anuário do igeo - ufrj

ANUÁRIO DOINSTITUTO DEGEOCIÊNCIAS

EditorIsmar de Souza Carvalho

Editores Associados

José Ricardo de Almeida França Gerson Cardoso da Silva Jr.

2009

Volume 32 - 2

Rio de Janeiro - Brasil

ENDEREÇO:Universidade Federal do Rio de JaneiroCentro de Ciências Matemáticas e da NaturezaInstituto de GeociênciasAv. Athos da Silveira Ramos, 274 - Cidade Universitária, CCMN, bloco F Cidade Universitária - Rio de Janeiro - 21941-916 - BrasilTelefone: (21) 2598-9405Fax: (21) 2598-9474

Editor: Ismar de Souza Carvalho - [email protected] Editores Associados: José Ricardo de Almeida França, Gerson Cardoso da Silva Jr.Produção Gráfica e Web design: Almir Miranda da Silva - [email protected]: 500 exemplares

Anuário do Instituto de Geociências - UFRJ.V. 1 (1977). Rio de Janeiro: UFRJ / CCMN / IGEO, 1977

Semestral

V. 32-2. Anuário do Instituto de Geociências - UFRJ

ISSN 0101-9759 e-1982-3908

1. Geociências - Periódicos I. UFRJ. Instituto de Geociências

PEDE-SE PERMUTA / WE ASK FOR EXCHANGERio de Janeiro / 2009 ISSN 0101-9759 e-1982-3908

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ReitorProf. Aloisio Teixeira

Vice-ReitoraProfª Sylvia da Silveira Mello Vargas

Decana do Centro de Ciências Matemáticas e da NaturezaProfª. Ângela Rocha dos Santos

INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS

DiretorProf. João Graciano Mendonça Filho

Vice-DiretorProf. Julio Cezar Mendes

Diretor Adjunto de Pós-GraduaçãoProf. José Ricardo de Almeida França

Diretor Adjunto de GraduaçãoProf. Ismar de Souza Carvalho

Diretor Adjunto de ExtensãoProf. Antonio José Texeira Guerra

Departamento de GeografiaChefe: Prof. André Avelar

Departamento de GeologiaChefe: Profa. Cláudia Gutterres Vilela

Departamento de MeteorologiaChefe: Prof. Edson Pereira Marques Filho

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Conselho Consultivo Anuário

Alcides Nóbrega Sial (UFPE, Brasil)André Avelar (UFRJ, Brasil)Ausenda Cáceres Balbino (Universidade de Évora, Portugal)Cees W. Passchier (Universidade de Mainz, Alemanha)Cláudia Gutterres Vilela (UFRJ, Brasil)Cláudio Ricomini (USP, Brasil)Cristina Maria Pinheiro de Campos (Universidade de Munique, Alemanha)Edson Pereira Marques Filho (UFRJ, Brasil)Emílio Velloso Barroso (UFRJ, Brasil)Henyo Trindade Barretto Filho (UnB, Brasil)Isabel Trigo (Instituto de Meteorologia, Portugal)José Henrique Gonçalves Melo (Petrobras, Brasil)Luiz Augusto de Toledo Machado (Centro Técnico Aeroespacial/CTA, Brasil)Marcello Guimarães Simões (USP, Brasil)Márcio Martins Pimentel (Universidade de Brasília, Brasil)Maria Antonieta da Conceição Rodrigues (UERJ, Brasil)Maria Helena Paiva Henriques (Universidade de Coimbra, Portugal)Marisol Manzano (Universidad de Cartagena, Espanha)Michael Holz (UFRGS, Brasil)Miguel Carlos Telles Antunes (Universidade Nova de Lisboa, Portugal)Mônica Pereira Lavalle Heilbron (UERJ, Brasil)Narendra Kumar Srivastava (UFRN, Brasil)Norma Maria da Costa Cruz (CPRM, Brasil)Ralph Molnar (Flagstaff Museum, Estados Unidos)Reinaldo Bonfim da Silveira (Instituto Nacional de Meteorologia/INMET, Brasil)Rosane Manhães Prado (UERJ, Brasil)Seth Garfield (Texas University, Estados Unidos da América)Wagner Souza-Lima (Petrobras, Brasil)Valderez Pinto Ferreira (UFPE, Brasil)Xavier Sanches Vila (Universidad Politecnica de Cataluña, Espanha)Zulma Gasparini (Universidad de La Plata, Argentina)

Este volume contou com a colaboração de:

Claudine Dereczynski, Everton Bongiolo, Felipe Mesquita de Vasconcellos, Gerson Cardoso da Silva Jr. e José Carlos Sícoli Seoane,

Anuário do Instituto de Geociências - UFRJ ISSN 0101-9759 e-ISSN 1982-3908 - Vol. 32 - 2 / 2009

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Sumário

A Review Paper: Contributions from the Gravity and the Kelvin Modes for the Vertical Motion ResponseUma Revisão: Contribuições dos Modos de Gravidade ede Kelvin para a Resposta do Movimento VerticalJulio Buchmann...........................................................................................................................................09-13

Mapeamento Geoecológico da Susceptibilidade à Ocorrência de Incêndios no Maciço da Pedra Branca, Município do Rio de JaneiroGeoecological Susceptibility Mapping of Wildfires in Pedra Branca Massif, Rio de Janeiro CityPedro Henrique Ferreira Coura; Gustavo Mota de Sousa & Manoel do Couto Fernandes............................................................................14-25

Caracterização Mineralógica e Tecnológica do Caulim de Silvânia, Estado de GoiásMineralogical and Technological Characterization of Kaolin From Silvânia, Goiás StateLuiz Carlos Bertolin; Bruno Carvalho Mendonça; Sérgio Botelho de Oliveira; Adão Benvido da Luz & Fabrício Ribeiro Freire...........................................26-32

Estrutura Microfísica das Nuvens em Diferentes Ecossistemas da América do SulMicrophysical Structure of Clouds in Different Ecosystems of South AmericaBruno Muniz Duarte & José Ricardo de Almeida França..........................................................................33-41

Megafauna do Quaternário tardio de Baixa Grande, Bahia, BrasilMegafauna of the late Quaternary from Baixa Grande, Bahia, BrazilRicardo da Costa Ribeiro & Ismar de Souza Carvalho...............................................................................42-50

Favorabilidade de Aquíferos Fraturados - Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos- Estado do Rio de JaneiroHydrogeological Favorability of Fractured Aquifers – São Domingos River Basin, Rio de Janeiro StateLuana Alves de Lima; Gerson Cardoso da Silva Jr.;

Juliana Magalhães Menezes & Vinícius da Silva Seabra............................................................................51-61

Normas para Publicação...........................................................................................................................62-67


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Anuário do Instituto de Geociências - UFRJ www.anuario.igeo.ufrj.br

A n u á r i o d o I n s t i t u t o d e G e o c i ê n c i a s - U F R JISSN 0101-9759 e-ISSN 1982-3908 - Vol. 32 - 2 / 2009 p. 9-13

A Review Paper: Contributions from the Gravity and the Kelvin Modes for the Vertical Motion Response

Uma Revisão: Contribuições dos Modos de Gravidade ede Kelvin para a Resposta do Movimento Vertical

Julio Buchmann

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Departamento de Meteorologiado Instituto de Geociências, Ilha do Fundão, 21949-900,

Av. Athos da Silveira Ramos s/no, Rio de Janeiro, RJ, Brasile-mail: [email protected]

Recebido em: 04/05/2009 Aprovado em: 19/10/2009

Resumo

Uma série de integrações do Modelo da Comunidade Climática do Centro Nacional de Pesquisas Atmosféricas com uma fonte anômala tropical de calor mostra regiões de pronunciada subsidência e de seca localizadas a 3000 km a oeste da fonte de calor em direção aos pólos para casos do Atlântico e do Pacifico leste tropicais aquecidos.A alta predictabilidade do movimento descendente e estabelecida dentro dos cinco primeiros dias destas integrações. Os modos normais do conjunto de equações primitivas não lineares para uma atmosfera: Adiabática, hidrostática, incompressível, seca, sem atrito e viscosidade são linearizadas com relação ao estado básico em repouso e usadas para a partição da resposta do modelo em modos de inércia gravidade e de Rossby. A ênfase desta revisão e dada para as contribuições dos modos de gravidade e de Kelvin para a resposta do movimento vertical.Palavras-chave: clima; dinâmica global; modelagem atmosférica; ondas atmosféricas

Abstract

In earlier papers of a series of real data integrations of the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Community Climate Model (CCM) with tropical heat anomalies display regions of pronounced subsidence and drying located several thousand kilometers westward poleward of the heating for cases of tropical Atlantic heating and tropical east Pacific heating. This highly predictable sinking response is established within the first five days of these integrations. The normal-modes of a set of nonlinear primitive equations for an atmosphere: Adiabatic, hydrostatic, incompressible, dry, without friction and viscosity are linearized about a basic state at rest and used to partition model response into gravity-inertia and Rossby modes. The emphasis of this review is given upon the contributions of the gravity and Kelvin modes for the vertical motion response.Keywords: climate; global dynamics; atmospheric modeling; atmospheric waves

10A n u á r i o d o I n s t i t u t o d e G e o c i ê n c i a s - U F R JISSN 0101-9759 e-ISSN 1982-3908 - Vol. 32 - 2 / 2009 p. 9-13

A Review Paper: Contributions from the Gravity and the Kelvin Modes for the Vertical Motion ResponseJulio Buchmann

1 Introduction

A series of earlier simulations using real data were performed with NCAR CCM (a set of nonlinear primitive equations for an atmosphere: Diabatic, compressible, hydrostatic, wet, with friction and without viscosity) see Williamson et al. (1987). These studies simulations above were developed by Buchmann et al. (1986), Paegle et al. (1987), Buchmann et al. (1990) and Buchmann et al. (1995a) where they investigated the teleconnections between tropic-extratropic to heating source anomalies located at the tropical region.

The purpose of the present study is to explore the dynamical basis of the tropic-extratropic connections noted in our earlier studies based only in the contributions of the gravity and Kelvin waves see Wallace & Kousky (1968) and Madden & Julian (1972) that in this study using cross-espectral analyses suggests an eastward-moving wave in the equatorial region.

Gill (1980) and Buchmann et al. (1986) studied the Kelvin modes response for heating source anomalies. Buchmann (2000) studied the gravity and Rossby modes for vertical motion response and found that the most important contribution comes from the gravity waves.

Section 2 describe the contributions from the gravity and Kelvin modes for the vertical motion response. Section 3 presents the conclusions.

2 Partitioning Vertical Motion Response into Contributions from the Gravity and Kelvin modes

The numerical integrations discussed in this section were done with 9-level NCAR CCM truncated at rhomboidal 15, as described by Paegle et al. (1987) and Ramanatham et al. (1983) have documented characteristics of this version of the NCAR CCM, wich included convective adjustment, solar and infrared radiation, as well as surface drag and heat and moisture fluxes.

The experiments and controls were projected onto the vertical and horizontal structure functions, as done by Paegle & Mo (1988), these functions are obtained by separating the solution of the nonlinear

primitive equations for an atmosphere with the same physical hypothesis as mentioned above in the abstract and linearized about a basic state at rest studied and proposed by Kasahara & Puri (1981) and Buchmann (2008) that can also be seen in the papers of Kasahara & Qian (2000) and Qian & Kasahara (2003) with less restrictives suppositions (for an atmosphere: Adiabatic, compressible, nonhydrostatic, dry, without friction and viscosity) when compared with physical considerations formulated by Kasahara & Puri (1981).

The vertical and horizontal structure functions are similar for those used in a normal-modes initialization for filter in especial the gravity-modes with high-frequencies in particular this is made more common at the operational meteorological centers. The heights and the winds are projected onto these vertical and horizontal structure functions at 9 sigma-levels separating the contribution from the external (barotropic equivalent) vertical mode and 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 and 9 internal (baroclinic) vertical modes that constitute a Sturm Liouville problem Kasahara & Puri (1981) and the horizontal structure function has as solution for each equivalent depth the Hough functions Kasahara (1976) and Kasahara & Puri (1981) that are given approximeted as a serie of associated Legendre polinomials Kasahara (1976). The fields can be recomposed into sigma space for the Rossby, gravity (eastward and westward), Kelvin and Rossby-gravity modes separately and added for all vertical modes or for each vertical mode separately as seen in Kasahara & Puri (1981), Buchmann (1995b) and Buchmann (2008) and for determination of normal modes has been used the software of Errico (1987) available at NCAR . These future results for gravity and Kelvin modes will be shown more further in this section. Vertical motions are computed from the continuity equation Williamson et al. (1987). The results are analyzed for a level where sigma is equal .5, corresponding approximately to 500 mb over the oceans.

The response of the vertical motion presents three regions of subsidence. Two located westward poleward of the heating and the third region located over South America as seen in Buchmann et al. (1995b).

(Figure 1) displays the vertical motion response associeted with gravity modes at selected times.



These display rising motion centered on the heating anomaly in the Pacific Ocean and descending movement surrounding of this source over South America and in the regions westward poleward of the heating in the Northern and Southern Hemispheres. (Figure 2) displays the vertical motion response of the Kelvin modes at selected times. These display rising motion centered on the heating anomaly in the Pacific Ocean with magnitudes slightly less than one half the contribution of the gravity modes of (Figure 1), as can be seen in Buchmann et al. (1995b).

Its important emphasize here now that similar figures shown below, appear in Buchmann et al. (1995b), with incorrections in case of the (Figure 3) from that paper. In this review the (Figure 1) mend these mistakes.

In the (Figures 1, 2) the chain and continouos lines are associated with regions of (ascendant) and (descendant) movements, respectively.

Figure 1 Vertical motion response associated with gravity modes at indicated times averaged over the 10 cases of the ensemble. The contour interval is 2 x 10-4 mb s-1 .

Buchmann (2000) studied the contributions from the gravity and Rossby waves related with the sum of all vertical modes for the vertical motion response. Where the gravity waves compared with the Rossby waves show similar results but not equal with that was found in the (Figures 1,2) for the cases of gravity and Kelvin waves.

3 Conclusions

The results from the normal-modes decomposition has shown that the most important contribution for the vertical motion response comes from the gravity modes when compared with Kelvin modes (both modes added for all vertical modes) as can be seen in the (Figures 1,2) above, in Buchmann et al. (1995b) and also in Buchmann (2008) specifically for the second and the third gravity modes (not shown here) compared with the Kelvin modes at the Figure 2 in this review. Buchmann et al. (1986) simulated

Figure 2 Ensemble-averaged vertical motion response associated with Kelvin modes at indicated times. The contour interval is 2 x 10-4 mb s-1.



Kelvin waves propagating eastward trapped around the equator and that are consistent with the results found by Gill (1980), Geisler (1981) and Silva Dias et al. (1983).

