INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS DA AMAZÔNIA – INPA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CLIMA E AMBIENTE

VARIABILIDADE ESPACIAL E TEMPORAL DO MONÓXIDO DE

CARBONO SOBRE A AMÉRICA DO SUL: DEZ ANOS DE

SONDAGEM AQUA

YARA LUIZA FARIAS DOS SANTOS

Manaus, Amazonas

Junho/2014

YARA LUIZA FARIAS DOS SANTOS

VARIABILIDADE ESPACIAL E TEMPORAL DO MONÓXIDO DE CARBONO SO-

BRE A AMÉRICA DO SUL: DEZ ANOS DE SONDAGEM AQUA

Dr. Rodrigo Augusto Ferreira de Souza

Dra. Jaidete Monteiro de Souza

Dissertação apresentada ao programa

de Pós-Graduação em Clima e Ambi-

ente – INPA/UEA, como parte dos re-

quisitos para obtenção do título de

Mestre em Clima e Ambiente na área

de concentração Interação Biosfera e

Atmosfera.

Manaus, Amazonas

Junho/2014

S237 Santos, Yara Luiza Farias dos

Variabilidade espacial e temporal do monóxido de carbo-

no sobre a América do Sul: Dez anos de sondagem AQUA /

Yara Luiza Farias dos Santos. --- Manaus: [s.n.], 2014.

63 f. : il. color.

Dissertação (Mestrado) --- INPA/UEA, Manaus, 2014.

Orientador : Rodrigo Augusto Ferreira de Souza.

Coorientador : Jaidete Monteiro de Souza.

Área de concentração : Clima e Ambiente.

1. Satélite AQUA. 2. Monóxido de carbono. 3. Queima de biomassa. I. Título.

CDD

551.6

Sinopse

Este estudo tem como objetivo analisar a variabilidade espaço-temporal da

concentração do gás monóxido de carbono e sua relação com a variabilidade climá-

tica sobre a América do Sul para um período de estudo de 10 anos (2003 a 2012),

utilizando os dados do sistema de sondagem AQUA.

Palavras-chave: satélite AQUA; monóxido de carbono; queima de biomassa; varia-

bilidade climática.

À minha mãe,

Maria do Espírito Santo Farias

Que me ensinou a perseguir meu

ideal com coragem e dedicação.

AGRADECIMENTOS

Durante esses quase anos, só tenho a agradecer a todos que passaram pelo meu caminho e que

com certeza deixaram um pouco de si.

Preliminarmente, quero agradecer a Deus pelo dom da vida e por ter colocado pessoas tão especiais

a meu lado, sem as quais certamente não teria dado conta.

Agradeço meus orientadores, Drs. Rodrigo Augusto Ferreira de Souza e Jaidete Monteiro de Souza,

por acreditarem que eu era capaz e pela orientação, mesmo sem me conhecerem direito. Pela paci-

ência, apoio e compreensão nos momentos em que as minhas forças já estavam quase finitas, obri-

gada.

À profa. Dra. Rita Valéria Andreoli de Souza, muito obrigada pela ajuda, ensinamentos e contribui-

ções.

A todos os professores do Programa Clima e Ambiente pelos grandes ensinamentos, obrigada.

Em especial, à minha família, minha amada mãe por todo amor, compreensão e motivação incondi-

cional. Tudo que sou dedico a você. À minha irmã Irlane e meus sobrinhos Débora e Jander pelo

apoio, principalmente, nos momentos difíceis.

Aos mestrandos: Lis, Aurilene, Claudomiro, Luciano, Zayra, André, Diego, Adry, Diana, Polari, Josiel,

Raoni, Suzana e Thiago. Às doutorandas: Elisa, Aline e Alexandra e em especial, aos meus amigos:

Patrícia (minha chefa) e ao Juarez, pelos ensinamentos, conselhos, pelo companheirismo e por todos

os momentos de descontração.

Ao meu “irmão de pesquisa”, Igor pelas orientações, pela paciência, pelo companheirismo, por toda

ajuda, muito obrigada.

Aos meus amigos Quézia, Lilian, Katrine, Vilmara, Fernanda, Emanuel, Daniel, Leiziane, Carlos e

Madson que me apoiaram nesta caminhada. Em especial à Adriane pelos todos os momentos que

esteve comigo nesta caminhada.

Agradeço, também, à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo

apoio financeiro.

Finalmente, gostaria de agradecer à Universidade do Estado do Amazonas (UEA), ao Instituto Nacio-

nal de Pesquisas da Amazônia (INPA) e ao programa de Pós-Graduação em Clima e Ambiente (CLI-

AMB) pela oportunidade.

Ninguém vence sozinho... Obrigada a todos!

"A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará

ao seu tamanho original."

(Albert Einstein)

RESUMO

Este estudo investiga o comportamento do monóxido de carbono (CO) tropos-

férico sobre a América do Sul, analisando a sua variabilidade espaço-temporal e re-

lacionando-a com eventos interanuais importantes para a região, como El Niño e La

Niña, a partir de informações do sistema de sondagem AQUA, entre os anos de

2003 a 2012. Além disso, faz-se uma avaliação da qualidade das estimativas de CO

pelo sistema de sondagem AQUA com base em medidas realizadas durante um ex-

perimento de campo com o avião Bandeirante do INPE durante o mês de outubro de

2007, na cidade de Alta Floresta (MT), região Centro-Oeste do Brasil. Os resultados

da análise temporal de CO mostram um comportamento sazonal bem definido, com

redução da concentração na estação chuvosa e com um aumento da concentração

na estação seca, tendo picos no mês de setembro, devido ao aumento da queima de

biomassa nesse período. Como a queima de biomassa na escala interanual está

diretamente associada com variabilidade climática e a diminuição/aumento de chu-

vas na parte central e leste da América do Sul, durante certos anos as altas (baixas)

concentrações de CO estão associadas aos eventos de El Niño (La Niña). Em ter-

mos de variabilidade espacial é observada uma maior variabilidade de CO sobre a

região central do Brasil, região com maior número de focos de queima. Em relação

às comparações entre as estimativas do sistema AQUA e as medidas de avião ob-

servou-se uma dificuldade do sistema de sondagem em estimar a concentração de

CO na baixa troposfera, particularmente, em períodos com um grande número de

queimadas na região, assim como verificado no ano de 2007, ano com o maior nú-

mero de queimadas da década na região, quando o sistema de sondagem não foi

capaz de detectar as plumas de fumaça.

ABSTRACT

This study investigates the behavior of tropospheric carbon monoxide (CO)

over South America, analyzing their spatial and temporal variability and relating with

important interannual events to the region such as El Niño and La Niña, from infor-

mation the AQUA souding system, between the years 2003-2012. Moreover, it is an

assessment of the quality of the estimates of CO by the AQUA sounding system

based on measurements taken over a field experiment with the Bandeirante aircraft

from INPE during the month of October 2007, in the town of Alta Floresta (MT), the

Midwest region of Brazil. The results of the temporal analysis of CO show a well de-

fined seasonal behavior, with reduced concentrations in the rainy season and an in-

creased concentration in the dry season, with peaks in September, due to increased

biomass burning during this period. As biomass burning in the interannual scale is

directly associated with climate variability and the decrease/increase of rain in the

central and eastern part of South America, during certain years the high (low) con-

centrations of CO are associated with the events of El Niño (La Niña). In terms of

spatial variability greater variability of CO on the central region of Brazil, a region with

the largest number of outbreaks of burning is observed. Regarding comparisons be-

tween the estimates of the AQUA sounding system and the measures using the air-

craft it is possible to observe the difficulty of retrieve the concentration of CO in the

lower troposphere using remote sensing data, particularly in periods with a large

number of fires in the region, as well as seen in 2007, the year with the largest num-

ber of fires in the region during the decade, when the sounding system was unable to

detect the plumes of smoke.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 1

2. OBJETIVOS ...................................................................................................... 3

2.1. Objetivo Geral .......................................................................................... 3

2.2. Objetivos Específicos ............................................................................... 3

3. SONDAGEM REMOTA POR SATÉLITES – BREVE HISTÓRICO .................. 4

3.1. O monóxido de carbono e sua sondagem remota ................................... 6

4. DADOS E METODOLOGIA .............................................................................. 14

4.1. Dados ....................................................................................................... 14

4.1.1. Satélite AQUA – Sensor AIRS .......................................................... 14

4.1.2. Avião Bandeirante – Campanha 2007 .............................................. 14

4.1.3. Focos de queimadas ......................................................................... 15

4.1.4. Precipitação (GPCC) ........................................................................ 16

4.2. Metodologia .............................................................................................. 16

4.2.1. Análise do comportamento médio anual e sazonal do CO na at-

mosfera.................................................................................................................. 17

4.2.2. Análise da variabilidade espaço-temporal do CO sobre a América

do Sul .................................................................................................................... 19

4.2.3. Avaliação da qualidade das estimativas de monóxido de carbono

do satélite AQUA na baixa troposfera ................................................................... 21

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................ 23

5.1. Análise do comportamento médio anual e sazonal do CO na atmosfera 23

5.2. Análise da variabilidade espacial e temporal do CO na atmosfera .......... 29

5.3. Avaliação da qualidade das estimativas de monóxido de carbono do sa-

télite AQUA na baixa troposfera ........................................................................... 37

6. CONCLUSÕES ................................................................................................. 41

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 44

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Área de estudo destacada no quadrilátero menor. ..................................... 14

Figura 2. Número de focos que queima observados por diversos satélites sobre a

América do Sul para o dia 15/08/2013 Fonte: INPE, 2012. ....................................... 16

Figura 3. Fluxogramas de etapas para o cálculo da anomalia média da concentra-

ção de conteúdo integrado de CO para a região de estudo. ..................................... 18

Figura 4. Fluxogramas de etapas para análise de variabilidade espaço-temporal da

concentração de conteúdo integrado de CO para a região de estudo........................ 20

Figura 5. Fluxograma de atividades realizadas para avaliação da qualidade das

estimativas da concentração CO do satélite AQUA na baixa troposfera.................... 21

Figura 6. Esquema da trajetória de voo durante a coleta de dados com avião. ........ 22

Figura 7. Série anual de concentração média de CO integrado na atmosfera sobre

a América do Sul. ....................................................................................................... 23

Figura 8. Concentração média zonal de CO (molec/cm2) sobre a América do Sul.

