defesa

Variação diurna do fluxo de CO2 nainterface ar-mar do oceano Atlânticoequatorial

Fabio Fonseca

Orientadora: Jacyra Soares

Grupo de micrometeorologia

IAG-USP

Fevereiro, 2012

2

Sumário

• Introdução

– Objetivos

– CO2 nos oceanos

• Região de estudos e dados utilizados

– Dados meteorológicos e oceanográficos

• Estimativa dos fluxos turbulentos

– Balanço de energia

– Fluxos de calor e momento

– Fluxo de CO2

• Resultados e discussão

– Fluxos de calor

– Estimativa de pCO2 na atmosfera

– Velocidade de transferência do CO2

– Fluxo de CO2

SUMÁRIO

3

Objetivos

• Especificamente:

– Caracterizar o ciclo diurno das variáveis meteorológicas e oceanográficas;

– Caracterizar o ciclo diurno do balanço de energia;

– Determinar o ciclo diurno da concentração de CO2 no oceano e na atmosfera;

– Utilizar um algoritmo de transferência de CO2 para determinar a velocidade de transferência do gás;

– Investigar e comparar os valores obtidos para o Fluxo de CO2 com a bibliografia disponível.

Investigar o ciclo diurno do fluxo turbulento de CO2 na interface ar-mar do oceano Atlântico equatorial.

INTRODUÇÃO

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CO2 na atmosfera

• Níveis ascendentes de CO2 na atmosfera

– CO2 sai do nível estacionário ao final do séc. XVIII

• Atividades humanas: queima de combustíveis fósseis e desmatamento

– Gás traço (em quantidade menor que o oxigênio / nitrogênio)

– Na atmosfera, atua como gás do efeito estufa

Contextualização

INTRODUÇÃO

5

CO2 sobre os oceanos

INTRODUÇÃO

Distribuição latitudinal e temporal das médias mensais da concentração de dióxido de carbono na camada

limite planetária, sobre o oceano, em fração de mole para o ar seco. Fonte:

www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends.

Níveis de CO2 na camada limite planetária sobre os oceanos

6

CO2 nos oceanos

• Oceanos

– Não atua como gás do efeito estufa

– Representam maior reservatório do gás no ciclo global

• 93% de todo CO2 do planeta se encontra nos oceanos

– Oceano é sorvedouro líquido de CO2 atmosférico

– Trocas na interface ar-mar ocorrem ‘rapidamente’

• Troca completa em 4 anos (Siegenthaler and Sarmiento, 1993)

– Sorvedouros

• Junto com a atmosfera, maior sorvedouro de CO2 de origem antropogênica

• Somente 3% do CO2 total nos oceanos é de origem antropogênica

• Não há medições diretas para determinar a origem do gás

Contextualização

INTRODUÇÃO

7

Fluxo de CO2 na interface ar-mar

• Fluxo de CO2 na interface ar-mar

– Não há um método para medição direta do CO2 de origem antropogênica que adentra os oceanos:

• Na prática, são feitas estimativas (medidas) do fluxo total (natural + antropogênico), utilizando o ΔpCO2

– Em escala global, há pouca informação disponível sobre o fluxo total de CO2 sobre os oceanos.

– Para a região investigada, o oceano Atlântico equatorial, não foi encontrada caracterização dos fluxos totais.

• O problema

– ~93% de todo o CO2 existente no planeta se encontra nos oceanos, e eles são os maiores sorvedoures de CO2

atmosférico (Sabine and Feely, 2007), mas ainda não há caracterização dessas trocas em escala global.

Contextualização

INTRODUÇÃO

8

CO2 nos oceanos

INTRODUÇÃO

Média anual do fluxo líquido de CO2 na interface oceano atmosfera em moles CO2 m-2 ano-1 para o ano de

1995. Fontes oceânicas de CO2 são mostradas em vermelho e amarelo e sorvedouros em azul e roxo.

Fonte: Takahashi et al. (2002).