4 Aknowledgments

This research was performed while the author was visiting the University of Utah in the year of 1990 and at the Department of Meteorology of the Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ) in the years of (1991 and 1992) especially. The author and the work were supported by National Science Foundation (NSF), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), National Research Council of Brazil (CNPq) and by UFRJ. The codes for normal - mode decomposition are available at NCAR. Dr. Errico from this institution developed the codes before mentioned. Dra. Julia N. Paegle provided many helpful comments. More recently this review has received many useful contributions and suggestions from the Professor Dr. Isimar Azevedo dos Santos that works in the fields of Synoptic, Dynamic and Tropical Meteorology at the Department of Meteorology of the UFRJ.

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Buchmann, J.; Buja, L.E.; Paegle, J. & Dickinson, R.E. 1990. The effect of tropical anomalies upon GCM rain forecasts over the Americas. Journal of Climate, 3: 189-208.

Buchmann, J.; Buja, L.E.; Paegle, J. & Dickinson, R.E. 1995a. Further experiments of tropical Atlantic heating anomalies upon GCM rain forecasts over the Americas. Journal of Climate, 8: 1235-1244.

Buchmann, J.; Paegle, J.N.; Buja, L.E. & Paegle, J. 1995b. The dynamical basis of regional vertical motion fields surrounding localized tropical heating. Journal of Climate, 8: 1217-1234.

Buchmann, J. 2000. Contributions from gravity and Rossby waves for vertical motion. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE

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Mapeamento Geoecológico da Susceptibilidade à Ocorrência de Incêndios no Maciço da Pedra Branca, Município do Rio de Janeiro

Geoecological Susceptibility Mapping of Wildfires in Pedra Branca Massif, Rio de Janeiro City

Pedro Henrique Ferreira Coura;Gustavo Mota de Sousa &

Manoel do Couto Fernandes

Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJCentro de Ciências Matemáticas e da Natureza - CCMN

Laboratório de Cartografia (GEOCART), Departamento de Geografia, IGEOAv. Athos da Silveira Ramos, 274 – Bloco H – Sala 017

Ilha do Fundão - Cidade Universitária, Rio de Janeiro – RJ - 21949-900e-mails: [email protected]; [email protected]; [email protected]


ResumoA cidade do Rio de Janeiro possui dois compartimentos de relevo bem distintos, os maciços litorâneos e as áreas

de baixada. Um desses maciços é o da Pedra Branca, que possui uma área de 197,27 Km2 e se localiza entre os paralelos 22° 55’ e 23° 05’ S e os meridianos 43° 20’ e 43° 40’ W. O maciço da Pedra Branca, ao longo de sua história, tem sofrido constantemente com os incêndios florestais, que se constituem em um dos principais vetores diretos de transformação desta paisagem. O objetivo do trabalho é desenvolver um mapeamento da susceptibilidade à ocorrência de incêndios no maciço da Pedra Branca (RJ), na escala de 1:10.000, utilizando a abordagem geoecológica. Para desenvolver o mapa geoecológico de susceptibilidade, foram utilizadas 18 cartas topográficas e ortofotocartas de 1999, na escala de 1:10.000 do Instituto Pereira Passos/RJ (IPP). Através destes materiais foram elaborados mapas funcionais e estruturais da área de estudo, como mapa de orientação das encostas, mapa de forma das encostas, mapa do total de radiação solar do ano de 1999, uso e cobertura do solo do mesmo ano, além do modelo digital de elevação (MDE). Foram gerados dois mapas geoecológicos de susceptibilidade a ocorrência de incêndios florestais no maciço da Pedra Branca, que apresentam a distribuição das áreas mais e menos susceptíveis à incêndios. Estes mapas foram validados a partir de sua análise em duas áreas de queimadas identificadas, onde foi constatado o melhor mapeamento com índice de acerto 93,8% para áreas de alta susceptibilidade à ocorrência de incêndios. Espera-se que o estudo auxilie na elaboração de estratégias de combate a incêndios florestais.Palavras-chave: geoecologia; incêndios florestais; radiação solar

Abstract

The city of Rio de Janeiro has two different relief compartments, the coastal massives and flood plain areas. One of these is the Pedra Branca massif, with 197.27 Km2, situated in the western part of the municipality, between 22° 55’ and 23° 05’ S and 43° 20’and 43° 40’ W. Pedra Branca has suffered forest fires frequently over its history, which is one of the main actors of its changing landuse. The aim of this paper is to develop a susceptibility map of fires occurrence in the Pedra Branca massif / RJ, using a geoecological approach. For this purpose, several layers of functional and structures as shape in 1:10.000 scale, Digital Elevation Model (DEM), aspect, geomorphology and solar radiation was introduced through an analytical-integrative approach. All maps were 1:10.000 catastral maps from Pereira Passos Institute – IPP. The landuse was interpreted from 18 orthophotos in the same scale. Two geoecological susceptibility maps of fire, which show the susceptibility areas to fire occurrence in the Pedra Branca Massif have been generated. These maps were validated from the analysis of two burned areas identified, where the best adjusted map recognizes 93.8% of areas to fire. The susceptibility map developed presents susceptible fires areas and is expected to be used in strategic planning to combat wildfires.Keywords: geoecology; wildfires; solar radiation




1 Introdução

As discussões acerca da temática de incêndios florestais vêm crescendo consideravelmente nos últimos anos como apresentam os estudos de Deppe & Paula (2003), Silveira et al. (2008) e Prudente & Rosa (2009).

A construção de modelos prognósticos deste tema requer uma discussão mais aprofundada em nível conceitual e metodológico. Alguns autores como Fernandes (1998), Silva (2006) e Sousa (2009) apresentam a utilização da geoecologia com suporte do geoprocessamento como alternativa para a condução de análises deste tipo.

Segundo Bertrand (1982) a geoecologia busca entender o resultado da combinação dinâmica de elementos físicos, biológicos e antrópicos que interagem dialeticamente uns com os outros sobre uma certa porção da superfície terrestre, tornando-se assim em um todo único e indissociável da evolução contínua, caracterizando uma analise de cunho complexo.

Através dessa abordagem, Menezes (2000), Coelho Netto et al. (2007), Naveh & Lieberman (1993) e Bridgewater (1993), apontam o uso de geotecnologias de geoprocessamento, como ferramenta indispensável para análises integrativas. Neste sentido, o geoprocessamento proporciona soluções operacionais para as análises de caráter complexo sugeridas pela geoecologia.

Segundo Menezes (2000) os produtos gerados a partir das análises geoecológicas são os mapas geoecológicos, que são instrumentos para a representação cartográfica de temas relacionados à análise de uma paisagem e constituem a cartografia geoecológica. No intuito de se ter um instrumento de representação das análises em questão, o mapeamento geoecológico combina diferentes temas de análises correspondentes ao entendimento de uma paisagem.

Buscando contribuir com o desenvolvimento de

mapeamentos geoecológicos para prognósticos à ocor-rência de incêndios, o presente trabalho tem o objetivo de confeccionar um mapa de susceptibilidade à ocor-rência de incêndios para o maciço da Pedra Branca, a partir da avaliação de duas caracterizações de suscepti-bilidade, dentro de uma abordagem geoecológica e uti-lizando parâmetros da paisagem em questão por meio das ferramentas de geoprocessamento.

Para tanto, foram elaborados mapeamentos de alguns elementos estruturais e funcionais da paisagem (forma das encostas, orientação das encostas, total de radiação solar e uso e cobertura do solo) que através do método analítico-integrativo (Coelho Netto et al.1993) resultaram em dois mapas de susceptibilidade à ocorrência de incêndios para a área do maciço da Pedra Branca – RJ na escala 1:10.000. A partir destes mapas, foi selecionado aquele que apresentou a melhor resposta frente aos dados de validação.

Vale ressaltar que, susceptibilidade é um conceito utilizado em diversos estudos, sendo definido por Souza (2005) como o grau de probabilidade que os atributos naturais têm em condicionar, induzir ou acelerar a ocorrência de um determinado perigo.

2 Materiais e Métodos

O maciço da Pedra Branca se localiza na porção ocidental do município do Rio de Janeiro, entre os paralelos 22º 55’ e 23º 05’ S e os meridianos 43º 20’ e 43º 40’ W (Figura 1). Possui área de 197,27 Km2, delimitada a partir da curva de nível de 40 metros, cercada por áreas de baixadas já densamente ocupadas.

Esta feição geomorfológica, apresenta um relevo bastante acidentado, com variações altiméricas de até 984 metros. Seus remanescentes florestais englobam o bioma Mata Atlântica, e contemplam o Parque Estadual da Pedra Branca que é delimitado a partir da cota altimétrica de 100 metros.

A susceptibilidade à ocorrência de incêndios é observada neste estudo pelo resultado de dois mapas. No primeiro mapa são combinados o mapa de orientação das encostas, o de forma das encostas e o de combustibilidade. O segundo mapa de susceptibilidade é produto da combinação dos mapas do total de radiação solar (1999), forma das encostas e combustibilidade. Tendo em vista a complexidade da metodologia de elaboração do mapeamento, o esquema ilustrativo (Figura 2) procura explicar a metodologia realizada para elaboração dos dois mapas de susceptibilidade. A seguir são apresentados com maior detalhe os materiais e métodos utilizados para cada etapa do mapeamento proposto.



Figura 1 Mapa de localização do Maciço da Pedra Branca, zona oeste da cidade do Rio de Janeiro.

Figura 2 Esquema ilustrativo da metodologia de elaboração dos dois mapas de susceptibilidade.



Para a construção do Modelo Digital de Elevação (MDE), fonte de extração dos mapas estruturais e funcionais (forma das encostas, orientação das encostas, total de radiação solar), foram extraídas informações das 18 cartas topográficas na escala de 1.10.000 (IPP, 1999) que contemplam a área de estudo. O mapa de uso e cobertura do solo derivou-se da interpretação das 18 ortofotos do IPP, que possuem resolução espacial de 0,84 metros e foram adquiridas nos meses de abril e junho de 1999. Todo material utilizado está na projeção Universal Transversa de Mercator (UTM), fuso 23 sul e datum horizontal SAD69.

A base hipsométrica e a hidrografia foram editadas visando a obtenção de um MDE consistente.

Todos os procedimentos de edição foram realizados no Software ArcGIS 9.2® da Enviromental System Research Institute - ESRI, assim como a construção do MDE, e todos os demais mapeamentos realizados.

O MDE gerado foi construído a partir de uma grade regular retangular através do método Topogrid (Figura 3) com pixel de cinco metros, conforme descrito por Souza et al. (2009). Vale ressaltar que, existe uma discussão conceitual sobre Modelos Digitais de Elevação (MDE), como apresentado por Souza et al. (2009). No presente trabalho optou-se pelo conceito descrito por Felgueiras (1997), onde MDE é o termo utilizado para modelagem numérica exclusivamente voltada para a representação do relevo.

Figura 3 Modelo Digital de Elevação do Maciço da Pedra Branca – TOPOGRID (adaptado de Souza et al. 2009).



O mapa de morfologia das encostas (Figura 4) foi classificado em formas de relevo côncavas e convexas. Esta classificação foi estabelecida, pois nas formas côncavas ocorre a convergência de fluxos, ou seja, são áreas mais úmidas, onde a vegetação tende a ser mais densa. Por outro lado, as feições convexas são dispersoras de fluxos, tendem a ser mais secas e com isso mais susceptíveis à ocorrência de incêndios.

O mapa de orientação das encostas (Figura 5) foi generalizado em vertentes voltadas para o norte e sul. Esta classificação foi definida a partir do trabalho de Oliveira et al. (1995), que aponta as vertentes norte dos maciços cariocas como áreas mais distantes da influência de chuvas orográficas, propiciando a

ocorrência de um clima mais seco. Esta área recebe maior incidência de raios solares e menos umidade e isso coopera para que sua vegetação tenha menor diversidade. Essa maior exposição, também resulta em uma maior amplitude térmica. Vale ressaltar também que, na zona norte da cidade do Rio de Janeiro a dispersão da poluição urbana é dificultada pela falta de ventos e pela topografia dos maciços litorâneos. A associação desses fatores evidencia que essa vertente seja mais propícia à ocorrência de incêndios. Já a vertente sul é mais úmida, pois recebe mais umidade proveniente do litoral, o que permite a formação de uma vegetação mais densa. Outro ponto importante, é que a circulação atmosférica que atua sobre a cidade do Rio de Janeiro, preponderantemente no sentido sudoeste, regula esse quadro de distribuição térmica e pluviométrica apresentado acima

Figura 4 Mapa de Forma das Encostas do Maciço da Pedra Branca.



O mapa do total de radiação solar (Figura 6) foi elaborado para o período de 1999, utilizando a ferramenta area solar radiation do ArcToolbox do software ArcGIS 9.2®. Este foi classificado em radiação alta, média e baixa, através da quebra natural dos valores distribuídos em seu histograma. Ao selecionar o MDE como dado de entrada, essa ferramenta calcula o total de radiação solar (direta e difusa) que cada pixel recebe em watts hora por metro quadrado (WH/ m2). Este cálculo é diretamente relacionado a latitude da área, a periodicidade do levantamento e o tamanho do céu a ser definido pelo usuário.

O mapa de uso e cobertura do solo (Figura 7) foi gerado através das ortofotos que foram

segmentadas no software SPRING 4.3.3 (INPE, 2007). Esse procedimento adotado antes da fase de classificação divide a imagem em regiões espectralmente homogêneas. O segmentador usado foi o de crescimento de regiões que é uma técnica em que somente as regiões espacialmente adjacentes são agrupadas segundo algum critério de similaridade e área que são fornecidos pelo analista (INPE, 2007). O valor de similaridade está relacionado com a importância mínima abaixo da qual duas classes são consideradas similares e agrupadas em uma única região, enquanto que o limiar de área define o número mínimo de “pixels” necessários para que uma área seja individualizada. Os critérios utilizados foram de limiar de similaridade 50 e área mínima de 700 pixels (494 m2). Para cada região o segmentador calcula os atributos espectrais de média, variância e textura.

Figura 5 Mapa de Orientação das Encostas do Maciço da Pedra Branca



Como resultado foi obtido um arquivo com polígonos que foram classificados visualmente no ArcGIS 9.2® com base nas ortofotos. As classes estabelecidas para o mapa de uso e cobertura do solo foram as seguintes: água, solo exposto, área urbana, pedreira, rocha, cultivo, reflorestamento, floresta, vegetação secundária em estágio inicial e gramínea.

O mapa de uso e cobertura do solo foi utilizado como subsídio para o mapa de combustibilidade (Figura 8).

