O relacionamento das partículas de aerossóis com o...

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INPE/CPTEC, 19 de INPE/CPTEC, 19 de Outubro Outubro de 2004 de 2004 O O relacionamento relacionamento das das partículas partículas de de aerossóis aerossóis com o com o sistema sistema climático climático terrestre terrestre Paulo Artaxo , M. O. Andreae , M. A. Silva Dias, K. M. Longo, Saulo de Freitas, D. Rosenfeld, W. Maenhaut, S. Fuzzi, C. Facchini, S. Decesari, G. Frank , P. Guyon, M. Clayes, E. Swietlicki, Y. Rudich, e todo o time do LBA.

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INPE/CPTEC, 19 de INPE/CPTEC, 19 de OutubroOutubro de 2004de 2004

O O relacionamentorelacionamento dasdas partículaspartículas de de aerossóisaerossóiscom o com o sistemasistema climáticoclimático terrestreterrestre

Paulo Artaxo , M. O. Andreae , M. A. Silva Dias, K. M. Longo, Saulo de Freitas, D. Rosenfeld, W. Maenhaut, S. Fuzzi, C. Facchini, S. Decesari, G. Frank , P.

Guyon, M. Clayes, E. Swietlicki, Y. Rudich, e todo o time do LBA.

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Vegetation emitting terpenes, primaryVegetation emitting terpenes, primaryaerosol particles and water vaporaerosol particles and water vapor

Cloud Condensation Nuclei Water vapor

Control of radiation balance and precipitationControl of radiation balance and precipitation

RainRain

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Partículas de aerossóis biogênicos Partículas de aerossóis biogênicos naturais da florestanaturais da floresta

EPMA photos from Gunther Helas, MPIC

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CCN production in natural conditions in AmazoniaCCN production in natural conditions in AmazoniaOxidation product of isoprene: 2Oxidation product of isoprene: 2--methyltetrolsmethyltetrols

isoprene 2-methyltetrol

From Magda Clayes et al., 2004

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Interação entre a radiação solar e a atmosfera

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Global mean radiative forcing IPCCGlobal mean radiative forcing IPCC

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How do aerosols influence climate?

I) Direct Effects (i.e., not involving cloud)a) Backscattering of sunlight into space

increased albedo coolingMODIS, 26 Oct. 2003

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Interação entre a radiação solar e o aerossol atmosférico

Mecanismos de interação entre radiação incidente e uma partícula (Seinfeld & Pandis – 1998)

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Ib) Absorption of sunlight

• At surface: cooling• In atmosphere: warming• “Semi-direct” Effects: • reduced convection and cloudiness• reduced evaporation• reduced rainfall• The key parameters are the black/brown

carbon content of the aerosol and its mixing state (difficult to model and measure!!)

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II) Indirect Effects• Each cloud droplet needs a "seed" or nucleus to

be able to form: "Cloud Condensation Nucleus” (CCN)

• For a given cloud, the more CCN in the air, the more droplets

• Since the water supply in a cloud is limited: more droplets means smaller droplets

• More aerosol → More, but smaller droplets

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IIa) First Indirect Effect

• Adding CCN makes clouds with more, smaller droplets.

• These clouds are whiter, reflect moresunlight net cooling

Ship tracks off theWashington coast

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IIb) Second Indirect Effect

• “Overseeding“: To produce rain, cloud droplets need to be bigger than ~14 µm radius. When there are too many CCN, this radius is not reached and “warm” rainfall is suppressed. This occurs typically at CCN >800 cm-3.

• Therefore:• Adding CCN increases cloud lifetime

and cloud abundance Cooling

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IIc) Third Indirect Effect:Aerosol Effect on Convection Dynamics

• This rain-suppression mechanism affects mainly "warm" clouds (those not containing ice phase)

• If there is enough latent heat available (tropics), the air will rise and rain-production mechanisms involving ice will take over.

• The results are– more wide-spread mixed phase clouds with lightning– a shift in the release of latent heat from lower levels (warm

clouds) to upper levels in the troposphere– An increase in the total amount of heat released in cloud,

because of ice formation– Enhanced vertical transport of aerosols, gaseous pollutants

and water vapor to the upper troposphere and lower stratosphere

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Aerosols, cloud condensation nuclei Aerosols, cloud condensation nuclei particles, clouds and precipitationparticles, clouds and precipitation

Diffusion

Nucleation

Coalescence

** Crystal

collection

SO2SO4-

Evaporation

*** *

Crystal shattering

Collection

Modified after Hegg 2001

Aerosols

Cycle: Vegetation (VOCs) – aerosols- CCN - clouds - precipitation

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0 5 10 15 20 25 30 35

-30

-20

-10

0

10

20

reff

T [o C

]

[µ m]

Thai pre-mons

Israel dust

Australia urbanINDOEX polluted

Amazon smoke

Ramanathan, V., P. J. Crutzen, J. T. Kiehl, and D. Rosenfeld, 2001: Aerosols, Climate and the Hydrological Cycle. Science, 294, 2119-2124.

