VARIABILIDADE DO PERFIL VERTICAL DE OZÔNIO ......Junho, 2016 II GISELE LOPES CALDERARO...

INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS DA AMAZÔNIA – INPA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CLIMA E AMBIENTE

VARIABILIDADE DO PERFIL VERTICAL DE OZÔNIO SOBRE

A REGIÃO METROPOLITANA DE MANAUS: UMA ABORDAGEM

POR SATÉLITE

GISELE LOPES CALDERARO

MANAUS

Junho, 2016

II

GISELE LOPES CALDERARO

VARIABILIDADE DO PERFIL VERTICAL DE O3 SOBRE A REGIÃO

METROPOLITANA DE MANAUS: UMA ABORDAGEM POR

SATÉLITE

Orientador: Dr. Rodrigo Augusto Ferreira de Souza

Co-Orientador (a): Dra. Rita Valéria Andreoli de Souza

Dissertação apresentado ao Curso de Pós-

Graduação em Clima e Ambiente, do Instituto

Nacional de Pesquisas da Amazônia e

Universidade Estadual da Amazônia, como parte

dos requisitos necessários à obtenção do grau de

Mestre em Clima e Ambiente na linha de pesquisa

de Interação Biosfera Atmosfera.

MANAUS

Junho, 2016

IV

Sinopse:

Avalia a variabilidade do perfil vertical de ozônio sobre a Regia Metropolitana de Manaus em

diferentes escalas de tempo, assim como sua correlação com as variabilidades climáticas do

ENOS e da OQB utilizando dados estimados a partir de sensores orbitais de monitoramento

ambiental.

Palavras-chave: Ozônio, Sondagem remota, escala de variabilidade, ondeletas, Amazônia.

C146 Calderaro, Gisele Lopes

Variabilidade do perfil vertical de ozônio sobre a região metropolitana de Manaus: uma abordagem por satélite/ Gisele Lopes Calderaro. --- Manaus: [s.n.], 2016. 90 f.: il. Dissertação (Mestrado) --- INPA, Manaus, 2016. Orientador: Rodrigo Augusto Ferreira de Souza Coorientadora: Rita Valéria Andreoli de Souza Área de concentração: Clima e Ambiente 1. Ozônio. 2. Sondagem Remota. 3. Amazônia. I. Título.

CDD 551.61.6

V

AGRADECIMENTOS

A Deus por guiar meus passos e minha vida pelo caminho da verdade e honestidade, que é o

grande responsável por me dar o dom da sabedoria e inteligência.

Aos meus pais, Manuel Florenzano Calderaro e Jacira Furtado Lopes, que dentro de suas

possibilidades sempre me apoiaram nos momentos pelos quais mais precisei.

Ao meu querido e amado avô, Sebastião Lopes Bezerra, que de onde está me guia, que foi um

exemplo de vida para mim e que deixou muitas saudades e ensinamentos valiosos de caráter e

conduta de vida.

Ao coordenador do CLIAMB, Prof. Drº Luis Candido, que desde o meu ingresso no curso

sempre me incentivou e não me deixou desistir nas horas mais difíceis.

Aos meus orientadores, Dr. Rodrigo Augusto Ferreira de Souza e Dra Rita Andreoli, pela

atenção, apoio, paciência e pelas oportunidades que me proporcionou para que eu pudesse

crescer intelectualmente.

A Lylliane Almeida de Oliveira, que sempre esteve ao meu lado e na torcida para meu sucesso.

Aos meus colegas de turma, Lorena, Pauliane, Amarilis, pela compreensão e paciência que

tiveram comigo.

A todos, que de alguma forma, contribuíram para o meu crescimento acadêmico e a construir

os grandes momentos de minha vida.

A Todos meus sinceros agradecimentos.

VI

Dedico esta dissertação aos meus pais pela confiança incondicional. Ao meu avô Sebastião, (in

memorian). Aos meus professores, por toda dedicação e apoio ao longo desses anos.

VII

RESUMO

Este estudo teve como o objetivo estudar a variabilidade temporal do perfil vertical de Ozônio, a fim de avaliar as possíveis relações entre sua variabilidade e as variabilidades climáticas de grande escala associada ao El Niño – Oscilação Sul (ENOS) e a Oscilação Quase Bienal (OQB). Busca-se também investigar os efeitos das condições atmosféricas e os focos de queimadas no comportamento da concentração de ozônio troposférico sobre a área de estudo. Para isso, foram utilizadas estimativas diárias do perfil de ozônio, inferidas pelo satélite AQUA, para o período de 2003 a 2014. As analises estatísticas empregadas foram cálculo de média, desvio (anomalias), variância, coeficiente de Pearson e transformada de ondeletas. Os resultados apresentados mostram correlação linear negativa entre o ozônio e o índice do ENOS. Em anos de La Niña, foram verificadas anomalias positivas de ozônio, e nos anos de El Niño observou-se anomalias negativas de ozônio. Já para as análises de correlação do ozônio com a OQB, o coeficiente de Pearson é positivo, demonstrando que para valores positivos/negativos de OQB, são observadas anomalias positivas/negativas de ozônio na sobre a Região Metropolitana de Manaus. Na troposfera cerca de 80% da variabilidade do perfil vertical de ozônio está associada às variações do ciclo anual em decorrência da quantidade de radiação solar. Os 20% restantes de variabilidade do ozônio em baixos níveis, por sua vez, estão correlacionados às oscilações quase bienal e interanual (ENOS e a OQB). Ao se retirar o ciclo anual, observa-se que na escala semianual, 18% da variância ocorre próximo a superfície e aproximadamente 10% acima de 30 hPa. Na escala bienal cerca de 15% da variância contida na variância total é observada na baixa troposfera e 25% é vista na estratosfera acima de 30hPa e analisando a escala interanual cerca de 5% da variabilidade está contida na banda total e é mais expressiva no nível de 120 hPa.

Palavras chaves: Ozônio, Sondagem remota, escala de variabilidade, ondeletas, Amazônia.

VIII

ABSTRACT

This work deals with the variability of the vertical ozone profile in the metropolitan region of Manaus. This study aimed to study the temporal variability of vertical ozone profile in order to evaluate the possible relationship between variability and large-scale climate variability associated with the El Niño - Southern Oscillation (ENSO) and the Oscillation Almost Biennial (OQB ). also intends to to investigate the effects of weather and fire outbreaks in the behavior of the concentration of tropospheric ozone over the study area. For this, daily estimates of ozone profile were used, inferred by satellite AQUA for the period 2003 to 2014. The statistical analysis used were averaging, deviations (anomalies), variance, Pearson's coefficient and wavelet transform. The results show negative linear correlation between ozone and ENSO index. In La Niña years, positive anomalies of ozone were found, and El Niño years was observed negative anomalies of ozone. As for the ozone correlation analysis with OQB, the Pearson coefficient is positive, showing that for positive / negative values of OQB, positive / negative anomalies are observed in ozone over the metropolitan region of Manaus. In the troposphere about 80% of the variability of the vertical ozone profile is associated with high frequency variations, or annual and semiannual which are probably related to the amount of solar radiation with the seasons change, with burned and thus relates with carbon monoxide profile over the study area. The remaining 20% of ozone variability at low levels, in turn, are correlated to the almost two-year and interannual fluctuations (ENSO and OQB). By withdrawing the annual cycle, it is observed that the semianual scale, 18% of the variance occurs near the surface and approximately 10% above 30 hPa. In biennial range about 15% of the variance contained in the total variation is observed in the lower troposphere and 25% is seen in the stratosphere above 30hPa and analyzing the interannual scale about 5% of the variability is contained in the full band and is most significant at the level 120 hPa.

IX

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 15

Objetivo Geral ............................................................................................................ 18

Objetivos específicos:................................................................................................. 18

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................ 19

Composição e estrutura da atmosfera ......................................................................... 19

Ozônio e seus precursores .......................................................................................... 22

Formação e destruição do ozônio na atmosfera ......................................................... 25

O ozônio e os fenômenos atmosféricos e oceânicos .................................................. 28

Meteorologia e o perfil vertical de ozônio ................................................................. 32

Concentrações de ozônio estimadas por satélite ........................................................ 34

3 DADOS E METODOLOGIA .............................................................................................. 37

Área de estudos .......................................................................................................... 37

Dados utilizados ......................................................................................................... 38

Metodologia................................................................................................................ 38

4 RESULTADOS E DISCURSÕES ....................................................................................... 43

Características do ciclo anual e sazonal do perfil vertical médio de ozônio .............. 43

Características da série temporal e anomalias de ozônio na Região Metropolitana de

Manaus.................................................................................................................................. 49

4.2.1 Análise de ondeleta das series diárias de Ozônio para diferentes níveis de pressão .. 53

4.2.2 Análise de ondeletas paras as series de anomalias mensais de ozônio ...................... 63

Correlação entre a série de anomalia de ozônio em diferentes níveis de pressão ...... 72

Correlação entre os Índices de Variabilidade Climática e as séries de anomalias de

Ozônio. ................................................................................................................................. 75

Estudo de caso. ........................................................................................................... 83

4.5.1 Estação Seca ............................................................................................................... 83

X

4.5.2 Estação chuvosa ......................................................................................................... 85

5 CONCLUSÃO ..................................................................................................................... 88

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 91

7 APÊNDICE .......................................................................................................................... 98

XI

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Estrutura vertical média da atmosfera. Fonte: adaptado de (Barry e Chorley, 2013).

.................................................................................................................................................. 20

Figura 2 – Percentual de concentração de ozônio até 35 km. Fonte: adaptado e traduzida de

(Ibanez, 2007). ........................................................................... Erro! Indicador não definido.

