norte em relação ao hemisfério sul.
Entretanto, prever mudanças na incidência de raios em resposta ao aquecimento global é uma
tarefa complexa devido à existência de inúmeros fatores, os quais respondem diferentemente
ao aquecimento da atmosfera, entre eles mudanças regionais de temperatura, mudanças na
dinâmica da atmosfera, mudanças na freqüência e intensidade de fenômenos como o El
Niño/La Niña, e mudanças na circulação oceânica. A relação entre aquecimento global e
mudanças na incidência de raios é ainda mais complexa se considerarmos que estes
processos podem atuar em diferentes escalas de tempo.
1.1 Incidência de raios versus mudanças de temperatura
Embora a atividade de descargas atmosféricas seja resultado de processos micro-físicos e
termodinâmicos essencialmente não lineares ocorrendo em toda a troposfera e dependentes
sobre inúmeros parâmetros meteorológicos, é bem estabelecido na literatura científica que os
raios são sensíveis as variações de temperatura em diversas escalas (Williams, 1992, 1994,
1999, 2005; Price, 1993; Markson and Price, 1999; Reeve and Toumi, 1999; Price and Asfur,
2006b; Sekiguchi et al., 2006; Markson, 2007; Pinto and Pinto, 2008). Entretanto, atualmente
não existem evidências de aumento na atividade global de raios em resposta ao aquecimento
global, embora existam evidências locais em centros urbanos (Pinto and Pinto, 2008) e
evidências indicando altas correlações entre a temperatura superficial do ar e a atividade de
raios em intervalos curtos de tempo (Williams, 2005; Price and Asfur, 2006a; Sekiguchi et
al., 2006).
Se por um lado não existem no momento evidências experimentais de que a atividade global
de raios esteja aumentando, por outro lado a maior parte dos modelos climáticos sugere tal
aumento (Schumann and Huntrieser, 2007). Um aumento na atividade global de raios devido
ao aumento de temperatura tem sido predito por simples modelos globais (e.g. Price and
Rind, 1994; Michalon et al., 1999), que assumem uma relação empírica entre a atividade de
raios e um parâmetro associado à atividade convectiva. Tais modelos sugerem um aumento
de cerca de 10% na atividade de raios para cada grau de aumento na temperatura. Limitações
nestes modelos têm sido discutidas por Molinié and Pontikis (1995), Price et al. (1997),
Ushio et al. (2001), Allen and Pickering (2002) e Cecil et al. (2005). Mais recentemente,
outros modelos mais detalhados têm sido desenvolvidos sugerindo um aumento da mesma
ordem (Grenfell et al., 2003; Shindell et al., 2006) e sugerindo ainda que ele deva ser mais
evidente na região tropical.
Em uma perspectiva global, a sensitividade da atividade de raios a mudanças globais na
temperatura superficial do ar tem sido estimada a partir da análise de dados de raios obtidos
por satélites (Reeve and Toumi, 1999; Ming et al., 2005), registros de dias de tempestade
(Changnon, 1988, 2001; Pinto and Pinto, 2008), medidas de vapor d’agua na alta troposfera
(Price and Asfur, 2006a), medidas do potencial elétrico do circuito elétrico atmosférico
global (Markson, 2007; Williams, 2007) e medidas da intensidade da radiação na freqüência
de Schumann (Williams, 1992; Sekiguchi et al., 2006). Entretanto, as análises são em geral
limitadas a períodos não muito longos, baixa confiabilidade nos dados ou fraca sensibilidade
das variações dos parâmetros as variações na atividade de raios.
Em uma perspectiva local, por sua vez, as variações na atividade de raios podem ser mais
complexas ainda, desde que aspectos locais podem ser tão importantes quanto aspectos
globais, entre eles mudanças na circulação local da atmosfera, efeitos provocados por
fenômenos tais como El Niño e mudanças relacionadas às atividades urbanas, tais como ilhas
de calor e poluição (Steiger et al., 2002; Pinto et al., 2004; Naccarato et al., 2003).
A sensitividade da atividade de raios a mudanças na temperatura superficial da atmosfera a
nível global pode ainda ser investigada com base em argumentos físicos. Williams (2005)
sugere que a sensitividade da atividade de raios a mudanças de temperatura diminua para
escalas mais longas de tempo, com base na hipótese de que para longas escalas de tempo a
atmosfera passe por um ajuste convectivo, à medida que o aumento de temperatura possa ser
transferido as diversas camadas da atmosfera causando uma menor mudança na energia
potencial de convecção disponível (CAPE).