Estimativa do fluxo de CO2 na interface ar-mar

9

Região de estudo e dados utilizados

REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOS

Oceano Atlântico equatorial. O retângulo branco tracejado representa a área escolhida para a localização

dos dados de pressão parcial do CO2 na superfície do oceano (pCO2w), os círculos pretos representam o

trajeto feito pelo navio coletor de pCO2w, o círculo vermelho representa a bóia do projeto PIRATA e a

estrela amarela representa a localização da ilha Ascension (8°S, 14°W), onde os dados de concentração

de CO2 atmosférico (xCO2) foram coletados. Figura adaptada de Bourlès et al. (2008).

Oceano Atlântico equatorial

10

Região de estudo e dados utilizados


Dados do PIRATA

Variáveis meteorológicas e oceanográficas utilizadas neste trabalho, medidas in situ pela

bóia PIRATA fundeada em (0°S, 23°W). Período: meses de agosto de 1999 a 2005.

VariávelAltura do sensor

(m)

Resolução de coleta dos

dados (min)

Velocidade do vento 4,0 10

Onda curta incidente 3,5 2

Temperatura do ar 3,0 10

Umidade relativa 3,0 10

Temperatura da superfície do mar

-1,0 10

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Dados do PIRATA


Ciclo diurno; média horária para os meses de agosto de 1999 até 2005

• (a) radiação de onda curta incidente na superfície do oceano (OC)

• (b) temperatura do ar (Ta, linha tracejada) e temperatura da superfície do mar (TSM, linha contínua)

• (c) vento horizontal total (V)

• (d) umidade relativa

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Dados de CO2 na superfície do oceano (pCO2W)


Medidas in situ para o segundo semestre

• Trajeto dos navios coletores de pressão parcial do CO2 na superfície do oceano (pCO2w)no Atlântico equatorial

– Estes dados foram coletados no segundo semestre dos anos de 1970 a 2009 e estão presentes no banco de dados do LDEO.

– No período disponível na base de dados, 50 anos, há 4053 medidas para a região.

– Fonte: Banco de dados do LDEO (http://cdiac.ornl.gov/oceans/LDEO_Underway_Database/).

http://cdiac.ornl.gov/oceans/LDEO_Underway_Database/


13



Medidas in situ para os dias 05 e 06 de agosto de 2003

Média horária da série temporal de observações de pCO2w no

oceano Atlântico equatorial, para os dias 05 e 06 de agosto de

2003. Fonte: Banco de dados do LDEO

(http://cdiac.ornl.gov/oceans/LDEO_Underway_Database/).


14



Média horária da série temporal de observações

• Oceano Atlântico equatorial, para os dias 05 e 06 de agosto de 2003

– (a) TSM

– (b) pressão barométrica no oceano

– Fonte: Banco de dados do LDEO (http://cdiac.ornl.gov/oceans/LDEO_Underway_Database/).



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Dados de CO2 atmosférico


Agosto de 2003

• Concentração de CO2 atmosférico observada na ilha Ascension

– círculos representam os dados do mês de agosto de 2003

– valor médio mensal de 374,87 μmol mol-1

– Fonte: GLOBALVIEW-CO2

16

Estimativa dos fluxos turbulentos

ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOS

onde Qnet é o calor armazenado no oceano; OC é o balanço de onda curta na superfície do oceano; OL é

o balanço de onda longa na superfície do oceano; H e LE são, respectivamente, os fluxos turbulentos de

calor sensível e latente na superfície do mar,

Balanço de energia

“Neste trabalho, o fluxo é considerado positivo quando o oceano

ganha calor, momento e CO2 e negativo quando perde.”

OC = OC↓ + OC↑

OL = OL↓ + OL↑ (Hastenrath and Lamb, 1978)

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Fluxos de calor


onde Ch, Ce e Cd são os coeficientes de transferência para o calor sensível, latente e momento,

respectivamente; Vh é a intensidade do vento horizontal total ( ) à altura z; cpa é o calor

específico do ar e vale 1008 J kg-1 K-1; Le é o calor específico de vaporização da água do mar e vale

3895 J kg-1 K-1 e ρa é a densidade do ar

Fórmulas tipo bulk (Fairall et al, 1996)

• Calor sensível (H)

• Calor latente (LE)