Figura 3 – Representação da cobertura florestal com o desmatamento acumulado até março de

2014 (áreas em vermeho) da Região Metropolitana de Manaus. As linhas escuras representão a

divisão geopolitica municipal. (Fonte: Núcleo de Geoprocessamento da Fundação Vitoria

Amazônica – FVA). .................................................................................................................. 37

Figura 4 – Fluxograma de todas as etapas da metodologia aplicada neste trabalho. ............... 42

Figura 5 – (a) Perfil vertical médio anual de O3 e (b) Ciclo anual da concentração diária de

ozônio em ppb na troposfera (2003 a 2014) para área de estudo. ............................................ 44

Figura 6 – Ciclo sazonal médio de ozônio em ppb na troposfera para a área de estudo. ......... 46

Figura 7 – (a) Perfil vertical médio anual e (b) Ciclo anual da concentração diária de ozônio em

ppb na estratosfera. ................................................................................................................... 47

Figura 8 – Ciclo sazonal médio de ozônio em ppb na estratosfera para área de estudo .......... 49

Figura 9 – Série temporal de ozônio mensal do perfil de ozônio na troposfera para o período de

2003 a 2014. ............................................................................................................................. 50

Figura 10 – Série temporal de ozônio mensal do perfil de ozônio na estratosfera para o período

de 2003 a 2014. ......................................................................................................................... 51

Figura 11 – Série de anomalia de ozônio em ppb nos níveis de 850 e 500 hPa. ...................... 52

Figura 12 – Série de anomalia de ozônio nos níveis de 150 e 30 hPa. ..................................... 53

Figura 13 – Perfil vertical da variância média para a série diária reconstruída na banda de 2 dias

a 11 anos. Valores estão normalizados em unidades de variância (1/σ2). ................................ 54

Figura 14 – Diagramas tempo versus altitude da variância média para a escala anual (esquerda)

e semianual (direita). A escala de valores é apresentada em unidades de variância. ............... 55

Figura 15 – Perfil vertical da variância média para a série diária reconstruída na banda anual

(esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de variância anual contida

na banda total (direita). ............................................................................................................. 56

Figura 16 – Perfil vertical da variância média para a série diária reconstruída na banda

semianual (esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de variância

semianual contida na banda total (direita). ............................................................................... 57

XII

Figura 17 – Diagramas tempo versus altitude da variância média para a escala bienal (esquerda)

e interanual (direita). A escala de valores é apresentada em unidades de variância. ............... 58

Figura 18 – Perfil vertical da variância média para a série diária reconstruída na banda bienal

(esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de variância bienal contida

na banda total (direita). ............................................................................................................. 59


interanual (esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de variância

interanual contida na banda total (direita). ............................................................................... 60

Figura 20 – Diagramas tempo versus altitude das anomalias médias na escala anual (esquerda)

e semianual (direita) da parte real dos coeficientes da ondeleta durante o ano de 2010. A escala

é apresentada em unidades de desvio padrão. .......................................................................... 61

Figura 21 – Diagramas tempo versus altitude das anomalias médias na escala bienal (esquerda)

e interanual (direita) da parte real dos coeficientes da ondeleta para o período de 2003 a 2014.

A escala é apresentada em unidades de desvio padrão. ............................................................ 62

Figura 22 – Perfil vertical da variância média para a série de anomalia mensal reconstruída na

banda de 2 meses a 11 anos. Valores estão normalizados em unidades de variância (1/σ2). ... 63

Figura 23 – Diagramas tempo versus altitude da variância média da série de anomalia mensal

reconstruída para a escala anual (esquerda) e semianual (direita). A escala de valores é

apresentada em unidades de variância. ..................................................................................... 64


banda anual (esquerda). Perfil vertical da porcentagem de variância anual contida na banda total

(direita). .................................................................................................................................... 65

Figura 25 – Perfil vertical da variância média para a série de anomalias reconstruída na banda

semianual (esquerda). Perfil vertical da porcentagem de variância semianual contida na banda

total (direita). ............................................................................................................................ 66


reconstruída para a escala bienal (esquerda) e interanual (direita). A escala de valores é

apresentada em unidades de variância. ..................................................................................... 67


banda semianual (esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de

variância anual contida na banda total (direita). ....................................................................... 68

XIII


banda interanual (esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de

variância anual contida na banda total (direita). ....................................................................... 69

Figura 29 – Diagramas tempo versus altitude das anomalias médias mensais na escala anual

(esquerda) e semianual (direita) da parte real dos coeficientes da ondeleta para o período de

2003 a 2014. A escala é apresentada em unidades de desvio padrão. ...................................... 70

Figura 30 – Diagramas tempo versus altitude das anomalias médias mensais na escala bienal

(esquerda) e interanual (direita) da parte real dos coeficientes da ondeleta para o período de

2003 a 2014. A escala é apresentada em unidades de desvio padrão. ...................................... 71

Figura 31 – (a) Correlação linear da anomalia de O3 850 em hPa versus anomalia de O3 150hPa

e (b) Correlação linear da anomalia de O3 850 hPa versus anomalia de O3 30hPa .................. 73

Figura 32 – (a) Correlação linear da anomalia de O3 em 500 hPa com nível de 150hPa. (b)

Correlação linear da anomalia de O3 em 500 hPa com nível de 30hPa.................................... 74

Figura 33 – (a) Correlação entre anomalia de ozônio em 850 hPa e o ENOS. (b) Correlação

entre anomalia de ozônio em 500 hPa e o ENOS. .................................................................... 76


entre anomalia de ozônio em 30 hPa e o ENOS. ...................................................................... 78

Figura 35 – (a) Correlação entre anomalia de ozônio em 850 hPa e a OQB. (b) Correlação entre

anomalia de ozônio em 500 hPa e a OQB. ............................................................................... 80


anomalia de ozônio em 30 hPa e a OQB. ................................................................................. 82

Figura 37 – Perfil vertical de O3 troposférico dos dias 09,10 e 11 de outubro de 2010, perfil

médio de outubro de 2010 e perfil médio de outubro (2003-2014).......................................... 84

Figura 38 – Perfil vertical de CO na troposfera dos dias 09, 10 e 11 de outubro de 2010, perfil

médio de 2010 e perfil médio de outubro (2003-2014). ........................................................... 85

Figura 39 – Perfil vertical de O3 troposférico dos dias 07, 09 e 25 de dezembro de 2010, perfil

médio de 2010 e perfil médio de dezembro (2003-2014). ....................................................... 86

Figura 40 – Perfil vertical de CO na troposfera dos dias 07, 09 e 25 de dezembro de 2010, perfil

médio de 2010 e perfil médio de dezembro (2003-2014). ....................................................... 87

XIV

LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS

AIRS Atmospheric Infrared Sounder

CLP Camada Limite Planetária

CO2 Dióxido de carbono

CO Monóxido de carbono

COVB Compostos Orgânicos Voláteis Biogênicos

COV Compostos Orgânicos Voláteis

ENOS El Niño Oscilação Sul

GEE Gases de Efeito Estufa

HDF Hierarchical Data Format

HF High Frequency

INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

IPCC Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas

Km Quilômetros

nm Nanômetros

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration

NO Óxido de nitrogênio

O3 Ozônio

O2 Oxigênio

OQB Oscilação Quase Bienal

OH Radical hidroxila

Ppbv Partes por bilhão por volume

Ppb Partes por bilhão

RMM Região Metropolitana de Manaus

TSM Temperatura de superfície do mar

Tg Teragrama

UV Ultravioleta

ZFM Zona Franca de Manaus

µm Micrometros

15

1 INTRODUÇÃO

O ozônio (O3) é uma molécula tri-atômica, composta por três átomos de oxigênio,

descoberta e publicada pela primeira vez pelo químico suíço-alemão, Christian Friedrich

Schönbein, em 1840. Schönbein observou que após descargas elétricas na atmosfera havia a

presença de um gás com odor característico, o qual atribuiu o nome de ozônio, proveniente da

palavra grega “ozein”, que significa “cheiro”. Sua distribuição vertical na atmosfera da Terra,

está dividida da seguinte maneira: cerca de 90% da concentração total está na estratosfera e

10% na troposfera. Apesar de sua baixa concentração na composição da atmosfera, o ozônio é

capaz de oxidar metais como ferro e o chumbo, inclusive seu potencial oxidativo é maior que

o do oxigênio (O2) (Ibanez, 2007).

Na estratosfera, camada compreendida aproximadamente entre 15 e 50 km de altitude,

a produção e destruição do ozônio ocorrem de maneira natural, pela quebra da molécula de O2

realizada pela radiação solar. Nesta camada este gás é benéfico para a vida em nosso planeta,

servindo como um gigantesco filtro solar natural da radiação ultravioleta, na faixa entre 210 e

290 nm, que é nociva aos seres humanos, animais e plantas (Lagzi, 2013). Pela forte incidência

de radiação, a maior quantidade de ozônio é produzida na região da estratosfera tropical,

contudo, altos índices da concentração de ozônio podem ser observados distante da sua região

de origem. Isso acontece através da circulação estratosférica meridional de grande escala,

chamada circulação Brewer-Dobson, que está relacionada ao transporte de massas de ar dos

trópicos para os pólos. Assim, de forma resumida, o ar sobe nos trópicos em altas altitudes se

propaga para os pólos e em seguida, desce em médias e altas latitudes (Gerber, 2012; Lagzi,

2013).

Por outro lado, na troposfera, ao invés de proteger, o ozônio se comporta como poluente

secundário formado a partir de reações fotoquímicas com compostos precursores depositados

na atmosfera, através de processos naturais e antropogênicos (Edwards et al., 2003; Bremer et

al., 2004). Essas particularidades adicionadas ao alto índice de radiação solar e às atividades

industriais podem causar não só elevação da concentração de ozônio troposférico, como

também podem gerar impactos negativos à saúde humana e pode ocasionar diversos danos à

fauna e a vegetação natural (Bronnimann et al., 2002). Além disso, o ozônio presente próximo

16

à superfície terrestre pode influenciar também no balanço de radiação, uma vez que esse gás é

considerado potencializador do efeito estufa natural (IPCC, 2007).

Entretanto, somente essas reações não são os únicos fatores que influenciam no

incremento de ozônio em baixos níveis. Segundo Collins et al, (2003) aproximadamente 40 %

do total de ozônio localizado próximo à superfície é transportado da estratosfera para troposfera

através da circulação Brewer-Dobson. Uma série de estudos de modelagem climática observou

que a circulação estratosférica é projetada para intensificar ao longo do próximo século, o que

poderia levar ao aumento no fluxo de ozônio da estratosfera para a troposfera (Collins et al,

2003; Hsu, 2009). Posteriormente, Olsen et al., (2013), preveem que essa intensidade pode

aumentar à taxa de 2% por década. Adicionalmente, alguns estudos atribuem que o aumento do

saldo possivelmente seja modulado por fenômenos em escala global, como o El Niño/Oscilação

Sul (ENOS) (Calvo et al., 2010; Oman et al., 2013) e a Oscilação Quase-Bienal (QBO)

(Baldwin et al., 2001; Neu et al., 2014). Neste caso, estudos relatam que existe uma correlação

entre o ENOS e o transporte de O3 da estratosfera para troposfera (Zeng e Pyle, 2005). Outros

estudos relatam a contribuição da Oscilação Quase-Bienal (QBO), na variabilidade interanual

de ozônio na estratosfera tropical, pois foram verificadas que anomalias dessa circulação,

influenciam nos padrões de circulação do ar estratosférico, provocando assim alterações no

balanço do ozônio troposférico.