.................................................................................................................................... 25

Figura 9. Séries temporais de concentração de CO integrado na atmosfera para as

diferentes faixas latitudinais sobre a América do Sul. ................................................ 26

Figura 10. Diagrama de caixas para as séries de concentração de CO sobre dife-

rentes faixas latitudinais da América do Sul................................................................ 26

Figura 11. Distribuição espacial da concentração de CO (molec/cm2) integrado na

atmosfera para os anos de 2007, 2009 e a diferença entre eles (2007-2009).

..................................................................................................................................... 28

Figura 12. Séries anuais do número de focos de queimada sobre o Brasil. .............. 29

Figura 13. Séries de anomalias de concentração de CO sobre a América do Sul,

para diferentes faixas latitudinais. .............................................................................. 29

Figura 14. Séries de anomalias de concentração de CO (azul) e anomalias de fo-

cos de queimadas (vermelho) sobre a América do Sul. ............................................. 30

Figura 15. Séries de anomalias de concentração de CO (vermelho) e anomalias de

precipitação (azul) sobre a América do Sul, entre 5ºS e 20ºS.................................... 30

Figura 16. Primeiro modo de EOF para séries de anomalias de CO filtradas na es-

cala semianual para o período de 2003-2012: a) padrão espacial e b) componente

principal. ..................................................................................................................... 32

Figura 17. Primeiro modo de EOF para séries de anomalias de CO filtradas na es- 33

cala interanual para o período de 2003-2012: a) padrão espacial e b) componente

principal. .....................................................................................................................

Figura 18. Séries de componentes principais referentes ao primeiro modo para as

escalas interanual e semianual. ................................................................................. 33

Figura 19. Séries temporais de anomalias de focos de queima e CP01 das séries

de CO filtradas para a escala interanual. ................................................................... 34

Figura 20. Série de anomalias de concentração de CO (vermelho) e anomalias de

precipitação (azul) sobre a América do Sul, entre 5S e 20S. ..................................... 35

Figura 21. Padrão espacial de anomalias normalizadas pelo desvio padrão da con-

centração de CO (molec/cm2) para setembro de 2007 (a esquerda) e setembro de

2009 (a direita)............................................................................................................ 35

Figura 22. Padrões espaciais de focos de queima para setembro de 2007 e 2009... 36

Figura 23. Padrões espaciais de anomalias de precipitação normalizadas pelo

desvio padrão para setembro dos anos de 2007 e 2009. Sombreado azul (laranja)

define valores acima (abaixo) de 0,5 (-0.5) desvios. Intervalo de contorno é de 0,5

desvios........................................................................................................................ 36

Figura 24. (a) Concentrações de CO medidas na campanha de avião em Alta Flo-

resta – MT e estimativas obtidas pelo satélite AQUA, versão 5, e (b) versão 6 para

o dia 10/10/2007 sobre a mesma região. ................................................................... 37

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ACE-FTS Atmospheric Chemistry Experiment

AFL Alta Floresta

AIRS Atmospheric Infrared Sounder

AMSU Advanced Microwave Sounding Unit

AS América do Sul

CH4 Metano

CNES Centre National d'Etudes Spatiales

CO Monóxido de carbono

CO2 Dióxido de carbono

CP Componentes Principais

CP01 Primeira componente principal

ENOS El Niño Oscilação Sul

EOF Empirical Orthogonal Function

ETR Equação de Transferência Radiativa

EUMETSAT European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites

GEE Gases de Efeito Estufa

GFED3 Banco de dados globais de emissões de fogo

GPCC Global Precipitation Climatology Centre

H2O Vapor d'água

HDF Hierarchical Data Format

HIRS High Resolution Infrared Radiation Sounder

HN Hemifério Norte

HS Hemifério Sul

HSB Humidity Sounder of Brazil

IASI Infrared Atmospheric Sounding Interferometer

INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

IPCC Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas

MACCity EU MACC/cityZEB

MAPS Measurement of Atmospheric Pollution from Space

MOPITT Measurements of Pollution in the Troposphere

O3 Ozônio

OH Radical hidroxila

SCIAMACHY Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography

SO2 Dióxido de enxofre

SR Sensoriamento Remoto

SRES Special Report on Emission Scenarios

TES Tropospheric Emission Spectrometer

UNFCC Convenção Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas

1

1. INTRODUÇÃO

Um dos fatores mais preocupantes para os membros da comunidade científi-

ca, nas últimas décadas, está relacionado às mudanças climáticas e suas conse-

quências para as gerações futuras. Com o intuito de amenizar os efeitos que essas

mudanças climáticas podem causar, tais como sensitividade, a capacidade adaptati-

va, a vulnerabilidade do sistema natural e humano, diversos grupos de pesquisado-

res vêm estudando os aspectos que causam essa variabilidade (Ramos et al., 2008).

Mudanças observadas no clima, suas causas e possíveis consequências são avalia-

das no quarto relatório do IPCC – Painel Intergovernamental de Mudanças Climáti-

cas (IPCC, 2007). De acordo com este relatório, o aquecimento do sistema atmosfe-

ra-oceano é inequívoco, a temperatura média global aumentou entre 0,3 e 0,6 ºC

desde o final do século passado, e pela escala dos diferentes cenários desenvolvi-

dos pelo IPCC (Special Report on Emission Scenarios - SRES) a média global da

temperatura do ar, projetada por modelos numéricos, sofrerá uma elevação de 1,1 a

6,4 ºC durante o século XXI. A probabilidade de que isto seja causado somente por

processos climáticos naturais é menor que 5%, ou seja, é clara a influência humana

sobre o clima. O quinto relatório (IPCC,2013) destacou, ainda, que a concentração

de gases de efeito estufa aumentou para níveis sem precedentes na Terra em 800

mil anos. Além disso, os três anos mais quentes dos últimos cem anos da história da

Terra aconteceram na última década (Oliveira, 2009).

É provável que a maior parte desse aquecimento seja decorrente da emissão,

por atividades humanas, de gases que retêm radiação térmica (Oliveira, 2009). Al-

guns gases existentes em baixas concentrações na atmosfera, chamados de gases

traços – dióxido de carbono (CO2), vapor de água (H2O), metano (CH4), ozônio (O3),

entre outros – interagem com a radiação eletromagnética, esta interação dificulta a

perda de energia térmica para o espaço produzindo o aquecimento da atmosfera e,

consequentemente, da superfície da Terra. Este processo é conhecido como efeito-

estufa. Os gases de efeito estufa (GEE) são fundamentais para manter o equilíbrio

climático e condições ambientais adequadas para a vida na Terra, isto é, temperatu-

ras que permitam a existência de água nas formas líquida e gasosa essencial à vida

e ao ciclo hidrológico, respectivamente. O problema ocorre quando há uma grande

concentração desses gases na atmosfera causando um aumento anômalo da tem-

2

peratura média da atmosfera terrestre, o chamado aquecimento global. O aqueci-

mento global observado nos últimos 50 anos é explicado, em sua maior parte, por

emissões humanas de GEE e aerossóis e não por eventual variabilidade natural do

clima (IPCC, 2013).

Há um grande esforço nacional para se estimar a emissão de GEE no territó-

rio brasileiro. O Brasil, como signatário da Convenção Quadro das Nações Unidas

sobre Mudanças Climáticas (UNFCCC, da sigla em inglês), tem como uma de suas

principais obrigações a elaboração e a atualização periódica do Inventário Nacional

de Emissões e Remoção Antrópica de Gases de Efeito Estufa. Associado ao desen-

volvimento metodológico, a elaboração e a atualização de inventários para estimar a

quantidade de emissão e remoção de GEE, existe uma grande vontade da comuni-

dade cientifica brasileira de identificar e estudar o perfil das fontes de emissão dos

GEE (Yamasoe et al., 2012).

Particularmente no Brasil, as emissões de carbono na atmosfera concentram-

se basicamente em dois setores: (1) na queima de combustíveis fósseis; (2) e na

alteração dos usos da terra, principalmente a substituição de florestas e savanas por

agricultura e pastagens, sendo este último, a principal causa das emissões brasilei-

ras (Hooghiemstra et al., 2012). Neste sentido, qual seria a contribuição brasileira no

esforço de redução das emissões de gases traço e de efeito estufa, particularmente

com respeito ao carbono? Se não houver um esforço no sentido de reduzir a emis-

são de gases traço e de efeito-estufa, é provável que o clima do planeta venha a se

alterar ainda mais trazendo sérias consequências para todos os seres vivos.

Nesse sentido, os sondadores a bordo de satélites surgem como importantes

instrumentos no estudo da concentração de gases minoritários na atmosfera (Souza

et al., 2013). Nos últimos anos, esforços têm se concentrado no desenvolvimento de

sistemas de sondagem remota com alta resolução espectral, por exemplo, o IASI

(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) possuindo mais de 8000 canais es-

pectrais) e o AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) com 2378 canais. O AIRS foi o

primeiro sondador avançado de radiação infravermelha operacional com essa carac-

terística (Parkinson, 2003), lançado em maio de 2002 a bordo da plataforma AQUA.

A missão AQUA oferece uma grande oportunidade para coletar dados valio-

sos que poderão ser utilizados para o avanço do “estado da arte”, particularmente,

na utilização de canais para a inferência da concentração de alguns gases (traço e

GEE) presentes na atmosfera terrestre (Aumann et al., 2003; Souza et al., 2006).

3

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo Geral

Este estudo teve como objetivo estudar a variabilidade espacial e temporal do

monóxido de carbono (CO) na atmosfera sobre a América do Sul, assim como seu

comportamento médio, baseando-se em 10 (dez) anos de dados do sistema de son-

dagem AQUA.

2.2. Objetivos Específicos

a) Estudar o comportamento médio anual e sazonal do CO na atmosfera sobre a

América do Sul;

b) Analisar a variabilidade espacial e temporal do CO sobre a América do Sul e

suas relações com focos de queima e variabilidade climática;

c) Avaliar a qualidade das estimativas desse gás na baixa troposfera (3 a 4 km)

a partir de medidas realizadas com avião na região central do Brasil (Alta Flo-

resta - MT) para alguns dias do mês de outubro de 2007, estudos de casos.