O esquema ilustrativo da figura 9 mostra a metodologia utilizada para elaboração do mapa

de combustibilidade. Essa foi definida através do consenso da opinião de especialistas que atuam na área de estudo, Organizações não Governamentais (ONGs) que trabalham diretamente no combate aos incêndios florestais e conhecimentos de campo.

De posse de todos os mapas dos elementos estruturais e funcionais, foram construídos dois mapas de susceptibilidade à ocorrência de incêndios. Estes foram validados por áreas de incêndios (Figura 10) identificadas nas ortofotos durante a etapa de elaboração do mapa de uso e cobertura do solo. Essas áreas foram classificadas levando em consideração as características no seu entorno, e posteriormente foram identificadas e delimitadas para validação.

Figura 6 Mapa do Total de Radiação Solar do Maciço da Pedra Branca - 1999.



Figura 7 Mapa do Uso e Cobertura do Solo do Maciço da Pedra Branca - 1999.

Figura 8 Mapa de Combustibilidade do Maciço da Pedra Branca.



A tabela a seguir mostra todos os mapas gerados e suas classificações. Através dela percebe-se como o método analítico-integrativo (Coelho Netto et al. 1993) permite uma classificação por meio de uma analise conjunta. Nela estão presentes os resultados de todas as diferentes combinações possíveis entre as variáveis utilizadas no estudo.

3 Resultados

Os dois mapas de susceptibilidade à ocorrência de incêndios se diferem na metodologia de construção. Um utilizou o mapa de orientação das encostas (susceptibilidade 1) e o outro o mapa de total de radiação solar (susceptibilidade 2). Ao analisá-los percebe-se de forma nítida que existe uma disparidade em relação ao detalhamento que ambos apresentam. A figura 11 apresenta a mesma área classificada pela orientação e radiação solar.

Figura 9 Chave de classificação utilizada para elaboração do Mapa de Combustibilidade do Maciço da Pedra Branca

Figura 10 Áreas de incêndios utilizadas para validação dos Mapas de Susceptibilidade do Maciço da Pedra Branca.

Tabela 1 Classes das diferentes variáveis trabalhadas e suas classificações nos Mapas de Susceptibilidade do Maciço da Pedra Branca



Ao observar a distribuição das variáveis em ambos os mapas, através de seu percentual de ocorrência, percebe-se que no mapa de orientação existe um grande desequilíbrio entre as classes, pois ele apresenta 71% da área sendo classificada como encostas voltadas para o norte e 29% sendo classificada como encostas voltadas para o sul. Já

no mapa de radiação solar, as classes se apresentam com uma distribuição melhor, tendo os seguintes percentuais: 59,89% Alta radiação; 28,63% Média; e 11,48% baixa.

Ao comparar as susceptibilidades, usando como parâmetro as áreas de validação, percebe-se que o mapa de susceptibilidade que leva em consideração a orientação das encostas (Figura 12 - mapa de susceptibilidade 1) apresentou, 79% de acerto na alta susceptibilidade, 16% na média susceptibilidade e 5% na baixa susceptibilidade.

Por outro lado, o mapa de susceptibilidade que leva em consideração a radiação (Figura 13 - mapa de susceptibilidade 2) apresentou resultados melhores ao ser validado. Seu percentual de acerto na alta susceptibilidade foi de 93,8% e na média susceptibilidade 6,2%, não apresentando portando áreas de baixa susceptibilidade.

Figura 11 Recorte de áreas classificadas pela: a) orientação das encostas; b) total de radiação solar no Maciço da Pedra Branca.

Figura 12 Mapa da Susceptibilidade à Ocorrência de Incêndios 1 do Maciço da Pedra Branca, que utiliza a variável de Orientação das Encostas.



4 Conclusões

Através dos dados analisados, e utilizando ainda a validação, percebe-se que a radiação apresentou um resultado melhor, proporcionando detalhamento em relação à orientação das encostas. Isso porque a radiação é uma variável quantitativa, o que permite mensurar o quanto que cada encosta recebera de radiação, diferente da orientação das encostas, que apresenta uma relação de temperatura e umidade mais subjetiva. Esse detalhamento é muito importante para o estudo, uma vez que encostas diferentes, com uma mesma orientação, podem receber graus de radiação diferentes, devido a fatores como sombreamentos ocasionados pela morfologia da área.

Figura 13 Mapa da Susceptibilidade à Ocorrência de Incêndios 2 do Maciço da Pedra Branca, que utiliza a variável de Radiação Solar do ano de 1999.

Nesse sentido, definiu-se o mapa de susceptibilidade à ocorrência de incêndios 2 como o mais representativo para a área. Porém, é valido mencionar a importância de aquisição de dados de campo para validação da ferramenta de radiação.

Além disso, outros fatores ambientais como a umidade antecedente, a intensidade das chuvas e a ocorrência dos ventos terrais, podem alimentar a metodologia de mapeamento geoecológico da susceptibilidade à ocorrência de incêndios visando o seu refinamento.

Entretanto, vale ressaltar que os resultados alcançados se mostraram bastante satisfatórios. Sendo assim, o mapa elaborado pode servir como



instrumento de auxílio a elaboração de estratégias de combate aos incêndios florestais no maciço da Pedra Branca. Além disso, a metodologia se mostra simples e passível de utilização em outras áreas com a mesma problemática.

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Caracterização Mineralógica e Tecnológica do Caulim de Silvânia, Estado de GoiásMineralogical and Technological Characterization of Kaolin From Silvânia, Goiás State

Luiz Carlos Bertolino1; Bruno Carvalho Mendonça2; Sérgio Botelho de Oliveira3; Adão Benvido da Luz1 & Fabrício Ribeiro Freire4


1 CETEM - Centro de Tecnologia Mineral - MCT. Av. Pedro Calmon, 900 Cidade Universitária - 21941-908 - Rio de Janeiro – RJ

2 Rua SB 27 QD 29 LT 13. Portal do Sol 2. Goiânia, GO, 74.8846373 CEFETGO - Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás, Rua 75, n°. 46,

Setor Central, Goiânia, GO, 74055-1104 UERJ – Faculdade de Geologia. Rua São Francisco Xavier, 524, 4° andar, Bloco A

Rio de Janeiro, RJ, 20.550-900, e-mails: [email protected]; [email protected];

[email protected]; [email protected] em: 22/07/2009 Aprovado em: 13/10/2009

Resumo

O estudo teve como objetivo a caracterização mineralógica e tecnológica dos diversos tipos de caulins da região de Silvânia – Goiás a partir difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e fluorescência de raios X, bem como seu beneficiamento físico e químico, visando eliminar as impurezas mineralógicas e elevar o índice de alvura do caulim. O caulim dessa região apresentou-se essencialmente caulinítico, com granulometria média a fina e, após o alvejamento químico, o índice de alvura chegou a 68,10% ISO. Os resultados obtidos indicam que o caulim da região de Silvânia pode ser utilizado como carga na indústria de papel ou na produção de cerâmica branca.Palavras-chave: caulim; beneficiamento; caracterização mineralógica

Abstract

The study aimed the mineralogical and technological characterization of various types of kaolin in the region of Silvânia - Goiás, as well as its physical and chemical processing to eliminate mineralogical impurities and upgrade the level of whiteness of kaolin. The kaolin of this region presented kaolin absolute properties, is fine to medium grained, after chemical bleaching, its whiteness reached 68.10% ISO. The results indicated that the kaolin of the region of Silvânia can be used as filler in the paper industry or in the production of ceramics.Keywords: Kaolin; processing; mineralogical characterization



Caracterização Mineralógica e Tecnológica do Caulim de Silvânia, Estado de GoiásLuiz Carlos Bertolino; Bruno Carvalho Mendonça; Sérgio Botelho de Oliveira; Adão Benvido da Luz & Fabrício Ribeiro

1 Introdução

O termo caulim é usado para denominar a rocha que contém a caulinita, assim como para o produto resultante do seu beneficiamento. O caulim é formado por um grupo de silicatos hidratados de alumínio, principalmente caulinita e haloisita, secundariamente por diquita e nacrita (Murray, 1988; Grim, 1968). Além disso, o caulim sempre contém outras substâncias sob a forma de impurezas, tais como, quartzo, micas, feldspatos, óxidos de ferro e titânio, etc.

Em função de suas propriedades físicas e químicas, o caulim pode ser utilizado em uma grande variedade de produtos desde carga e cobertura para papel, pigmentos, catalisadores, matéria-prima para indústria de cerâmica, e outros (Luz et al., 2008; Pereira, 2001; Murray & Keller, 1993). No entanto, para ser empregado industrialmente, são necessários diversos processos de beneficiamento, de modo a proporcionar o aumento de propriedades como alvura, opacidade, pureza, abrasividade, entre outras (Trawinski, 1980).

No Brasil, um dos pontos mais desfavoráveis para a utilização do caulim está no fato de que a grande maioria das jazidas de prospecção deste minério está situada na região Norte, o que eleva o custo com transporte deste minério para as demais regiões. Com o estudo e exploração de jazidas do minério em regiões estrategicamente mais favoráveis, como a região Centro-Oeste, pode-se reduzir o custo de transporte e viabilizar a aplicação do caulim em segmentos industriais em outras regiões do Brasil.

Este estudo tem como objetivo a caracterização mineralógica e tecnológica dos diversos tipos de caulim que ocorrem na região da Fazenda Gameleira, município de Silvânia, Goiás, contribuindo de forma significativa para o melhor aproveitamento dos depósitos.

1.1 Geologia Local

No centro leste do Estado de Goiás, no município de Silvânia, ocorre uma espessa seqüência de rochas metassedimentares de composição caulinítica, às vezes quartzito caulinítico e quartzito micácio. Essas rochas foram mapeadas, como pertencentes ao Grupo Paranoá de idade meso-neoproterozóica (Moreira et al., 2008).

Os dados sobre litoestratigrafia, sistemas deposicionais e geotectônica do Grupo Paranoá são apresentados por Faria & Dardenne (1995) que o caracterizam como uma sequência depositada originalmente em ambiente marinho, subdividida em doze litofácies e agrupadas em cinco megaciclos sedimentares. Os dois primeiros transgressivos, um intermediário, um regressivo, com várias oscilações e o último novamente transgressivo. Esses megaciclos foram denominados, da base para o topo: Unidade Conglomerática Quartzítica Rítmica Inferior; Unidade Siltico-Ardosiana; Unidade Rítmica Quartzítica Intermediária; e Unidade Rítmica Pelito-Carbonatada.

Na região também aflora a Sequência Metavulcano-Sedimentar Silvânia, constituída por epidoto e granada anfibolitos, xistos, quartzitos e mármores; o Complexo Granulítico Anápolis-Itauçu, uma associação de supracrustais granulitizadas e ortogranulitos (Moreira et al., 2008).

As rochas do embasamento são recobertas por detrito-lateríticos e Latossolo Vermelho-amarronzado, constituído por perfis maturos e imaturos com níveis de cascalhos. Geomorfologicamente a região é formada por grandes planaltos e vales dissecados.

Figura 1. Mapa de localização e acesso à área de estudo.



As ocorrências de caulim estão situadas na Fazenda Gameleira, Município de Silvânia-GO, latitude 16024’25,8” e longitude 48025’7,2” (Figura 1) e pertencem à Mineração Silvânia. Desde 2005 o caulim vem sendo extraído e destina-se basicamente à indústria da construção civil.


Durante o reconhecimento geológico foram coletadas 07 amostras representativas de cada tipo de caulim (Tabela 1) na frente de lavra e no seu entorno. O caulim extraído nesta jazida destina-se principalmente à indústria de cerâmica e à construção civil. Com base na textura e coloração, foram individualizados três tipos distintos de caulim: caulim branco macio, caulim amarelo (Figura 2) e caulim branco silicoso (Figura 3).

Figura 3 Afloramento do caulim branco silicoso dobrado. Mineração Silvânia.

Tabela 1 Identificação e localização das amostras de caulim estudadas.

Figura 2 Visão da frente de lavra da Mineração Silvânia com afloramento do caulim branco macio e caulim amarelo.

2.1 Beneficiamento do Caulim

Em geral, o caulim se apresenta associado a várias impurezas mineralógicas, não atendendo, dessa forma, às especificações de mercado. São necessárias, muitas vezes, operações de beneficiamento para o seu melhor aproveitamento (Bertolino, 2000; Prasad et al., 1991). Nos laboratórios do Centro de Tecnologia Mineral (CETEM-MCT), as amostras passaram pelas seguintes etapas de beneficiamento: secagem, desagregação, homogeneização, classificação granulométrica a úmido, alvejamento químico com ditionito de sódio, caracterização mineralógica e análises químicas.

As amostras foram secas em estufas a uma temperatura média de 70 °C, posteriormente foram desagregadas, cominuídas, homogeneizadas em pilhas prismáticas e quarteadas. Posteriormente as amostras foram submetidas ao ensaio de classificação granulométrica a úmido, utilizando a peneira 44 µm. A classificação granulométrica na peneira 44 µm visa remover as impurezas mineralógicas (quartzo, óxidos e hidróxidos de ferro, entre outros) presentes no caulim e adequá-lo aos parâmetros usados na indústria.

Na etapa de alvejamento químico utilizou-se a lixiviação redutora em meio ácido. O processo consiste basicamente na redução do Fe3+ para Fe2+, que é a forma mais solúvel em água e que possibilita sua remoção após a operação de filtragem (Luz, 1998). Utilizou-se da fração abaixo de 44 µm, em polpa a 30% de sólido e pH entre 3,0 e 3,5 na proporção de 4 kg/t de ditionito de sódio e agitação a uma rotação de aproximadamente 90 rpm. Durante a realização dos ensaios, alíquotas de 40 mL foram retiradas a cada 30 minutos, filtradas e secas em estufa. O índice de alvura das amostras foi determinado com o uso do



colorímetro Color Touch 2 modelo ISO, da marca Tecnidyne.

Os difratogramas de raios X (DRX) das amostras foram obtidos através do método do pó utilizando um equipamento Brüker-D4 Endeavor, nas seguintes condições de operação: radiação Co Kα (35 kV/40 mA); velocidade do goniômetro de 0,02o 2θ por passo com tempo de contagem de 1 segundo por passo e coletados de 4 a 80º 2θ. As interpretações qualitativas dos espectros foram realizadas por comparação com padrões contidos no banco de dados PDF02 (ICDD, 2006) em software Brüker Diffrac Plus.

3 Resultados

Os resultados obtidos na classificação granulométrica (Tabela 2) indicam que o caulim branco macio (Am – 3) apresenta o melhor rendimento de material < 44 µm (82,15%), enquanto que as amostras Am - 5 e Am - 6 (branco silicoso) obtiveram o menor rendimento de material < 44 µm (17,61 e 69,34%). O baixo rendimento do caulim na peneira < 44 µm pode inviabilizar o seu uso industrial, além de gerar uma grande quantidade de rejeito.