1.2 Impacto das mudanças na incidência de raios sobre o aquecimento
global
Por outro lado, as mudanças na incidência de raios têm importância dentro do contexto do
próprio aquecimento global, visto que os raios ao ocorrerem alteram a química da atmosfera
e produzem compostos do tipo NOx, que afetam o equilíbrio radiativo da atmosfera e
consequentemente o ritmo do aquecimento da mesma (Rakov and Uman, 2003; Schumann
and Huntrieser, 2007; IPCC, 2007), causando um processo de realimentação entre a atividade
de raios e o aquecimento global. Neste contexto é relevante o fato de que os raios são a
principal fonte de NOx na troposfera tropical.
Vários modelos globais tem observado um aumento na concentração de NOx devido ao
aquecimento global (Schumann and Huntrieser, 2007). As estimativas variam de um aumento
de 4 a 60% na concentração de NOx para cada grau de aumento na temperatura, com um
valor médio de 15%. Outros modelos sugerem ainda significantes mudanças na distribuição
global de NOx com o aquecimento global (Stevenson et al., 2005; Sanderson et al., 2006).
Raios também produzem outros gases que afetam o equilíbrio radiativo da atmosfera através
de queimadas, tais como CO2. Mais de 100.000 incêndios são causados anualmente por raios
no mundo, sendo que cerca de 30.000 somente nos Estados Unidos (Uman, 2008). No Brasil,
tais episódios são freqüentes embora atualmente de pequenas proporções; tal situação pode,
contudo, pode alterar-se em função das mudanças climáticas.
1.3 Observações de raios no Brasil
O Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) do INPE tem realizado pesquisas sobre raios a
cerca de 30 anos, sendo responsável por inúmeras atividades pioneiras tais como:
1980 - Primeiro registro de campo elétrico atmosférico no país.
1986 - Primeiro modelo da estrutura elétrica das nuvens de tempestade no país.
1987 - Primeira tese de doutorado em eletricidade atmosférica do país.
1989 - Primeiro registro de raios no país feito do espaço.
1996 - Primeiro livro sobre raios publicado no país.
1997 - Primeiro Workshop Brasileiro sobre Eletricidade Atmosférica.
1997 - Primeiro sensor do tipo IMPACT instalado no país.
1999 - Primeiro raio artificial gerado no hemisfério sul.
1999 - Primeiro mapa da atividade de raios no país com dados de satélite a partir de
cooperação com a NASA.
2001 - Primeira observação de raios no país com câmeras de alta velocidade.
2002 - Primeiro registro de sprites no país.
2002 - Primeiro mapa de incidência de raios no país com base em dados de superfície e de
satélite.
2002 - Primeiro sensor isolado de alerta da ocorrência de descargas no país.
2003 - Primeira observação do aumento da incidência de raios em grandes centros urbanos
no país.
2003 - Primeiro centro da América do Sul a fazer parte do Comitê Internacional de
Eletricidade Atmosférica.
2004 - Primeiro modelo de eficiência de detecção para redes no país.
2004 - Primeiro mapa da incidência de descargas em tempo real com acesso livre na internet.
2004 - Primeira Conferência Internacional sobre a Física das Descargas Atmosféricas e seus
Efeitos (LPE).
2005 - Primeiro sistema integrado de alerta da incidência de descargas no país.
2006 - Primeiro sistema automático de análise de desligamentos.
2006 - Primeira Rede Brasileira de Descargas Atmosféricas (BrasilDat).
2007 - Primeiro sensor de campo elétrico do tipo "field-mill" desenvolvido no país.
2007 - Primeiro sensor do tipo LS7000 instalado no país.
2007 - Primeira central de processamento de dados de descargas do país a reprocessar dados
em tempo real.
No que se refere às publicações, o ELAT tem publicado mais de 50 artigos em periódicos
internacionais (disponíveis no Portal ELAT em www.inpe.br/elat), três livros (Pinto e Pinto,
1996, 2000; Pinto, 2005), mais de 200 artigos em anais de conferências internacionais e
inúmeros artigos de circulação nacional. Um resumo dos principais resultados das pesquisas
do ELAT esta sendo publicado como capítulos de dois livros internacionais (Pinto, 2008;
Pinto et al., 2008).