4

3. SONDAGEM REMOTA POR SATÉLITES – BREVE HISTÓRICO

Durante a Segunda Guerra Mundial, os avanços tecnológicos levaram às pri-

meiras imagens de nuvens obtidas do espaço. As aplicações militares quase sempre

estiveram à frente no uso de novas tecnologias, e no sensoriamento remoto (SR)

não foi diferente (Figueiredo, 2005). No entanto, a primeira proposta para explorar a

emissão espectral da atmosfera terrestre para inferir sua estrutura vertical de tempe-

ratura e umidade teve início na década seguinte. Em 1956, King (1956) propôs a

física básica sobre sondagens remotas da atmosfera para inferência de perfis verti-

cais de temperatura a partir de sensores de radiação a bordo de satélites. O autor

sugeriu que os perfis verticais de temperatura poderiam ser inferidos a partir da in-

tensidade de radiação monocromática em um único canal espectral, proveniente de

várias direções. Posteriormente, (Kaplan, 1959) avançou nos conceitos sobre as

técnicas de sondagem remota da atmosfera sugerindo que fossem utilizados diver-

sos comprimentos de onda associados à banda de absorção do CO2 em 15 m, po-

rém a análise foi realizada com a radiação emergente de apenas uma direção fixa.

A grande revolução do SR aconteceu no início da década de 60, com o lan-

çamento de satélites meteorológicos. Esses satélites, embora demandem grandes

investimentos e muita energia nos seus lançamentos, orbitam em torno da Terra por

vários anos consumindo pouca energia. Com o desenvolvimento tecnológico dos

projetos espaciais associados aos avanços nos recursos computacionais, houve um

maior interesse na utilização de novas técnicas de sondagem remota da atmosfera.

Wark e Fleming (1966) apresentaram um esquema de tratamento estatístico com

dados de radiossondagem para aprimorar os perfis obtidos por satélite. Chahine

(1970) propôs um método iterativo para inversão da Equação de Transferência Ra-

diativa (ETR), visando estimar os perfis verticais de temperatura na atmosfera utili-

zando a banda de absorção do CO2. Em outro estudo, Smith (1970) desenvolveu um

método implícito para resolução desse problema. Os resultados obtidos a partir des-

tas técnicas eram muito positivos quando aplicados a situações de céu claro, em

contrapartida, quando em condições de céu nublado, os dados de satélite eram con-

taminados pela presença de nuvens deixavam a desejar devido, principalmente, à

baixa resolução dos sensores da época. Assim, a presença de nuvens no campo de

visada dos sensores representava um grande desafio.

5

A introdução de uma nova geração de radiômetros em microondas foi o pró-

ximo passo no sentido de solucionar esse problema. Como as informações em mi-

croondas não são afetadas pela maioria dos tipos de nuvem, esses instrumentos

apresentavam uma vantagem em relação aos instrumentos que operavam no infra-

vermelho e no visível. Isso encorajou o lançamento de sensores passivos em micro-

ondas a bordo de plataformas espaciais, especialmente, nas décadas de 1980 e

1990 quando se observou um acentuado aumento no uso de produtos em microon-

das pela comunidade científica em todo o mundo, em particular, por organizações

oceanográficas e meteorológicas (Ramos et al., 2008).

Com o lançamento de sensores passivos em microondas a bordo de plata-

formas espaciais, como o sensor AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit), com

vinte canais divididos em dois módulos, AMSU-A e AMSU-B, a bordo do satélite

NOAA 15 lançado em 1998, conjuntamente com os sensores sensíveis ao infraver-

melho, como o HIRS (High Resolution Infrared Radiation Sounder) abordo dos satéli-

tes NOAA 15, NOAA 16 e NOAA-17, a comunidade científica obteve melhores resul-

tados dos perfis de temperatura e umidade da atmosfera.

Apesar dos avanços, estes satélites meteorológicos ainda não eram capazes

de fazer estimativas das concentrações de outros gases além do vapor d’água. Para

tal fim, esforços foram concentrados no desenvolvimento de sondadores com alta

resolução espectral.

O primeiro sondador operacional utilizado para monitorar CO e CH4 troposfé-

rico, MOPITT (Measurements of Pollution in the Troposphere), foi lançado em 1999

no satélite Terra da NASA. Ele foi projetado para monitorar mudanças nos padrões

de poluição e seus efeitos na baixa atmosfera terrestre e como esta interage com a

terra e a biosfera oceânica.

A bordo da plataforma AQUA, lançada em maio de 2002, o sondador de alta

resolução AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) foi o primeiro sondador avançado de

radiação infravermelha, que juntamente com dois sondadores de microondas, AMSU

e HSB (Humidity Sounder of Brazil), constituem um avançado sistema de sondagem

operacional. O sensor AIRS mede radiações ascendentes com seus 2378 canais

espectrais cobrindo a banda espectral do IR, de 3,7 a 15,4 μm. Ele representou o

avanço mais importante na tecnologia de sensoriamento remoto por satélites ambi-

entais (Aumann e Pagano, 1994; Aumann e Miller, 1995; Morse et al., 1999;

Fishbein et al., 2003). Um conjunto de quatro canais no visível-infravermelho próxi-

6

mo (VIS) observa comprimentos de onda de 0,4 a 1,0 μm fornecendo características

da variabilidade espacial de cobertura de nuvens. Os sondadores de microondas

fornecem concentração do gelo do mar, cobertura de neve e informações adicionais

de perfil de temperatura, bem como água precipitável e conteúdo de água líquida em

nuvens (Parkinson e Greenstone, 2000). Esses sondadores foram projetados para

satisfazer as exigências de previsão de tempo operacionais da NOAA e os objetivos

de pesquisa sobre mudanças globais da Agência Espacial Americana (Chahine e

Fetzer, 2000; Aumann et al., 2003; Goldberg et al., 2003). Este novo sistema de

sondagem disponibiliza um número muito maior de informação (canais), sem prece-

dentes na história da Meteorologia por Satélites. A informação espectral incluída nos

canais fornece dados de vários parâmetros atmosféricos, bem como perfis de vapor

d'água, nuvens, poeira e gases-traço como CO2, CO, SO2, O3 e CH4, fornecendo

observações globais (Aumann e Miller, 1995; Rodgers, 1998; Morse et al., 1999;

Chahine e Fetzer, 2000; Fishbein et al., 2003; Susskind et al., 2003).

Ressalta-se ainda o desenvolvimento do sensor IASI (Infrared Atmospheric

Sounding Interferometer) pela EUMETSAT (European Organisation for the Exploita-

tion of Meteorological Satellites) em cooperação com o CNES (Centre National

d’Etudes Spatiales), lançado em outubro de 2006 a bordo do satélite METOP-A. Es-

se instrumento conta com 8461 canais espectrais (de 645 cm-1 a 2760 cm-1) e repre-

sentou a nova geração dos sondadores de alta resolução espectral no infravermelho

(Lerner et al., 2002).

Dessa forma, alcançou-se um progresso considerável na recuperação de per-

fis atmosféricos de temperatura, de umidade e gases traços com os sensores passi-

vos no infravermelho e em microondas. Atualmente, os satélites meteorológicos têm

contribuído significativamente na detecção, observação e assimilação de parâmetros

atmosféricos, para isso esforços têm se concentrado no desenvolvimento de sonda-

dores com alta resolução espectral.

3.1 O monóxido de carbono e sua sondagem remota

O monóxido de carbono (CO), também chamado de óxido carbônico, é um

gás tóxico, incolor, inodoro, insípido, de densidade absoluta aproximadamente igual

a 1,3 km.m-3. As principais fontes de CO para atmosfera são:

7

Combustão completa: ocorre na abundância de oxigênio, produzindo calor

e chamas. Seus produtos finais principais dióxido de carbono ou gás carbônico

(CO2) e o vapor d'água (H2O). O CO2 pode reagir com o carbono transformando-se

em monóxido de carbono:

Hidrocarboneto + O2 CO2 + H2O

CO2 + C 2 CO

Combustão incompleta do carvão: ocorre quando há falta de oxigênio,

produzindo calor e pouca ou nenhuma chama. Seu produto final é o monóxido de

carbono, mas também gera outros compostos nocivos à saúde humana, como a fuli-

gem.

CH4 +3/2 O2 CO + 2 H2O

CH4 + O2 C (fuligem) + 2 H2O

Este processo ocorre frequentemente em fornos, no interior de ambientes fechados

Motores a explosão: a emanação dos motores a explosão interna com

gasolina contém de 3 a 7% de monóxido de carbono. Os níveis de monóxido de car-

bono nas grandes áreas urbanas estão bastante relacionados com o volume de trá-

fego.

O CO é um gás traço muito importante na química da atmosfera, ele atua co-

mo sumidouro do radical hidroxila (OH), o que influencia diretamente nas atividades

oxidantes da atmosfera, formando o dióxido de carbono (CO2):

CO + OH CO2 + H

Essa reação leva à redução das concentrações de OH na atmosfera, que, por sua

vez, afeta as vidas de outros gases, principalmente o CH4 e SO2 (Liou, 2002). Além

disso, participa do processo de formação do O3 troposférico (Souza et al., 2013), ele

também é usado como traçador de atividades humanas, uma vez que sua origem é

principalmente a queima incompleta de carbono (D’Amelio, 2006; Edwards et al.,

2006a; Duncan e Logan, 2008).

Por possuir um tempo de residência na atmosfera relativamente curto, o CO é

frequentemente usado para estudar processos de transporte (Liou, 2002; Susskind

et al., 2003; McMillan et al., 2005; Edwards et al., 2006a, Wallace e Hobbs, 2006,

Yurganov et al., 2008; Rajab et al., 2011; Andreae et al., 2012; Thonat et al., 2012).

Em seu estudo, McMillan et al., (2005) mostraram a possibilidade de utilizar o sensor

8

AIRS para estimar a concentração de CO na média troposfera e monitorar possíveis

variabilidades diárias na concentração deste gás.

