STRATOZON: O OZONO ESTRATOSFÉRICO NA BAIXA … · A troca de ozono entre as diferentes camadas da...
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143 STRATOZON: O OZONO ESTRATOSFÉRICO NA BAIXA TROPOSFERA SOBRE PORTUGAL Nelson Barros - Faculdade de Ciência e Tecnologia, UFP Centro de Modelação e Análise de Sistemas Ambientais (CEMAS) Professor Associado | E-mail: [email protected] Carlos Borrego - DAO, Universidade de Aveiro Professor Catedrático | E-mail: [email protected] Tânia Fontes - Faculdade de Ciência e Tecnologia, UFP Centro de Modelação e Análise de Sistemas Ambientais (CEMAS) Bolseira de Investigação | E-mail: [email protected] Ana Cristina Carvalho - DAO, Universidade de Aveiro Bolseira de Doutoramento | E-mail: [email protected] ABSTRACT Supported by Science and Technology Foundation, the STRATOZON project is a 2 years national project and is being developed by Fernando Pessoa and Aveiro Universities, in collaboration with the Meteorological Institute and the Environmental Institute. The main scope of STRATOZON project is to justify non-photochemical ozone episodes, and such, episodes that cannot be controlled by local/regional management of its precursors emissions. At the end, it will be produced a document with guidelines to the Environmental Institute about this subject. RESUMO Financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia, o projecto STRA- TOZON: O ozono estratosférico na baixa troposfera sobre Portugal, é um projecto nacional, que têm duração de 2 anos (2002-2004), e está a ser desen- volvido pela Universidade Fernando Pessoa e pela Universidade de Aveiro, em colaboração com o Instituto de Meteorologia e o Instituto do Ambiente. O projecto STRATOZON tem como objectivo genérico justificar os episó- dios de ozono de origem não fotoquímica e, como tal, não passíveis de qual- quer controlo local/regional de emissões dos seus precursores. No final será feito um documento contendo directrizes para o Instituto do Ambiente sobre esta matéria. 1. INTRODUÇÃO O projecto de investigação que aqui se apresenta, desenvolve-se desde 2002 entre a Universidade de Aveiro e a Universidade Fernando Pessoa em cola- boração com o Instituto de Meteorologia. O projecto prevê como utilizador final dos resultados, o Instituto do Ambiente. Trata-se de um projecto fi- nanciado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia com a duração de dois anos. 2. ENQUADRAMENTO E OBJECTIVOS DO PROJECTO O ozono é uma forma extremamente reactiva do oxigénio e é um dos gases constituintes da atmosfera. Cerca de 90% deste gás situa-se na estratosfera e a restante fracção distribui-se entre a troposfera livre e a camada limite. Na estratosfera, o ozono absorve a radiação ultravioleta mais energética, actu- ando como um gás de estufa e protegendo os seres vivos dos seus efeitos.
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STRATOZON: O OZONO ESTRATOSFÉRICO NA BAIXA TROPOSFERA SOBRE PORTUGAL Nelson Barros - Faculdade de Ciência e Tecnologia, UFP CentrodeModelaçãoeAnálisedeSistemasAmbientais(CEMAS) ProfessorAssociado|E-mail:[email protected]
Carlos Borrego - DAO, Universidade de Aveiro ProfessorCatedrático|E-mail:[email protected]
Tânia Fontes - Faculdade de Ciência e Tecnologia, UFP CentrodeModelaçãoeAnálisedeSistemasAmbientais(CEMAS) BolseiradeInvestigação|E-mail:[email protected]
Ana Cristina Carvalho - DAO, Universidade de Aveiro BolseiradeDoutoramento|E-mail:[email protected]
AbstrAct
SupportedbyScienceandTechnologyFoundation,theSTRATOZONprojectisa2yearsnationalprojectandisbeingdevelopedbyFernandoPessoaandAveiroUniversities, in collaborationwith theMeteorological Institute andtheEnvironmentalInstitute.ThemainscopeofSTRATOZONprojectistojustifynon-photochemical ozone episodes, and such, episodes that cannot becontrolledbylocal/regionalmanagementofitsprecursorsemissions.Attheend,itwillbeproducedadocumentwithguidelinestotheEnvironmentalInstitute about this subject.
resumo
FinanciadopelaFundaçãoparaaCiênciaeaTecnologia,oprojectoSTRA-TOZON: O ozono estratosférico na baixa troposfera sobre Portugal, é um projectonacional,quetêmduraçãode2anos(2002-2004),eestáaserdesen-volvido pela Universidade Fernando Pessoa e pela Universidade de Aveiro, emcolaboraçãocomoInstitutodeMeteorologiaeoInstitutodoAmbiente. OprojectoSTRATOZONtemcomoobjectivogenéricojustificarosepisó-diosdeozonodeorigemnãofotoquímicae,comotal,nãopassíveisdequal-quercontrololocal/regionaldeemissõesdosseusprecursores.NofinalseráfeitoumdocumentocontendodirectrizesparaoInstitutodoAmbientesobreesta matéria.