No que se referem ao escopo deste projeto, três atividades podem ser consideradas como de
maior importância: a criação da Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas
(BrasilDat), a cooperação com a NASA estabelecida em 1998 para estudo de descargas
atmosféricas com satélites (Pinto et al., 2003) e as observações com câmeras de alta
velocidade (Saba et al., 2006a, 2006b). Associados a estas atividades foram criados três
bancos de dados históricos de descargas atmosféricas.
O banco de dados de descargas nuvem-solo da BrasilDat compreende 10 anos de dados na
região sudeste e alguns anos de dados nas regiões sul, centro-oeste, norte e nordeste, as duas
últimas de forma parcial. Nos últimos anos os dados passaram por diversas processos de
qualificação, entre eles o reprocessamento para corrigir perdas de informação devido a
atrasos nos canais de comunicação da BrasilDat e a correção por modelo de eficiência de
detecção desenvolvido pelo ELAT para corrigir as variações devido as não homogeneidades
espaciais e temporais da rede de sensores da BrasilDat (Cummins et al., 1998; Schulz et al.,
2005; Pinto et al., 2006, 2007; Naccarato and Pinto, 2008).
O banco de dados de descargas totais obtido pelo sensor LIS (Lightning Imaging Sensor) a
bordo de satélite compreende cerca de 11 anos de dados. Nos últimos anos estes dados
também passaram por diversos processos de qualificação, entre eles a correção devido à
variação do tempo de observação do satélite com a latitude e as variações da eficiência de
detecção devido a Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS). Ambas as correções
foram feitas em parceria com a NASA e estendidas no território brasileiro para resoluções
menores do que aquela disponível pela NASA de forma pública.
O banco de dados de descargas observadas com câmaras de alta velocidade no sudeste do
Brasil desde 1999 tem permitido a avaliação e validação dos bancos de dados da BrasilDat e
de satélite, permitindo uma maior confiabilidade destas informações, além de determinar
diversas características específicas das descargas.
2- - Objetivos e formulação detalhada da pesquisa
O objetivo geral deste projeto é o estudo da variabilidade da atividade de raios em função das
mudanças climáticas decorrentes do aquecimento global no Brasil. De modo a atingir este
objetivo três atividades estão previstas:
1. Utilizar os bancos de dados de descargas atmosféricas da BrasilDat na região sudeste
desde 1999 e o banco de dados de descargas atmosféricas do sensor LIS desde 1998
no Brasil para identificar tendência que possam estar associadas a estas mudanças
climáticas;
2. Aperfeiçoar no estado de São Paulo as características da rede de monitoramento de
descargas nuvem-solo (BrasilDat) de modo a obter-se maior eficiência de detecção e
implantar no estado uma rede de monitoramento de descargas intra-nuvem, de modo
a permitir melhorar e ampliar as informações disponíveis para futuros estudos;
3. Realizar campanhas de observação com câmaras de alta velocidade de modo a avaliar
o desempenho da nova configuração da BrasilDat e da nova rede de monitoramento
de descargas intra-nuvem no estado de São Paulo.
O desenvolvimento destas atividades será realizado através de três subprojetos:
-
(SP01) Análise dos bancos de dados de descarga nuvem-solo da BrasilDat de modo a
verificar variações na atividade e características dos raios que possam estar relacionadas
às mudanças climáticas
Responsável: Dr. Osmar Pinto Junior Pinto
Doutores Participantes: Dra. Iara Regina Cardoso de Almeida
Dr. Kleber Pinheiro Naccarato
Dr. Earle Williams (MIT)
O objetivo específico deste subprojeto é a avaliação das variações temporais relacionadas a
condições médias e condições extremas na atividade e nas características dos raios ao longo
da última década no sudeste do Brasil, através do uso do banco de dados da BrasilDat. Entre
as características a serem investigadas destacam-se a polaridade e intensidade das descargas.
O estudo irá abranger em particular os grandes centros urbanos nesta região e vizinhanças,
em face das acentuadas mudanças climáticas entre estas regiões próximas.