Além de intensas variações sazonais, a concentração de CO na atmosfera

mostra uma variabilidade interanual que parece ser impulsionada, principalmente,

pela queima de biomassa (Wotawa et al., 2001; Langenfelds et al., 2002; Novelli et

al., 2003; Duncan e Logan, 2008; McMillan et al., 2008; Liu et al., 2013). O impacto

da emissão por queima na variabilidade sazonal e distribuição geográfica de CO no

hemisfério sul foram discutidas por Edwards et al., (2006a e 2006b). Edwards et al.,

(2006b) examinaram a variabilidade interanual do CO utilizando 5 anos de dados do

MOPPIT e relacionaram essa variabilidade com de focos de queimada e com o

ENOS. Seus resultados indicam a importância das emissões por queima de biomas-

sa a partir do continente marítimo da Indonésia e Malásia na determinação da varia-

bilidade interanual dos padrões globais médios zonais de CO no hemisfério sul. Es-

ses autores encontraram ainda que essa variabilidade por sua vez correlaciona-se

bem com o índice de precipitação associado ao ENOS, uma vez que ENOS é o prin-

cipal fenômeno associado à variabilidade interanual da precipitação sobre grande

parte da América do Sul.

A utilização de plataformas espaciais para a inferência das concentrações de

gases traços e GEE pode fornecer informações valiosas para estudos de fontes e

sumidouros destes gases, bem como os processos de transporte envolvidos. Dessa

forma, a análise e interpretação de concentrações de gases de efeito estufa e gases

traços, como o CO, pode ser visto como uma alternativa auxiliar para monitorar o

ciclo de carbono e a mudança global do clima (Sze, 1977). Em 1981 foi realizado o

primeiro experimento para se medir globalmente a concentração de CO por um ins-

trumento chamado MAPS (Measurement of Atmospheric Pollution from Space) que

operava a bordo do ônibus espacial (Reichle et al., 1982) com subsequentes expe-

rimentos realizados nos anos de 1984 (Reichle et al., 1990) e 1994 (Connors et al.,

1999). No entanto, o MAPS fazia estimativas de CO apenas para visadas no nadir e

demorava mais de uma semana para fazer um mapa global da distribuição espacial

do CO.

Desde 2000, as recuperações globais de CO do instrumento MOPITT no saté-

lite Terra, da NASA, mostraram o transporte de CO em escalas de tempo de vários

dias (Deeter et al., 2003). Mesmo o MOPITT apresentando uma tecnologia mais a-

vançada e cobertura espacial superior ao MAPS, ainda são necessários de três a

9

cinco dias para se construir um mapa global da concentração de CO (mosaico de

CO), uma vez que as estimativas são efetuadas apenas em regiões de céu claro e o

sensor faz uma varredura na horizontal de 640 km de largura. Com isso, alguns fe-

nômenos de escala diária não podem ser observados.

Além do sensor AIRS, os instrumentos de satélites mais recentes para medir

CO troposférico são: o SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for

Atmospheric Chartography) a bordo do satélite europeu Envisat e operacional de

2002 a 2012, o ACE-FTS (Atmospheric Chemistry Experiment) a bordo do satélite

canadense SCISAT-1 lançado em 2003, o TES (Tropospheric Emission Spectrome-

ter) lançado em 2004 a bordo do satélite Aura da NASA e o IASI (Infrared Atmosphe-

ric Sounding Interferometer) desenvolvido pela EUMETSAT (European Organization

for the Exploitation of Meteorological Satellites) em cooperação com o CNES (Centre

National d’Etudes Spatiales), lançado em 2006 a bordo do satélite METOP-A (Logan

et al., 2008; Kopacz et al., 2010).

Desde seu lançamento, em 2002, diversos estudos foram desenvolvidos para

avaliar a qualidade das estimativas remotas do sensor AIRS. Este sensor apresenta

uma sensibilidade muito próxima às dos sensores MAPS e MOPITT para medir a

concentração de CO na média troposfera. Além de o satélite AQUA possuir cobertu-

ra global diária e varredura horizontal de 1650 km de largura (o MOPITT possui 640

km de varredura horizontal), ele conta com sensores em microondas que operam em

conjunto com o AIRS, os quais auxiliam no processo de inferência de perfis atmosfé-

ricos mesmo em condições de nebulosidade parcial. Com isso, é possível criar um

mosaico de CO em menos tempo do que o MOPITT e ainda estudar, possivelmente,

fenômenos de escala diária.

As primeiras observações de CO na atmosférica realizadas a partir do sensor

AIRS apresentaram concentrações de CO troposférico recuperadas na região es-

pectral 4,5 μm do AIRS. Os mapas diários globais de CO dos dias 22-29 de setem-

bro de 2002 mostram, em grande escala, o transporte de longo alcance de CO a

partir de fontes antropogênicas e naturais, especialmente da queima de biomassa. A

sequência de mapas diários revelaram advecção de CO do Brasil para o Atlântico

Sul, em concordância qualitativa com observações anteriores. A análise de trajetória

futura confirma este cenário e indica um transporte de alcance maior para sul do

Oceano Índico. Comparações preliminares de perfis de aeronaves in situ indicam

10

que recuperações AIRS de CO estão se aproximando da meta de 15% de precisão

definida por meio de simulações de pré-lançamento (McMillan et al., 2005).

McMillan et al. (2007) lidaram com dados, da versão 5 do sensor AIRS, de

medidas de CO troposférico em escalas temporais de 12 horas a cinco anos e em

escalas espaciais locais e globais. Eles correlacionaram variações interanuais de

CO observadas pelo sensor AIRS, em escala global, à influência das perturbações

atmosféricas em larga escala do El Nino Oscilação-Sul (ENOS). Além disso, obser-

varam que a resolução espectral do AIRS produziu um pico de sensibilidade de CO

na média troposfera (de 300 a 700 mb) com 500 mb sendo o pico de sensibilidade

vertical do sensor AIRS. Com análise dos mapas diários de CO, perceberam a dife-

rença inter-hemisférica das concentrações de CO e o movimento horizontal caracte-

rístico do CO. Em particular, fontes extensas são evidentes na China e sudeste da

Ásia com plumas posteriores transportadas para leste através do Oceano Pacífico

até a América do Norte. Uma variação quase-bienal de CO sobre a Indonésia em

outubro é claramente evidente em todo o registro do AIRS de CO. Os valores máxi-

mos de CO sobre o continente Marítimo ocorreram em 2002, 2004, e 2006, com mí-

nimos em 2003, 2005 e 2007. Uma investigação mais cuidadosa revelou diferenças

sutis nos padrões espaciais de CO para cada um dos anos de pico. Variações inte-

ranuais são visíveis para outras regiões geográficas, mas nenhuma é tão forte ou

regular durante esses seis anos, como aquelas sobre a Indonésia. Investigações

anteriores ligaram a variação das emissões de CO na Indonésia à mudanças na

precipitação ligadas ao El Niño. Destacando, assim, a capacidades do sensor AIRS

de observar variações interanuais de grande escala em emissões de CO ligadas ao

El Niño.

Yurganov et al. (2008) validaram os dados de CO, integrado na coluna atmos-

férica, estimados pelo sensor AIRS (versão 4) e MOPITT sobre a Rússia e a Austrá-

lia. Eles concluíram que os dados do AIRS, para eventos de queima de biomassa,

estavam de acordo ou menores que as estimativas do MOPITT. Vale ressaltar um

trabalho similar de Rajab et al. (2011) realizado sobre a península da Malásia, para o

período de 2003 a 2009, eles observaram que os maiores valores de CO ocorreram

durante a queima de biomassa no período seco, e sobre as zonas urbanas industri-

ais e congestionadas. Os menores valores na concentração do CO ocorreram sobre

o ambiente continental, nas regiões Nordeste de Perak, em junho durante a estação

11

chuvosa. Os altos valores de CO entre os meses de junho e agosto coincidem com o

impacto do El Niño, especialmente na região sul da península.

O primeiro trabalho de medidas de CO em superfície ou a bordo de avião,

produzido no Brasil, foi realizado em uma expedição liderada por Paul Crutzen

(Crutzen et al., 1985; Delany et al., 1985). Neste trabalho de campo, um avião ame-

ricano sobrevoou o território do Brasil Central e mostrou os primeiros resultados do

aumento da concentração de CO por causa das queimadas no cerrado, eles mostra-

ram, também, que muitos gases traços importantes são produzidos em grandes

quantidades ao longo do continente, principalmente durante a estação seca. Aires e

Kirchhoff (2001) observaram a distribuição das concentrações numa região em que

se observou um processo especial de transporte das massas de ar, que pode levar o

produto das queimadas para regiões de pouca queima. Com estas informações e os

dados adicionais de medidas de concentração de CO, obteve-se as proporções de

CO, transportadas para diversas regiões na área da circulação estudada. O caso

mais intenso mostra que na região ao norte de Mato Grosso do Sul e sul do estado

de Goiás são injetados até 200 ppbv de CO (da ordem de 70% do valor observado),

na época crítica. Já ao norte do estado do Paraná, 45% do valor observado de CO

vem por transporte das regiões de maior índice de queima.

Oliveira (2009) verificou a sensibilidade dos diversos canais do sensor AIRS

às alterações na concentração de monóxido de carbono na atmosfera, sobre uma

região tropical. Observou-se que para os diferentes conjuntos de perfis de CO utili-

zados e para os diferentes níveis de perturbações introduzidas, o número de canais

AIRS sensíveis ao CO se manteve constante, mudando apenas a intensidade da

sensibilidade de cada canal. Isto é, foram identificados 55 canais AIRS sensíveis às

alterações na concentração de CO na atmosfera. Esses canais estão localizados na

faixa de número de onda de 2182 a 2227 cm-1, a qual corresponde a uma banda de

absorção característica do CO. O canal 2183,3 cm-1 mostrou ser o canal mais sensí-

vel às alterações na concentração de CO na atmosfera. Após algumas simulações,

conclui-se que o subconjunto com os 34 canais AIRS mais sensíveis às alterações

de CO na atmosfera foi o que apresentou melhor desempenho. Observou-se tam-

bém que o sensor AIRS não é sensível para detectar alterações na concentração de

CO devido à ocorrência de plumas de fumaça para altitudes próximas à superfície,

principalmente, devido à sua resolução espacial de aproximadamente 50 km.

12

Hooghiemstra et al., (2012), estudando a variabilidade interanual das emis-

sões de CO sobre a América do Sul para o período de 2006 a 2010 concluíram que

as condições climáticas (tais como: a seca generalizada como aconteceu em 2010)

parece ser a causa mais provável para a variabilidade interanual das emissões de

CO por queimadas. No entanto, fatores sócio-econômicos, (tais como, a crescente

demanda mundial por etanol de cana de açúcar, soja, carne) associados ao desma-

tamento por queimadas, são também provavelmente causas para a variabilidade

interanual da emissão de CO, porém difíceis de relacionar diretamente com a emis-

são de CO.