3.2 Caracterização Mineralógica

A composição mineralógica das amostras foi determinada através da difratometria de raios X e microscopia eletrônica de varredura. A difratometria de raios X foi a principal técnica utilizada na identificação mineralógica do caulim. Os difratogramas das amostras brutas apresentam picos característicos da caulinita, e quartzo, e secundariamente picos da muscovita, haloisita e sericita, demonstrando que o caulim é essencialmente caulinítico. As amostras < 44 µm tratadas com ditionito de sódio apresentam picos característicos da caulinita, haloisita e do quartzo (Figura 4).

Tabela 2 Classificação granulométrica e rendimento da fração < 44 µm do caulim da região de Silvânia – GO.

3.1 Alvejamento Químico

Na Tabela 3 são apresentados os resultados do índice de alvura do caulim após o alvejamento químico com ditionito de sódio em intervalos de 30 minutos. Antes do beneficiamento o caulim apresenta baixa alvura, sendo o maior valor 67,12% (Am - 4) e o menor valor 42,94% (Am 1). O incremento da alvura com o beneficiamento foi muito baixo quando comparado com caulins de outras regiões do Brasil. Após quatro horas de alvejamento a amostra Am - 4 foi a que apresentou maior índice de alvura (68,10%).

Tabela 3 Índice de alvura do caulim da Mineração Silvânia (% ISO) das amostras brutas e após diferentes intervalos de tratamento com ditionito de sódio.

Figura 4 Difratogramas de raios X das amostras < 44 µm tratadas com ditionito de sódio Am 01, 02, 03, 04, 06 e 07. Co Kα (35 kV/40 mA). C – caulinita, Q – quartzo, H – Haloisita.



3.3 Microscopia Eletrônica de Varredura

As análises no microscópio eletrônico de varredura (MEV) confirmaram que as amostras < 44 µm, após o beneficiamento, são constituídas essencialmente por caulinita e secundariamente por quartzo. Os grãos de caulinita são pseudo-hexagonais e eventualmente apresentam-se na forma de finos agregados (Figuras 5, 6 e 7).

Figura 7 Imagens do caulim Am - 7 mostrando grãos de caulinita e quartzo. Elétrons secundários.

Figura 5 Imagem do caulim Am - 4 mostrando grãos de caulinita. Elétrons secundários.

Figura 6 Imagem do caulim Am - 3 mostrando grãos de caulinita. Elétrons secundários.

3.4 Análises Químicas

Os resultados das análises químicas por espectrometria de fluorescência de raios X, das

frações < 44 µm e < 44 µm após o tratamento com ditionito (Trat.) estão apresentados na Tabela 4. Observa-se uma pequena variação no teor de óxido de alumínio, porém com valores abaixo do esperado para caulinita (22%). Somente a amostra Am 07 apresentou concentração de óxido de alumínio acima de 22%. A elevada concentração relativa de óxido de ferro encontrada nas amostras reduz a alvura e compromete a aplicação do caulim beneficiado. Observam-se também altos teores de SiO2 (62,59 a 72,65%) indicando grande concentração de quartzo no caulim.

O alvejamento com ditionito de sódio não foi muito eficiente na redução do teor de Fe2O3. Estes resultados indicam que parte do íon ferro pode estar na estrutura da caulinita substituindo o alumínio.



4 Conclusões

Os testes de beneficiamento com o caulim da região de Silvânia apresentaram baixo rendimento abaixo de 44 µm, e alto teor de SiO2, indicando uma grande concentração de quartzo. A amostra Am - 3 (Caulim Macio), apresentou o melhor rendimento (82,15%), enquanto as amostras Am - 5 e Am - 6 apresentaram o menor rendimento (17,61 e 69,34%).

As amostras brutas possuem baixo índice de alvura, sendo o maior valor 67,12% e o menor valor 41,10%. Depois de 4 horas de alvejamento químico com ditionito de sódio, verificou-se um pequeno incremento na alvura entre 0,98% e 7,41% (respectivamente Am - 4 e Am - 7).

As análises por difratometria de raios X das amostras brutas apresentam picos característicos da caulinita, haloisita e quartzo, e secundariamente picos da muscovita e sericita, demonstrando que o caulim é essencialmente caulinítico.

As análises no microscópio eletrônico de varredura (MEV) confirmaram que as amostras após o beneficiamento são constituídas essencialmente por caulinita e secundariamente por quartzo, não sendo possível identificar a presença de óxidos e/ou hidróxidos de ferro.

As análises químicas do caulim por espectrometria de fluorescência de raios-X revelaram baixo teor de óxido de alumínio, e elevada

concentração relativa de óxido de ferro (Fe2O3) e sílica (SiO2). A presença de ferro nas amostras após o tratamento com ditionito de sódio indica que parte do ferro encontra-se na estrutura da caulinita substituindo o alumínio.

O caulim da região de Silvânia não apresentou índice de alvura para utilização como cobertura na indústria de papel, porém poderá ser utilizado para outros fins, como, carga na indústria de papel, cerâmica branca, borracha, fibra de vidro e concreto de alto desempenho.

5 Agradecimentos

Ao CETEM pelo suporte científico, técnico e laboratorial durante a execução do trabalho. À Mineração Silvânia SA pelo apoio e fornecimento das amostras. Ao Laboratório de Microscopia Eletrônica da COPPE/UFRJ pela realização das análises. Ao CNPq e a FAPERJ pelo apoio financeiro.

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Estrutura Microfísica das Nuvens em Diferentes Ecossistemas da América do SulMicrophysical Structure of Clouds in Different Ecosystems of South America

Bruno Muniz Duarte & José Ricardo de Almeida França

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências, Departamento de Meteorologia. 21.941-916. Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

e-mails: [email protected]; [email protected] em: 21/10/2009 Aprovado em: 02/12/2009

Resumo

As nuvens afetam diretamente as condições meteorológicas do planeta, interagindo com a radiação eletromagnética proveniente do sol, da superfície terrestre e da atmosfera. Cada tipo de nuvem interage de maneira particular, sendo de extrema importância que o conjunto de nuvens em um determinado local esteja bem representado nos modelos atmosféricos para gerar resultados mais precisos. Neste trabalho, o objetivo é iniciar uma caracterização dos tipos de nuvens em função de suas propriedades microfísicas e avaliar a dependência no tipo de ecossistema e condição sinótica. Os dados foram obtidos através de sensoriamento remoto, utilizando as seguintes variáveis do sensor MODIS: raio efetivo da partícula de nuvem, espessura óptica, temperatura e pressão no topo da nuvem. Foram observados diversos tipos de distribuições das variáveis acima em seis ecossistemas diferentes, nas quatro estações do ano. Notou-se que os espectros de raio efetivo mais estreitos e concentrados são ligados a nuvens de convecção profunda, enquanto as distribuições mais espalhadas são comumente associadas com sistemas frontais. A quantidade de eventos analisados ainda foi insuficiente para mostrar padrões claros, porém, já pode indicar caminhos a serem seguidos em futuros trabalhos, no que diz respeito a metodologia e verificação das tendências apresentadas.Palavras chave: microfísica de nuvens; sensoriamento remoto; MODIS

Abstract

Clouds directly affect meteorological conditions of the planet, by interacting with electromagnetic radiation from the sun, the earth’s surface and the atmosphere. Each cloud type interacts in a particular way, being extremely important that the total set of clouds at any location is well represented in atmospheric models, in order to generate more accurate results. The purpose of this paper is to initiate a characterization of cloud types as a function of their microphysical properties and evaluate the dependence on ecosystem and synoptic condition. The data were obtained through remote sensing, using the MODIS sensor and the variables: cloud particle effective radius, optical thickness, pressure and temperature of the cloud top. Several forms of distributions were found for six different ecosystems for the four seasons. It was noted that narrow and concentrated effective radius spectra are linked to deep convection clouds, while broader distributions can be usually associated to cold frontal systems. The amount of events analyzed was not enough to show clear patterns, although the results can lead to other directions in a future and more focused work.Keywords: cloud microphysics; remote sensing; MODIS



Estrutura Microfísica das Nuvens em Diferentes Ecossistemas da América do SulBruno Muniz Duarte & José Ricardo de Almeida França

1 Introdução

A partir da década de 1970, quando os estudos sobre o clima e suas modificações começaram a aparecer, o entendimento dos processos físicos e radiativos das nuvens foi se mostrando essencial para melhor avaliar a evolução ambiental do planeta nas décadas seguintes. A importância em quantificar estes processos vem do fato de que as nuvens afetam diretamente as interações radiativas da atmosfera com a Terra e com o sol, com cada tipo de nuvem interagindo de uma forma particular, de acordo com seu tamanho, forma e constituição física (Rudorff et al., 2007). Por exemplo, nuvens do tipo cirrus são praticamente transparentes à luz solar (ondas curtas), porém, retêm grande parte da radiação infravermelha proveniente da Terra (ondas longas), gerando um saldo positivo no aquecimento da atmosfera. Já nuvens do tipo cumulus, que são mais espessas e densas, bloqueiam a radiação solar, gerando um saldo negativo. Em um dado instante, a atmosfera de determinado local pode conter os mais variados tipos de nuvem ao mesmo tempo, sendo assim de extrema importância que o conjunto de interações das nuvens com as radiações solar e terrestre esteja muito bem representado nos modelos numéricos da atmosfera. A constituição física pode ser descrita através de certos parâmetros que apresentam valores típicos para cada tipo de nuvem, possibilitando o uso destes valores nas parametrizações dos modelos para fins de análise e previsão tanto de tempo como de clima ou simulações numéricas.

2 Revisão Bibliográfica

Em meados do século 20, muitos experimentos começaram a ser desenvolvidos para tentar fundamentar a microestrutura das nuvens, principalmente utilizando dados coletados por aeronaves especiais que atravessavam o seu interior com placas externas capturando gotículas. Battan & Raitan (1957) foram um dos primeiros a quantificar a diferença no espectro do tamanho das gotas para nuvens marítimas e continentais, evidenciando que as últimas têm espectro mais estreito. Logo em seguida, Squires (1958a) mostrou que para o mesmo tipo de núcleo de condensação e mesma massa de ar, nuvens de tipos diferentes apresentam espectros distintos. Ele verificou que, apesar de haver pouca variação no conteúdo de água líquida, as gotas se tornam menores, mais numerosas e mais homogêneas

em tamanho ao passar do tipo stratus para o tipo cumulus. Mais tarde, Hobbs et al. (1980) mostraram que cumulus embebidos em uma camada de stratus têm espectro ainda mais espalhado.

Outro aspecto interessante retirado de experimentos com aeronaves é o fato de haver uma tendência bi-modal no espectro das gotas, tendência esta que aumenta conforme a altura dentro da nuvem também aumenta. Warner (1969a) foi um dos autores a obter este tipo de distribuição, sugerindo que este aspecto estivesse associado com o processo de mistura por entranhamento de ar seco na nuvem. Warner estudou nuvens do tipo cumulus, porém, o mesmo padrão foi encontrado por Slingo et al. (1982) para nuvens stratocumulus na Inglaterra e por Ryan et al. (1972) para nuvens Stratus na costa da Califórnia.

Dessa forma, o objetivo desta pesquisa é iniciar um trabalho de caracterização da estrutura física e microfísica de alguns tipos de nuvens, através de parâmetros como espessura óptica da nuvem e raio efetivo da partícula de nuvem, usando dados de sensoriamento remoto e comparando regiões diferentes de acordo com os biomas e ecossistemas distintos na América do Sul. A diferença entre os ecossistemas das regiões é determinante para definir algumas características de formação das nuvens, principalmente pelos tipos de núcleos de condensação encontrados.

3 Dados

De maneira a se obter o maior volume de dados possível, a técnica mais apropriada para estudar as nuvens é o sensoriamento remoto, uma vez que objeto de estudo não é de fácil acesso direto. Assim, este trabalho faz uso do sensor MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer), principal instrumento desenvolvido para o EOS (Earth Observing System), que é um programa de monitoramento da Terra da NASA. O MODIS está instalado nas plataformas TERRA e AQUA, as duas primeiras a serem lançadas pelo programa.

O sensor MODIS possui 36 bandas espectrais que vão desde o visível até o infravermelho longo. Os produtos de nuvem utilizam toda a extensão deste espectro, com alguns parâmetros tendo bandas específicas para o dia e para a noite. Espessura óptica



e raio efetivo das partículas usam bandas nas regiões do visível e infravermelho próximo, com resolução espacial de 1 km, enquanto as propriedades de topo das nuvens são tiradas a partir de bandas situadas na região do infravermelho médio, com resolução de 5 km. A Tabela 1 exibe os canais utilizados nestes algoritmos.

Tabela 1 Canais do MODIS para os produtos de Nuvem. Adaptado de King et al. (1997).

As regiões escolhidas para comparação foram: Amazônia, Caatinga, Cerrado, Rio de Janeiro (urbano), Atlântico subtropical e Atlântico sul. A Figura 1 mostra o mapa da América do Sul com as regiões de estudo demarcadas.

4 Algoritmos – Descrição Física4.1 Espessura Óptica e Raio Efetivo da Partícula de Nuvem

O princípio geral de recuperação dos parâmetros espessura óptica e raio efetivo consiste na exploração da variação espectral da absorção da água nas janelas atmosféricas. A água condensada é essencialmente transparente nas porções do visível e infravermelho próximo (0.4 – 1.0 μm) do espectro eletromagnético, portanto a reflectância (função de reflexão) depende somente da espessura óptica da nuvem τc e do fator de assimetria g. Por outro lado, a água absorve, ainda que fracamente, a radiação de bandas específicas no infravermelho médio (1.6, 2.1 e 3.7 μm) – quanto maior o comprimento de onda, mais forte é a absorção. Consequentemente, nestas bandas a função de reflexão também depende da absorção das partículas, o que é descrito pelo albedo de espalhamento simples ω0. Porém, a medida radiativa utilizada para este fim é o raio efetivo da partícula re, que apresenta relação linear com ω0 para fraca absorção. Podemos então concluir que a reflectância carrega informação sobre a espessura óptica da nuvem, e nas porções de fraca absorção também revela características como o raio efetivo das partículas, parâmetro radiativo que permite avaliar a distribuição dos tamanhos das partículas de uma nuvem (Wallace & Hobbs, 2006).

O algoritmo de recuperação destes parâmetros utiliza um modelo de transferência radiativa para estimar a reflectância nas bandas transparentes e de absorção como função de τc e re. Os desconhecidos τc e re são então ajustados até que as diferenças entre o valor de reflectância estimado com o modelo de transferência radiativa e a reflectância observada sejam minimizadas. A equação para a reflectância normalizada em termos da resposta espectral f(λ) e do fluxo solar F0(λ) fica definida então da seguinte forma:

onde μ0, μ e Φ são, respectivamente, o coseno do ângulo zenital solar, o valor absoluto do coseno do ângulo zenital e o azimute relativo entre a direção da radiação emergente e a radiação solar incidente (King et al., 1997).