-
(SP02) Análise dos bancos de dados de descarga totais do sensor LIS de modo a verificar
variações na atividade de raios que possam estar relacionadas às mudanças climáticas
Responsável: Dra. Iara Regina Cardoso de Almeida Pinto
Doutores Participantes: Dr. Osmar Pinto Junior
Dr. Kleber Pinheiro Naccarato
Dr. Steve Goodman (NOAA)
Dra. Rachel I. Albrecht (NOAA)
O objetivo específico deste subprojeto é a avaliação das variações temporais relacionadas a
condições médias e condições extremas na atividade de raios ao longo dos últimos 11 anos
no Brasil, através do uso do banco de dados de satélite. Ênfase será dada à atividade total de
descargas em nuvens de tempestade individuais e a razão de descargas intra-nuvem/nuvemsolo (Z) a partir da comparação dos dados de satélite com dados da BrasilDat.
-
(SP03) Implantação das novas redes de monitoramento de descargas
Responsável: Dr. Kleber Pinheiro Naccarato
Doutores Participantes: Dr. Osmar Pinto Junior
Dra. Iara Regina Cardoso de Almeida Pinto
Dr. Kenneth Cummins (Universidade do Arizona)
O objetivo específico deste subprojeto é a atualização da rede de sensores e da estrutura
computacional para registro das descargas nuvem-solo pela BrasilDat no estado de São Paulo
e a instalação de sensores no estado que permitam o monitoramento das descargas intranuvem.
-
(SP04) Avaliação detalhada das características do desempenho das novas redes de
monitoramento de descargas
Responsável: Dr. Marcelo Magalhães Fares Saba
Doutores Participantes: Dr. Osmar Pinto Junior
Dr. Kleber Pinheiro Naccarato
Dr. Kenneth Cummins (Universidade do Arizona)
O objetivo específico deste subprojeto é a avaliação detalhada do desempenho da nova
configuração da BrasilDat no estado de São Paulo e a avaliação da nova rede de
monitoramento de descargas intra-nuvem no estado. A avaliação será feita com o uso de
câmeras de alta velocidade operadas de forma automática, com o suporte de detectores de
campo elétrico do tipo field-mill.
3- Estratégia de ação: metodologia e forma de análise dos resultados
Nesta seção será descrita a estratégia que será empregada para o desenvolvimento dos
subprojetos, envolvendo as fontes de informação e as metodologias de análise. Esta estratégia
consiste:
- no desenvolvimento de aplicativos computacionais que permitam extrair dos dados de
descargas atmosféricas tendências tanto na atividade como nas características das descargas
atmosféricas que possam estar relacionadas a mudanças climáticas.
O uso de dados de descargas obtidos por sistemas de detecção ou sensores a bordo de
satélites em aplicações científicas requer, assim como qualquer outra técnica, uma cuidadosa
análise das informações de modo a diferenciar variações físicas relacionadas a aspectos da
natureza de variações devido ao desempenho dos sistemas. Para tal, um profundo
conhecimento do sistema/sensores e de todas as etapas até a obtenção das informações é
fundamental. A Figura 2 mostra a atual configuração da BrasilDat e exemplo de passagem do
satélite TRMM (contendo o sensor LIS) sobre a América do Sul no dia 31/12/2007.
(a)
(b)
Figura 2 – (a) Configuração atual da BrasilDat e (b) exemplo de passagem do satélite TRMM
(contendo o sensor LIS) sobre a América do Sul no dia 31/12/2007.
Atualmente, o Brasil conta com uma rede de detecção de relâmpago nuvem-solo composta
por 47 sensores (LPATS e IMPACT) instalados em doze estados do país: RS, SC, PR, SP,
MS, RJ, ES, MG, GO, TO, MA e PA (os dois últimos cobertos parcialmente), conforme
mostra a Figura 2. Esta rede, denominada BrasilDat, é o resultado da integração de três redes
regionais: (1) RINDAT (Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas,
http://www.rindat.com.br/), composta por 25 sensores instalados em cinco Estados do país:
PR, SP, RJ, ES, MG e GO; (2) SIPAM (Sistema de Proteção da Amazônia Legal,
http://www.sipam.gov.br), composta por 12 sensores que cobrem parcialmente os estados de
TO, MA e PA; (3) SIDDEM (Sistema de Informações Integradas Baseados no Sistema de
Detecção de Descargas Atmosféricas, http://www.siddem.org.br), composta por 10 sensores
instalados nos estados de RS, SC e MS. A BrasilDat é a maior rede do gênero na região
tropical do planeta e a terceira maior rede do mundo.