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Cloud dropRain dropIce crystalIce precipitation

Updraft

Moist surface,Weak Updraft

Updraft

0oC 0oC

Dry and dark surface,Strong updraft

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oC

Cloud dropRain dropIce crystalIce precipitation

Maritime: Clean, Fast rain,Suppressed updraft

0oC 0

Continental: Polluted,Suppressed rain, Strong updraft

Cloud dropRain dropIce crystalIce precipitation

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Changes in surface albedo and moisture influencing cloud dynaChanges in surface albedo and moisture influencing cloud dynam

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Part of the atmospheric radiative loss is balanced by surface sensible and latent heat fluxes by PRECIPITATION.This could be called the “Thermodynamic forcing”.

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Burian and Shepherd, 2004

Today’s Urban vs. Upwind = Today’s Urban vs. Pre-Urban

Houston

Trends in diurnal cycle of urban rainfall

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PyrocumulusPyrocumulus CloudsClouds

““Green Ocean Clouds“Green Ocean Clouds“

Hydrological cycle critical for Amazonia.Variety of cloud structure causedby different CCN amounts andother cloud dynamic issues

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The airborne component of the SMOCC experimentThe airborne component of the SMOCC experiment

Two aircraft used in SMOCC: one for aerosol and trace gases and the secondfor cloud physics measurements.

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SMOCC Aircraft route from heavy smoke to clean conditions:SMOCC Aircraft route from heavy smoke to clean conditions:In situ measurements of precipitation suppressionIn situ measurements of precipitation suppression

CCN: 5,000 #/ccBC: 30,000 ng/m³

CCN: 200 #/ccBC: 250 ng/m³

CCN: 1,000 #/ccBC: 1,000 ng/m³

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Vertical Vertical distribution distribution of CN over of CN over the smoky the smoky region in region in Rondonia Rondonia and the and the cleancleanregion in region in the western the western Amazon.Amazon.

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PollutedPolluted cloudsclouds growgrow out of out of thethe regionalregionalhazehaze containingcontaining lots of CCN...lots of CCN...

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00

Supersaturation (%)

CC

N/C

N ra

tio

SMOCC 0529 Sep 2002

Smoky Boundary Layer(3000-4000 CN/cm3)

Cloud Convection Layer(800-1000 CN/cm3)

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Smoke Smoke fromfrom pyrocupyrocu--typetype cloudsclouds blendsblendsintointo a a smokesmoke--ladenladen boundaryboundary layerlayer......

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MODIS AQUA, 7S-12S, 62W-66W, 4 October 2002, 17:50 GMT.

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FurtherFurther west, in west, in thethe samesame airmassairmass, , wewefind find thethe „Green Ocean“ „Green Ocean“ -- maritimemaritime--typetype

cloudsclouds overover thethe pristinepristine AmazonAmazon

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MODIS AQUA, 5S-10S, 64W-71W, 4 October 2002, 17:50 GMT.

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0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0 10 20 30 40 50

DSD20021005_1

163826Z 1475m164111Z 1541m164542Z 2092m165904Z 2948m170418Z 3275m171156Z 3548m172121Z 3631m172157Z 4250m

N [c

m-3

]

Drop diameter [ µm]

Warm rain evolution over the western tip of the Amazon, Noon.

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0 10 20 30 40 50

DSD20021005_2

195200Z 1597m195506Z 1890m195930Z 2338m200551Z 2781m201401Z 2980m202142Z 3640m202635Z 4403m

N [c

m-3

]

Drop diameter [ µm]

Warm rain evolution over the western tip of the Amazon, afternoon.

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Addition of Addition of pyrogenic pyrogenic CCN has CCN has

pronouncedpronouncedimpactimpact on on

cloudcloud dropletdropletsizesize spectraspectra

Four aerosol regimes of:(A) Blue Ocean,(B) Green Ocean,(C) Smoky clouds, (D) Pyro-clouds

Note that the narrowing of CDSD and the slowing of its rate of broadening with height for the progressively more aerosol rich regimes from A to D.