Thonat et. al. (2012) compararam quatro anos de conteúdo integrado de CO

na coluna atmosférica a partir de observações dos sensores AIRS/AQUA e IA-

SI/MetOp-A, para o período de julho de 2007 a julho de 2011. A princípio, os dados

de conteúdo integrado de CO do AIRS e IASI apresentaram uma sensibilidade má-

xima perto do nível de 450 hPa. Comparações com dados de aeronaves do CARI-

BIC (Civil Aircraft for the Regular Investigation of the Atmosphere Based on an Ins-

trument Container) resultaram numa diferença média relativa dos dados de 3,4%

para o IASI e 4,9% para o AIRS. Em média, as estimativas dos sensores IASI e

AIRS estão em ótima concordância, mostrando as mesmas sazonalidades, amplitu-

des sazonais, variabilidades interanuais e distribuições sazonais. A análise da evo-

lução mensal do CO destaca a forte influência esperada da queima de biomassa

sobre a concentração de CO em várias regiões tropicais. Em particular, esses auto-

res observaram um aumento nítido das emissões de CO em 2010 nos trópicos do

sul, especialmente na América do Sul e África do Sul que pode estar associado aos

eventos de El Niño e a Oscilação Multidecadal do Atlântico.

Warner et al (2013) estudaram a variabilidade do CO na última década medi-

da pelo AIRS abordo do satélite EOS/Aqua da NASA e IASI a bordo da plataforma

MetOp. Para quantificar a qualidade dos dados de emissão de CO do AIRS, eles

compararam os dados de emissão de CO do AIRS com inventários de emissão an-

tropogênica e de queima de biomassa (projeto MACCity (UE MACC/cityZEN – para

emissões antropogênicas) e GFED3 (banco de dados global de Emissões de fogo –

para emissões de queima de biomassa). Foi mostrado que os ciclos sazonais e inte-

ranuais concordam muito bem no domínio do tempo, embora as diferenças de mag-

nitudes relativas não puderam ser quantificadas uma vez que os os dois conjuntos

de dados estão em unidades diferentes. No Hemisfério Norte (HN), os picos máxi-

13

mos foram no final do inverno e início da primavera, enquanto em certos anos (2006,

2007, 2008, e 2010) há um máximo secundário no verão provavelmente devido a

eventos de queima de biomassa. Há também um atraso perceptível na nova emis-

são do AIRS no HN em comparação com os inventários de 2006-2009, possivelmen-

te devido ao fato dos picos suavizados do AIRS incorporarem os eventos de queima

de verão nestes anos. No Hemisfério Sul (HS), tanto a variabilidade como os picos

de alta concentração de CO concordam muito bem entre as emissões de CO do A-

IRS e os inventários. Os valores de CO não apresentaram diferenças entre o céu

claro e quando limpo de nuvens para a continente no HN, oceano no HN, continente

no HS, e oceano no HS, a variabilidade do CO para os casos de céu claro é melhor

definida.

De fato, estudos anteriores demonstram a utilidade das observações de CO

por satélite na troposfera para estudos de qualidade do ar e uso da terra. O alto grau

de variabilidade interanual ilustra a necessidade de monitoramento contínuo, uma

vez que, as observações mensais e sazonais climatológicas não são necessaria-

mente representativas para casos de máxima ou mínima emissão a qualquer época

do ano. A correspondência na variabilidade associada ao índice ENOS, como de-

monstrada em estudos anteriores fornece um exemplo claro do impacto da variabili-

dade clima nos níveis de poluição. Neste contexto, esse estudo buscará estudar as

possíveis relações entre a concentração/variabilidade desse gás, alterações climáti-

cas e focos queimadas, considerando o período de 10 anos de dados remotos de

CO. Além do interesse científico, deve-se ressaltar que o melhor conhecimento das

emissões de gases é fundamental para adoção de políticas públicas que reduzam

queimadas e desmatamentos, nossa maior fonte de emissões.

14

4. DADOS E METODOLOGIA

Neste capítulo são apresentados a área de estudo, os dados utilizados para a

elaboração deste trabalho e uma descrição de como foram feitas as análises destes

dados.

4.1. Dados

4.1.1. Satélite Aqua – Sensor AIRS

Foram utilizadas neste trabalho, as concentrações diárias e médias semanais

de 8 dias do monóxido de carbono na atmosfera inferidas a partir do sensor AIRS a

bordo do sistema de sondagem AQUA, os dados encontram-se no formato HDF (Hi-

erarchical Data Format) com resolução espacial de 1 x 1 grau. O período de estudo

compreendeu os anos de 2003 a 2012. A área de estudo foi a região da América do

Sul (AS, 5ºN-35ºS, 35ºW-75ºW), destacada na Figura 1.

Figura 1. Área de estudo destacada no quadrilátero menor.

4.1.2. Avião Bandeirante – Campanha 2007

Além disso, foram utilizados dados de medidas da concentração de CO na

atmosfera, para diferentes níveis de pressão atmosférica, do experimento de campo

15

com o avião Bandeirante do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Os

dados foram coletados nos dias 06, 08, 10, 11, 13, 17, 19, 20 e 22 de outubro de

2007. A passagem do avião coincidiu com o horário da passagem do satélite AQUA

sobre a região de Alta Floresta, região norte do Mato Grosso, (AFL, 9ºS-23ºS e

47ºW-58ºW), por volta das 17h30min UTC. O equipamento utilizado para determinar

a concentração do monóxido de carbono na atmosfera foi um cromatógrafo a gás,

marca “Trace Analytical”, modelo “RGA 3 Reduction Gas Analyser” (importado), ano

1990.

4.1.3. Focos De Queimadas

Foi utilizado, também, o número mensal de focos de queimadas detectados

por satélite para a região da AS, disponível no portal eletrônico de Monitoramento de

Queimadas e Incêndios do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), no se-

guinte endereço eletrônico: http://www.dpi.inpe.br/proarco/bdqueimadas. O período

corresponde aos 10 anos estudados nessa pesquisa. Os dados dos focos de quei-

madas foram inferidos a partir de informações conjuntas de diversos satélites (NOA-

A, TERRA/AQUA e GOES), o que permite visualizar todos os focos acumulados ao

longo do dia por estes três tipos de satélites, ver Figura 2.

A versão 4.0 da página de Queimadas e Incêndios do INPE foi lançada em

04/2011, em substituição à versão 3.0, iniciada em 16/07/2007. Para exemplificar,

como esses dados estão disponibilizados, a Figura 2 ilustra a quantidade de focos

de queima para o dia 15/08/2013.

16

Figura 2. Número de focos que queima observados por diversos satélites sobre a América do Sul para o dia 15/08/2013 Fonte: INPE, 2012.

4.1.4. Precipitação (GPCC)

Foram usados dados mensais de precipitação sobre a América do Sul, situa-

da entre 10°N-45°S e 85°W-25°W, obtidos de GPCC (Global Precipitation Climato-

logy Centre) e disponível em

ftp://anon.dwd.de/pub/ata/gpcc/html/fulldata_download.html. Este conjunto consiste

do produto de reanálise global do GPCC na versão 6, e tem resolução espacial de 1

x 1 grau para o período entre 1901 e 2010 (Schneider et al., 2008). Nesse estudo,

utilizamos os dados no período de 2003 a 2010.

4.2. Metodologia

A metodologia utilizada nesta pesquisa baseou-se em análises estatísticas.

Dentre essas citam-se: análises de médias, diagramas de caixas, desvios em torno

da média e análise de componentes principais.

17

4.2.1. Análise do comportamento médio anual e sazonal do co na atmos-

fera

A fim de analisar o comportamento médio anual do monóxido de carbono na

atmosfera, foi realizada a leitura dos arquivos HDF contendo as estimativas obtidas

por sensoriamento remoto pelo satélite AQUA. Nessa fase foram utilizadas ferra-

mentas computacionais para leitura e seleção desses dados. Os dados selecionados

correspondem às estimativas médias semanais de concentrações de CO integrado

na atmosfera, para a região da América do Sul, para o período de 10 anos (452 valo-

res médios semanais). A distribuição latitudinal da concentração de CO sobre a A-

mérica do Sul foi avaliada considerando a média zonal da concentração de CO so-

bre a AS em função do período.

No próximo passo, foram calculadas as anomalias das séries de concentra-

ções médias semanais de CO integrado, com o intuito de estudar a escala de varia-

bilidade da concentração de CO sobre a América do Sul e para duas faixas latitudi-

nais sobre a América do Sul, conforme Tabela 1. A série climatológica das concen-

trações de CO integrado foi obtida tomando a média das estimativas para todas as

semanas de cada mês separadamente e para todos os ano em cada ponto de gra-

de. A partir das médias espaciais das concentrações de CO sobre a América do Sul

para as 452 semanas, os dados foram organizados por meses, em seguida foram

calculadas as médias mensais em cada ponto de grade e depois foi subtraída de

cada valor da série de concentrações de CO sua respectiva média, com a finalidade

de remover o ciclo anual. Calculou-se anomalia média semanal para cada ponto de

grade da área de estudo. Obtida a série de anomalia média para a região da Améri-

ca do Sul, o passo seguinte, foi recortar esta série de dados para duas faixas latitu-

dinais dentro da região América do Sul (faixa equatorial e faixa central).

Tabela 1. Áreas de estudo e suas coordenadas geográficas.

Região Coordenadas geográficas

América do Sul

5ºN-35ºS, 35ºW-75ºW

América do Sul (faixa equatorial)

5ºN-5ºS, 35ºW-75ºW

América do Sul (faixa central)

20ºS-5ºS, 35ºW-75ºW

18

Em seguida, foram elaborados diagramas de caixa “gráficos Box plot” sobre

as séries médias espaciais de concentração de CO integrado sobre as faixas latitu-

dinais dentro da região da América do Sul, entre 5ºN a 5ºS e 20ºS a 5ºS. Vale res-

saltar que o diagrama de caixa representa os dados através de um retângulo cons-

truído com os quartis, fornecendo informações sobre a variabilidade dos dados e

valores atípicos (outliers) que podem influenciar o cálculo de medidas como a média

aritmética, por exemplo. O fluxograma abaixo representa de forma esquemática as

etapas realizadas nesta primeira fase.