Já em escala local, (Betts et al., 2002; Sahu e Lau, 2006; Jeffrey et.al., 2002; Gerken et

al., 2016) revelaram que convecções profundas apresentam um percentual significativo no total

do ozônio troposférico. Esses autores associam que as concentrações de ozônio na baixa

troposfera são influenciadas pelos processos meteorológicos de transporte, dispersão e

deposição, os quais possuem certa complexidade na compreensão dos fatores que os

desencadeiam e conduzem ao decréscimo e acréscimo dos índices de ozônio na troposfera

(Jeffrey et.al., 2002; Betts et al., 2002).

Por outro lado, outros trabalhos afirmam que as trocas estratosfera-troposfera não têm

influência significativa sobre as concentrações de O3 troposférico, e concluem que são as

reações fotoquímicas que governam essas variações próximas à superfície, assim como

sugerem a necessidade de aprofundar os estudos referentes à possível influência das anomalias

climáticas nessas trocas entre estratosfera e troposfera (Brönnimann et al., 2004; Voulgarakis

et al., 2011).

17

Diante disso, a realização de mais estudos no sentido de determinar se os fenômenos

acima citados interferem na variabilidade do perfil vertical do ozônio na troposfera, vem se

tornando um dos objetivos da comunidade científica mundial. Neste contexto, uma das

ferramentas que possibilita a observação global do ozônio é o sensoriamento remoto. As

primeiras observações realizadas por satélites, com foco no monitoramento de ozônio em escala

global, foram iniciadas na década de 60, todavia essas estimativas eram realizadas em conteúdo

integrado de ozônio na coluna atmosférica (Pagano et al., 2003).

Com o desenvolvimento tecnológico ao longo dos anos surgiram novas plataformas com

as quais foi possível recuperar o perfil vertical de ozônio na atmosfera. A exemplo disso, a

Agência Espacial Americana (NASA), no ano de 2002, lançou o satélite AQUA e a bordo dessa

plataforma o sensor AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder), que foi o primeiro sondador

avançado de radiação infravermelha hiperespectral possibilitando observações e estimativas das

concentrações de gases minoritários presentes na atmosfera, dentre eles o ozônio (Aumann et

al., 2003).

Divakarla et al., (2006) avaliaram a qualidade das estimativas do perfil de ozônio

próximo à superfície, inferidos pelo sistema de sondagem da plataforma AQUA e constataram

que a margem de erro não ultrapassou 20% quando comparados com os dados medidos nos

sítios validados. Nesse sentido, os autores sugerem o potencial uso dos dados para identificar

padrões de sazonalidade. Todavia, os autores ressaltam que esta validação se trata de uma média

global e relatam a escassez de medições in situ sobre a região da América do Sul. Por outro

lado, o surgimento desses instrumentos para estudar a concentração e variabilidade do perfil

vertical de ozônio na atmosfera de maneira conjunta, tanto em escala global quanto local,

facilitaram significativamente as pesquisas (Aumann et al., 2003; Divakarla et al., 2006 e

2008).

Com relação à concentração de ozônio, alguns estudos, dentre eles, Fetzer, (2006) e

Divakarla et al., (2008) mostraram a possibilidade de utilizar o sensor AIRS para investigar o

incremento na concentração desse gás, uma vez que o satélite AQUA realiza duas passagens

diárias com cobertura total do globo terrestre. Com as estimativas da plataforma AQUA, é

possível estudar a variabilidade do perfil vertical de ozônio na atmosfera e assim compreender

melhor seu comportamento nas diferentes escalas temporais. As estimativas de sensores orbitais

se mostram como uma importante ferramenta no monitoramento da concentração de ozônio em

18

superfície e em altitude sobre regiões de difícil acesso e com poucas estações de coleta de dados

observacionais como, por exemplo a Amazônia.

Desta forma, este estudo tem como objetivo compreender melhor as variações temporais

do perfil vertical de Ozônio sobre a região metropolitana de Manaus e suas relações com as

variabilidades climáticas de grande escala e de escala local. Os resultados dessa pesquisa podem

ser uteis para fins de monitoramento ambienta, dando suporte à comunidade científica no que

diz respeito a variabilidade do ozônio e sua variabilidade climática.

Objetivo Geral

Assim, o objetivo geral desse trabalho é estudar a variabilidade temporal do perfil vertical

de ozônio sobre a região metropolitana de Manaus, a fim de avaliar as possíveis relações entre

sua variabilidade e as variabilidades climáticas de grande escala associadas ao ENOS e à

Oscilação Quase Bienal, assim como sua relação com efeitos locais.

Objetivos específicos:

ü Caracterizar o ciclo sazonal, semianual e anual do perfil vertical de ozônio na região

Metropolitana de Manaus, utilizando dados do satélite AQUA, para o período de 2003

a 2014;

ü Investigar as relações entre as variabilidades do ozônio, em diferentes níveis de

pressão da estratosfera e da troposfera, e os índices de variabilidade climática (ENOS

e QBO);

ü Investigar os efeitos locais associados à ocorrência do aumento de ozônio na

troposfera.

19

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Composição e estrutura da atmosfera

A atmosfera é o conjunto de gases, vapor d'água e partículas, constituindo o que se

chama ar, o qual envolve a superfície da Terra. A atmosfera é uma mistura homogênea, e seus

principais constituintes atmosféricos são: o gás nitrogênio (N2) que ocupa 78% e o oxigênio

(O2) representando em torno de 21% (Tabela 1) (Lagzi, 2013). Referente ao 1% restante, a

atmosfera é composta por outros gases que figuram em pequenas proporções, chamados

constituintes menores. Dentre esses gases constituintes se sobressaem, o dióxido de carbono

(CO2) e o ozônio (O3), embora presente em pequenas proporções, eles contribuem de maneira

peculiar com a termodinâmica da atmosfera. Esses gases interagem com a radiação

eletromagnética e, nesta interação funcionam como absorvedores de radiação de ondas longas

produzindo o aquecimento da superfície terrestre. Este processo físico natural que acontece na

atmosfera é conhecido como “efeito-estufa” (IPCC, 2007).

Tabela 1 – Composição da atmosfera. Fonte: adaptado (Lagzi, 2013)

[1] evaporação e transpiração. [2] oxidação de metano e hidrocarbonetos não metanos.

20

Como se trata de um meio fluido, não se encontra na atmosfera um limite no sentido

físico definido entre suas camadas, verificando-se apenas uma progressiva rarefação do ar com

a altitude. Diversas tentativas foram realizadas no intuito de dividir a atmosfera em camadas

que fossem aproximadamente homogêneas no que refere às suas propriedades físicas. O critério

atualmente aceito fundamenta-se no perfil vertical médio de temperatura que varia com a

altitude. Isso significa dizer que, dependendo da camada a temperatura aumenta ou diminui

com a altitude (Barry e Chorley, 2013).

Por conveniência de estudo a atmosfera é usualmente subdividida em camadas,

conforme demonstrados na (Figura 1). Levando em consideração esses padrões térmicos, a

atmosfera terrestre está dividida em quatro camadas (troposfera, estratosfera, mesosfera e

termosfera), e delimitada por três zonas de transição (tropopausa, estratopausa e mesopausa).

Figura 1 – Estrutura vertical média da atmosfera. Fonte: adaptado de (Barry e Chorley, 2013).

21

No âmbito da Meteorologia, geralmente se considera que a atmosfera terrestre possui

cerca de 80 a 110 km de espessura. Na troposfera, que é a camada mais próxima da superfície,

de maneira geral, a temperatura do ar diminui com a altitude. Esse fato é coerente, pois o

aquecimento do ar ocorre basicamente pela absorção de radiação de onda longa, emitida pela

superfície terrestre (Ayoade, 2006). Sua espessura média atinge uma altitude que pode variar

de 10 a 15 km, porém, dependendo das estações do ano e da latitude esta espessura oscila. Na

zona tropical, por exemplo, chega a ser de 15 e 18 km, e nos pólos varia de 6 a 8 km de altitude.

Esta camada é considerada a mais relevante, pois é nela que ocorrem essencialmente todos os

fenômenos que caracterizam o tempo e influenciam na vida terrestre (Ayoade, 2006).

A tropopausa, é a região de transição entre a troposfera e a camada seguinte

(estratosfera). Sua principal característica é a isotermia e sua espessura é em média 3 km

(Wallace, 2006). A estratosfera estende-se, até cerca de 50 km de altitude. De modo geral, tem

sido observada uma zona de temperatura quase constante nos seus primeiros 20 km e, a partir

daí a temperatura do ar passa a aumentar com a altitude até o topo da camada (estratopausa).

Esta tendência progressiva de temperaturas altas com a altitude é encontrada na porção superior

da estratosfera, e está associada à liberação de energia no processo de formação do ozônio que

ocorre nesta camada (Seinfeld e Pandis, 2006).