D. Rosenfeld, 2004

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CCN CCN activityactivity isis relatedrelated to to sizesize......CCN spectra for each hygroscopic group at 0.66 % supersaturation,

SMOCC Intensive burning period Sept. 20-22

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

1 10 100 1000

Dp (nm)

dN/d

logD

p (#

/cm

^3)

0.1

1

10

Supe

rsat

urat

ion

(%)

DMPS tot nr.CCN Almost Hydrophobic groupCCN Moderately Hygroscopic groupD of activation, Almost HydrophobicD of activation, Moderately HygroscopicD of activation, Fully soluble

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... and chemical composition... and chemical composition

Dry season median conc

0

5

10

15

20

1 2 3 4 5

ug/m

3

UnaccountedWSOCCaMgKNH4NaSO4NO3Cl

Stage 1: 0.05-0.14 µm,Stage 2: 0.14-0.42 µm,Stage 3: 0.42-1.2 µm,Stage 4: 1.2-3.5 µm,Stage 5: 3.5-10 µm

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Conc. in <2.5 µm size fraction (ng/m3)1 10 100 1000 10000 100000

TCOC

WSOCEC

levoglucosanoxalicmalic

succinic2_methylerythr

malonicα-OH glutaric

mannosanthreonicglyceric

β-OH glutaric2-methylthreitolglucofuranose

fumaricglutarictartaric

glucosegalactosan

erythritolthreonic

vanillicp-OH-benzoicvanillic isomer

fructosemannitolarabitol

m-OH-benzoicbenzoic

maleico-OH-benzoic

23-24 Sept. '02, night23 Sept. '02 day

Organics in smoke aerosolOrganics in smoke aerosol

Compilation of SMOCC data by S. Decesari

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Terra and Aqua satellite images of the east Amazon basin, 11 August 2002. (A) The clouds (Terra, 10:00 local time) are beginning to form. (B) The clouds (Aqua, 13:00 local time) are fully developed and cover the whole Amazon forest except for the smoke area. The boundary between forest and Cerrado region is marked in white on both images, and the seashore is marked in green. (From Ilan et al., Science March 2004)

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Suppression of low cloud formation by aerosols in AmazoniaSuppression of low cloud formation by aerosols in Amazonia

Cloud fraction as function of aerosol optical depth (OD). The cloud fraction decreases almost linearly with increasing OD. The red and blue curves denote the average of east and west areas, respectively. On average, the cloud fraction decreases to less than 1/8 of the cloud fraction in clean conditions when OD = 1. The shaded area represents the relative area covered by the respective OD, with the integral of this curve equal to one, representing the total Amazon basin. (from Ilya and Kaufman, 2004)

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Large Scale aerosol distribution in AmazoniaLarge Scale aerosol distribution in Amazonia

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Aerosol surface forcing in Rondonia 1999Aerosol surface forcing in Rondonia 1999--20022002

1999-2002 AEROSOL SURFACE FORCING - ABRACOS HILL -400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

1-Jan-99

11-Apr-99

20-Jul-9

928-O

ct-99

5-Feb-0015-M

ay-00

23-Aug-00

1-Dec-

0011-M

ar-01

19-Jun-01

27-Sep-01

5-Jan-02

15-Apr-02

24-Jul-0

21-N

ov-02

Rad

iativ

e fo

rcin

g (W

/m2 )

0.1

0.6

1.1

1.6

2.1

2.6

3.1

3.6

aot (

500

nm)

AEROSOL FORCING

AOT

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AmazoniaAverage aerosol forcing clear sky

INDOEXAverage aerosol forcing clear sky

Top: - 10 w/m² Top: - 7±1 w/m²

Atmosphere: + 16Atmosphere: + 16±±2 w/m2 w/m²²Atmosphere: + 28Atmosphere: + 28 w/mw/m²²

Surface: - 38 w/m² Surface: - 23±2 w/m²Conditions: surface: forest vegetation

AOT (τ=0.95 at 500nm); 24 hour average7 years (93-95, 99-02 dry season Aug-Oct)

Conditions: surface: oceanAOT (τ=0.3 at 630 nm); 24 hour average

Jan-Mar 99

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00.20.40.60.8

1

0 1 2 3AOD (500nm)

Diff

use

fract

ion

Ratio Diffuse to Direct RadiationTotal solar spectrum - Diurnal average

0102030405060708090

100

0.1 1.0 1.8 3.0Aerosol optical depth (500 nm)

Perc

enta

ge to

tota

l (%

)

Diffuse Direct

The mean canopy gross photosynthetic rates (solid lines) as a function of solarelevation angle for radiation conditions in 1992 (red), 1993 (blue), 1994 (pink), and1997(dark green). (Gu et al., Science 299, March 2003)

Ratio diffuse to total PAR affectsRatio diffuse to total PAR affectsCarbon Assimilation Carbon Assimilation –– Pinatubo ExamplePinatubo Example

Measurements of the ratio diffuseMeasurements of the ratio diffuseto total PAR for SMOCC to total PAR for SMOCC (Marcia Yamasoe)

Modeling ratio diffuse and direct to totalModeling ratio diffuse and direct to total(Aline (Aline ProcopioProcopio))(Marcia Yamasoe)

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AerosolAerosol ParticlesParticles Radiative Radiative EffectsEffects onon thetheSurfaceSurface TemperatureTemperature