Os sensores LPATS fornecem apenas o horário da chegada da radiação EM gerada pelas
descargas, medindo a componente elétrica do sinal EM. Esta tecnologia de detecção é
denominada TOA (“time of arrival”). Já os sensores IMPACT são capazes de medir não só o
campo elétrico da radiação EM, fornecendo assim o horário de chegada do sinal, como
também as componentes ortogonais de seu campo magnético (através de duas antenas
ortogonais na forma de “loop”), o que lhe permitem fornecer a direção (ou azimute) da fonte
de radiação em relação ao norte geográfico. Esta última tecnologia é chamada MDF
(“magnetic direction finder”). Desta forma, os sensores IMPACT, além de serem mais
modernos que os LPATS, com inúmeras melhorias em seus circuitos internos, algoritmos de
processamento e critérios de discriminação de descargas intra-nuvem, possibilitam uma
redundância de informações (por combinarem as tecnologias TOA e MDF) que melhora o
processo de otimização da solução na central de processamento, minimizando as limitações
inerentes de cada tecnologia quando empregados separadamente e aumentando a eficiência
de detecção da rede. Todos os sensores possuem circuitos receptores de GPS, permitindo
assim precisa sincronização temporal entre eles (da ordem de 100ns), fundamental para um
bom desempenho do método TOA.
Esses sensores, à medida que vão registrando a ocorrência de descargas atmosféricas, enviam
esses dados (parâmetros da radiação EM medida) para a central de processamento do ELAT
(através de canais de comunicação dedicados), a qual calcula a localização e os principais
parâmetros físicos dos eventos, arquiva os dados brutos dos sensores e as soluções finais e
monitora constantemente o desempenho da rede. Para que seja possível obter informações
com a máxima qualificação possível, minimizando problemas como perda de dados causada
por falhas nos sensores ou interrupção/atrasos nos canais de comunicação além de alterações
na configuração física da rede devido à instalação de novos sensores ou atualizações de
equipamentos, os dados sofrem um reprocessamento a partir dos dados brutos dos sensores.
O reprocessamento dos dados de descargas atmosféricas consiste em extrair dos arquivos de
dados brutos dos sensores gravados pela central de processamento, somente os dados de
descargas atmosféricas, ordena-los cronologicamente e então recalcular todas as soluções.
Essa última etapa permite escolher diferentes configurações dos parâmetros da central e quais
os sensores participantes dentre aqueles em operação. A Figura 3 traz um diagrama
esquemático das etapas do reprocessamento dos dados.
Extração
Raw Data
DFR
Desordenado
Ordenação
DFR
Ordenado
Reprocessamento
Reprocessamento
RLFX
Binário
Sujo
Conversão Binária
Agrupamento
Conversão ASCII
Conversão Binária
RLFX
Binário
Limpo
DFF
Binário
Stroke
Conversão Binária
DFF
ASCII
Stroke
DFF
Binário
Flash
Conversão ASCII
Conversão ASCII
Conversão ASCII
RLFX
ASCII
Limpo
RLF
ASCII
DFF
ASCII
Flash
Figura 3 – Diagrama esquemático das etapas do reprocessamento indicando os tipos de dados
gerados em cada transformação.
Por fim, uma análise climatológica mais precisa da ocorrência de raios em uma dada região
somente é possível se o número de raios reportados pela rede nesta região for corrigido por
sua respectiva eficiência de detecção (ED), levando-se em conta cada período em que tenha
havido qualquer tipo de alteração na rede que potencialmente afete seu desempenho. A rede
BrasilDat, desde sua primeira integração em 1998 (na época denominada de RIDAT), sofreu
inúmeras alterações na configuração espacial de seus sensores, causadas basicamente por
falhas nos equipamentos, problemas nos canais de comunicação, troca e/ou adição de novos
sensores. Isso porque, quando um sensor pára de funcionar ou perde comunicação com a
central, ele “desaparece” da rede, alterando sua geometria. Se esse sensor está localizado
numa região onde existem vários outros sensores ao redor, sua ausência tende a ser
compensada pelos sensores remanescentes. A qualidade das soluções pode cair um pouco,
mas a ED permanece relativamente inalterada. Por outro lado, se esse sensor está localizado
na extremidade da malha, sua ausência reduz significativamente a ED da rede naquela região
específica, já que não há sensores suficientes nas vizinhanças para suprir aquela falta de
informação. O mesmo acontece quando se instala um novo sensor na rede. Como, na maioria
das vezes, essa inclusão ocorre nas extremidades da malha (visando a própria expansão da
rede), ocorrem alterações significativas em sua ED nessa região. Outra importante
característica da BrasilDat é sua heterogeneidade no que se refere ao tipo dos sensores e de
distribuição espacial. Atualmente, na rede, existem desde sensores desenvolvidos no início da
década de 1980 (LPATS-III) até os sensores mais modernos (LS7000), com características e
desempenhos bastante diferentes. Além disso, a rede possui as mais diferentes linhas de base
(distância entre dois sensores adjacentes), havendo regiões com apenas 100 km de distância
entre alguns sensores e outras regiões com distâncias superiores a 400 km. Tais aspectos
fazem com o desempenho da rede seja bastante variável, afetando diretamente a qualidade
das informações geradas. No sentido de minimizar esses efeitos, foi então desenvolvido um
modelo de eficiência de detecção (MED) para correção do número de raios em cada período
em que houve alteração da geometria da rede em função dos fatores discutidos anteriormente.