Figura 1 Regiões de estudo. 1 - Amazônia; 2 - Caatinga; 3 - Cerrado; 4 - Rio de Janeiro; 5 - Atlântico subtropical; 6 -Atlântico sul



4.2 Propriedades do Topo da Nuvem – Pressão e Temperatura

A recuperação de parâmetros do topo da nuvem é baseada no método da “fatia” de CO2, utiliza o fato da atmosfera se tornar mais opaca devido à absorção de CO2 conforme o comprimento de onda aumenta de 13,3 μm para 15 μm, fazendo com que as radiâncias provenientes destas bandas espectrais sejam sensíveis a uma camada diferente da atmosfera (Menzel et al., 2006).

A pressão gerada pelo MODIS é convertida em altura e temperatura das nuvens através de produtos do modelo do NCEP Global Forecast System (GFS), que fornece perfis verticais de temperatura em função da pressão. O método da fatia de CO2 é mais eficiente para análise de nuvens médias e altas, especialmente nuvens semi-transparentes como os cirrus. Uma das restrições para o uso das bandas de 15 μm é que o sinal da nuvem se torna comparável ao ruído instrumental para nuvens de baixa espessura óptica e nuvens contidas nos primeiros 3 km da atmosfera. Quando nuvens baixas estão presentes, a banda de 11 μm é usada para inferir a temperatura do topo da nuvem e então altura e pressão são obtidas através do modelo.

A técnica da fatia de CO2 é fundamentada no cálculo da transferência radiativa em uma atmosfera com uma única camada de nuvem. Para um dado elemento de nuvem no campo de visão do sensor, a radiância observada, Rad(λ), na banda espectral λ, pode ser escrita como:

onde Radclr(υ) é a radiância para céu claro, Radbcd(υ) é a radiância da nuvem opaca na pressão Pc, N é a fração do campo de visão coberta por nuvem e E é a emissividade da nuvem. A radiância da nuvem opaca pode ser calculada da seguinte forma:

onde Ps é a pressão à superfície, Pc é a pressão no nível da nuvem, τ(λ,p) é a transmitância fracional da freqüência υ emitida do nível de pressão atmosférica (p) chegando no topo da atmosfera (p = 0) e B[υ,T(p)]

é a radiância de Planck para uma freqüência υ e temperatura T(p). O segundo termo no lado direito representa o decréscimo da radiação introduzido pela nuvem opaca.

5 Resultados

Nesta seção serão apresentados os resultados para 16 casos de detecção de nuvens em imagens do MODIS em cada região de estudo, sendo quatro em cada estação do ano. Os casos analisados não têm relação alguma entre si, foram selecionados aleatoriamente de maneira apenas a obedecer ao critério de serem pixels com nuvens e estarem dentro da região de determinado ecossistema. As Figuras 2 a 5 mostram as relações entre o raio efetivo e a espessura óptica da nuvem. Cada figura contém seis gráficos (um de cada região) e cada gráfico reuni os quatro casos da estação, com a distribuição de 96 pixels (matrizes de 12x8). O raio efetivo é dado em micrômetros (μm) e a espessura óptica é um valor adimensional que varia de 0 a 100 no produto do MODIS.

Figura 2 Relação entre o raio efetivo e a espessura óptica da nuvem para as imagens obtidas na primavera. Cada cor representa um caso analisado, onde cada um é uma seleção de 12x8 pixels referentes à região de estudo retirados da imagem original do MODIS. Cores iguais não estão relacionadas entre uma região e outra.



Figura 3 Relação entre o raio efetivo e a espessura óptica da nuvem para as imagens obtidas no verão. Cada cor representa um caso analisado, onde cada um é uma seleção de 12x8 pixels referentes à região de estudo retirados da imagem original do MODIS. Cores iguais não estão relacionadas entre uma região e outra.

pela pressão do seu topo, e da espessura óptica. Esta é uma proposta do projeto ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project). Além disso, o produto de classificação de nuvens do DSA (Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais/CPTEC (Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos /INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) é utilizado para uma classificação inicial dos casos estudados, e as cartas sinóticas do Centro de Hidrografia da Marinha são usadas para fazer uma descrição sinótica da região, juntamente com imagens do satélite o GOES, também disponibilizadas pelo DSA.

Figura 4 Relação entre o raio efetivo e a espessura óptica da nuvem para as imagens obtidas no outono. Cada cor representa um caso analisado, onde cada um é uma seleção de 12x8 pixels referentes à região de estudo retirados da imagem original do MODIS. Cores iguais não estão relacionadas entre uma região e outra.

Verificam-se todos os tipos de distribuição e padrões, como pontos muito concentrados em torno de um valor de raio e de espessura, pontos distribuídos na vertical ou horizontalmente no gráfico e pontos totalmente espalhados, sem padrão algum.

Para servir como base de comparação com os resultados obtidos neste trabalho, apresentamos o esquema da Figura 6, que mostra a classificação dos tipos de nuvens em função da altura da nuvem, representada

Figura 5 Relação entre o raio efetivo e a espessura óptica da nuvem para as imagens obtidas no inverno. Cada cor representa um caso analisado, onde cada um é uma seleção de 12x8 pixels referentes à região de estudo retirados da imagem original do MODIS. Cores iguais não estão relacionadas entre uma região e outra.

Figura 6 Esquema de classificação de nuvens proposto pelo projeto ISCCP relacionando os gêneros com a pressão no topo da nuvem e a espessura óptica da mesma.



Os casos da primavera foram os que apresentaram melhor separação gráfica, sendo possível visualizar características mais bem definidas de cada caso. Destacam-se os casos bem concentrados na Amazônia e as três distribuições bem estreitas do Cerrado. Na Amazônia, as distribuições azul e vermelha apresentaram condição sinótica semelhante (zona de baixa pressão característica da região equatorial), e nuvens cumuliformes em diferentes estágios de desenvolvimento, de acordo com o produto de classificação (o estágio mais avançado sendo o de maior raio efetivo). Os casos do Cerrado também apresentaram condições sinóticas semelhantes entre si, estando associados à forte convecção na presença de um cavado em superfície oriundo de um sistema frontal passando pelo litoral.

Os gráficos dos casos do verão têm distribuição um pouco mais espalhada. Considerando o esquema da figura 6, estes casos sugerem a presença de mais de um tipo de nuvem dentro da área compreendida na matriz de pixels. Destaca-se o caso do Atlântico Subtropical, que varia bastante tanto na espessura óptica como no valor de raio efetivo. A condição sinótica associada a esta distribuição, assim como à maioria das outras distribuições com padrão bem espalhado, é a presença de um sistema frontal frio bem marcado passando pelo sudeste brasileiro.

No outono, os resultados ficaram ainda mais espalhados nos valores de espessura óptica e raio efetivo, com exceção da Caatinga, onde os quatro casos apresentaram espessura abaixo de 30, sugerindo nenhuma situação de convecção profunda. Outro destaque é o caso do Atlântico Sul, onde a distribuição azul apresenta dois padrões distintos no mesmo caso: uma parte bem concentrada em torno de 20 μm de raio efetivo e espessura óptica de 25, e outra parte que se alonga a partir desta para valores altos de espessura, chegando a 100.

As distribuições do inverno apresentam as mesmas características dos gráficos anteriores, com padrões de distribuição concentrada assim como padrões de distribuição espalhada.

Um fato interessante que pode ser observado diz respeito às distribuições vermelha do Cerrado no outono e preta da Caatinga no verão. Na ocasião, ambas as regiões de onde os pixels foram selecionados localizavam-se na interface entre dois tipos de nuvens, de acordo com o produto de classificação do

CPTEC. O primeiro exemplo apresentou variação de espessura óptica entre 0 e 100, o que já engloba todas as possibilidades de nuvens baixas e médias (Figura 6). O segundo, apesar de variar bem menos (entre 10 e 30), se encontra exatamente no limite entre cirrocumulos ou cirrostratus e nuvens de convecção profunda.

5.1 Estudo de Caso

Um estudo mais detalhado do caso de 11 de novembro de 2008 foi realizado, avaliando o perfil horizontal de toda a extensão lateral da varredura da imagem do MODIS de 1720Z, como mostra a Figura 7. Os dados da imagem são transferidos a uma matriz de 2034 x 1354 pontos, considerando o pixel de 1 km, e uma matriz de 406 x 270 pontos, considerando o pixel de 5 km de resolução. A linha azul que cruza a imagem corresponde à posição geográfica de onde foi feito o perfil horizontal mostrado a seguir. Na matriz de 1 km, a linha correspondente ao perfil é a de número 1020, enquanto que na matriz de 5 km, a linha correspondente é a 210.

Figura 7 Imagem do canal visível do MODIS (satélite Aqua) para o dia 11 de novembro de 2008 às 1720Z, no bioma Amazônia. A região marcada em vermelho corresponde à área de onde foram obtidos os dados para a análise do caso vermelho da primavera. A linha que cruza a imagem marca a posição geográfica do perfil horizontal.

A condição meteorológica ilustrada na imagem sugere uma situação típica da região, em que a convecção se torna mais intensa conforme a brisa marítima avança para dentro do continente. O estudo de caso tem como objetivo avaliar a evolução



das variáveis microfísicas ao longo deste processo, através da pressão e temperatura do topo das nuvens, raio efetivo da partícula de nuvem e espessura óptica. As Figuras 8 e 9 (pressão e temperatura, respectivamente – 5 km de resolução) apresentam padrão similar, onde os picos representam os topos das nuvens mais desenvolvidas, e os mínimos mais pronunciados são nuvens baixas ou médias. O eixo horizontal segue a extensão lateral da imagem da esquerda para a direita, e os números das colunas da matriz são a referência de localização, uma vez que a imagem é uniformemente dividida (270 colunas para pixels de 5 km e 1354 colunas para pixels de 1 km). Observa-se claramente nos gráficos a separação entre os cumulus rasos próximos ao oceano e os complexos mais desenvolvidos à esquerda, onde os picos atingem temperaturas e pressões bem mais baixas.

As variáveis espessura óptica e raio efetivo (Figuras 10 e 11, respectivamente) são computadas nos pixels de 1 km, portanto o gráfico apresenta 1354 colunas no eixo horizontal, acarretando mínimos e máximos mais estreitos. A concentração de valores mais altos continua coincidindo com a região dos sistemas convectivos mais profundos, porém, o gráfico de espessura óptica mostra alguns picos excedendo o valor 100 (máximo do MODIS) próximo a costa, sobre o continente, acompanhados por uma região com partículas de maior raio efetivo também. Estes picos na região direita do gráfico estão de acordo com o observado na imagem, em que nota-se maior quantidade de formações convectivas, mas de escala menor em comparação com a região à esquerda.

Figura 8 Perfil horizontal da pressão no topo da nuvem, referente à linha mostrada na Figura 7 que cruza a imagem de satélite para o dia 11 de novembro de 2008 às 1720Z. O eixo horizontal do gráfico representa a coluna da matriz associada aos dados da imagem.

Figura 9 Perfil horizontal da temperatura do topo da nuvem, referente à linha mostrada na Figura 7 que cruza a imagem de satélite para o dia 11 de novembro de 2008 às 1720Z. O eixo horizontal do gráfico representa a coluna da matriz associada aos dados da imagem.

Figura 10 Perfil horizontal da espessura óptica da nuvem, referente à linha mostrada na Figura 7 que cruza a imagem de satélite para o dia 11 de novembro de 2008 às 1720Z. O eixo horizontal do gráfico representa a coluna da matriz associada aos dados da imagem.

Figura 11 Perfil horizontal do raio efetivo da partícula de nuvem, referente à linha mostrada na Figura 7 que cruza a imagem de satélite para o dia 11 de novembro de 2008 às 1720Z. O eixo horizontal do gráfico representa a coluna da matriz associada aos dados da imagem.



6 Discussão e Conclusões

As distribuições de raio efetivo da partícula nas porções de nuvens dos eventos analisados apresentaram variações entre dois formatos extremos: espectros estreitos confinados em raios com variação de 2 a 3 μm e espectros bastante largos, com valores variando em até 35 μm dentro da mesma área. Ainda não foi realizado um trabalho estatístico sobre os dados encontrados e a origem meteorológica dos mesmos, porém, foi observado que os espectros estreitos e concentrados foram associados em todos os casos com nuvens de convecção profunda em áreas de baixa pressão atmosférica. As distribuições mais espalhadas, na maioria dos casos, foram associadas com sistemas frontais, apresentando grande variação nos valores de espessura óptica, o que sugere a presença de mais de um tipo de nuvem na área compreendida pelos pixels selecionados.

De fato, ao comparar os resultados com a Figura 5.1, que classifica os tipos de nuvens em função da altura e da espessura óptica, percebem-se os limiares nela impostos coincidem com as saídas do produto de classificação de nuvens do DSA, mostrando que grandes variações no valor de espessura podem significar mais de um tipo de nuvem.

A maioria dos casos estudados foi associada à convecção profunda, o que é verificado pela grande quantidade de casos com altos valores de espessura óptica (ISCCP) e muitas nuvens classificadas como multicamadas pelo produto do CPTEC. Esta constatação está aliada à dificuldade do método em observar nuvens pequenas ou aglomerados pequenos, devido à resolução espacial do sensor MODIS. Assim, uma vez que a escolha dos aglomerados de nuvens para análise foi realizada visualmente observando a imagem do canal visível do sensor, os casos de convecção profunda apareceram em maior destaque.

A quantidade de casos estudados ainda não é suficiente para definir padrões típicos de propriedades microfísicas para cada ecossistema, condição sinótica ou tipo de nuvem. No entanto são suficientes para dar a partida em estudos mais específicos e focados, analisando com maior detalhe alguma determinada região, utilizando maior número de eventos e avaliando outras variáveis para incrementar a caracterização proposta. Do mesmo modo, distinções entre as estações do ano não foram

sugeridas pelos resultados, pelas mesmas razões. Com base no conhecimento atual do comportamento da atmosfera, espera-se que estas relações típicas realmente existam, devido à grande influência comprovada dos núcleos de condensação nas características de formação das nuvens. Além disso, sabe-se que a circulação atmosférica transporta as propriedades de um local de origem para uma região adjacente, portanto, acredita-se que as estações do ano e os diferentes padrões de circulação atmosférica ao longo do ano também exerçam influência nas propriedades microfísicas das nuvens.