A mesosfera é a camada imediatamente acima da estratopausa, situando-se entre os 50

e 80 Km de altitude. Esta camada apresenta um comportamento semelhante ao da troposfera,

no que se refere ao critério de padrão térmico, de tal forma que sua caracteriza é o decréscimo

da temperatura com o aumento da altitude. É nesta camada que se volatilizam as estrelas

cadentes, os meteoritos e os fragmentos de satélites artificiais. Acima da mesosfera estende-se

uma camada aproximadamente isotérmica, na qual se observa temperatura de 90º C negativos,

sua espessura pode ultrapassar 10 km (Wilford, 2007). Acima desta zona de transição, fica a

termosfera, que se estende da mesopausa até aproximadamente 600 Km de altitude, e cujo limite

superior se denomina termopausa. Essa é a camada atmosférica mais extensa, caracteriza-se por

altas temperaturas (médias em torno de 1.000°C), que é oriundo devido a absorção de radiação

de onda curta pelos gases abundantes nesta camada (N2 e O2). Logo acima, localiza-se a

ionosfera, conforme o nome diz, é composta de partículas carregadas eletricamente chamadas

íons. Estas partículas, nada mais são do que átomos ou moléculas que ganharam ou perderam

elétrons apresentando, portanto carga elétrica negativa (chamados ânions) ou carga elétrica

positiva (chamados cátions). O impacto da ionosfera sobre o tempo é pequeno, no entanto os

íons presentes nesta camada capazes de refletir as ondas de rádio na faixa HF e devolvê-las à

22

Terra, contribuindo significativamente para a transmissão de ondas de rádio. Na ionosfera

ocorre também o fenômeno da aurora boreal (no Hemisfério Norte) ou austral (no Hemisfério

Sul). As auroras estão relacionadas com o vento solar, um fluxo de partículas carregadas,

prótons e elétrons, emanadas do Sol com alta energia. Por fim, a exosfera e magnetosfera são

as camadas mais externa da atmosfera da Terra, acima de 600 km de altitude, também são

compostas principalmente de hidrogênio e hélio. Nessas camadas os gases podem escapar já

que a gravidade não é tão forte. Nelas encontram-se o plasma e os satélites artificiais (Barry e

Chorley, 2013).

Ozônio e seus precursores

O ozônio é um gás presente de forma natural na atmosfera terrestre, e está ligado à uma

complexa rede de reações físico-químicas que ocorrem tanto na estratosfera quanto na

troposfera. Cerca de 90% do ozônio presente na atmosfera, encontra-se na estratosfera e apenas

cerca de 10% do total de ozônio está localizado na troposfera, especialmente perto do nível da

superfície, conforme (Erro! Fonte de referência não encontrada.) (Ibanez, 2007).

Figura 2– Percentual de concentração de ozônio até 35 km. Fonte: adaptado da Organização

Mundial de Meteorologia (WMO, 2010).

23

O ozônio presente em baixos níveis é chamado ozônio troposférico. Esse gás não é

lançado diretamente na troposfera, ele se comporta como oxidante fotoquímico, pois é formado

na atmosfera como resultado de reações fotoquímicas envolvendo principalmente compostos

orgânicos voláteis, óxidos de nitrogênio e oxigênio, na presença de radiação solar. Desta forma,

os oxidantes fotoquímicos são considerados quase que na sua totalidade, como poluentes

secundários.

Os principais precursores primários, citados anteriormente, que abrangem a formação

do ozônio, podem ser oriundos de processos naturais ou antropogênicos. São consideradas

fontes naturais, àquelas emissões que ocorrem sem a interferência humana, como por exemplo,

a emissão de gases provocada por erupções vulcânicas, à decomposição de vegetais e animais,

a ressuspensão de poeira do solo pela ação do vento, os aerossóis marinhos, a formação de

ozônio devido a descargas elétricas na atmosfera, as queimadas naturais em florestas e até

mesmo os polens das plantas. Dessas fontes, a vegetação de modo geral constitui-se a principal

fonte de compostos orgânicos voláteis biogênicos (COVB) (Fuentes et al., 2007). De acordo

com Guenther et al., (2012), a nível global, a vegetação é responsável por 98% de todas as

emissões de compostos orgânicos voláteis. As emissões mais representativas de COVB

ocorrem ainda nas regiões tropicais da Terra, dadas as condições de temperatura e a radiação

solar favoráveis, sendo as florestas tropicais, de modo geral, as maiores responsáveis pelas

emissões globais (Higuchi, 2012).

O lançamento de compostos orgânicos voláteis de origem biogênicos pela vegetação é

a fonte dominante de hidrocarbonetos para a atmosfera. No entanto, um número crescente de

publicações mostra evidências que muitos outros COVs são emitidos pela biosfera em

quantidades comparáveis. Estimativas globais indicam que aproximadamente 1,8 bilhões de

toneladas de COV são emitidos por ano na atmosfera (Aquino, 2006). Como por exemplo:

álcoois, ácidos orgânicos e os ésteres dentre eles, destaca-se o isopreno, devido à sua elevada

reatividade, ele tende a reagir facilmente com oxidantes fotoquímicos atmosféricos, como é o

caso dos grupos (OH e NO). Isto faz com que se eleve a concentração de gases precursores do

ozônio troposférico, por causa da redução da concentração desses oxidantes (Xu et al., 2014).

Dessa forma, deve-se destacar que as emissões biogênicas de compostos orgânicos

voláteis, variam bastante de acordo com fatores fisiológicos da planta e variáveis físicas

ambientais, tais como: espécie da planta, metabolismo da planta, área e densidade específica

folhear, temperatura ambiente, umidade, radiação solar, concentração de CO2 no ambiente,

24

período do dia, estação do ano e até mesmo poluição do ar (Bai, 2015). Esta contribuição

expressiva indica que os COVB, desempenham um papel significativo na química da atmosfera,

especialmente na troposfera.

As emissões de COV na atmosfera, entretanto, não se resumem unicamente àquelas

decorrentes de atividade biogênicas. Muitas vezes, essas emissões são originadas por atividades

antrópicas, como por exemplo: o processo industrial, a geração de energia elétrica, a queima de

combustíveis fosseis ou de qualquer outro tipo de combustível. Em áreas urbanas e

predominantemente industrializadas, a queima de combustíveis por veículos tem se tornado a

principal fonte destes compostos orgânicos voláteis na atmosfera, consequentemente sua

emissão afeta diretamente o perfil dos níveis de concentração dos gases que compõem o ar

(Corrêa, 2003). Por sua vez, essas emissões dependem principalmente do combustível utilizado,

do uso de catalisadores, e das condições do veículo e de tráfego (Tavares, 2012; Paralovo,

2014).

As principais formas gasosas encontradas dos compostos de nitrogênio na atmosfera

abrangem principalmente: óxidos de nitrogênio (NOx), a amônia (NH3) e nitrogênio (N2). O

termo NOx representa a combinação de monóxido e dióxido de nitrogênio (NO e NO2). Os

óxidos de nitrogênio são presentes na atmosfera a partir de processos naturais, porém

praticamente todas as emissões antropogênicas de NO2 são proveniente da queima de

combustíveis fósseis, tanto de fontes fixas (indústrias) quanto móveis (veicular). Os óxidos de

nitrogênio (NOx) são integrantes importantes na fotoquímica da troposfera, por ser agente

participativo direto na formação do ozônio troposférico. Este óxido é conhecido por provocar

efeitos diretos na saúde dos seres humanos (Lee et al., 2010).

Outro precursor da formação de O3 é o CO. Que é obtido através da queima incompleta

de combustíveis que contem átomos de carbono, ou pela queima de biomassa, seja por razões

naturais ou antrópicas. Segundo Kirchhoff 1996 e Longo et al., 1999, o aumento nas

concentrações de CO sugere acréscimo nas concentrações de O3. Cerca de 60% do total das

emissões de monóxido de carbono, são de origem da queima de combustíveis fósseis,

principalmente nas atividades de geração de eletricidade, veículos automotores e pelos

processos industriais. O restante desta deposição está relacionado à queima de biomassa para

produção de pastos ou preparação da terra para o plantio, pois é uma técnica muito fácil e de

baixo custo, porém causa danos ao meio ambiente (Boian et al., 2006). Outros estudos também

evidenciam que o CO pode ser transportado, pela circulação atmosférica, para regiões distantes

25

das áreas de sua fonte emissora. Este transporte resulta em uma distribuição espacial da pluma

de fumaça sobre uma extensa área (Huang et al., 2012).

No Brasil, as queimadas são, talvez, o mecanismo principal que consolida as mudanças

de uso da terra, tanto na região Centro – Oeste quanto na Amazônia. Na região central do Brasil,

o pico das queimadas é observado nos meses de agosto e setembro, enquanto o máximo dos

focos na região equatorial (leste do estado do Pará e área circunvizinhas) podem ser verificados

com uma defasagem de dois meses (de outubro e novembro) em relação ao Brasil Central (Aires

e Kirchhoff 2001; Boian et al., 2006). Entre os seus impactos ambientais, as queimadas liberam

grandes quantidades de monóxido de carbono (CO) na atmosfera, o qual reage com outras

espécies químicas favorecendo a produção de ozônio. Portanto, o aumento nas concentrações

de CO incrementa as concentrações de O3 (Souza, 2013). Para Dutra et al., 2014 fontes e

sumidouros de O3 na Amazônia, ainda são difíceis de serem estabelecidos. Eles parecem estar

vinculados à época do ano e às atividades antropogênicas. Um trabalho realizado por Dutra et

al., (2012) realizado, em uma área de floresta na Amazônia ocidental, próximo ao município de

Tefé, que fica localizado no estado do Amazonas, observou um forte incremento de

aproximadamente 25% nas concentrações de ozônio em superfície, sobretudo, em momentos

de atividades convectivas.

Formação e destruição do ozônio na atmosfera

Na estratosfera, a formação e destruição do ozônio ocorrem através da quebra da

molécula de oxigênio (O2), que é impulsionada pela radiação ultravioleta (Ibanez, 2007). O

mecanismo de formação do ozônio ocorre pela fotodissociação das moléculas de O2 que se

rompem no comprimento de onda menor que 242 nm, depois disso cada radical de oxigênio (O)

dissociado, combina-se com uma molécula de oxigênio (O2) formando uma nova molécula

composta por três átomos de oxigênio (O3) (Ibanez, 2007). Pela forte incidência de radiação

solar, a maior quantidade de ozônio é produzida na região da estratosfera tropical, apesar disso,

altos índices da concentração de ozônio podem ser observados distante da sua região de origem.

Isso acontece por causa da circulação estratosférica de grande escala, chamada circulação de

Brewer-Dobson. Esta circulação transporta concentrações de ozônio das zonas tropicais para

os pólos, ocasionando assim uma distribuição heterogênea deste gás na atmosfera. O ar é

transportado em direção aos pólos, em seguida subside na região de médias e altas latitudes.

26

Quando esse ar desce em médias latitudes, retorna para a troposfera, enquanto o ar que subside

em altas latitudes é transportado para a estratosfera inferior, onde se acumula. Este modelo de

circulação explica o motivo da concentração de ozônio na região tropical ser mais baixa que na

região polar, mesmo que a região de origem do ozônio seja nos trópicos. Tal modelo foi

proposto pela primeira vez por Brewer e Dobson para explicar basicamente as medições de

vapor de água e ozônio, e agora é geralmente aceito como a descrição básica da existência de

uma lenta corrente no hemisfério de inverno que redistribui ar dos trópicos para extratrópicos.