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Considerações


• Fluxos de calor

– Coeficientes de transferência são funções das escalas características de velocidade, temperatura e umidade

– Algoritmo foi adaptado para levar em consideração a física da interface ar-mar

• Idade das ondas, tempo de quebra

• Cool-skin

– As escalas características, estimadas pelo algoritmo de Fairall et al. (1996) é um aprimoramento do método de Liu-Katsaros-Businger (1974)

• Baseadas na teoria de similaridade de Monin-Obukhov

– funções das escalas características e da estabilidade térmica da camada limite superficial atmosférica

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Fluxo de CO2


onde pCO2w e pCO2a são, respectivamente, a pressão parcial do CO2 medida na superfície do oceano e

na atmosfera (interpretada como o potencial de troca do gás) e kco2 é a velocidade de transferência do gás

(interpretada como a resistência às trocas do gás entre as camadas limite do oceano e da atmosfera) e o

termo relativo à solubilidade do CO2

Fórmulas tipo bulk (Hare et al, 2004)

“Neste trabalho, o fluxo é considerado positivo quando o oceano

ganha calor, momento e CO2 e negativo quando perde.”

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Fluxo de CO2


onde os subescritos a e w se referem, respectivamente, à atmosfera e a superfície do oceano; a

velocidade característica da atmosfera (u*) é dada pela Equação (7); a densidade da água é considerada

aqui uma constante dada por ρw = 1022 kg m-3; a densidade do ar (ρa) é dada pela

Velocidade de transferência do CO2

Fairall et al (2000); Hare (2004)

21

Considerações


• Velocidade de transferência do CO2

– Algoritmo engloba o cálculo da solubilidade, segundo método de Weiss (1974)

– Aprimoramento do algoritmo de Fairall et al. (2000) para transferência de CO2

– De maneira geral, é baseada na adição direta dos fluxos de CO2 na água e no ar, levando em consideração a camada molecular

• Algoritmo é expresso tanto em termos turbulentos quanto moleculares

– Baseado na teoria Surface Renewal (Soloviev andSchlüssel, 1994)

• Pode ser utilizado em regimes de ventos fracos ou fortes

– Fracos <= 5 m s-1 e fortes >= 5 m s-1 (Jeffery et al., 2007)

• Física da troca de CO2 na interface ar-mar

22

Resultados e discussão

RESULTADOS E DISCUSSÃO

• Variação diurna da intensidade

– (a) Fluxo de calor latente

– (b) Fluxo de calor sensível

– (c) Calor armazenado no oceano

• Considerações

– H e LE representam fluxos de calor do oceano para a atmosfera durante a simulação; oceano perde energia e umidade para a atmosfera

– Qnet : depende do ciclo diurno de OC

– Estimados pelo algoritmo de Fairall et al. (1996)

– Comparáveis aos obtidos por Skielka et al. (2010 e 2011)

Fluxos de calor

23

Estimativa de pCO2 na atmosfera


onde nco2 é a concentração do gás em moles e P é a pressão atmosférica, em hPa

Lei de Dalton, lei dos gases ideais

A lei dos gases diz que, mantendo o volume e a temperatura

constantes, a pressão do gás é diretamente proporcional à

sua quantidade,

24



onde P é o valor da pressão atmosférica em hPa, es é a pressão de vapor de saturação ao nível do mar

em hPa, es é a equação de Buck.

Conversão

es é a pressão de vapor de saturação

xCO2 é a concentração do gás em μmol mol-1

xCO2 foi obtido do projeto GLOBALVIEW-CO2

Metodologia sugerida por Takahashi et al. (2002)

25



Variação diurna do pCO2a

• Estimada a partir da média mensal da concentração do gás no ar observada na ilha Ascension (8°S, 14°W)

– Dados de xCO2 de agosto de 2003

– Estimada a partir da média mensal do xCO2

• 374,87 μmol mol-1

– Desvio padrão da média mensal de ~1%

– Frequência dados de xCO2 na ilha é de 3 dias

26

Velocidade de transferência do CO2


Ciclo diurno estimado

– (a) Velocidade de transferência do CO2

• Valores comparáveis com literatura (Hare et al, 2004; Pacífico; Jeffery et al, 2007; Atlântico equatorial)

– Intensidade do vento entre 5 e 6 m s-1

– (b) Incremento de Kco2 devido ao empuxo

• Empuxo incrementa em 2% o valor total do Kco2

• Não possui papel relevante na transferência

A mistura turbulenta na camada de mistura

oceânica devido à transferência de momento

pelo vento em superfície é, durante toda a

simulação, o mecanismo mais importante para

o transporte turbulento de CO2 na interface.