Entre os fatores que dificultaram o processo de análise dos dados, o principal foi a diferença de resolução espacial entre alguns parâmetros, prejudicando a avaliação combinada de duas variáveis de resoluções distintas, necessitando ajustes que geram imprecisões. Na descrição do algoritmo, King et al. (1997) apontaram como sendo um dos objetivos para o próximo conjunto de dados disponíveis a implementação da resolução de 1 km para as propriedades de topo das nuvens. Apesar disso, a metodologia apresentada se mostrou apropriada ao objetivo proposto, desde que se tenha em mente algumas considerações: não é possível avaliar pequenas nuvens isoladas, e sim aglomerados grandes ou extensas camadas estratificadas; a comparação entre parâmetros de escala espacial diferente pode indicar uma visão geral da relação entre eles, mas sem prover muito detalhamento.

Para suprir esta necessidade, o satélite CloudSat, que utiliza um radar como sensor para medir as propriedades microfísicas das nuvens, incluindo a realização de um perfil vertical, mostra-se como sendo o melhor caminho para o avanço desta pesquisa.

7 Referências

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Megafauna do Quaternário tardio de Baixa Grande, Bahia, BrasilMegafauna of the late Quaternary from Baixa Grande, Bahia, Brazil

Ricardo da Costa Ribeiro & Ismar de Souza Carvalho

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Geociências - Departamento de Geologia. Av. Athos da Silveira Ramos, 274, bloco G

21941-916 - Cidade Universitária, Rio de Janeiro-RJ, Brasile-mails: [email protected]; [email protected]


Resumo

São descritos os primeiros registros de fósseis da megafauna do Pleistoceno final - Holoceno coletados em um tanque do município de Baixa Grande, Bahia. Os taxa identificados compreendem Eremotherium laurillardi (Pilosa – Megatheriidae), Panochthus greslebini (Cingulata - Glyptodontidae), Toxodontinae (Notoungulata - Toxodontidae) e Stegomastodon waringi (Proboscidea - Gomphoteriidae). A ecologia inferida para esta fauna aponta para um habitat de savana/borda de floresta, em um clima mais úmido do que o atual.Palavras-Chave: megafauna; Quaternário; paleoclima

Abstract

It is presented the first occurrence of the late Pleistocene - Holocene mammals fossils in a gnamma-like deposit in the Baixa Grande municipality, Bahia State. The identified taxa were Eremotherium laurillardi (Pilosa – Megatheriidae), Panochthus greslebini (Cingulata - Glyptodontidae), Toxodontinae (Notoungulata - Toxodontidae) and Stegomastodon waringi (Proboscidea - Gomphoteriidae). The inferred ecology for this fauna is related to a savanna/forest habitat, in a more wet climate than the present-day semi-arid climate. Keywords: megafuna, Late Quaternary, paleoclimate



Megafauna do Quaternário tardio de Baixa Grande, Bahia, BrasilRicardo da Costa Ribeiro & Ismar de Souza Carvalho

1 Introdução

O município de Baixa Grande (Figura 1) localiza-se na região centro-leste do Estado da Bahia, nas proximidades da Chapada Diamantina. Possui clima seco a sub úmido, sofrendo longos períodos de estiagem. Sua vegetação é caracterizada como de contato caatinga-floresta estacional e florestas estacionais deciduais e semideciduais (Vieira et al., 2005).

A geologia da região é caracterizada por rochas cristalinas pertencentes aos complexos Caraíba, Tanque Novo-Ipirá, Saúde e Mairi (Vieira et al., 2005). É neste último onde ocorrem ortognaisses migmatíticos, com enclaves máficos e ultramáfícos nos quais estão encaixados os tanques observados na área rural do município. Em um destes, na localidade Lagoa do Rumo, foram descobertos fósseis da megafauna do Quaternário tardio.

Achados de fósseis da megafauna quaternária nordestina são relatados desde o século XIX. Os registros de restos destes animais em depósitos do tipo tanque, caldeirão ou cacimba são bastante comuns em estados como a Paraíba, Alagoas, Ceará, Rio Grande do Norte e Pernambuco (Simpson & Paula Couto, 1957; Paula Couto, 1979; Gomide et al., 1987; Bergqvist, 1993; Silva, 2001; Santos, 2001; Bergqvist & Almeida, 2004; Viana et al., 2005 e Silva et al., 2006). Na Bahia são limitados a poucas ocorrências na região do cráton do São Francisco, como os registros dos municípios de Vitória da Conquista (Dantas & Tasso, 2007), Coronel João Sá (Dantas & Zucon, 2007) e Palmas de Monte Alto (Dantas et al., 2008). Ocorre um predomínio dos registros fósseis quaternários nos depósitos cársticos da Chapada Diamantina, como demonstram pesquisas realizadas nas últimas décadas (Cartelle & Bohórquez, 1985; Cartelle, 1992; Cartelle, 1998). Há uma única ocorrência de fósseis em bom estado de preservação em tufos calcários no município de Jacobina (Rolim, 1974).

Este trabalho tem como objetivos relatar e identificar os fósseis de megafauna descobertos pela primeira vez no município de Baixa Grande, além de avaliar as condições paleoambientais e paleoclimáticas do Quaternário tardio da região a partir dos elementos da fauna coletada.


Os fósseis analisados provêm de uma propriedade rural na localidade Lagoa do Rumo, município de Baixa Grande, Bahia. As coordenadas geográficas do depósito são 11°32’07” de latitude Sul, e 40°07’11” de longitude Oeste (Datum SAD 69), com cota altimétrica de 386m. Encontram-se atualmente no repositório da Coleção de Macrofósseis Fósseis do Departamento de Geologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ-DG).

O tanque fossilífero da Lagoa do Rumo possui duas camadas: uma basal, com 1 metro de espessura, e uma superior, com espessura de 2 metros. A basal é caracterizada como uma brecha fossilífera densamente empacotada, composta por clastos e bioclastos muito mal selecionados. Estes dispõem-se aleatoriamente em relação ao acamamento, distribuídos em várias classes de tamanho. A maior parte dos fósseis encontra-se fragmentada, apresentando-se assim como os clastos, com formas angulosas. A camada superior é um lamito negro, rico em matéria orgânica.

Figura 1 Localização do município de Baixa Grande, Bahia, área de ocorrência de fósseis da megafauna do Quaternário tardio.



3 Sistemática

A sistemática adotada segue a taxonomia morfológica proposta nos trabalhos de Paula-Couto (1979), Cartelle & Bohórquez (1985), Cartelle & De Iullis (1995), Alberdi et al., (2002) e Porpino & Bergqvist (2002).

Ordem PILOSA Flower, 1883Família MEGATHERIIDAE Owen, 1843Eremotherium Spillman, 1948Eremotherium laurillardi (Lund, 1842)

Cartelle & Bohórquez, 1982

Descrição

Estão presentes parte de um ramo mandibular inferior direito (UFRJ DG 371-M, Figura 2 A), além de fragmentos de dentes (UFRJ DG 362-M).

Do pós-crânio estão presentes: fragmento de porção distal de úmero (UFRJ DG 356-M, Figura 2 B); rádio (UFRJ DG 361-M, Figura 2 C); fragmento de porção proximal de fêmur (UFRJ DG 369-M); tíbia (UFRJ DG 375-M, Figura 2 D); calcâneo fragmentado (UFRJ DG 357-M, Figura 2 G); dois astrágalos esquerdos, um destes fragmentado (UFRJ DG 358-M, Figura 2 E, e UFRJ DG 359-M, Figura 2 F); astrágalo direito (UFRJ DG 370-M); metacarpo IV (UFRJ DG 368-M, Figura 2 I); falange distal fragmentada do terceiro dedo (UFRJ DG 360-M, Figura 2 H).

Grande parte do material estudado encontra-se fragmentado. O fóssil que se encontra em melhor estado de preservação é o metacarpo IV. Os demais encontram algum grau de fragmentação, restando em alguns a porção distal do úmero e o fragmento da porção proximal do fêmur, ou seja, menos de 1/3 do osso original. Em outros, como a tíbia, um dos astrágalos esquerdo, o rádio e o calcâneo, o grau de fragmentação é menor, estando presente a maior parte do osso.

Comentários

Táxon mais representado no depósito. Estão presentes doze elementos do esqueleto pós-craniano, além de cinco dentes fragmentados isolados e um fragmento de um ramo mandibular direito. Os fósseis identificados representam mais de um indivíduo de Eremotherium laurillardi, o que pode

ser evidenciado pela presença de dois astrágalos esquerdos. A presença deste taxon na região está de acordo com a distribuição biogeográfica dessa espécie no Nordeste do Brasil (Ribeiro, 2008).

A maior das preguiças terrícolas, Eremotherium laurillardi, se alimentava de gramíneas e folhas, trituradas por seus 18 dentes com estrutura de dentina prismática. Estes eram destituídos de esmalte, possuindo crescimento contínuo. Suas patas traseiras possuíam três dedos, um destes com uma grande garra recurvada. Suas patas dianteiras também possuíam três dedos, sendo que estas possuíam duas garras recurvadas, onde a maior podia atingir 50 cm de comprimento (Cartelle, 1995; 2000). Habitava áreas de savana e bordas de floresta (Ranzi, 2000).

E. laurillardi é a espécie de preguiça gigante

com maior presença no território brasileiro e por toda a América do Sul intertropical, chegando até as Américas Central e do Norte. No Brasil já foram encontrados fósseis desta espécie em quase todos os estados (Cartelle, 2000). Cartelle & De Iuliis (1995) consideram o gênero monoespecífico e reconhecem Eremotherium laurillardi como a única espécie panamericana.

Ordem CINGULATA Illiger, 1811Família GLYPTODONTIDAE Burmeister,

1866Panochthus Castellanos, 1941Panochthus greslebini Castellanos, 1941

Descrição

Fragmento de osteodermo (UFRJ DG 372-M, Figura 3 A), medindo 7cm de comprimento máximo. Apresenta uma ornamentação composta por figuras de tamanhos diminutos arranjadas sem uma orientação preferencial e sem uma figura central maior.

Comentários

Este gliptodonte, abundante no Nordeste brasileiro, está representado em Baixa Grande por apenas um fragmento de osteodermo. A ornamentação composta por figuras diminutas arranjadas sem uma orientação preferencial e sem uma figura central maior possibilita atribuí-lo à Panochthus greslebini segundo as diagnoses de Moreira (1971), Porpino & Bergqvist, (2002) e Porpino et al., (2004).



O osteodermo exibe o padrão ornamental diagnóstico da espécie, na qual a ornamentação é homogênea, composta por figuras pequenas e irregulares, rugosas e salientes, cujo número varia de acordo com a disposição do osteodermo ao longo da carapaça.

O gênero Panochthus, além do Nordeste brasileiro, também possui registros no Quaternário tardio da Argentina, Bolívia, Paraguai, Peru e Uruguai (Paula-Couto, 1979; Porpino, 1999). Habitava as savanas e alimentava-se de gramíneas (Ranzi, 2000).

Ordem NOTOUNGULATA Roth, 1903Família TOXODONTIDAE Owen, 1845Subfamília TOXODONTINAE Trouessart,

1898

Descrição

Fragmento de dente molariforme com 4 cm de comprimento máximo (UFRJ DG 374-M, Figura 3 B e 3 C), contendo a camada de esmalte e parte da dentina.

Comentários

Com ampla distribuição pelo Nordeste brasileiro, este toxodonte está representado em Baixa Grande por fragmentos de dentes molariformes. Não é possível apontar o gênero deste Toxodontinae, aqui identificado a partir dos fragmentos de dentes molariformes, devido ao mau estado de preservação dos mesmos.

De acordo com as características indicadas

em Roth (1896), Vidal (1959) e Paula-Couto (1979), pela forma geral e estrutura, os fragmentos de molariformes podem ser atribuídos à subfamília Toxodontinae. As características diagnósticas desta subfamília de toxodontes são incisivos superiores arqueados, achatados e protuberantes, com a face lingual do dente mais larga do que a face labial. Molares superiores curvos e voltados para o lado interno, apresentando as três bandas de esmalte (Paula-Couto, 1979; Carlini & Tonni, 2000). A diferenciação das espécies desta subfamília é feita a partir de caracteres dentários (Paula-Couto, 1956; Cartelle, 1999), utilizados para distinguir os gêneros Toxodon e Trigodonops.

Os fragmentos de dentes provenientes da Lagoa do Rumo apresentam o padrão característico dos Toxodontinae, porém o estado de preservação do fóssil, bastante fragmentado, impossibilita sua classificação ao nível de gênero.

Estes megaherbívoros habitavam savanas, alimentando-se de gramíneas (Ranzi, 2000). São atribuídos a estes características semi-anfíbias, observadas em seu pescoço curto, em seus ouvidos situados na parte superior do crânio, sua bacia larga, e em seus membros volumosos (Cartelle, 1994).

Ordem PROBOSCIDEA Illiger, 1811Família GOMPHOTHERIIDAE Cabrera,

1929Stegomastodon Pohlig, 1912Stegomastodon waringi (Holland, 1920)

Descrição

Fragmento de cúspide de dente molariforme de indivíduo juvenil (UFRJ DG 373-M, Figura 3 D e 3 E), apresentando baixo grau de desgaste das cúspides, que ainda preservam uma geometria cônica. Apesar de fragmentada, a cúspide coletada apresenta um bom estado de preservação.

Comentários

Os mastodontes do Quaternário tardio possuem uma ampla distribuição de registros de seus fósseis em todo o Brasil (Simpson & Paula Couto, 1957; Alberdi et al., 2002; Bergqvist, & Almeida, 2004). A região Nordeste do Brasil possui um número relevante destes registros, distribuídos por todos os seus estados (Ribeiro, 2008).

Restos de Stegomastodon são comuns em depósitos do final do Plioceno e Pleistoceno da América do Norte. Seus fósseis também são relatados em sedimentos quaternários do Equador, Colômbia, Bolívia, Venezuela, Paraguai, Uruguai e Argentina. É o mastodonte mais abundante do continente, sendo sua diagnose feita por meio da morfometria de seus dentes molariformes e probóscides (Paula-Couto, 1979). Herbívoro, alimentava-se de gramas, folhas e frutos, habitando áreas de savana (Ranzi, 2000).



Pela morfologia e estrutura, o fragmento de cúspide do molariforme coletado pertenceu a um indivíduo juvenil, devido ao baixo grau de desgaste apresentado. Em indivíduos adultos, o desgaste das cúspides cônicas é facilmente observado, apresentando um padrão em trevo simples ou duplo, característico da espécie (Simpson & Paula Couto, 1957; Paula Couto, 1979; Carlini & Tonni, 2000).

4 Paleoambiente e Paleoclima

As informações paleoambientais provenientes dos fósseis de megafauna, por meio das características ecológicas de seus diversos táxons, possibilitam que se analise em qual contexto ambiental estes animais estavam inseridos. O contexto estratigráfico e os aspectos tafonômicos da assembléia indicam em quais condições os restos esqueletais foram depositados e posteriormente preservados, enriquecendo a reconstituição ambiental.