(Gerber, 2012; Lagzi, 2013).

Já na troposfera, o ozônio apresenta uma dinâmica de formação e destruição, que é

catalisada pelos agentes precursores do gás, conforme citado no subitem anterior, tais

precursores podem ser de origem biogênica ou antropogênica. Apesar da complexidade da

química atmosférica o mecanismo de formação de ozônio troposférico é bem conhecido

tratando-se de atmosferas onde predominam compostos nitrogenados (áreas urbanas). A

presença abundante de radicais hidroxila (OH) e hidrocarbonetos causa o desequilíbrio

atmosférico, resultando no aumento da formação de ozônio. A velocidade de formação é

diretamente dependente da temperatura ambiente, da intensidade de radiação solar e da relação

dessas variáveis com as concentrações de COV e NOX (Paralovo, 2014).

De maneira resumida, em baixos níveis da atmosfera a formação de ozônioé iniciada

pela fotólise do NO2. Os comprimentos de onda curta são maiores que 280 nm, por esta razão

a única fonte de oxigênio atômico é a fotodissociação do dióxido de nitrogênio (NO2), ilustrado

na equação 1.

(equação 1)

Na qual: hν representa o comprimento de onda entre 280 e 430 nm.

Em seguida este átomo de oxigênio resultante da equação 1, que reage com o oxigênio

diatômico e com agentes precursores (M), estudados anteriormente. Sendo esta, a principal

reação de produção de ozônio (equação 2) (Lagzi, 2013).

27

(equação 2)

Na qual: M pode ser ou

Um processo de remoção do ozônio é a sua reação com o óxido nítrico (equação 3), na

qual, uma molécula de ozônio é necessária para a geração de NO2, consumindo uma molécula

de NO. Entretanto, apenas estas reações não justificam o nível de ozônio encontrado em

atmosferas urbanas poluídas. Elas acontecem rapidamente, com isso proporciona um estado de

equilíbrio, no qual a concentração de ozônio deve se manter constante (Martins e Bitencourt,

2002; Orlando, 2008).

(equação 3)

Contudo, uma reação que converta o NO para o NO2 sem consumir a molécula de ozônio

pode fazer com que o ozônio se acumule na troposfera. Por sua natureza orgânica, os compostos

orgânicos voláteis (antropogênicos/biogênicos) e os hidrocarbonetos (radical hidroxila OH)

estão suscetíveis às mesmas reações demonstradas anteriormente. Desta maneira, também

desempenham um papel suma importância na formação do ozônio troposférico e na capacidade

oxidativa da atmosfera (Lagzi, 2013).

Desta forma, conclui-se que os principais ingredientes na formação de ozônio na baixa

atmosfera são os compostos orgânicos voláteis (COV e COVBs), os óxidos de nitrogênio (NOx)

e a radiação solar. Sua formação não é instantânea, e a concentração em regiões distantes das

fontes emissoras é resultado da interação entre a circulação do vento, a mistura turbulenta e as

reações químicas que acontecem simultaneamente (Melo et al., 2013).

Como citado no tópico anterior, outro precursor que contribui para a formação do ozônio

troposférico é o monóxido de carbono. O CO é oxidado a CO2 pelos radicais hidroxila (OH),

que por sua vez é produzido quando uma fração de átomos de oxigênio no estado excitado,

resultantes da decomposição fotoquímica de quantidades traço de ozônio, reage com o vapor

de água para abstrair um átomo de hidrogênio de cada molécula de H2O (Equação 4, Equação

28

5). Dessa maneira o ozônio pode ser tanto produzido quanto destruído, sendo assim considerado

um gás de suma relevância na produção de OH (Kisselle et al., 2002).

(Equação 4)

(Equação 5)

Os radicais OH são os principais responsáveis pela oxidação de CO, gerando radicais

hidroperóxidos, ao quais oxidam o NO a NO2 sem destruir as moléculas de O3 e fazendo com

que a concentração deste gás aumente na atmosfera (Equação 6 e 7) (Seinfeld e Pandis, 1998).

(Equação 6)

(Equação 7)

O ozônio e os fenômenos atmosféricos e oceânicos

Nas últimas décadas, o foco de estudo da comunidade científica, são as causas e

consequências das mudanças climáticas para humanidade. Com o objetivo de compreender a

capacidade de adaptação dos seres humanos, perante variabilidade do equilíbrio dinâmico

natural do sistema terra-atmosfera, diversos grupos de pesquisadores vêm estudando essas

possíveis causas (Ramos et al., 2009). Segundo Nobre et al., (2010), este equilíbrio dinâmico

da atmosfera está sujeito a forças de transformação que levam às variações climáticas advindas

de causas naturais ou provocadas por ações antrópicas.

As mudanças observadas nas variáveis climáticas, temperatura e umidade, por exemplo,

são avaliadas no relatório do Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas – IPCC.

Segundo este relatório, o aquecimento do sistema oceano-atmosfera é algo notório, pois a

temperatura média global aumentou entre 0,3 e 0,6 ºC desde o final do século passado. Os

29

modelos climáticos indicam que poderá ocorrer aquecimento até acima de 6ºC em algumas

regiões do globo até o final do século XXI. É provável que a temperatura média global durante

o século XXI sofra uma elevação entre 2,0ºC a 4,5ºC, com uma melhor estimativa de cerca de

3,0ºC, e é muito improvável que seja inferior a 1,5ºC. Valores substancialmente mais altos que

4,5ºC não podem ser desconsiderados, mas a concordância dos modelos com as observações

não é tão boa para esses valores. Somados a isso, os três anos mais quentes dos últimos cem

anos da história terrestre aconteceram na última década (Ramos, et al., 2009, IPCC, 2013).

É possível, que esse aquecimento, em parte, seja oriundo da emissão desordenada de

gases que retêm radiação térmica, decorrente das atividades humanas. Esses gases são

fundamentais para manter o equilíbrio climático e condições ambientais adequadas para a vida

na Terra, pois as moléculas de alguns gases existentes na atmosfera como o monóxido de

carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), o metano (CH4), o ozônio (O3), sendo este último

objeto deste presente estudo, interagem com a radiação eletromagnética com isso dificultam a

perda para o espaço da radiação termal, produzindo o efeito-estufa natural terrestre, e também

por este motivo tais gases são denominados de “gases do efeito estufa” (GEE). O desequilíbrio

ocorre quando há um aumento na concentração desses gases na baixa atmosfera causando uma

variação anômala da temperatura média, potencializando dessa forma o aquecimento global

(IPCC, 2013).

Entretanto, não são somente as atividades antrópicas que justificam o saldo de ozônio

na troposfera. Alguns estudos mostraram a possibilidade de ocorrer o transporte vertical de

ozônio oriundo da estratosfera e de camadas mais altas da troposfera para a superfície (Zeng et

al., 2010; Hess, e Zbinden, 2013). Alguns autores defendem que ozônio na troposfera possui

uma variabilidade em escala global e/ou local, no que se refere à grande escala, estudos recentes

sugerem que os incrementos de O3 na troposfera possivelmente sejam modulados pela

Oscilação Quase-Bienal (OQB) e pelo El Nino-Oscilação Sul (ENOS) (Baldwin et al., 2001;

Oman et al., 2013; Neu et al., 2014). Neste intuito os cientistas têm se esforçado para

compreender as tendências e variações do ozônio na atmosfera, para tanto têm utilizado

resultados de modelos climáticos, reanálise ambiental, análises observacionais via satélite e

coletas in situ.

A OQB, apesar de ser um fenômeno tropical, domina a variabilidade da circulação

estratosférica, de um pólo a outro, pois interfere nos efeitos das ondas extratropicais. Essa

oscilação é caracterizada por períodos de alternância entre ventos de leste (anomalia negativa)

30

e de oeste (anomalia positiva) na estratosfera, com duração média de 28,2 meses (Baldwin et

al., 2001). Vários estudos têm sugerido que a essa Oscilação, também contribui para a

variabilidade interanual de ozônio na estratosfera tropical, pois foram verificadas anomalias de

circulação associados à Oscilação Quase-Bienal que alteram os padrões de circulação do ar

estratosférico, gerando dessa maneira impacto no balanço do ozônio troposférico (Baldwin et

al., 2001, Ziemke e Chandra, 2012).

Neu et al., (2014), utilizando dados estimados do satélite Aura, sobre a Região do

Oceano Pacífico tropical, juntamente com simulações de modelo de química da atmosfera,

sugere que a OQB, interfere na variabilidade das trocas de ozônio entre estratosfera e troposfera

em escala de tempo interanual na região Equatorial. Ainda, vários estudos têm sugerido que o

impacto da OQB também pode ser visto no ozônio troposférico, pois foram encontradas

anomalias na circulação de grande escala associados à OQB Observações semelhantes são

encontradas por Collins et al., (2003) que sugerem que os processos dinâmicos, incluindo o

transporte horizontal, desempenham um papel relevante nas anomalias de ozônio troposférico,

sendo a OQB a forma mais proeminente de variabilidade na estratosfera tropical, por

conseguinte, o seu impacto sobre a variabilidade do ozônio estratosférico têm sido bem

documentado, no entanto o sinal de ozônio troposférico tropical relacionado com OQB não é

bem compreendido ainda pela comunidade científica.

Lee et al, (2010), utilizando dados de estações localizadas na região tropical do

hemisfério sul, apontam que as anomalias de ozônio troposférico, embora associada à OQB,

envolvem efeitos dinâmicos que são mais complexos que o movimento vertical e zonal, e que

há possibilidade que a OQB module em cerca de 10-20% os valores de ozônio troposférico em

regiões tipicamente convectivas (tropicais).