1. Introdução
Oprojectodeinvestigaçãoqueaquiseapresenta,desenvolve-sedesde2002entre a Universidade de Aveiro e a Universidade Fernando Pessoa em cola-boraçãocomoInstitutodeMeteorologia.Oprojectoprevêcomoutilizadorfinal dos resultados, o Instituto doAmbiente.Trata-se de umprojectofi-nanciadopelaFundaçãoparaaCiênciaeTecnologiacomaduraçãodedoisanos.
2. enquAdrAmento e objectIvos do projecto
Oozonoéumaformaextremamentereactivadooxigénioeéumdosgasesconstituintesdaatmosfera.Cercade90%destegássitua-senaestratosferaearestantefracçãodistribui-seentreatroposferalivreeacamadalimite.Naestratosfera,oozonoabsorvearadiaçãoultravioletamaisenergética,actu-andocomoumgásdeestufaeprotegendoosseresvivosdosseusefeitos.
144 Emboraoozonotenhaumpapelimportantenaestratosfera,àsuperfíciepodetornar-se pernicioso, quer para o Homem, quer para os ecossistemas devido aoseugrandepoderoxidante.Aexposiçãodecurtaduração(1-3horas)aníveiselevadosdeozonopodecausarproblemas respiratóriosagudoseaexposição repetida conduz aumaumentoda susceptibilidade a infecçõesrespiratórias e a inflamações pulmonares. Este efeito pode também sernotadoemexposiçõesprolongadas(6-8horas)aníveismoderadosdeozono.Aexposiçãodelongotermoaestepoluentepodecontribuirparaalteraçõesirreversíveis da capacidade pulmonar e doenças respiratórias crónicas(Colorado, 2001). Devido a estes impactos negativos, as concentraçõesdeozononabaixatroposferaencontra-selegisladaemPortugalatravésdoDecreto-Lei320/2003,de20deDezembro.
Aconcentraçãodefundodeozononacamadalimite,ousejaàsuperfície,resulta de mecanismos dinâmicos e químicos:
(1) Intrusãodeozonoestratosfériconatroposferalivreeposteriortransportepara a camada limite;
(2) Reacçõesfotoquímicasqueenvolvemometano,omonóxidodecarbonoeóxidosdeazoto;
Contudo,amaiorfontedeozononestacamadasãoosprocessosfotoquímicosqueenvolvemasemissõesdeóxidodeazotoeváriasclassesdecompostosorgânicosvoláteisreactivos.
ADirectivaComunitária2002/03/CE,transpostaparaodireitointernopelaDL320/2003,obrigaosestadosmembrosainformar,justificaredesenvolverplanosdeacçãodecurtoprazo(Artigo7º).Estesplanosdeverãocontemplarindicaçõesdemedidasespecíficasatomar,acurtoprazo,semprequehajaumriscodeexcedênciadolimitedealerta(240µg.m-3)esemprequehajaumpotencialdereduçãodesseriscoouduraçãoeintensidadedequalquerexcedência do limite de alerta. Para tal, os Estados Membros deverãoinvestigareavaliaropotencialdestasmedidasdereduçãodecurtoprazo.Deverãotambéminformaropúblicoemgeral,evariadasorganizaçõesemparticular,sobreosresultadosdosplanosdeacçãodecurtoprazo.Poroutrolado,deverãoadvertiropúblico sobreoepisódiodeexcedênciaequaloplanodeacçãoparaminimizaroepisódiodepoluiçãoetambémfazerumprognósticoparaodia,e/ouparaospróximosdiaserecomendarcondutasdeprecauçãoagruposderisco.
Taisplanosdeacçãonãosãopassíveisdeaplicaçãoquandoosepisódiosdeozonomedidosàsuperfíciesedevemafenómenosnaturais,comoosãoasintrusõesdeozonoestratosfériconacamadalimite.
OfactodeaDirectivaobrigaraoprognósticodeozonoquandoseverificaumepisódiomostracomoé importanteconhecer,comomaiorrigorpos-sível, a contribuição do ozono estratosférico na troposfera paramelhorar osresultadosobtidosnamodelaçãodaquímicatroposférica(Elbernetal.,1997;Bianetal.,1999).
145Atrocadeozonoentreasdiferentescamadasdaatmosfera,nomeadamenteentreacamadalimiteatmosférica,a troposfera livreeabaixa troposfera,constitui actualmente um tópico científico importante quando se trata deestimarobalançodeozonotroposférico.Astrocasdemassasdearestra-tosféricas/troposféricasdesempenhamumpapelimportantenadistribuiçãodeoutrosconstituintesatmosféricos,nomeadamenteaerossóis,gasescomefeitodeestufa,eataxadetransporteentreasduascamadasafectaoseubalançoquímico.