Figura 3. Fluxogramas de etapas para o cálculo da anomalia média da concentração de conteúdo inte-grado de CO para a região de estudo.

CO - AIRS

1° x 1°

Série Temporal

Média Zonal

Variação

Latitude-temporal

Média por faixa latitudinal

Ciclo anual

Box plot

Anomalias

8 dias (média)

América do Sul

2003-2012

19

O mesmo procedimento de cálculo de anomalias foi realizado para as outras

variáveis (focos de queima e precipitação), exceto que nesses casos, o ciclo anual é

determinado pelo cálculo das médias mensais.

4.2.2. Análise da variabilidade espaço-temporal do co sobre a América

do Sul

Para estudar a variabilidade espaço-temporal do CO utilizou-se a análise de

Funções Ortogonais Empíricas (EOF). Para isso, inicialmente, foram selecionados

os dados de conteúdo integrado de CO para a região da América do Sul (5ºN-35ºS,

35ºW-75ºW) no período de 2003-2012. A matriz resultante foi da ordem de 1722 x

452, no qual 1722 é a quantidade de pontos de grade para a região e 452 é o núme-

ro de semanas correspondente aos 10 anos de estudo. Em seguida, desde que a

transformada de ondeleta pode ser usada como um filtro, as séries de concentração

de CO para o período de 2003 a 2012 foram filtradas para as escalas semianual e

interanual, utilizando-se a transformada de ondeleta como filtro conforme formulação

definida por Torrence e Compo (1998).

Em seguida, foi empregada a técnica de análise das Funções Ortogonais

Empíricas (EOF) nas séries de anomalia de concentração de CO filtradas nas esca-

las semianual e interanual, com o propósito de encontrar o padrão dominante de va-

riabilidade. Os cálculos de EOF foram baseados na matriz correlação. Os autoveto-

res correspondentes às análises de EOF são apresentados como padrões de corre-

lações. Para as discussões de EOF, assume-se que para amplitudes positivas dos

modos, o sinal das correlações corresponde ao sinal das anomalias. A análise de

EOF trata-se de um método estatístico utilizado para decompor informações multiva-

riadas em combinações lineares não correlacionadas das variáveis originais (Zanotta

et al., 2013). Esta análise é eficiente para investigar tanto as variações temporais

como espaciais presentes em grandes conjuntos de dados, no sentido de que cam-

pos de dados altamente correlacionados podem ser adequadamente representados

pelo menor número de funções ortogonais e seus coeficientes temporais correspon-

dentes (Componentes Principais – CP). As EOF’s são ordenadas com os autovalo-

res em ordem decrescente, sendo que a primeira EOF explica a maior fração da va-

riância total (Kampel e Silva, 1996).

20

Para obter a relação desses padrões com a variabilidade de focos de queima

e precipitação, o mesmo procedimento de filtragem de dado foi realizado para essas

séries. Análises qualitativas dessas relações foram realizadas a fim de avaliar as

relações entre a variabilidade de focos de queima, variabilidade climática e variabili-

dade de CO. Campos espaciais das anomalias de CO (Figura 21) e precipitação (Fi-

gura 23) para dois anos contrastantes, selecionados a partir das séries de compo-

nentes principais obtidas nas análises de EOF também são apresentados. O fluxo-

grama abaixo representa de forma esquemática as atividades realizadas nesta eta-

pa.

Figura 4. Fluxogramas de etapas para análise de variabilidade espaço-temporal da concentração de con-teúdo integrado de CO para a região de estudo.

21

4.2.3. Avaliação da qualidade das estimativas de monóxido de carbono do sa-

télite AQUA na baixa troposfera

Nesta etapa, foram utilizadas as medidas de concentrações de CO sobre a

região de Alta Floresta (AFL, 9ºS-23ºS e 47ºW-58ºW), obtidas durante um experi-

mento de campo com o avião Bandeirante do INPE, e as estimativas diárias da con-

centração de CO, obtidas a partir do sensor AIRS para os mesmos dias da campa-

nha. Estas foram comparadas a fim de analisar a qualidade dos perfis de CO esti-

mados a partir do sistema de sondagem AQUA na baixa troposfera (abaixo de 4

km). Na Figura 5, é apresentado o fluxograma que representa de forma esquemática

as atividades realizadas nesta etapa.

Figura 5. Fluxograma de atividades realizadas para avaliação da qualidade das estimativas da concentra-ção CO do satélite AQUA na baixa troposfera.

Durante a campanha com o avião Bandeirante realizada em outubro de 2007,

as amostras foram coletadas em cilindros de aço especial de 800 ml, com eletro-

polimento interno a fim de evitar a fixação de moléculas de gases nas paredes, tais

cilindros foram submetidos a uma limpeza a vácuo (a 100°C) antes do experimento

de campo. A Figura 6 ilustra de forma esquemática a trajetória de vôo durante a co-

leta das amostras de ar, para seis diferentes níveis de pressão ou altitude, de cerca

de 500 a 4000 metros de altitude. Para cada nível atmosférico foram coletadas a-

22

mostras de gás em dois (2) cilindros de forma simultânea, tomando aproximadamen-

te 10 minutos de voo (tempo necessário para percorrer a distância entre os pontos A

e B da Figura 6). As amostras foram coletas com uma bomba de diafragma e os ci-

lindros carregados a duas atmosferas (2 atm). Posteriormente, as amostras foram

analisadas no laboratório de Ozônio/INPE através da cromatografia gasosa, utilizan-

do o “RG3 da Trace Analytical”, especifico para análise de monóxido de carbono

com precisão relativa melhor ou igual a 0,5%. Vale ressaltar que as calibrações do

equipamento foram realizadas com padrões adquiridos da NOAA.

Com relação aos dados do sensor AIRS, foi realizada a leitura dos arquivos

HDF para os dias de campanha com avião, estes foram recortados para as coorde-

nadas geográficas avião. Em seguida, foram selecionadas as concentrações de CO

para o nível de pressão em que se encontrava o avião. Além disso, para fins de

comparação, foram utilizadas concentrações de CO das versões 5 e 6 dos produtos

do sistema AQUA. Os resultados foram organizados na Tabela 2, do item 5.3.

Figura 6. Esquema da trajetória de voo durante a coleta de dados com avião.

23

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capítulo, apresentam-se os resultados encontrados na análise das con-

centrações de CO obtidas a partir sensor AIRS, assim como seu comportamento

médio anual e sazonal, suas variações espaço-temporais e suas relações com vari-

áveis climáticas (precipitação e índices ENOS) e focos de queimada. Em uma se-

gunda etapa são apresentadas as validações das estimativas por satélite com dados

observados em experimento de campo (estudo de caso).

5.1. Análise do comportamento médio anual e sazonal do CO na atmosfera

As séries anuais contendo os valores médios semanais das concentrações do

conteúdo integrado de CO na atmosfera ao longo do ano, para o período de 2003 a

2012, sobre a região da América do Sul, são apresentadas na Figura 7. Consistente

com trabalhos anteriores observa-se um ciclo sazonal bem definido com baixas con-

centrações no período de maio a julho e altas concentrações de CO entre os meses

de agosto a outubro. Nota-se ainda, uma variação interanual entre os valores de

máxima concentração de CO, de modo que os maiores valores são observados nos

anos de 2004, 2005, 2007 e 2010, enquanto valores menores são notados nos anos

de 2003, 2008, 2009 e 2011. Vale ressaltar que os biênios de 2004-2005, 2006-2007

e 2009-2010 ocorreram fenômenos de El Niño enquanto os biênios de 2008-2009 e

2010-2011 ocorreram fenômenos fortes de La Niña.

Figura 7. Série anual de concentração média de CO integrado na atmosfera sobre a América do Sul.

24

Na Figura 7, destaca-se, também, o comportamento sazonal das concentra-

ções de CO, com concentrações baixas durante verão-outono (21/dez a 21/jun) de

todos os anos com o junho sendo o mês de mínima concentração na maioria dos

anos. Ocorre um aumento significativo das concentrações na segunda metade do

ano, durante as estações inverno-primavera (21/jun a 21/dez) com setembro e outu-

bro sendo os meses nos quais ocorrem a maioria dos picos nas concentrações de

CO, conforme observado em trabalhos anteriores (Connors et al., 1999; Langenfelds

et al., 2002; Edwards et al., 2006a e 2006b; Andreae et al., 2012 e Hooghiemstra et

al., 2012). Para o período de máximas concentrações de CO sobre a região de estu-

do, a maior média semanal da concentração de CO observada ocorreu no ano de

2007 enquanto a menor observada foi no ano de 2009.

Para se ter uma ideia da distribuição latitudinal da concentração de CO sobre

a América do Sul, a Figura 8 mostra a variação temporal da concentração de CO

integrado na atmosfera em função da latitude. Uma característica notável, como co-

mentado anteriormente, é a variação interanual da média zonal da concentração de

CO sobre esta região para os 10 anos de dados (2003-2012). Nota-se, ainda, que

uma maior variação interanual ocorre entre as latitudes de 20ºS e 5ºS, associadas

principalmente a queima de biomassa. Essa grande variação interanual na concen-

tração de CO apresentada pelo sensor AIRS foi observada em estudos anteriores

que utilizam outras fontes de dados (Edwards et al., 2004 e Edwards et al., 2006),

assim, proporcionando a confiança de que a variabilidade observada reflete os pro-

cessos ambientais.

25

Figura 8. Concentração média zonal de CO (molec/cm2) sobre a América do Sul.

A Figura 9 apresenta as séries temporais da concentração de CO sobre as

regiões de 5ºS a 20ºS, 5ºS a 5ºN e para toda a região de estudo (5ºN-20ºS), sepa-

radamente. Observa-se que dos máximos valores de CO médio zonal nos anos ana-

lisados, os anos de 2005, 2007 e 2010 apresentam os maiores valores médios zo-

nais, e que grande parte dessa emissão resulta da queima de biomassa na parte

central da América do Sul. Para as regiões equatoriais (5ºS – 5ºN), as variações in-

teranuais são menos claras.