Isso possibilitou atribuir eventuais diferenças na incidência de raios entre duas ou mais
regiões a fatores físicos do fenômeno e não ao instrumento de medida em si. As Figuras 4 e 5
ilustram os dados obtidos pela BrasilDat de set/2006 a set/2007 sem correção e corrigidos
pelo MED do INPE, respectivamente. Analisando as figuras, observa-se que as diferenças
são maiores no Centro-Oeste e Norte do país devido à geometria pouco favorável da rede, a
qual não possibilita uma cobertura uniforme nessas regiões. Porém, mesmo no Sul e Sudeste
do país, existem variações que em alguns locais chegam a quase 100%.
Figura 4 – Mapa de densidade de raios para o período de set/2006 a set/2007 obtido pela rede
BrasilDat de 47 sensores sem correção pela ED.
Figura 5 – Mapa de densidade de raios para o período de set/2006 a set/2007 obtido pela rede
BrasilDat de 47 sensores corrigido pelo MED do ELAT.
Outra tecnologia bastante avançada disponível para detecção de relâmpagos é o sensor LIS a
bordo do satélite TRMM (“Tropical Rainfall Measurement Mission”) da NASA, o qual foi
lançado em 28/11/1997. O satélite possui órbita baixa (350 km de altitude) e sua inclinação
de 35º de latitude possibilita a detecção de descargas atmosféricas em todo o território
brasileiro. O sensor LIS possui uma resolução que varia de 3 a 6 km dependendo da posição
do satélite (3 km no equador e 6 km na latitude 35º) e pode imagear uma área de
aproximadamente 600x600 km. Como o satélite viaja a uma velocidade de aproximadamente
7 km/s, o sensor observa cada ponto da superfície por cerca de 90 s, passando novamente
sobre o mesmo ponto duas vezes por dia. São necessários 49 dias para que o sensor observe
igualmente o mesmo ponto em todas às horas do dia. Por detectar apenas os pulsos luminosos
dos relâmpagos, o sensor LIS não tem como diferenciar relâmpagos intra-nuvem ou nuvemsolo. Desta forma, sua informação corresponde ao número total de relâmpagos observados
com uma eficiência de detecção estimada entre 90-95%.
O ELAT, mediante um acordo de colaboração técnico-científica com o “Marshall Space
Flight Center” (MSFC) da NASA, tem acesso ao banco de dados de descargas atmosféricas
medidas pelo sensor LIS em todo mundo desde janeiro de 1998 até a presente data. Para que
se possa utilizar os dados do LIS com a máxima confiabilidade é necessário também um
processamento especial para minimizar as várias distorções nas informações causadas pela
amostragem diferenciada entre a região equatorial e tropical, pelas variações na ED do sensor
durante o dia e a noite e pelo fato do sensor não diferenciar descargas nuvem-solo e intranuvem, o que exige a comparação com dados de raios obtidos por outra técnica, no caso, a
rede BrasilDat.
Por outro lado, é conhecido também que a existência da AMAS (Pinto et al., 1992) afeta
diretamente a ED do sensor LIS em boa parte do Brasil. Isso porque, como este sensor
detecta os pulsos de luz gerados pelas descargas atmosféricas durante as tempestades, é
obrigatória a existência de filtros específicos no processamento do sinal que eliminem com a
maior eficiência possível quaisquer outras fontes de pulsos de luz que não sejam descargas
atmosféricas. Entretanto, quando o satélite passa pela AMAS, a quantidade de pulsos de luz
gerada pelas partículas de alta energia que penetram na atmosfera aumenta
significativamente fazendo com que os filtros acabem por eliminar pulsos de descargas
atmosféricas classificados erroneamente como ruído. Como efeito resultante, tem-se a
diminuição da ED do sensor para as descargas atmosféricas mais fracas, as quais geram
pulsos de luz menos intensos que são então confundidos com os ruídos gerados pelas
partículas de alta energia da AMAS.