Warneck(1988),descrevequatroprocessosresponsáveispelatrocademas-sas de ar através da tropopausa:
(i) Ajustamentosazonaldonívelmédiodatropopausa;
(ii) Movimentosmédiosorganizadosdegrandeescaladevidoacirculaçõesmeridionais;
(iii)Processosde troca turbulentaviafalhasda tropopausa,oudepressõesdesta, associadas com as correntes de jacto;
(iv)Transportedepequenosturbilhõesatravésdatodaatropopausa.
Estudos climatológicos indicamque os processos extratropicais de trans-ferênciaporturbilhõesmaiseficientessãofenómenosdemesoscaladede-pressõesdatropopausaegotafria(Elbernetal.,1998).Esteestudoreveloutambémqueasocorrênciassignificativasserestringemàslatitudesmédiasde30º,equesãomaisintensasnoHemisférioNorte.DavieseSchuepbach(1994)indicamqueasmassasdearestratosféricaspodemserdetectadasàsuperfície,apesardaocorrênciadeeventosprofundosqueopermitamserescassa.
As“dobras”natropopausaobservam-sequandoseverificamvaloresanómalosdevorticidadepotencial isentrópicanormalmenteemformade línguaemdirecçãoaoequador,equeseformamatravésdotransporteisentrópicoemperturbaçõesciclónicaseanticiclónicasdelargaescala(Figura1).
Figura 1 – Perturbaçõesciclónicaseanticiclónicasdelargaescala
(Brasseuretal.,1999).
146 Emcertas circunstâncias, estasdepressõesda tropopausa têma formadelínguas estreitas formando filamentos alongados, noutras circunstânciasformam-seestruturascoerentescontendomassasdearcomvaloreselevadosde vorticidade potencial (gotas frias) (Holton et al., 1995 in Zanis et al,2003).
Oseventosdeintrusãodearestratosféricodemaiorinteressesãoaquelesqueconseguematingirasuperfície,poisalteramacomposiçãoquímicadatroposfera através da mistura de massas de ar com composição químicadiferente.Osparâmetrosquepermitemdetectarumamassadearestratosféricoà superfície são o ozono, o vapor de água, a vorticidade potencial, e osisótopos7e10doBerílio.
Asestaçõesdemonitorizaçãodemontanha têmumaprobabilidademaiorde registar eventosde intrusão.Estudos estatísticosbaseados em registosde 7Be,ozonoehumidade relativa,paraumadécada, feitosporElbern ecolaboradores(1997,inZanisetal.2003),adquiridosemduasestaçõesdosAlpesalemães(ZugspitzeandWank)mostramqueoseventosdeintrusãoafectamZugspitze(2962m)durante5%dotempoeWank(1776)menosde2,5%.Jameseco-autores(2002,inZanisetal.2003)mostraramumainfluênciade8,8%poraplicaçãodeumfiltrodiferenteaosdadosdeWank.Contudo,éprecisonotarqueafrequênciaabsolutadeintrusõesestratosféricasprofundasdependemuitodosvaloreslimiteespecificadoscomocritérioparao 7Be, ozono e humidade relativa.
3. metodologIA
OprojectoSTRATOZONencontra-sedivididoem4tarefas:
-Tarefa1:Identificaçãodohistorialdeepisódiosdeozono;
-Tarefa2:Análisedepadrõesmeteorológicos;
-Tarefa3:Modelaçãodosepisódiosdeozonodecurtaduração;
-Tarefa4:Desenvolvimentodedirectrizesparaoutilizadorfinal.
Natarefa1foiefectuadaafiltragemdassérieslongasdemediçãodeozonosuperficial, adquiridas pela rede de qualidade do ar sob a responsabili- dadedoInstitutodoAmbiente(Figura2)deacordocomametodologiadaFigura3.Poroutrolado,efectuou-seuminventáriodosdiascomconcen-traçõesmédiashoráriaselevadasdeozonoàsuperfícieapartirdosregistosdas estações do Instituto deMeteorologia desde 1971, um inventário devariaçõesbruscasdaquantidade total deozono emLisboa enoFunchal,e um inventário de situações de tropopausasmúltiplas nas sondagens deLisboa, Lajes e Funchal.
Combase naanálise de toda a informação disponível relacionada com aestruturaverticaldaatmosfera,foiefectuadoemestudoaonívelsinópticoedemesoscaladasituaçãometeorológica,centradonodiaidentificadocomo
147episódiodeelevadaconcentraçãodeozonosuperficial,considerandoos8diasanterioreseos2diasposterioresaoepisódio.