As características bioestratinômicas da assembléia indicam uma acumulação de ossos de elementos da megafauna quaternária no entorno do tanque. A presença de dentes, elementos ósseos do grupo III de Voorhiers (Holz & Simões, 2002), para três dos quatro taxa identificados (Eremotherium laurillardi, Stegomastodon waringi e Toxodontinae) apontam para uma morte próxima ao depósito. O transporte dos restos ósseos da área fonte - o entorno do tanque - para o interior do depósito ocorreu em eventos de regime de fluxo de detritos, o que pode ser observado pela não seleção dos clastos e bioclastos na camada fossilífera. À medida que era reduzido o aporte de detritos, era depositada sobre a brecha fossilífera uma camada de sedimentos finos, rica em matéria orgânica. Estas feições bioestratinômicas são características deste tipo de depósito, como observado em outras pesquisas realizadas nos últimos anos na região Nordeste (Bergqvist et al., 1997; Silva, 2001; Santos, 2001; Alves et al., 2007 e Dantas & Tasso, 2007).

Do ponto de vista paleoambiental, a fauna de Baixa Grande aponta para um habitat do tipo savana/borda de floresta, com grande disponibilidade de alimentos para estes megaherbívoros, além de corpos d’água, a fim de atender as características semi-aquáticas atribuídas aos toxodontes, o que implica em um clima mais úmido do que o atual em certos momentos do Pleistoceno final para esta região.

Estes animais viviam em condições ambientais bem distintas das existentes atualmente no sertão nordestino, onde predomina o clima semi-árido, altas temperaturas, e uma cobertura vegetal escassa, composta predominantemente por plantas xerófilas.

A fauna de Baixa Grande, composta pelos quatro grupos fósseis mais representados no Nordeste brasileiro, é bastante semelhante à de outros registros em tanques fossilíferos do estado da Bahia. Em Vitória da Conquista, sul da Bahia, e Coronel João Sá, na fronteira com Sergipe, também ocorrem os Megatheriidae, Toxodontidae e Gomphotheriidae (Dantas & Tasso, 2007; Dantas & Zucon, 2007). Não há os Glyptodontidae, que estão presentes apenas em Baixa Grande. No tanque fossilífero de Palmas de Monte Alto, sudoeste baiano, são relatados somente Eremotherium laurillardi e Toxodontinae (Dantas et al., 2008). Em alguns tanques de outros estados nordestinos como a Paraíba, Rio Grande do Norte, Ceará e Pernambuco, a fauna é representada por um maior número de táxons, podendo ocorrer indivíduos dos Macraucheniidae, Equidae e Camelidae, além do grande felídeo Smilodon populator. Estes também podem ser encontrados na Bahia e no Piauí, não em tanques fossilíferos, mas em seus depósitos cársticos da Chapada Diamantina e da Serra da Capivara (Ribeiro, 2008).

5 Conclusões

A assembléia fóssil de Baixa Grande, constituída por quatro gêneros dos megamamíferos do Quaternário tardio do Nordeste brasileiro, é, no que tange aos macrofósseis, monotípica e poliespecífica. Os elementos da megafauna registrados neste depósito são uma valiosa ferramenta para se reconstituir as condições paleoambientais e paleoclimáticas da região. A maior parte dos restos identificados pertence à dois indivíduos de Eremotherium laurillardi, sendo reconhecidos elementos cranianos e do pós-crânio desta espécie. Dos demais elementos da megafauna foi possível a identificação de apenas fragmentos de dentes molariformes, como ocorre em Stegomastodon waringi e Toxodontinae, além de um fragmento de osteodermo atribuído à Panochthus greslebini.

A presença desta mastofauna na localidade da Lagoa do Rumo aponta para um paleoambiente distinto da atual caatinga que predomina no semi-



árido nordestino, onde teria existido uma savana/borda de floresta. Para a existência deste habitat o padrão climático regional seria mais úmido do que

o da presente caatinga, contando com a presença de rios e lagos a fim de atender a características anfíbias atribuídas aos Toxodontinae.

Figura 2 Eremotherium laurillardi: (A) ramo mandibular direito (UFRJ DG 371-M); (B) fragmento de porção distal de úmero (UFRJ DG 356-M); (C) rádio (UFRJ DG 361-M); (D) tíbia (UFRJ DG 375-M); (E) astrágalo esquerdo (UFRJ DG 358-M); (F) astrágalo esquerdo fragmentado (UFRJ DG 359-M); (G) calcâneo fragmentado (UFRJ DG 357-M); (H) falange distal do terceiro dedo fragmentada (UFRG DG 360-M); (I) metacarpo IV (UFRJ DG 368-M), provenientes de Baixa Grande, Estado da Bahia.



Figura 3 (A) Osteodermo de Panochthus greslebini (UFRJ DG 372-M); (B) fragmento de dente molariforme de Toxodontinae (UFRJ DG 374-M); (C) Vista distal de fragmento de dente molariforme de Toxodontinae, onde se observa: a) camada de esmalte; b) dentina; (D) cúspide de dente molariforme de Stegomastodon waringi (UFRG DG 373-M), em vista oclusal; (E) cúspide de dente molariforme de Stegomastodon waringi em vista labial, provenientes de Baixa Grande, Estado da Bahia.



6 Agradecimentos

Ao Sr. João França, descobridor dos fósseis de Baixa Grande. À Rosembergh da Silva Alves e Kleberson Porpino, pelo auxílio na identificação de alguns dos materiais e fornecimento de relevante bibliografia. À Lílian Bergqvist, pelas sugestões apresentadas ao manuscrito. Este estudo contou com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq, Proc. N° 305780/2006-9), Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ, Proc. N° E-26/102.692/2008) e da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).

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Favorabilidade de Aquíferos Fraturados - Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos- Estado do Rio de Janeiro

Hydrogeological Favorability of Fractured Aquifers – São Domingos River Basin, Rio de Janeiro State

Luana Alves de Lima1; Gerson Cardoso da Silva Jr.1;

Juliana Magalhães Menezes1 & Vinícius da Silva Seabra2

1Instituto de Geociências - Departamento de Geologia da UFRJAvenida Athos da Silveira Ramos, 274. CCMN – IGEO - Universidade Federal do Rio de Janeiro

Cidade Universitária, Ilha do Fundão - 21.949-916.2Departamento de Geografia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Rua Dr. Francisco Portela, 1470 – Patronato - 24435-005 – São Gonçalo - RJe-mails: [email protected]; [email protected];

[email protected]; [email protected] Recebido em: 23/08/2009 Aprovado em: 12/10/2009

Resumo

Estudos de favorabilidade hidrogeológica têm sido desenvolvidos com o intuito de diminuir a incerteza na locação de poços e definir o potencial hidrogeológico dos aquíferos cristalinos. O emprego de técnicas de geoprocessamento e Sistemas de Informação Geográfica (SIG) têm mostrado eficiente na determinação de áreas de alto potencial hidrogeológico nesses estudos de favorabilidade. A área de estudo do presente trabalho é a Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos (BHRSD), localizada no Noroeste do Estado do Rio de Janeiro, englobando integralmente o Município de São José de Ubá e uma pequena parte do Município de Itaperuna. O estudo teve como objetivo principal determinar a favorabilidade hidrogeológica da BHRSD, contribuindo tanto para o gerenciamento da água na região como na construção de uma metodologia para a cartografia de favorabilidade de aquíferos fraturados. Como resultados, elaboraram-se cartas de favorabilidade hidrogeológica da BHRSD contendo cinco classes de favorabilidade e mostrando, de forma geral, dois grandes domínios: a porção central apresentando classes de maior favorabilidade e as cabeceiras da bacia com classes de menor favorabilidade. Concluiu-se que: 1) a favorabilidade da BHRSD tem forte subordinação ao quadro geológico-estrutural da bacia; 2) o método utilizado mostrou-se eficiente na avaliação da favorabilidade hidrogeológica de aquíferos fraturados. Espera-se que tal metodologia venha a contribuir à gestão e aproveitamento sustentado dos recursos hídricos subterrâneos na região.Palavras-chave: aquíferos fraturados; favorabilidade hidrogeológica; SIG

Abstract

Studies of aquifer favorability have been developed to reduce uncertainty in water well location and to define the hydrogeological potential of crystalline aquifers. The use of geoprocessing tools and Geographic Information Systems (GIS) proved efficient in determination of areas with a higher hydrogeological potential. The area of study is the São Domingos River Basin (SDRB), located in the Northwestern Region of Rio de Janeiro State, Brazil, including the entire São José de Ubá and a small part of Itaperuna municipalities. The main objective is to determine the hydrogeological favorability of the SDRB as a contribution to the management of the region’s water resources, as well as elaborate a methodology to produce a cartography of hydrogeological favorability. As a result, hydrogeological favorability maps of SDRB were elaborated, comprising five classes of favorability, with two great domains: the central portion presenting classes of higher favorability and the upper basin with classes of lower favorability. The conclusions are: 1) favorability of the SDRB is strongly conditioned by the basin’s geologic-structural settings; 2) the method used proved efficient in the evaluation of the fractured aquifers favorability. Keywords: fractured aquifers; hydrogeological favorability; GIS



Favorabilidade de Aquíferos Fraturados - Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos- Estado do Rio de JaneiroLuana Alves de Lima; Gerson Cardoso da Silva Jr.; Juliana Magalhães Menezes & Vinícius da Silva Seabra

1 Introdução

Estudos de caráter hidrogeológico que bus-cam tanto a quantificação do recurso hídrico subter-râneo quanto a avaliação da sua qualidade e vulne-rabilidade à contaminação são atualmente de grande relevância. A preservação, gestão e uso adequados das águas subterrâneas são preocupações constan-tes à medida que as águas superficiais nem sempre atendem as necessidades de consumo. Portanto, es-tudos de favorabilidade hidrogeológica de aquíferos são importantes para caracterizá-los de acordo com o seu potencial, auxiliando na gestão desse recurso e garantindo assim a sua sustentabilidade.

O presente estudo tem como área de exe-cução a Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos (BHRSD), localizada no Noroeste do Estado do Rio de Janeiro. É uma região de sistema aquífero cristalino, predominantemente agrícola e o abas-tecimento de água, tanto para consumo doméstico quanto para a agricultura, se dá prioritariamente por intermédio de poços rasos (cacimbas) e poços profundos (tubulares), sendo o recurso hídrico su-perficial utilizado secundariamente.

O presente estudo conta com o auxílio de ferramentas de geoprocessamento e sensoriamento remoto, e teve como base metodológica trabalhos anteriores realizados no país em aquíferos com-postos por rochas cristalinas (Barreto et al., 2000; Freitas et al., 2000; Nogueira & Soares, 1996 e Souza et al., 2003). É parte integrante do proje-to “Caracterização de Aquíferos Fraturados no Noroeste Fluminense e Elaboração de Metodologia para Estimativa de Vulnerabilidade”, financiado pelo MCT/CNPq 02/2006 – Edital Universal e foi desen-volvido pela Universidade Federal do Rio de Janeiro em parceria com a Empresa Brasileira de Pesquisa

Agropecuária - Solos e com o Departamento de Recursos Minerais - RJ.

O objetivo principal do presente trabalho é determinar a favorabilidade hidrogeológica da Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos, contribuindo tanto para o gerenciamento da água subterrânea da região quanto para a elaboração de metodologia de construção de mapa de favorabilidade dentro do contexto de aquíferos fraturados.

2 Caracterização da Área de Estudo2.1 Localização

A área de estudo compreende a Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos (BHRSD) que está localizada no Noroeste do Estado do Rio de Janeiro, englobando o município de São José de Ubá integralmente e parte do Município de Itaperuna (Figura 1).

2.2 Aspectos Fisiográficos

A região estudada possui um clima característi-co do Noroeste e Norte do Estado do Rio de Janeiro. Segundo o critério de Köppen (1948), é o clima tro-pical quente e úmido (Aw), com períodos de seca no inverno e chuvoso no verão. Ortega et al. (2006) rea-lizaram o balanço hídrico da região, compreendendo dados de estação pluviométrica instalada nas proxi-midades do município de São José de Ubá no período de 1960 a 1990, comprovando a maior concentração de chuvas no verão e déficit hídrico no inverno. Ainda segundo aqueles autores, a precipitação média anual na BHRSD é de 1172 mm, sendo dezembro o mês mais chuvoso, com 219 mm e 19% da precipitação anual, e julho o mês de menor precipitação.

Figura 1 Mapa de localização da Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos (BHRSD). Coordenadas UTM em m (Zona 23S).



Dantas (2000) identificou a geomorfolo-gia da área de estudo como sendo situada na uni-dade geomorfológica Depressão Interplanáltica com Alinhamentos Serranos do Norte-Noroeste Fluminense. Esta unidade consiste em uma zona colinosa, alternada bruscamente por alinhamentos serranos de direção predominante WSW-ENE. O Norte do Estado é caracterizado por essa unidade onde a direção preferencial dos alinhamentos ser-ranos mantém semelhança morfológica e estrutural com os alinhamentos que ocorrem no médio vale do rio Paraíba do Sul.

Lumbreras et al. (2006) classificaram os so-los da BHRSD e concluíram que de forma geral é possível dividir a bacia em dois domínios de solos ligados às suas feições geomorfológicas regionais: 1) um domínio restrito às regiões mais baixas (vár-zeas) representados por Gleissolos e Cambissolos e Planossolos nos sedimentos coluvionares e co-lúvio-aluvionares nas regiões mais elevadas; e 2) nas regiões de morros e montanhas predominam os Argissolos vermelho e vermelho-amarelos que gradam para Neossolos litólicos nos relevos mais acentuados. Consequentemente, a deficiência hídri-ca regional é minimizada nas baixadas e nas áreas mais elevadas há uma maior erodibilidade e defici-

ência hídrica. Em relação ao uso do solo na BHRSD, Fidalgo & Abreu (2005) diagnosticaram que a classe predominante é a de pastagens.

2.3 Geologia Regional e Local

A região Noroeste Fluminense é constituída por terrenos pré-cambrianos sujeitos a metamorfis-mo de alto grau incluídos no contexto geotectôni-co que deu origem a Faixa Ribeira (Almeida 1973 apud Heilbron et al., 2006). A porção central da Faixa Ribeira apresenta a uma divisão entre do-mínios ocidental e oriental, sendo que no primeiro ocorrem para e ortognaisses milonitizados com ver-gência para NW do Domínio Tectônico Juiz de Fora, e na porção oriental aparece o Domínio Tectônico Cambuci, caracterizado por dobramentos verticais a sub-verticais de alto grau de metamorfismo em para e ortoganisses.Segundo Heilbron et al. (2006), a BHRSD está ins-talada ao longo do contato tectônico que divide os terrenos ocidental e oriental (Figura 2). A porção Norte e as cabeceiras da bacia são compostas pelo Domínio tectônico Juiz de Fora e a vertente Sul é composta por rochas do Domínio Cambuci.