O último passo na correção dos dados do sensor LIS é determinar o tempo de visão do sensor
em cada ponto da superfície da Terra, o chamado “view time” (VT). Este parâmetro permite
saber exatamente quanto tempo cada ponto foi observado pelo sensor durante o período
considerado. Com isso, podem-se calcular os valores de densidade de descargas atmosféricas.
A determinação dos valores de VT está diretamente relacionada com a órbita do satélite no
instante considerado, o ângulo de visada do sensor, a velocidade do satélite e a hora do dia.
A partir destas considerações, são então efetuadas as correções dos dados do sensor LIS com
base em seu tempo de visão e devido à perda de eficiência em função da luz de fundo. A
partir daí, são criados as grades de dados de incidência de descargas atmosféricas com base
nos dados já corrigidos pelas diferentes variações de sua ED em função da hora do dia,
estação do ano e órbita do satélite. A Figura 6 mostra um exemplo de mapa de incidência de
descargas obtidas a partir do sensor LIS corrigidos pela ED e VT para todo o Brasil numa
resolução de 0,5x0,5 grau. Como os dados do sensor LIS representam todas as descargas
atmosféricas, a comparação com os dados da rede BrasilDat dentro de sua área de cobertura
permite obter a razão Z.
Figura 6 – Distribuição das descargas atmosféricas no Brasil (resolução de 0,5x 0,5grau) com
base nos dados do sensor LIS. O mapa foi gerado aplicando-se as correções pela ED dos
sensores e o VT.
- no aperfeiçoamento das observações de descargas nuvem-solo feitas pela BrasilDat no
estado de São Paulo com a substituição de sensores instalados a cerca de uma década por
sensores de última geração e na implantação de uma rede de monitoramento de descargas
intra-nuvem.
Em linhas gerais, um sistema de detecção de relâmpagos consiste em uma rede de sensores
de radiação eletromagnética (EM) interligados a uma central de processamento capaz de
detectar a ocorrência de descargas atmosféricas e identificar a localização de sua fonte de
radiação. Atualmente, existem diferentes tecnologias de detecção que permitem identificar e
localizar tanto relâmpagos nuvem-solo quanto descargas intra-nuvem em função,
basicamente, da faixa de freqüência em que os sensores operam (Pinto, 2005).
No caso de descargas nuvem-solo, a localização da fonte de radiação tende a coincidir com o
ponto de impacto do raio na superfície, obviamente com um erro intrínseco devido ao próprio
processo de detecção e localização. Na verdade, esse erro no posicionamento, ou mais
comumente denominado de precisão de localização (PL), é resultado de uma soma de erros
sistemáticos e randômicos tanto nas medidas fornecidas pelos sensores quanto no algoritmo
matemático de triangulação usado para calcular as coordenadas geográficas do evento. Além
do erro de localização, outro parâmetro importante de uma rede é sua eficiência de detecção,
ou seja, qual o percentual de eventos que ela consegue registrar em relação o número real de
ocorrências. Isso porque não existe um sistema de detecção que seja capaz de registrar todos
os eventos que ocorrem. Para a faixa de freqüência de 10 a 350 kHz (LF), utilizada pela
BrasilDat para a detecção de descargas nuvem-solo, o limite da tecnologia atualmente
existente no mundo estabelece uma PL média de 200 m e ED média de 95%, com base em
sensores do tipo LS7001 fabricados pela empresa Vaisala Inc. Atualmente, no estado de São
Paulo, a BrasilDat possui sensores do tipo LPATS-IV e IMPACT, instalados ao longo da
última década, e apresenta como características PL entre 500 e 1000 m e ED entre 70 e 85%.
Além disso, devido ao desgastes provocados pelo tempo de operação o “uptime” dos
sensores tem se reduzido consideravelmente. Tais limitações embora possam ser
parcialmente superadas através de modelos, tem resultados limitados principalmente no que
se referem às descargas de fraca intensidade (pico de corrente abaixo de 10 kA), uma
componente muito pouca estudada até hoje.