A Figura 10 apresenta os diagramas de caixa, para as séries de concentração

de CO integrado na atmosfera para as duas faixas latitudinais (5ºN a 5ºS e 5ºS a

20ºS). Através desta figura, pode-se observar que o comportamento mensal das

concentrações de CO integrado está de acordo com o esperado, ou seja, é evidente

uma maior variabilidade no período de agosto a outubro e uma menor variabilidade

no período do verão-outono (novembro a junho), principalmente para a região entre

as latitudes de 20ºS e 5ºS.

26

Figura 9. Séries temporais de concentração de CO integrado na atmosfera para diferentes faixas latitudi-nais sobre a América do Sul.

Figura 10. Diagrama de caixas para as séries de concentração de CO sobre diferentes faixas latitudinais da América do Sul.

Em termos espaciais, a Figura 11 ilustra a distribuição de CO na atmosfera

para dois anos contrastantes observados nas figuras anteriores, um com máxima

27

concentração de CO no mês de setembro de 2007, outro para o mês de setembro

de 2009 e a diferença entre esses meses. Em 2007 é nítida alta concentração de

CO sobre a América do Sul. Por outro lado, em 2009, baixos valores de CO foram

observados nessa região. A diferença (2007-2009) da concentração de CO integra-

do na atmosfera é cerca de 2,5 – 3 x 1018 molec/cm2. Esses resultados são consis-

tentes com o aumento (diminuição) de focos de queimada em relação à média clima-

tológica ocorrido no ano de 2007 (2009), conforme apresentado na Figura 12. Na

Figura 12 são apresentadas as séries anuais do número de focos de queimada para

os anos de 2007, 2009, a média climatológica, as séries de máximos e mínimos nú-

meros de focos de queimada sobre a região do Brasil. Uma discussão da relação

entre as concentrações de CO e suas relações com o número de focos de queima-

das e variabilidade climática que serão discutidos posteriormente.

28

Figura 11. Distribuição espacial da concentração de CO (molec/cm2) integrado na atmosfera para os anos

de 2007, 2009 e a diferença entre eles (2007-2009).

29

Figura 12. Séries anuais do número de focos de queimada sobre o Brasil. FONTE: CPTEC, 2014.

5.2. Análise da variabilidade espacial e temporal do CO na atmosfera

A Figura 13 apresenta as anomalias de CO integrado na coluna atmosférica

sobre as faixas latitudinais 5ºN-5ºS, 5ºS-20ºS e 5ºN-20ºS. Anomalias positivas mais

acentuadas ocorreram nos anos de 2005, 2007 e 2010 e as anomalias negativas

mais acentuadas nos anos de 2009 e 2011. Esses máximos positivos (negativos) de

anomalias de CO coincidem com os anos que ocorreram máximos valores positivos

(negativos) de anomalias de foco de queimadas como mostrado na Figura 14. Nessa

figura pode-se observar uma concordância entre as anomalias de CO e focos de

queimada. Sendo assim, pode-se dizer que variações nas concentrações de CO re-

sultam predominantemente da queima de biomassa.

Figura 13. Séries de anomalias de concentração de CO para diferentes faixas latitudinais sobre a América do Sul.

30

Figura 14. Séries de anomalias de concentração de CO (azul) e anomalias de focos de queimadas (verme-lho) sobre a América do Sul.

Por outro lado, estudos anteriores mostram que a variabilidade climática pode

explicar variações interanuais na concentração de CO na atmosfera. A Figura 15

mostra a relação entre a série de precipitação média sobre a região da América do

Sul, entre as latitudes de 5ºS a 20ºS e a série de concentração de CO sobre essa

região. Particularmente, sobre os períodos de máximos valores positivos (negativos)

de anomalias de CO, como por exemplo, os anos de 2005, 2007 e 2010 (2008, 2009

e 2011), ocorrem máximos valores negativos (positivos) de precipitação.

Figura 15. Séries de anomalias de concentração de CO (vermelho) e anomalias de precipitação (azul) sobre a América do Sul, entre 5ºS e 20ºS.

31

Finalmente, para avaliar a relação entre as concentrações de CO na atmosfe-

ra e número de focos de queimada e variabilidade climática, buscou-se identificar os

principais modos de variabilidade do CO nas escalas de tempo semianual e intera-

nual (1 a 4 anos). A escolha das escalas de variabilidade decorre do fato que as al-

tas emissões de CO pelas queimadas apresentam um ciclo semianual bem caracte-

rístico. Por outro lado, a variabilidade climática dominante na região tropical ocorre

em escalas de tempo interanual, associadas ao El Niño-Oscilação Sul.

O primeiro modo de variabilidade de CO na escala de tempo semianual, apre-

sentado na Figura 16, explica 49,9% da variabilidade total de CO contida na escala

semianual e é dominado por variações que ocorrem sobre toda a região de estudo,

com máximo na região central da AS com valor de correlação acima de 0,8. Uma

vez que o quadrado das correlações equivale à variância explicada localmente, este

modo explica aproximadamente 64% da variância nessa região. A primeira compo-

nente principal (CP01) deste modo exibe uma oscilação semianual com valores posi-

tivos (negativos) ocorrendo nos meses de março a maio (setembro a outubro), com

máximos negativos ocorrendo nos anos de 2005, 2007 e 2010. Para o período de

setembro a outubro (estação seca), o padrão de variabilidade mostra um aumento

do total de concentração de CO.

32

Figura 16. Primeiro modo de EOF para séries de anomalias de CO filtradas na escala semianual para o período de 2003-2012: a) padrão espacial e b) componente principal.

O primeiro modo de variabilidade de CO na escala de tempo interanual (Figu-

ra 17) explica 77% da variabilidade total de CO contida nesta escala e é dominado

por variações que ocorrem sobre toda a região de estudo, com máximo na região

central da AS estendendo-se de noroeste a sudeste por toda a área de estudo. Com

correlação acima de 0,9, este modo explica aproximadamente 81% da variância lo-

cal. A CP01 deste modo exibe uma oscilação interanual com valores positivos (ne-

gativos) ocorrendo nos anos 2006, 2008-2009, 2011-2012 (2005, 2007 e 2010). Si-

milarmente, ao que acontece para a escala semianual, para os anos de 2005, 2007

e 2010, a variabilidade interanual mostra um aumento na concentração de CO. Su-

gere-se que esta variabilidade interanual na concentração de CO pode ser atribuída

a variabilidade interanual da emissão de CO por queima de biomassa. Além disso,

os resultado sugerem que a variabilidade interanual do CO pode estar modulando a

variabilidade semianual do CO (Figura 18).

33

Figura 17. Primeiro modo de EOF para séries de anomalias de CO filtradas na escala interanual para o período de 2003-2012: a) padrão espacial e b) componente principal.

Figura 18. Séries de componentes principais referentes ao primeiro modo para as escalas interanual e semianual.

Para avaliarmos a relação da variabilidade do CO com a queima de biomas-

sa, a Figura 19, apresenta a variabilidade do número de focos de queima, média so-

bre a região definida entre (0-20ºS; 70ºW-40ºW), juntamente com a CP01 da série

de CO filtrada na escala interanual. Analisando essas séries, pode-se notar que a

concentração de CO sobre a América do Sul apresenta uma variabilidade interanual

34

bem definida sobre o período de 2003 a 2012 e esta variabilidade pode ser conduzi-

da pela emissão de CO pela queima de biomassa. Uma vez que a precipitação é o

principal fator climático que controla a atividade de queima de biomassa, pode-se

concluir que a variabilidade de CO é influenciada por fatores climáticos.

Figura 19. Séries temporais de anomalias de focos de queima e CP01 das séries de CO filtradas para a escala interanual.

A influência das queimadas na concentração de CO, filtrada para a escala in-

teranual, pode ser observada na Figura 20. Nota-se nessa figura que influências cli-

máticas (associadas a secas) podem ter grandes efeitos, como pode ser visto no

grande aumento nas emissões de CO por queima em 2007 e 2010. A intensa ativi-

dade de desflorestamento e consequente emissão de gases e partículas decorrentes

das queimadas durante a estação seca têm implicações importantes em nível local,

regional e global (Artaxo et al., 2002). Por exemplo, em anos muito secos como os

de 2007 e 2010 (Lewis et al., 2011), a queima de biomassa pode facilmente sair do

controle, devido à vegetação excessivamente seca, conduzindo a elevadas emis-

sões de CO. Além disso, a combustão continuada das queimadas libertam grandes

quantidades de CO para a atmosfera. Em contraste, durante anos úmidos tal como

em 2009 (Torres et al., 2010), a queima de biomassa devido ao desmatamento pode

ser adiada devido a grande quantidade de umidade. Este fato pode ter levado a uma

redução da emissão de CO neste ano.

35

Figura 20. Série de anomalias de concentração de CO (vermelho) e anomalias de precipitação (azul) so-bre a América do Sul, entre 5S e 20S.

A Figura 21 ilustra bem essa variabilidade na concentração de CO para os

anos de 2007 e 2009, respectivamente. Consistentemente, as Figuras 22 e 23 mos-

tram os padrões espaciais de focos de queimada e anomalias de precipitação para

os mesmos períodos, respectivamente. Assim, o aumento de concentração de CO

no ano de 2007 (2009) esteve associado ao aumento (diminuição) da emissão devi-

do ao aumento (diminuição) do número de focos de queimada e a variabilidade cli-

mática, associada à escassez (excesso) de chuva em relação à média climatológica

do período de estudo.

Figura 21. Padrões espaciais de anomalias normalizadas pelo desvio padrão da concentração de CO (molec/cm

2) para setembro de 2007 (a esquerda) e setembro de 2009 (a direita).

36

Figura 22. Padrões espaciais de focos de queima para setembro de 2007 e setembro 2009.

Figura 23. Padrões espaciais de anomalias de precipitação normalizadas pelo desvio padrão para setem-bro dos anos de 2007 e 2009. Sombreado azul (laranja) define valores acima (abaixo) de 0,5 (-0.5) desvios. Intervalo de contorno é de 0,5 desvios.