Utilizando dados de modelagem, alguns autores (Hsu, 2009; Lee et al., 2010),

investigaram o impacto da contribuição do ozônio estratosférico na troposfera devido às

mudanças na circulação em um cenário de clima futuro, e concluíram que, em média, 40% do

ozônio troposférico é originado na estratosfera, e que a contribuição do ozônio estratosférico

no balanço do ozônio troposférico pode variar de 10 e 60% (Neu et al., 2014). O aumento geral

da contribuição do ozônio estratosférico nas concentrações do ozônio troposférico, indica que

a estratosfera irá desempenhar um papel ainda mais importante no futuro. Segundo Lee et al.,

2010, a distribuição do ozônio será fortemente afetada por mudanças na circulação

estratosférica (Brewer-Dobson). Essa circulação é impulsionada por processos complexos

31

associados ao balanço de radiação na Terra, às ondas planetárias e a subsidência do ar (Lagzi,

2013), assim, para abordar esta questão com rigor, seria necessário um modelo de química da

atmosfera mais complexo que os atuais, e tais modelos ainda estão sendo aprimorados.

Outro trabalho, de Hess e Zbinden, (2013) que utilizou em conjunto medições de ozônio

e modelo de química da atmosfera, analisou a influência do ozônio estratosférico na

variabilidade e tendências nas concentrações do ozônio troposférico, no hemisfério norte, para

o período de 1990-2009. Os resultados apontaram que aproximadamente, 20% do ozônio

depositado na superfície, são possivelmente atribuídas às trocas entre estratosfera e troposfera.

Ao analisar a coluna total de ozônio, nos dois hemisférios, utilizando combinação de

observações remotas e reanálises de campos meteorológicos, para o período de 2005-2010,

notou-se que as médias das trocas de ozônio entre estratosfera e a troposfera são de 275 Tg e

214 Tg por ano, no hemisfério Norte e Sul, respectivamente (Olsen et al., 2013). A variabilidade

anual média no hemisfério norte é de aproximadamente 15%, no hemisfério sul este número

cai para 6%. No entanto, a variabilidade espacial e temporal não é bem representada quando os

campos médios zonais e/ ou mensais são utilizados para calcular as trocas entre as duas

camadas, embora isto resulte em um pequeno viés de alta amplitude sazonal e anual.

Adicionalmente, outros estudos creditam essas alterações sejam possivelmente moduladas por

anomalias climáticas como o El Niño/Oscilação Sul (ENOS) e a Oscilação Quase-Bienal

(OQB) (Neu et al., 2014,).

ENOS trata-se de um fenômeno natural de interação entre oceano e atmosfera, que

associa os padrões de temperatura da superfície do mar (TSM), com os ventos alísios e com a

pressão atmosférica. A fase quente, conhecida como El Niño, é o aquecimento anômalo das

águas superficiais oceânicas na região do oceano Pacífico Equatorial, enquanto a La niña refere-

se ao esfriamento dessas águas. Tais perturbações anômalas podem mudar a localização e

intensidade da convecção nessa região, que por sua vez modifica o comportamento normal das

circulações zonal e meridional de grande escala (células de Walker e Hadley). Outro estudo,

analisou somente o hemisfério Norte e encontrou algo similar, indicando que durante a fase

quente do ENOS a circulação Brewer-Dobson tende a ser mais acelerada quando comparadas

com a fase fria do ENOS, dessa forma alternâncias na circulação interferem no aumente e/ou

diminuição das concentrações de gases do efeito estufa, no entanto, esta resposta ao ENSO

necessita de uma investigação mais aprofundada, a fim de elucidar a generalidade dos

mecanismos envolvidos (Calvo et al., 2010).

32

Randel et al., (2011), utilizando dados combinados de satélite e estações localizadas no

hemisfério Sul, realizou um estudo sobre as tendências da variabilidade de ozônio à longo prazo

na região da estratosfera tropical, concluiu que a variabilidade interanual do referido gás é

dominada por efeitos da OQB e do ENOS. Relataram ainda que tais variações e o perfil de

temperatura estão altamente correlacionados na baixa estratosfera tropical. Um estudo recente,

realizado na região da Índia, utilizando estimativas do satélite TOMS, observaram que

mudanças cíclicas do vento associado as fases da OQB são responsáveis por aproximadamente

3% de variação natural na concentração de ozônio (Departamento de ciências Atmosféricas da

India, 2014).

Meteorologia e o perfil vertical de ozônio

A associação de variáveis meteorológicas, tais como: a radiação solar, a temperatura,

nebulosidade, precipitação, velocidade do vento, transporte horizontal e altura camada limite

planetária, com fatores peculiares da topografia e circulação de uma determinada região, podem

influenciar consideravelmente concentrações e dispersão de poluentes atmosféricos, através da

determinação das taxas de reação fotoquímica (Oliveira et al., 1993).

Dentre os fenômenos meteorológicos citados, a radiação e cobertura de nuvens, são os

que mais influenciam na distribuição vertical do ozônio. O clima da região Amazônica é uma

união de vários fatores, no qual o mais importante é a disponibilidade de energia solar. Seu

clima é predominantemente quente e úmido, com temperaturas médias anuais variando entre

24ᵒC e 26ᵒC, ou seja, a amplitude térmica média é em torno de 2ºC, o que caracteriza uma

homogeneidade espacial e sazonal da temperatura local (Fisch, 1998). Segundo Fisch, a

sazonalidade do regime pluviométrico da região está definida da seguinte maneira: o período

seco ocorre de maio a setembro, o mês de outubro é considerado mês de transição para a estação

chuvosa que se estende de novembro a março, e abril é o mês de transição para estação seca.

Vale lembrar que na Região Amazônica, está localizada a maior floresta tropical úmida

do mundo. A floresta é cortada pelo rio Amazonas e seus afluentes representando a maior rede

fluvial do globo e respondendo por aproximadamente 20% do total de água doce despejada nos

oceanos do planeta (Correia, 2006). Por estar posicionada nos trópicos, as trocas de energia

entre a superfície continental e a atmosfera são bastante intensas. Outra forçante meteorológica

que modula o clima na Região é a convecção. Esses sistemas convectivos conduzem a uma

33

intensa variabilidade espacial e temporal não só no ciclo hidrológico na Amazônia, mas estudos

recentes indicam que a interação das condições meteorológicas com a distribuição vertical de

ozônio (Correia, 2009). Para Wuebbles et al., (2010), existe a possibilidade de ocorrer o

transporte vertical de ozônio proveniente de camadas mais altas da troposfera e da estratosfera

para superfície.

A alta intensidade de radiação ultravioleta (UV), combinada com alta umidade na

atmosfera tropical, resulta em um aumento da quantidade de radical OH proveniente da fotólise

do O3. Ao mesmo tempo, florestas tropicais emitem grande quantidade de Hidrocarbonetos Não

Metanos (NMHC), de atividade biogênica de larga escala e o CO oriundo de queima de

biomassa que, por sua vez, pode ser oxidada para produzir O3 com grande eficiência (Kirchhoff

e Rasmussen, 1990; Aneja et al., 2000).

Nesses ambientes a concentração do O3 tende a seguir a intensidade da radiação solar,

resultando em alta concentração do O3 durante o período diurno. Nesses ciclos, o aumento do

nível de concentração do ozônio durante o período diurno é atribuído ao efeito combinado de

produção fotoquímica do ozônio na camada de mistura e o transporte advindo das camadas

superiores, que é favorecida ao meio-dia pela atividade convectiva e, consequentes movimentos

subsidentes associados, sendo ambos mecanismos ativados pela radiação solar (Moura, 2004).

Betts et al., 2002, realizaram um experimento na América do Sul, mais especificamente

em Ji-Paraná, no Estado de Rondônia, que está situado à oeste da Amazônia, onde foram

realizadas medidas in situ dos níveis de ozônio. A coleta de dados foi realizada nos meses de

janeiro e fevereiro de 1999 (tipicamente chuvoso). Os resultados obtidos demonstraram que as

concentrações de O3 aumentam com a altitude. Observaram também a existência de transporte

vertical de ar com alto índice de ozônio impulsionado pela convecção profunda das camadas

mais altas da atmosfera para topo da camada limite planetária (CLP) (aproximadamente 800

hPa), que por sua vez através desses sistemas convectivos o ozônio chega próximo à superfície,

contribuindo para elevar os níveis de O3 na troposfera em até 30 ppbv. Este número é superior

aos valores tipicamente encontrados à noite, que varia de 3-5 ppbv. De forma complementar, o

trabalho como o de Jeffrey et al., (2002) afirmam que os níveis de ozônio sobre a Amazônia

durante a estação chuvosa podem ser de aproximadamente 20 ppb. E atribuem que parte dessa

concentração depende das interações entre a atmosfera e a biosfera.

34

No entanto observações in situ dessas correntes convectivas são restritas, devido à

natureza esporádica de sua ocorrência, por esse motivo relatos sobre os episódios de convecção

profunda de ar rico em ozônio na CLP, são raras na Bacia Amazônica. Por conta disso essa

região apresenta dados esparsos e o entendimento dos mecanismos dinâmicos de transporte de

gases, ainda não são bem compreendidos (Lawrence et al., 2003).

Concentrações de ozônio estimadas por satélite

As aplicações militares quase sempre estiveram à frente no uso de novas tecnologias, e

no sensoriamento remoto não foi diferente. Os avanços tecnológicos impulsionados pela

Segunda Guerra Mundial deram origens às primeiras imagens de nuvens obtidas do espaço

(Figueiredo, 2005). No entanto, a primeira proposta para explorar a emissão espectral da

atmosfera terrestre para inferir sua estrutura vertical de temperatura e umidade iniciou somente

na década posterior. Em 1956, King propôs um modelo inovador para a época no que se refere

à sondagens remotas da atmosfera para inferência de perfis verticais de temperatura a partir de

sensores de radiação a bordo de satélites. O autor, considerava que os perfis verticais de

temperatura poderiam ser inferidos a partir da intensidade de radiação monocromática em um

único canal espectral, proveniente de várias direções. No início da década de 60, o

melhoramento tecnológico dos projetos espaciais agregados aos avanços nos recursos

computacionais, houve um maior interesse na utilização de novas técnicas de sondagem remota

da atmosfera.

Em 1966, Wark e Fleming propuseram um esquema de tratamento estatístico com dados

de radiossondagem para aprimorar os perfis obtidos por satélite. Não demorou muito para se

perceber que a presença de nuvens no campo de visada dos sensores representava um grande

desafio. Os resultados obtidos eram positivos quando aplicados a dias de céu claro. Já na

presença de nuvens deixavam a desejar devido, principalmente, à baixa resolução dos sensores

existentes na época. No intuito de solucionar este problema, foi a introdução de uma nova

geração de radiômetros em micro-ondas. Uma vez que as informações em micro-ondas não são

afetadas pela maioria dos tipos de nuvem, esses instrumentos apresentavam uma superlativa

vantagem em relação aos instrumentos que operavam na faixa do infravermelho e no visível.