Figura 2 Mapa Litológico da BHRSD (adaptado de Heilbron et. al., 2006). Coordenadas UTM em m (Zona 23S).



Dessa forma, a BHRSD apresenta um impor-tante contato tectônico onde a vertente norte apre-senta rochas granulíticas do Complexo Juiz de Fora, de maior resistência à erosão, e a vertente sul é com-posta por leucocharnockitos do Domínio Cambuci, que possuem maior suscetibilidade à erosão, por apresentar composição quartzo-feldspática e eleva-do grau de milonitização.

A seguir a descrição dos dois domínios que ocorrem na BHRSD descritos por Heilbron et al. (2006):

Domínio Juiz de Fora: Contém rochas de grão médio a grosso, esverdeadas a escuras, com ortopiroxênio (hiperstênio), pouca biotita e hornblenda, quartzo acima de 20% e concentração variada de feldspato potássico e plagioclásio, classificadas como enderbi-tos e charnockitos gnaissificados. Os afloramentos se encontram peculiarmente na forma de lajes convexas que sugerem caráter isotrópico a rocha. Entretanto, a petrografia indica a presença de uma fina folia-ção milonítica, que se intensifica em certos locais. A relativa ausência de minerais micáceos explica, portanto, a ausência de uma planaridade marcante nos afloramentos. Este fato propicia grau elevado de resistência à erosão das rochas deste complexo, em especial ao longo da BHRSD.Domínio Cambuci: Aflora em sua maior parte como uma rocha leucocrática homogênea, de composição granítica a granodiorítica, com cristais isolados de biotita, piroxênio e anfibólio. Seus planos de folia-ção se intensificam nas proximidades de zonas de cisalhamento, constituindo lâminas submilimétricas de biotita e opacos, fitas de quartzo centimétricas e por domínios quartzofeldspáticos. Apresenta encla-ves de rochas máficas, hornblenda-gnaisses ban-dados, granada-gnaisses e rochas calcissilicáticas. Composicionalmente pode ser caracterizada como uma rocha quartzo-feldspática. Apresenta elevada alteração na maioria dos afloramentos. Sua foliação é pronunciada e se desenvolve a partir de fitas de quartzo e feldspato, comprovando o caráter miloní-tico da rocha.

2.4 Hidrogeologia

A hidrogeologia da região é caracterizada pela presença de aquíferos fraturados e aquíferos se-dimentares rasos, sendo que 57,4 % da população utilizam água oriunda de poço ou nascente (Prado et al., 2005). Ferreira et al. (2006) através da técnica de Sondagem Elétrica Vertical (SEV) determinaram a extensão do aquífero sedimentar da BHRSD (sedi-mentos aluviais quaternários), caracterizado por uma camada subhorizontal com espessuras que variam de 2 a 12 metros e o aquífero fissural apresentando fai-xas de 30 a 50 metros de profundidade com fraturas apresentando trend SW-NE. Mansur et al. (2006) definiram um possível controle geológico estrutural entre as áreas de mais alto e baixo nível piezométri-co da BHRSD, mostrando a importância do aquífero cristalino no comportamento da água subterrânea.

Quanto à caracterização hidrogeoquímica da área, Menezes et al. (2009) definiram as águas subterrâneas da BHRSD como sendo predominan-temente bicarbonatadas-mistas com tendência à bicarbonatadas-sódicas, ocorrendo ainda, os tipos cloretada-sódica e bicarbonatada-cálcica. Nas águas profundas ocorre a presença dos íons Ca+2 e Mg+2 em maior quantidade, refletindo o maior tempo de contato da água subterrânea percolante com mate-riais mais básicos, anfibolitos, ígneas com caráter intermediário.

3 Metodologia

A primeira etapa do trabalho consistiu na dis-cussão dos fatores condicionantes da favorabilidade hidrogeológica e de um levantamento bibliográfico que permitiram a obtenção dos temas, ou seja, dos fatores condicionantes à favorabilidade hidrogeo-lógica. Os temas escolhidos foram: Densidade de Fraturas, Litologia, Tipo de Solo, Uso e Cobertura do Solo e Declividade. Esses temas foram então incorporados a um Banco de Dados Geográficos

Tabela 1 Tabela com as referências e resolução dos temas obtidos para a composição da matriz de favorabilidade da BHRSD.



(BDG) e consequentemente integrados à matriz de favorabilidade de aquíferos fraturados. O mapa de solos necessitou antes ser vetorizado em ambiente SIG (ArcGIS 9.0) para a sua incorporação no BDG. Na Tabela 1 é possível identificar as fontes dos ma-pas obtidos.

O mapa Densidade de Fraturas foi confeccio-nado para o presente estudo em escala 1:90.000 e ge-rado a partir de Imagem Landsat 7 ETM+, que serviu de base para a vetorização de lineamentos estruturais utilizando a ferramenta estatística “ponderador de densidade Kernel” (ArcGIS 9.0), que gera áreas de influência de acordo com a largura e quantidade de fraturas, possibilitando elaborar o mapa de densida-de de fraturas. O mapa de densidade de fraturas foi igualmente integrado ao BDG, juntamente com os outros temas.

Com os temas escolhidos incluídos no BDG foi possível gerar uma matriz, que recebeu o nome de Matriz de Favorabilidade Hidrogeológica, repre-sentando os temas considerados importantes para fa-vorabilidade e suas respectivas classes.

Questionários foram gerados a partir da Matriz de Favorabilidade e aplicados a profissionais da área, a fim de que fossem atribuídos pesos aos temas e notas às classes. Uma vez com as notas e pesos estabelecidos, esses dados foram tabulados em ambiente SIG e no ArcGIS 9.0 utilizou-se a ferra-menta de interseção (intersect) para a sobreposição

dos temas. Com os temas tabulados e sobrepostos calculou-se o Índice de Favorabilidade que obede-ceu a seguinte expressão.

No cálculo do Índice de Favorabilidade, por se trabalhar com variadas notas obtidas por diversas opiniões, foram utilizados dois métodos estatísticos de tendência central (média e mediana) para defini-ção dos pesos e das notas finais que seriam utilizadas na elaboração do Índice. A média e a mediana desses pesos e notas obtidos encontram-se na Tabela 2.

Ambos os valores de média e mediana foram utilizados para a confecção do Índice de Favorabi-lidade e como resultado, dois mapas de favorabili-dade foram obtidos.

O Índice de Favorabilidade final foi subdivi-dido em 4 classes distintas para a realização da aná-lise de favorabilidade: muito pouco favorável, pouco favorável, moderadamente favorável, e favorável.

De acordo com as notas finais atribuídas aos temas e suas respectivas classes pode-se dizer que a determinação da favorabilidade hidrogeológica obedece a seguinte hierarquização: importância da densidade de fraturas >declividade >litologia >tipo de solo >uso e cobertura do solo.

Na Figura 3 é apresentado o fluxograma de atividades realizadas para a confecção do mapa de favorabilidade hidrogeológica.

ÍNDICE DE FAVORABILIDADE= (PDENSIDADE FRATURA x NDENSIDADE FRATURA) + (PTIPO DE SOLO x NTIPO DE

SOLO) + (PLITOLOGIA x NLITOLOGIA) + (PUSO E COBERTURA x N USO E COBERTURA) + (PDECLIVIADE x NDECLIVIDADE)

(1)

Onde,P é o peso de cada tema e N são as notas atribuídas a cada classe, utilizadas para a Análise Multicritério.

4 Resultados

Dois mapas de favorabilidade hidrogeológica foram obtidos, um para os valores de média e outro para os valores de mediana (Figuras 4 e 5).



Tabela 2 Matriz de Favorabilidade Hidrogeológica contendo a média e a mediana dos pesos e das notas atribuídas aos temas e às classes.



Comparando os dois resultados das Figuras 4 e 5, verifica-se que o método aplicado com valores de média se mostra mais próximo à realidade, pois a localização dos poços tubulares existentes (Figura 6) mostra maior compatibilidade com os resultados da Figura 4.

Observando os dois mapas de favorabilidade hidrogeológica da BHRSD, pode-se dizer que exis-tem dois domínios fortemente distintos. A porção central da bacia constitui a de maior favorabilidade e as cabeceiras apresentam tendência menos favorá-vel. Isso pode ser explicado devido ao maior fratura-mento na porção central, constituindo uma zona que bordeja o contato tectônico que divide o Domínio Juiz de Fora do Domínio Cambuci. Por sua vez, o curso do Rio São Domingos ao longo da bacia está encaixado ao longo desse contato tectônico, e as regiões próximas a esse contato são caracterizadas por falhas de empurrão, limitando lentes de rochas milonitizadas com foliação subvertical. Esse quadro

refletiu um maior número de lineamentos estruturais na porção central e, consequentemente, zonas de maior densidade de fraturas. Como o tema densida-de de fraturas é o que recebe maior nota no presente estudo, este quadro estrutural proporcionou a maior favorabilidade das regiões mais fraturadas. Outro fator que reforça a maior favorabilidade na porção central, é que além desta ser a mais fraturada, é composta por unidades geológicas que receberam as maiores notas dentro do tema litologia. Essas uni-dades são o Leucocharnoquito, mármores e biotita gnaisses que segundo Heilbron et al. (2006), são ro-chas mais suceptíveis à erosão, devido a sua compo-sição mineralógica e elevado grau de milonitização.

Por outro lado, as regiões menos favoráveis que constituem as cabeceiras da bacia são compos-tas por rochas do Complexo Juiz de Fora de caráter homogêneo, menos fraturadas, e de menor resistên-cia à erosão apesar de miloníticas, além de apre-sentarem maior declividade, contribuindo para uma menor favorabilidade.

Figura 3 Fluxograma de Atividades para a confecção do Mapa de Favorabilidade Hidrogeológica da BHRSD.



Figura 4 Mapa de Favorabilidade Hidrogeológica com os valores de média. Datum: Córrego Alegre 23S.

Figura 5 Mapa de Favorabilidade Hidrogeológica com os valores de mediana.



Comparando os mapas de favorabilidade hi-drogeológica com a localização de poços e pontos de água (Figura 6), pode-se observar que as áreas cen-trais indicadas de maior favorabilidade coincidem com as maiores concentrações de poços. Entretanto, observando a localização dos poços profundos per-cebe-se que se restringe à área indicada como mais favorável, não existindo poços profundos nas áreas indicadas como de menor favorabilidade. Esse fato é coerente e reafirma a região como de menor fa-vorabilidade, uma vez que a inexistência de poços nessa região é consequência da menor produtividade do aquífero cristalino.

A parte noroeste da BHRSD se mostrou, se-gundo as Figuras 4 e 5, como altamente desfavo-rável. Antes da execução dos mapas, trabalhos de

campo para levantamento de pontos de água e po-ços, mostraram que nessa região não existem poços, sendo altamente seca e desabitada.

Apesar de os poços rasos estarem diretamente ligados ao aquífero sedimentar, estes se encontram instalados nos sedimentos aluvionares próximos às drenagens que na bacia são fortemente controladas por lineamentos estruturais; estes lineamentos, por sua vez, acarretam elevado índice de favorabilidade. Segundo Heilbron et al. (2006), as estruturas e falhas apresentam em sua maior parte atitude subvertical, mostrando que somando a cobertura sedimentar, es-sas drenagens controladas por estruturas representam uma relevante zona de recarga, apresentando maior favorabilidade e forte ligação entre o aquífero raso e o aquífero cristalino.

Figura 6 Localização dos pontos de amostragem de água, classificados pelo tipo de corpo d’água (Prado et al., 2005).



5 Conclusões

Os resultados apresentados neste trabalho mostram que o modelo utilizado teve boa resposta no contexto regional da BHRSD. O layout final de favorabilidade indicou duas zonas distintas, sendo a porção central a mais favorável e nas cabeceiras da bacia menos favorável. Este resultado está for-temente ligado ao contexto geológico-estrutural da BHRSD, que condiciona este quadro.

O confronto da carta de favorabilidade, resul-tante dos valores de média dos pesos dos temas e notas das classes, com o mapa de pontos de água cadastrados mostrou forte ligação, validando o mé-todo utilizado.

Sugere-se a utilização de ferramentas adicio-nais para comprovar os resultados, em particular técnicas hidrogeoquímicas para enriquecer o mode-lo conceitual e levantamentos geológico-estruturais para quantificar adequadamente a importância das fraturas no funcionamento hidrogeológico.

6 Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq, que por meio do Edital Universal - MCT/CNPq 02/2006 permitiu a realização desta pesquisa.

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Normas para Publicação

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Artigos de Periódicos:

Pereira, R.; Guimarães Jr., J.A. & Silva Jr., G.C. 2002. Avaliação do Impacto da Captação de Água na Lagoa do Bomfim, RN - Brasil. Revista Águas Subterrâneas, 16 (1): 61 - 68.

Souza, M.L. 1997. Algumas Notas Sobre a Importância do Espaço para o Desenvolvimento Social. Território, 3: 13-35.

Artigos de Publicações Seriadas:

Vicalvi, M.A.; Kotzian, S.C.B. & Forti-Esteves, I.R. 1977. A Ocorrência de Microfauna Estuarina no Quaternário da Plataforma Continental de São Paulo.In: Evolução Sedimentar Holocênica da Plataforma Continental e do Talude do Sul do Brasil, Rio de Janeiro, CENPES/DINTEP, p. 77 - 97. (Série Projeto REMAC 2).

Dissertações e Teses

Caita, M.B.F. 2000. Angola: Estado-Nação, Movimentos Sociais e Disputas Territoriais. O Caso da Província de Ngagela. Programa de Pós-graduação em Geografia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Dissertação de Mestrado, 67p.

Artigos Publicados em Eventos

Dias-Brito, D. 1992. Ocorrências de Calcisferas em Depósitoscarbonáticos do Atlântico Sul: Impacto na Configuração Paleoceanográfica do Tétis Cretácico. In: SIMPÓSIO SOBRE AS BACIAS CRETÁCICAS BRASILEIRAS, 2, Rio Claro, 1992. Resumos expandidos, Rio Claro, UNESP, p. 30-34.

Livros:

Becker, B. & Egler, C. 1993. Brasil: Uma Nova Potência Regional na Economia-mundo. Rio de Janeiro, Bertrand Brasil. 267 p.

Capítulos de livros:

Wanderley, M. D. 2004. Nanofósseis Calcários. In: CARVALHO, I. S. (ed.) Paleontologia. Editora Interciência, p. 285-296.

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