August 25, 2002, Simulations from Karla Longo and Saulo Freitas – CPTEC/INPE

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Effect of smoke aerosols and clouds over the CO2 flux in AmazonEffect of smoke aerosols and clouds over the CO2 flux in Amazoniaia

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Effect of smoke aerosols and clouds over the CO2 flux in AmazonEffect of smoke aerosols and clouds over the CO2 flux in AmazoniaiaPaulo Henrique Oliveira, 2004

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Cloud effect

NEE

(µm

ol /m

2 s)

fr

Aerosol effect

Net ecosystem exchange of CO2(NEE)-Relative irradiance(fr) Annual effects

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2-40

-30

-20

-10

0

10 SZ:20-30

R2=0.42

NET

ECOS

YSTE

M EX

CHAN

GE

FRACTION OF BACKGROUND IRRADIANCE

B

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

24

26

28

30

32

34

Tair

(°C

)fr

Air temperature (Tair)- Relative irradiance (fr) Dry season

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

fr

AOT(nm)

Relative irradiance (fr)-Aerosol optical thickness (AOT)/Dry season Abracos Hill-RondôniaCO2 assimilation is a

complex interplay between: Photosynthetic active radiation, diffuse versus direct radiation, temperature, cloud coverage, and many other factors

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QuantificandoQuantificando o o efeitoefeito indiretoindireto global dos global dos aerossóisaerossóis

U. Lohmann and J. Feichter 2005, submitted

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Total forcing for trace gases aerosols and cloudsTotal forcing for trace gases aerosols and clouds

U. Lohmann and J. Feichter 2005, submitted

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Global mean Global mean TwomeyTwomey effecteffectGlobal mean Twomeyeffect and its contribution on the Northern and Southern Hemisphere(NH, SH) of anthropogenic sulfate aerosols from Rotstaynand Penner (2001) and Rotstayn and Liu(2003) (red bars), of anthropogenic sulfate and black carbon (blue bars) from Menon et al. (2002a), of anthropogenic sulfate and black, and organic carbon from Chuang et al. (2002) (turquoise bars) and the mean plus standard deviation from all simulations (olive bars).

U. Lohmann and J.Feichter 2005, submitted

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Global mean total indirect aerosol effectsGlobal mean total indirect aerosol effects

U. Lohmann and J. Feichter 2005, submitted

Global mean total indirect aerosol effects and their contribution over the oceans and overland, respectively of anthropogenic sulfate and black carbon (green bars) from Kristjansson (2002), of anthropogenic sulfate and black carbon (blue bars) from Menon et al. (2002a), of anthropogenicsulfate and black, and organic carbon from Lohmann and Lesins(2002), from a combination ofECHAM4 GCM and POLDER satellite results Lohmann and Lesins(2002) (turquoise bars) andthe mean plus standard deviation from all simulations (olive bars).

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PrecipitationPrecipitation in Amazonia 1930in Amazonia 1930--1990: 1990: Interannual Interannual andand interdecadalinterdecadal variabilityvariability

Rainfall indices in northern (NAR) and southern Amazonia (SAR) from 1929=30 to 1998=99. Indices are expressed as departures normalized by the standard deviation, from the reference period 1949–1998. From Marengo et al., Theor. Appl. Climatol. 2004.Marengo, 2003

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Intensity of daily precipitation as a percentage of total amountIntensity of daily precipitation as a percentage of total amount

Climatology of the intensity of daily precipitation as a percentage of total amount in 10 mm/day categories for different temperature regimes, based on 51, 37, and 12 worldwide stations, respectively: blue bars, –3°C to 19°C; pink bars, 19°C to 29°C; dark red bars, 29°C to 35°C. By selection, all stations have the same seasonal mean precipitation amount of 230 ± 5 mm. As temperatures and the associated water-holding capacity of the atmosphere (15) increase, more precipitation falls in heavy (more than 40 mm/day) to extreme (more than 100 mm/day) daily amounts. (Science 302, 1719, 2003)

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Campo Grande – 06 de setembro de 2004

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Campo Grande – 15 de setembro de 2004

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Campo Grande – 16 de setembro de 2004

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São Paulo LIMPO – 06 de setembro de 2004

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São Paulo – 15 de setembro de 2004

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Lidar em São Paulo - IPEN

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ConclusõesConclusões::

• Existem inúmeras incertezas na evolução do clima global

– Uma das maiores incognitas é o efeito indireto de aerossóis no clima

– forçantes sócio econômicas imprevisíveis– o sistema dinâmico é complexo, não linear e com componente

caótica

• é preciso compreender profundamente os processos de interaçãobiosfera-atmosfera em especial aqueles que envolvem a formação de nuvens e de chuvas, e o balanço de radiação

• modelos devem enfocar o sistema físico-químico-hidrológico-biológico completo de modo integrado