27

ΔpCO2


Diferença entre as pressões parciais do CO2 na superfície do oceano e na atmosfera

– ΔpCO2

• É o potencial para a troca de CO2 entre o oceano e a atmosfera

• Sentido do fluxo é dado pelo seu sinal

– Variação diurna do ΔpCO2

• Variação é dominada pelo valor de pCO2 na superfície do oceano

“The net air-sea flux is driven by the difference of

partial pressures of CO2 “Siegenthaler and Sarmiento (1993)

28

Fluxo de CO2


Variação diurna do Fco2 ,representativa do mês de agosto

– Fco2

• Picos de ~0,85 mol CO2 m-2 ano-1 – ocorrem às 6 h e 16 h

• Mínimo de 0,71 mol CO2 m-2 ano-1 – ocorre às 11 h

• Fluxo é do oceano para a atmosfera; Região investigada é uma fonte de CO2

• ΔpCO2 dita o ciclo diurno do fluxo

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Fluxo de CO2


Considerações

• Ciclo

– FCO2 possui dependência forte com o pCO2w (ΔpCO2)

– Kco2 possui dependência forte com o vento em superfície

– Período noturno: ↓ TSM = ↑ solubilidade = ↑ Fluxo

– Período diurno: Efeitos locais?

30

Fluxo de CO2


Comparações com a bibliografia (oceanos equatoriais)

• Fco2

– McGillis et al. (2004) (medição in-situ no Pacífico equatorial)

• Valores encontrados para Fco2

~ 5x menores

• Período noturno, qualitativamente, também apresenta incremento nos níveis de CO2

• Período diurno, discrepante

– Takahashi et al. (2002 e 2009)

• Resultados das simulações são comparáveis: ~ 1 mol CO2

ano-1

31

Conclusões

• Fluxos de calor latente e sensível

– Juntos, respondem por cerca de 15% do calor armazenadono oceano

– Valores comparáveis aos de Skielka et al. (2010 e 2011)

– Ocorrem do oceano para a atmosfera

• Calor armazenado no oceano

– Segue o balanço de radiação

– Oceano está recebendo energia durante o dia e perdendodurante a noite

Conclusão

32

Conclusões

• Concentração de CO2 na atmosfera

– Estimativas efetuadas segundo metodologia de Takahashi et al. (2002)

• Estimada a partir dos dados de xCO2 de agosto de 2003 na ilhaAscension

• Variação diurna de ~ 1%

• Concentração de CO2 na superfíce do oceano

– Medida in-situ, em 5 e 6 de agosto de 2003

• ΔpCO2

– Ciclo diurno dominado pela pCO2W

Conclusão

33

Conclusões

• Velocidade de transferência do CO2 (Kco2)

– Valores estimados comparáveis aos da literatura para a faixa de velocidade do vento total obtida

– Efeitos térmicos na camada de mistura oceânica não se mostraram relevantes

• Fluxo de CO2 (FCO2)

– Ciclo diurno acompanha a variação de ΔpCO2

– Resfriamento da coluna oceânica durante a noite incrementa a transferência

– Região investigada é fonte de CO2 para a atmosfera

– Estimativas qualitativamente comparáveis à literatura

– Metodologia apresentada pode ser reproduzida para qualquer outra região

Conclusão

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Slide Title. Arial Bold, 32pt

• First level bullet. Arial bold, 22pt

– Second level bullet. Arial, 20pt

• Third level bullet. Arial, 18pt

– Fourth level bullet. Arial, 16pt

> Fifth level bullet. Arial, 14pt






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Item 1 Item 2 Item 3 Item 4 Item 5 Item 6

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Q2 '07

Q3 '07

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