Para as descargas intra-nuvem, uma vez que não há um ponto de impacto no solo, os sistemas
de detecção devem tentar localizar essas fontes da radiação EM à medida que ocorrem no
interior das nuvens de tempestade. Além disso, devido ao fato de que estas descargas
produzem radiação com pico em freqüências principalmente em VHF, sua detecção em LF
requer sensores com alta sensibilidade. Atualmente, no estado de São Paulo, os sensores da
BrasilDat não detectam estas descargas.
Este subprojeto tem como meta a aquisição e instalação de cinco sensores LS7001 para
substituírem alguns dos atuais sensores da BrasilDat no estado de São Paulo e acrescentar um
sensor em um novo local no estado, de modo a permitir uma melhora do desempenho da
BrasilDat e o monitoramento de descargas intra-nuvem. Dois sensores LS7000 (versão
anterior do sensor LS7000, com diferenças apenas de ordem mecânica) já foram instalados
no estado pelo INPE em Cachoeira Paulista e São José dos Campos em 2007 pelo ELAT,
ainda não incorporados a BrasilDat. Estudos realizados com estes sensores em comparação
com os sensores IMPACT instalados nestes mesmos locais e com observações com câmeras
rápidas no verão de 2008 mostraram que a PL e a ED nesta região do estado subiu para os
valores citados anteriormente e que cerca de 50% das descargas intra-nuvem foram
detectadas. Este resultado é bastante expressivo, tendo-se em conta que os recursos utilizados
são muito inferiores aqueles que seriam utilizados para monitorar estas descargas por um
sistema em VHF. As informações obtidas sobre descargas nuvem-solo de fraca intensidade e
descargas intra-nuvem permitirão o surgimento de novos campos de pesquisa e possibilitarão
de forma mais abrangente no futuro avaliar o impacto das mudanças climáticas sobre as
descargas atmosféricas, bem como seu impacto sobre estas mudanças.
- na realização de campanhas de observação de descargas com câmeras de alta velocidade e
detectores de campo elétrico para avaliação do desempenha das novas redes.
De modo que a nova configuração da rede BrasilDat e a nova rede de monitoramento de
descargas intra-nuvem no estado de São Paulo possam fornecer informações com alto nível
de confiabilidade para estudos futuros é fundamental que os dados das mesmas sejam
avaliados por uma técnica independente, com alto nível de detalhamento das descargas
individuais. O ELAT tem desde 1999 operado câmaras de alta velocidade em diferentes
regiões do Brasil para o estudo das descargas atmosféricas (Saba et al., 2006a, 2006b) e para
a análise do desempenho da atual rede BrasilDat (Ballarotti et al., 2006).
Este subprojeto pretende utilizar a metodologia já empregada na avaliação da BrasilDat para
a avaliação das novas redes a serem implantadas por este projeto, complementada com
sensores de campo elétrico do tipo “field-mill” para aumentar a confiabilidade e o número de
descargas registradas.
4- Plano de trabalho e cronograma de execução do projeto
A Tabela abaixo descreve as principais atividades a serem realizadas e o cronograma de
execução das mesmas.
Atividade
01
02
03
04
05
06
07
08
09
01
X
X
X
X
X
2009
02 03
X
Cronograma de Execução (ano/trimestre)
2010
2011
04 01 02 03 04 01 02 03 04 01
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
2012
02 03
04
10
11
X
X
X
X
X
X
01 – Importação de 5 (cinco) sensores de raios LS7001 para atualização da rede BrasilDat e
monitoramento de descargas intra-nuvem.
02 – Aquisição de infra-estrutura computacional para armazenamento e processamento dos
novos dados.
03 – Importação da nova versão do software de processamento da central de processamento
de dados de raios.
04 – Importação de 3 (três) câmeras de alta velocidade para validação das novos dados de
raios.
05 – Instalação dos sensores LS7001 e da nova versão do software da central de
processamento.
06 - Desenvolvimento de aplicativos para posterior análise dos bancos de dados de descargas.
07 – Preparação dos novos bancos de dados para registrar as novas informações.
08 – Realização de campanhas com câmeras rápidas para validar os novos sistemas de
detecção.
09 – Tratamento e análise de dados da BrasilDat, do sensor LIS e de descargas intra-nuvem.
10 – Análise dos resultados e publicações de artigos.
11 – Elaboração do relatório final do projeto.
5- Referências Bibliográficas (fonte reduzida devido à limitação de páginas)
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