Figura 2 – LocalizaçãodasestaçõesdequalidadedoaremPortugalContinental.
a) Valores > 300 µg.m-3 (150 ppb) ou < 0 µg.m-3;b) Valores constantes (+/- 1%) em 8 horas;c) Valores > 280 µg.m-3 (140 ppb) por mais de 8 horas;d) Valores > 200 µg.m-3 (100 ppb) por mais de 10 horas;e) Valores < 4 µg.m-3 (2 ppb) por mais de 6 horas.
Validação usando a metodologia da WMO
Identificação dos episódios de interesse
para o projecto
Tratamento estatístico
dos dados
Dados originais A metodologia considera os dados questionáveis nos seguintes casos:
Nos casos das alíneas a), c) e d) os dados considerados questionáveis foram isolados para avaliação posterior, enquanto que os dados questionáveis classificados com as alíneas b) e e) foram rejeitados.
Anoscom efic. <75%
Rejeição das séries
associadas às estações
Sim
Não
1) O método de validação dos dados de ozono adoptado da WMO;2) Data de ocorrência (nomeadamente episódiosde Inverno – entre Novembro e Fevereiro);3) Na hora de ocorrência (nomeadamente os episódios nocturnos, considerando-se das 21h às 7h);4) No número de estações em que o episódio ocorre simultaneamente (três ou mais estações); 5) No número de regiões de ocorrência simultânea de episódios (duas ou mais regiões).
Critérios:
Figura 3 – Metodologia.
Actualmenteestáadecorreratarefa3,referenteàmodelaçãodosepisódiosde ozonodecurta duração, onde se pretende amodelação da tropopausadinâmica durante os dias de episódio de ozono à superfície de forma afundamentar,emtermosnuméricos,asconclusõesdatarefa2eprocederaumrefinamentodascondiçõesiniciaisedefronteiraaintroduzirnosistema
148 demodelosdemesoscala(tendoemconsideraçãoasconclusõesdatarefa1,noqueserefereaperfisverticais).
Atarefa4consistiránodesenvolvimentodeumdocumentocontendodirec-trizes,aentregaraoInstitutodoAmbiente,comajustificaçãocientíficadeepisódiosdeozonosuperficiaisdevidosaotransportedinâmicopelaatmos-fera.
4. resultAdos Osresultadosdatarefa1permitiramaidentificaçãodeepisódiosdeozono(>180mg/m3)medidosemPortugaleasuacorrelaçãocomacolunatotaldeozono,esperando-sequeosepisódiosdeinteressenãoestejamcorrelacionadoscomproduçãofotoquímicaàsuperfície.
A análise de padrões meteorológicos efectuados na tarefa 2, permitiu acaracterização das condições meteorológicas presentes nos episódios deozonoidentificados.Aobtençãodeinformaçãometeorológicaadiferentesníveisdaatmosfera(recorrendoaosarquivosdoInstitutodeMeteorologiaedoEuropeanCentre forMedium-RangeWeatherForecasts -ECMWF),deformaaconseguirumacorrectaavaliaçãodoseuestado,permitiuobterinformação de determinados parâmetros meteorológicos, tais como avorticidade potencial isentrópica, que permite a identificação de intrusãodearestratosféricoeidentificaçãodosníveisdatropopausa(Figura4).Foitambémefectuada:aanálisedasimagensobtidaspelosatéliteMeteosat,emparticularocanaldeWV,comoobjectivodeavaliaraszonasdeintrusãodearestratosférico;traçadoeanálisedecartasdetropopausaesuaintegraçãocom imagens do WV; a identificação dos fenómenos meteorológicos,tanto de grande escala como demesoescala, tais como afundamentos datropopausae“cut-offlows”queprovocaramintrusãodearestratosfériconatroposfera;avaliaçãodos resultadosobtidose identificaçãodascondiçõesmeteorológicasquecontribuemparaoaumentodosvaloreseozonoregistadosàsuperfície.
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Figura 4 – Exemplodomapadatropopausaemcoordenadasisobáricasparaodia10/01/1996,usandoatécnicadasobreposiçãodeisopletas,mostrandoosmáximosdepressãodatropopausa(hPa):A)às00H00UTC,localizadajuntoaumadobradatropopausa;eB)às06H00UTC,localizadasobreabolhadearestratosférico(Borregoetal.,2004).
A)Máximodatropopausa:553hPa(50ºN;20ºW)
B)Máximodatropopausa:>700hPa(53ºN;23ºW)
150 referêncIAs bIblIográfIcAs Borrego,C.,Barros,N.,Fontes,T.,Carvalho,A.C.,Miranda,A.I.,Monteiro,A.eMartins,H.(2003).AvaliaçãodaQualidadedoArRelativamenteaoOzonoTroposféricoemPortugal. In: INGENIUM,Novembro/Dezembro2003-Nº79,pp.61-67.
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