35

Diante dessa alternativa, não foi inevitável o lançamento de sensores passivos em micro-

ondas a bordo de plataformas espaciais, especialmente, nas décadas de 1980 e 1990 quando se

observou um crescente aumento no uso de produtos em micro-ondas pela comunidade científica

em todo o mundo, em particular, por organizações oceanográficas e meteorológicas (Ramos et

al., 2008). Com o lançamento de tais sensores, à bordo de plataformas 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 infravermelho, como o HIRS (High Resolution Infrared Radiation

Sounder) abordo dos satélites NOAA 15, NOAA 16 e NOAA-17, a comunidade científica

obteve melhores resultados dos perfis de temperatura e umidade da atmosfera, quando estavam

sob condições de nebulosidade. Entretanto, 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.

Projetado pela Agência Espacial Americana (NASA) o satélite AQUA, lançado em 4 de

maio de 2002, que faz parte do Sistema de Observação da Terra (EOS). A bordo dessa

plataforma o sensor AIRS foi o primeiro sondador avançado de radiação infravermelha

operacional de alta resolução espectral, com 2378 canais e duas passagens diárias, que

possibilitou além de se estimar o perfil de temperatura, pode-se a partir dessa tecnologia,

estimar também os gases constituintes da atmosfera (CO2, CH4, O3, CO, entre outros) (Aumann

et al., 2003). Esses instrumentos foram projetados para se realizar previsão numérica de tempo

e atender as pesquisas referente as mudanças climáticas globais. Neste contexto a observação

por satélite vem se tornando nas últimas décadas uma ferramenta alternativa de suma

importância para análise do comportamento dos gases traço presentes na atmosfera terrestre,

dentre eles o ozônio.

Divakarla et al., (2008), avaliou a qualidade das estimativas do perfil de ozônio inferida

pelo sistema de sondagem AQUA, e concluiu que o viés não ultrapassou 20% nos dados

estimados para os dados medidos. Entretanto, esse estudo foi categórico ao afirmar que a

principal vantagem do conjunto de dados, na versão 5, é a capacidade tecnológica para

identificar tendências e padrões de sazonalidade. Neste sentido esse instrumento contribui para

investigação aprofundada, a fim de elucidar a complexidade dos processos físicos e dinâmicos

envolvidos no estudo da variabilidade do ozônio troposférico

36

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

atmosféricos de temperatura, de umidade e gases traço com os sensores passivos no

infravermelho e em micro-ondas. Atualmente, os satélites meteorológicos têm contribuído

significativamente na detecção, observação e assimilação de parâmetros atmosféricos, para isso

esforços têm se concentrado no desenvolvimento de sondadores com alta resolução espectral.

Através das estimativas do satélite AQUA, Dutra et al., (2012) encontrou o ciclo sazonal

do O3 bem definido para a região metropolitana de Manaus, com picos significativos durante a

estação seca e um pico secundário no início de cada ano (estação chuvosa). Eles verificaram

ainda que a distribuição sazonal de O3 tem semelhanças com a região de floresta, percebeu que

a média das concentrações de ozônio durante a estação seca representa 25% acima da média

para o período chuvoso, assim como também avaliou somente a estação chuvosa, observando

que o mês de fevereiro, para os níveis de 750 mb e 850 mb, a média da concentração foi muito

superior à média da estação, provavelmente devido a contribuição de algum precursor local ou

pelas trocas entre estratosfera-troposfera.

Dessa forma, pode-se alcançar um avanço considerável na recuperação de perfis

atmosféricos de temperatura, de umidade e gases traços com os sensores passivos no

infravermelho e em microondas. Os satélites meteorológicos têm contribuído

significativamente em estudos de áreas remotas do globo, na Amazônia por exemplo. Na

atualidade eles veem se tornando uma alternativa na detecção, observação e assimilação de

parâmetros atmosféricos.

37

3 DADOS E METODOLOGIA

Área de estudos

O presente trabalho será realizado na região metropolitana de Manaus, conhecida também

como Grande Manaus, criada pela Lei Complementar Estadual nº 52 de 30 de maio de 2007.

Localizada no Estado do Amazonas, ela reúne oito municípios em processo de conurbação:

Careiro da Várzea, Iranduba, Itacoatiara, Manacapuru, Manaus (capital), Novo Airão,

Presidente Figueiredo e Rio Preto da Eva. Destaca-se pelo Polo Industrial de Manaus, que reúne

indústrias de diversos segmentos e abriga importantes centros tecnológicos e de pesquisa. O

número total de habitantes nessa região é 2.106.866 (IBGE/2010). Sua extensão territorial é de

101.474 km², aproximadamente. É caracterizado por planícies, baixos planaltos e terras firmes,

com uma altitude média inferior a 100 metros. A Figura 2 ilustra a região Metropolitana de

Manaus.

Figura 3 – Representação da cobertura florestal com o desmatamento acumulado até março de

2014 (áreas em vermelho) da Região Metropolitana de Manaus. As linhas escuras representam

a divisão geopolítica municipal. (Fonte: Núcleo de Geoprocessamento da Fundação Vitoria

Amazônica – FVA).

38

Dados utilizados

No presente estudo foram utilizados dados de ozônio (O3VMRLevSup) e CO

(COVMRLevSup), extraídos do produto de nível 2 (L2 AIRX2SUP) na versão 6, inferidos pelo

sensor AIRS, a bordo do satélite AQUA, o qual possui cobertura espacial global em grânulos

de 45x30 pontos de grade, resolução horizontal de 50 km e resolução temporal de duas

passagens diárias (diurna/noturna), com repetição do ciclo orbital em 16 dias e são apresentados

em formato Hierarchical Data Format (HDF). A área delimitada para realizar este estudo foi

de 3º X 3º nas coordenadas geográficas entre as latitudes 63º e 57ºS e as longitudes 0ºW e -6ºW

sobre a RMM. As séries diárias de concentração de O3 e CO estão dispostas em 100 diferentes

níveis de pressão atmosférica (1100 e 0,016 hPa), e foram analisadas para o período

correspondente de 2003 a 2014 (12 anos). Estes dados são disponibilizados online pela National

Aeronautics and Space Administration (NASA) e foram acessados através do endereço

eletrônico: http://mirador.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/mirador/homepage (AIRS, 2013).

Já os dados que representam as variabilidades climáticas do índice ENOS e da OQB, foram

adquiridos através do site do National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) pelo

endereço da web: http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/. Estes índices

multivariados são oferecidos em formato ASCII.

De posse dos dados, foram realizadas a leitura e organização dos mesmos utilizando

ferramenta computacional de análises matriciais, MATLAB versão 7.8.0. para a área de estudo

selecionada.

Metodologia

Neste item serão apresentados os métodos e técnicas estatísticas que foram utilizadas

neste trabalho, a fim de alcançar os objetivos específicos propostos, descritos anteriormente.

Com a finalidade de caracterizar a variação do ciclo anual e sazonal do perfil vertical de ozônio

sobre Manaus foram realizadas as leituras de um total de 11.690 arquivos de dados remotos

diários O3VMRLevSup, e foram selecionados apenas os grânulos entre 47-60 para passagens

descendentes e entre 160-185 para as passagens ascendentes do satélite, que representam a área

39

de estudo deste trabalho. Em seguida, a média diária da concentração de Ozônio foi feita

considerando os grânulos selecionados. Desta forma obteve-se uma matriz com 4.383 X 100,

na qual as linhas representam as concentrações diárias de ozônio mediadas sobre a área de

estudo e as colunas os níveis de pressão (já detalhados anteriormente). Ainda se tratando de

processamento, os pontos na série dados que apresentaram falhas, ou seja, não houve inferência

pelo satélite devido a algum tipo de ruído ocorrido no momento de obtenção dos dados, foram

representados pelo número “-9999”, e considerados inválidos de forma que foram excluídos

das análises. Isto foi realizado para que a média dos valores não ficasse subestimada.

Posteriormente foi realizado o cálculo do perfil médio mensal de ozônio para o período

de 2003 a 2014. Foram calculadas as médias sazonais do perfil vertical de ozônio,

correspondentes para os períodos de Dezembro a Fevereiro (DJF), Março a Maio (MAM),

Junho a Agosto (JJA) e de Setembro a Novembro (SON) de ozônio sobre a área de estudo

selecionada. Ambos perfis foram feitos considerando todos os níveis de pressão selecionados

(troposfera e estratosfera).

A etapa seguinte foi construir um diagrama Altitude versus Tempo dos perfis verticais

diários médios de ozônio troposférico e estratosférico. No eixo “y” do diagrama foi

representada a variável meteorológica pressão (unidade em hPa), e no eixo “x” foi descrito o

período da série de dados (2003 a 2014). Esse diagrama nos permite investigar melhor as

possíveis propagações do ozônio no plano vertical em função do tempo.

De forma análoga, foi feito um diagrama considerando somente os desvios em relação

à climatologia referente ao período de estudo, ou seja, para cada dia do mês é feito uma média,

e em seguida esse valor médio diário climatológico é subtraído da concentração diária de ozônio

para cada dia e mês correspondente. Tais diferenças foram tratadas daqui por diante como

anomalias diárias do ozônio.