37

5.3. Avaliação da qualidade das estimativas de monóxido de carbono do saté-

lite AQUA na baixa troposfera

A Figura 24 apresenta um exemplo do perfil vertical de CO estimado pelo

AQUA, para duas diferentes versões do modelo que estima CO (versões 5 e 6), a-

lém de uma medida de concentração média de CO, para uma camada centrada en-

tre 600 mb e 700 mb, tomada no dia 11 de outubro de 2007 com o avião Bandeiran-

te em Alta Floresta-MT. Em seguida, a Tabela 2 apresenta as medidas com avião e

duas versões de estimativas remotas de CO, organizadas por altitude, assim como

as diferenças entre a medida do avião e a estimativa remota.

Figura 24. (a) Concentrações de CO medidas na campanha de avião em Alta Floresta – MT e estimativas obtidas pelo satélite AQUA, versão 5, e (b) versão 6 para o dia 10/10/2007 sobre a mesma região.

38

Tabela 2. Concentrações de CO (média por nível em ppbv) medidas na campanha de avião e pelo satélite AQUA nos dias estudados no mês de outubro de 2007 em Alta Floresta-MT.

Nível (km)

Dias Pressão

(mb) [CO] avião

[CO] AQUA Diferença em % (AQUA - avião)

V5 V6 V5 V6

Até 1,5

8 943 652,9 155,5 115,2 -320% -467%

8 880 658,9 191,0 150,8 -245% -337%

11 943 371,6 169,3 116,0 -119% -220%

11 880 408,3 208,1 174,9 -96% -133%

11 908 406,2 192,6 142,6 -111% -185%

13 908 320,7 190,3 141,2 -69% -127%

13 843 351,3 237,9 196,1 -48% -79%

17 943 260,6 131,3 102,1 -98% -155%

17 880 384,1 160,8 130,5 -139% -194%

19 943 298,8 139,1 109,2 -115% -174%

19 880 363,5 174,8 141,8 -108% -156%

20 943 458,1 147,3 107,9 -211% -325%

20 880 420,3 176,3 133,0 -138% -216%

De 1,5 a 2,5

8 812 648,5 237,8 199,6 -173% -225%

8 752 456,5 242,4 224,7 -88% -103%

10 843 383,4 215,2 196,6 -78% -95%

10 782 225,2 269,0 263,2 16% 14%

11 812 235,2 248,1 237,7 5% 1%

11 752 698,4 261,9 274,9 -167% -154%

11 782 344,8 283,4 267,1 -22% -29%

11 843 281,4 243,5 213,8 -16% -32%

13 782 278,9 263,5 233,1 -6% -20%

17 812 319,2 212,6 172,1 -50% -85%

17 752 295,1 206,1 196,7 -43% -50%

19 812 383,4 227,7 183,7 -68% -109%

19 752 315,7 252,0 219,2 -25% -44%

20 812 339,4 201,1 161,0 -69% -111%

20 752 587,3 226,6 182,5 -159% -222%

20 812 339,4 201,1 161,0 -69% -111%

De 2,5 a 4,5 8 697 256,8 245,3 228,4 -5% -12%

39

8 644 252,9 249,7 243,9 -1% -4%

10 725 247,9 279,3 305,1 11% 19%

10 670 250,7 254,0 286,6 1% 13%

11 697 461,3 266,2 282,0 -73% -64%

11 644 273,6 294,8 316,1 7% 13%

11 670 403,8 292,6 306,0 -38% -32%

11 725 657,6 279,7 284,4 -135% -131%

13 725 293,2 256,9 244,8 -14% -20%

13 670 214,1 256,2 256,6 16% 17%

13 644 170,1 268,9 277,6 37% 39%

17 697 298,8 216,3 208,4 -38% -43%

17 644 219,5 211,5 226,1 -4% 3%

19 697 306,2 253,7 230,1 -21% -33%

19 644 277,7 259,5 252,8 -7% -10%

20 752 587,3 226,6 182,5 -159% -222%

20 697 256,2 231,7 203,8 -11% -26%

20 644 209,4 250,8 212,4 16% 1%

De forma geral, observa-se que as diferenças entre as medidas e estimativas

são significativas. Particularmente na baixa troposfera (abaixo de 3 km) o satélite

apresenta maior dificuldade em estimar as concentrações do CO, subestimando as

concentrações de CO. Deve-se ressaltar também que existe uma limitação da pró-

pria técnica em estimar concentrações de gases traço próximo à superfície (Suss-

kind et al., 2003). Sendo assim, maiores diferenças eram esperadas para estimati-

vas próximas à superfície. Por outro lado, na medida em que as estimativas fossem

validadas para níveis superiores esperava-se que os erros fossem diminuindo, o que

em média aconteceu. A literatura sugere que estimativas melhores de CO na atmos-

fera, feita pelo sistema de sondagem AQUA, são na média e alta troposfera (acima

de 5km) (Susskind et al., 2003; McMillan et al., 2007; Oliveira, 2009). O que dificul-

tou a realização de medidas de CO em maiores altitudes na atmosfera foi uma limi-

tação do avião Bandeirante em voar acima de 4,5 km.

Vale ressaltar também que 2007 foi o ano com o maior número de focos de

queima na região da campanha com o avião durante a década analisada (INPE,

2012). Desta forma, o elevado número de queimadas pode ter produzido durante o

40

período de campanha com o avião frequentes plumas de fumaça, elevando as con-

centrações medidas pelo avião, principalmente em baixos níveis de altitude. Desta

forma, não é possível fazer qualquer conclusão sobre a diferença de desempenho

das versões 5 e 6 do modelo de sondagem atmosférica para CO, uma vez que este

sistema de sondagem não é capaz de detectar plumas de fumaça.

41

6. CONCLUSÕES

A mudança no uso do solo se associa às mudanças dos ecossistemas e sa-

be-se que esses ecossistemas impactam na concentração dos gases na atmosfera

tanto como fonte quanto como sorvedouro para muitos componentes atmosféricos,

incluindo gases traço e de efeito estufa. A queima de biomassa é uma importante e,

às vezes, única fonte de diversos gases que afetam o clima e a qualidade do ar.

Neste estudo, o comportamento sazonal e os modos dominantes da variabilidade

semianual e interanual da concentração de CO integrado na atmosfera sobre a Amé-

rica do sul foram investigados, a partir de estimativas por satélite. Em relação ao

comportamento sazonal, consistente com trabalhos anteriores, as maiores concen-

trações de CO sobre a América do Sul, ocorrem no período de agosto a outubro,

associadas, principalmente, à queima de biomassa. Ainda, elevadas concentrações

são notadas predominantemente entre a faixa latitudinal de 5°S a 20°S, sobre a A-

mérica do Sul.

Em termos de variabilidade interanual, a concentração de CO está diretamen-

te associada à variabilidade interanual de focos de queima na região. Maiores valo-

res de concentração de CO ocorrem nas estações de grande queima com maiores

números de focos nos anos de 2007 e 2010. Por outro lado, baixas concentrações

ocorreram em 2008 e 2009. Ainda, a queima de biomassa na escala interanual este-

ve diretamente associada com a variabilidade climática. De modo que, o aumento de

concentração de CO no ano de 2007 (2009) esteve associado ao aumento (diminui-

ção) da emissão, devido ao aumento (diminuição) do número de focos de queimada,

associado à escassez (excesso) de chuva em relação à média climatológica do pe-

ríodo de estudo. Ressalta-se ainda que a diminuição (aumento) de chuvas na parte

central e leste da América do Sul durante os anos de 2007 (2009) está associada ao

evento de La Niña (El Niño), o que sugere que o ENOS tem um importante efeito na

variabilidade interanual de CO sobre a parte central da América do Sul, consistente

com estudos anteriores (por exemplo, Edwards et al., 2004 e Edwards et al., 2006).

Dado que o CO é um produto direto da combustão de combustíveis fósseis e

queima de biomassa, e que tem um papel de poluente e precursor do ozônio tropos-

férico, observações remotas diárias e globais de CO são cruciais para a modelagem

ambiental (química) da troposfera, além de poder ser usada para avaliar o impacto

da queima de biomassa na atmosfera. Neste contexto, buscou-se utilizar os dados

42

diários do sistema de sondagem AQUA para avaliar a qualidade das estimativas re-

motas de CO, comparando-as com medidas realizadas na região de Alta Floresta,

com o uso de um avião. De forma geral, é possível confirmar a limitação deste sis-

tema remoto em sondar a atmosfera para níveis de pressão próximos à superfície

(abaixo de 4,5 km), particularmente durante um período de queimadas na região,

para um ano com número de focos de queima anomalamente elevado. Por outro

lado, deve-se observar que existem limitações da própria técnica que dificultam es-

tas estimativas abaixo de 4,5 km. Desta forma, não é possível fazer qualquer con-

clusão sobre a diferença de desempenho das versões 5 e 6 do modelo de sonda-

gem atmosférica para CO, uma vez que este sistema de sondagem não é capaz de

detectar plumas de fumaça. Em maiores altitudes esse problema deve ser minimiza-

do. Ressalta-se ainda que estes resultados são fundamentais para grupos de pes-

quisa que trabalham com assimilação de dados de satélites em modelos ambientais,

indicando que um maior cuidado deve ser tomado com o uso de estimativas de con-

centração de CO em níveis abaixo de 4,5 km.

Como perspectivas para trabalhos futuros, é importante dar continuidade às

ações de validação das concentrações de CO em diferentes regiões do Brasil, esti-

madas por satélites ambientais como o AQUA, além de outros satélites com senso-

res hiperespectrais de nova geração. A partir desse estudo será possível entender

melhor as relações entre a concentração de ozônio e de monóxido de carbono na

atmosfera sobre grandes áreas, uma vez que o CO é um importante precursor de

ozônio e controlador indireto da capacidade oxidativa da troposfera. Além disso, este

tipo de estudo poderá auxiliar grupos de pesquisa que trabalham com assimilação

de dados de satélites e de superfície em modelos de qualidade do ar, melhorando

sua precisão e acurácia na representação de processos físicos e químicos que ocor-

rem na atmosfera sobre a América do Sul. Finalmente, além do interesse científico,

deve-se ressaltar que o melhor conhecimento das emissões de gases traço e de e-

feito estufa é fundamental para adoção de políticas públicas que reduzam as quei-

madas, nossa maior fonte de emissões.

43

44

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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queimadas para regiões onde não se queima. Brazilian Journal of Geophysics,

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Physics, vol. 12, pp. 6041-6065.

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dry season in Rondônia, Amazônia. Journal of Geophysical Research, 107(D20), pp.

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