Para isolar as diferentes escalas de tempo, as séries diárias de Ozônio para cada nível de

pressão são analisadas com a transformada de ondeleta. Este método envolve transformação de

uma série unidimensional em um espaço de tempo e frequência, o que permite determinar as

escalas de variabilidade dominantes e suas variações temporais. A Análise de Ondeleta possui

propriedades matemáticas capazes de quantificar as relações tempo-escala na meteorologia,

uma descrição completa da técnica pode ser encontrada em Torrence e Compo (1998). Segundo,

esses autores, a transformada de ondeleta pode ser considerada um filtro passa banda com uma

função resposta conhecida (função Wavelet escolhida). Assim é possível reconstruir a série

original usando filtro inverso. Considerando-se que a wavelet de Morlet, pode escrever a

40

equação para a série temporal reconstruída, a ondeleta de Morlet foi utilizada, pois é a

transformada que representada no espaço de Fourier (Torrence e Compo, 1998). A tendência

linear contida em cada série é removida antes de se aplicar a transformada de ondeleta. Para

reduzir os “efeitos de borda” as séries são completadas com zeros para se obter o comprimento

total das séries aumentado até a próxima potência de 2. A ondeleta de Morlet é uma exponencial

complexa modulada por uma Gaussiana, )2( 220 ststi

ee -w , com st=h , onde t é o tempo, s é a

escala da ondeleta e wo é a freqüência não-dimensional, para a qual é usado o valor de 6, de

acordo com Torrence e Compo (1998). Para a ondeleta de Morlet, a escala da ondeleta

corresponde aproximadamente ao período de Fourier de uma exponencial complexa. Uma

descrição mais detalhada pode ser encontrada em Torrence e Compo (1998).O espectro de

potência da ondeleta (EPO) é definido como o quadrado do valor absoluto do coeficiente da

transformada ondeleta e dá uma medida da variância da série temporal em cada escala e tempo.

A parte real dos coeficientes da ondeleta fornece uma descrição da intensidade e fase de um

dado sinal em um dado tempo e escala com respeito a outros tempos e escalas (Weng e Lau,

1994).

Baseados no método descrito e considerando as análises são realizadas para as séries

temporais em cada nível de pressão, seus resultados são mostradas em diagramas de altitude

versus tempo da variância média por escalas. A potência da ondeleta média por escala é

definida como a soma ponderada do espectro de potência da ondeleta da escala s1 a s2, e é dada

pela equação (8):

å=

=2

1

2

2)(j

jj j

jn

ns

sW

C

tjW

d

dd

Em que, dC é um fator de reconstrução constante e oriundo de d em função de sua

transformada wavelet usando a função )(0 ny . enquanto que a média por escala da parte real

dos coeficientes ondeleta é dada pela equação (9):

41

{ }2/1

2

10

2/1 )(

)0('

j

jnj

jj

tj

ns

sW

Cx

Â= å

=y

dd

d

No qual, . e remove a escala de energia, 2/1

js converte a transformada de

wavelet para uma densidade de energia.

As escalas de tempo selecionadas para apresentação dos resultados são: semianual (0,4

a 0,7 anos), anual (0,7 a 1,2 anos), bienal (2 a 2,5 anos) e interanual (3 a 5 anos). Essas análises

foram feitas considerando as séries diárias de Ozônio e as séries de anomalias mensais.

Em uma segunda etapa do trabalho buscou-se avaliar a relação entre o Ozônio em

diferentes níveis e sua relação com índices climáticos. Para isso, inicialmente, foram

selecionadas as séries temporais mensais de anomalias de ozônio nos níveis de pressão em 850

e 500hPa que representam a troposfera, assim como também se extraiu da série os níveis de

150 e 30hPa. Em seguida foi feita a utilização do coeficiente de correlação linear de Pearson

(Wilks, 2006) entre as séries de anomalia de ozônio dos níveis selecionados, com o objetivo de

indicar possíveis relações que ocorrem simultaneamente em diferentes níveis de pressão. Foram

feitas também correlações lineares entre os índices de variabilidade climática (ENOS e OQB)

e as séries de anomalias de O3. O índice ENOS é expresso em médias trimestrais. Já o índice

OQB, está representado por um valor médio para cada mês do ano.

Na última etapa do trabalho, foi investigada a relação entre a variabilidade do perfil de

ozônio na troposfera associado à convecção e focos de queimadas. Para isso foram selecionados

três dias com valores de ozônio superiores à 2 desvios padrões obtidos a partir da série de

anomalia diária de ozônio, para a estação seca e chuvosa no período de 2003 a 2014. O estudo

da variabilidade diária é importante para permitir a verificação mais detalhada das condições

atmosféricas na concentração de ozônio em escala local. Para esses dias selecionadas como

estudos de caso, foi verificada qualitativamente a existência ou não de focos de queimadas e

convecção sobre a região de estudo, e foram calculados os perfis verticais de monóxido de

carbono com objetivo de observar o comportamento diário do ozônio diante do cenário

atmosférico.

42

A Figura 4, o fluxograma das etapas desenvolvidas durante a elaboração deste trabalho.

Figura 4 – Fluxograma de todas as etapas da metodologia aplicada neste trabalho.

43

4 RESULTADOS E DISCURSÕES

Nesse capítulo serão apresentados os resultados alcançados e a discussão dos mesmos para

cada objetivo específico com base em estudos científicos que observaram a variabilidade e o

comportamento do perfil vertical de ozônio em diversas regiões do globo, especificamente na

Amazônia. No subitem 4.1 serão apresentadas as análises e discussões das características do

ciclo anual e sazonal do perfil vertical médio de ozônio; posteriormente no subitem 4.2 será

apresentada a característica da série temporal e anomalias de ozônio na RMM. No subitem 4.3

será exposta a correlação das anomalias de ozônio nos quatro níveis de pressão selecionados.

No subitem 4.4 será apresentada a correlação entre as séries de anomalias e os índices

climáticos. E por fim, no subitem 4.5 análises de estudo de caso

Características do ciclo anual e sazonal do perfil vertical médio de ozônio

Nas Figura 5a e 5b, são apresentados os perfis verticais médios mensais de ozônio

troposférico, considerando a climatologia para o período de 2003 a 2014. Menores valores em

torno de 20-30 ppb são encontrados próximo à superfície, e valores na faixa de 30-60 ppb são

encontrados na troposfera superior. Observa-se ainda uma variabilidade mensal, com as

menores concentrações de ozônio para os meses que compõem a estação chuvosa (dezembro a

maio) na área de estudo, com destaque para o perfil vertical médio do mês de maio variando de

20 a 40 ppb. Neste período aumenta a atividade convectiva e consequentemente há formação

de mais nebulosidade que atua no sentido de reduzir a quantidade de radiação solar que atinge

a superfície da Região, reduzindo as concentrações de ozônio para o período em questão. Em

outro extremo, as maiores concentrações do ozônio de 60 a 65 ppb são encontradas nos meses

que constituem a estação seca (junho a novembro), sendo o mês de outubro com maiores valores

de ozônio. Na estação seca a formação de nuvens é menor e a radiação solar que chega à

superfície é maior, a qual catalisa os processos fotoquímicos na baixa atmosfera, possibilitando

desta maneira o aumento nas concentrações de ozônio. Outro fator importante que pode estar

associado neste período é o aumento do monóxido de carbono (CO), importante precursor de

ozônio, ocasionado pelas queimadas tipicamente característica deste período (Artaxo et al.,

2013).

44

Figura 5 – (a) Perfil vertical médio anual de O3 e (b) Ciclo anual da concentração diária de

ozônio em ppb na troposfera (2003 a 2014) para área de estudo.

45

Na Figura 6, apresentam-se os perfis médios sazonais de ozônio na troposfera. Nessa

figura de forma geral a concentração de ozônio aumenta coma altura, e os máximos valores de

ozônio são encontrados na média troposfera entre os níveis de 500 e 300 hPa. Para os níveis

que vão desde a superfície até 850 hPa, os valores máximos de ozônio estimados não

ultrapassam 30 ppb para os meses da estação chuvosa (dezembro a maio). Resultados

semelhantes foram encontrados por Bela et al., (2015), que observaram valores de ozônio

abaixo de 40 ppb, medidos na Camada Limite Planetária de regiões remotas da Amazônia.

Outro estudo realizado na Reserva Cuieiras (INPA), localizada na RMM à aproximadamente

60 km à norte-nordeste da capital, obteve medidas de ozônio próximo à superfície em torno de

15 ppbv para a mesma estação (Gerken et al., 2016). Valores baixas de ozônio durante meses

chuvosos ocorrem em resposta ao aumento da nebulosidade na Região, que atenua a radiação

limitando os processos fotoquímicos que formam ozônio. Na estação seca (junho a novembro)

os valores estimados médios de ozônio são em torno de 35 ppb da superfície até 850 hPa. Tais

valores corroboram com os encontrados por (Gerken et al., 2016), o qual observou a ocorrência

de alguns dias com concentração de ozônio acima de 35 ppb para o período do de junho a

dezembro, no entanto estes dias foram esporádicos e a média encontrada para o período

estudado foi em torno de 20 ppb.

Para o trimestre de DJF (período chuvoso) os valores de ozônio estão em torno de 45

ppb. Já no trimestre que compreende os meses de SON, que é caracterizado como período seco,

as concentrações de ozônio atingem o patamar de 65 ppb (Figura 6). Os valores encontrados

para esta analise sazonal estão em acordo com trabalhos realizados sobre a sazonalidade do

ozônio na baixa troposfera (Seinfeld e Spyros, 2006).

46

Figura 6 – Ciclo sazonal médio de ozônio em ppb na troposfera para a área de estudo.

Nas Figura 7a e 7b, são apresentados os perfis médios mensais de ozônio na estratosfera,

considerando o período de 2003 a 2014. Nestas figuras, observa-se que os valores médios de

ozônio são elevados quando comparados aos valores de ozônio encontrados na troposfera

(Figura 5a e 5b). Observa-se ainda uma variabilidade mensal com baixa amplitude nos valores

de ozônio, com menores concertações de ozônio no mês de julho, apresentando valores

próximos à 9000 ppb. Já os maiores valores no perfil de ozônio estratosférico, foram verificados

no mês de março e setembro, em torno de 11000 ppb. Esta baixa amplitude é devido à constante

formação e destruição de ozônio, realizada pela fotodissociação do oxigênio molecular (O2)

presente naturalmente na atmosfera (Vanloon e Duffy, 2000).

47

Figura 7 – (a) Perfil vertical médio anual e (b) Ciclo anual da concentração diária de ozônio em

ppb na estratosfera.

48

Observa-se ainda de forma geral que o valor da concentração de ozônio na estratosfera,

em torno de 12000 ppb, é aproximadamente 200 vezes maior que os valores encontrados na

troposfera (Figura 7Erro! Fonte de referência não encontrada.b). O comportamento do

ozônio nesta camada ocorre de maneira inversamente proporcional à pressão atmosférica,

conforme a pressão diminui a concentrações de ozônio aumenta. Nessa figura observa-se este

padrão de comportamento, com os maiores valores de ozônio entre 9000 – 12000 ppb estão

localizados entre os níveis de 60 e 20 hPa. Este resultado está condizente com a literatura, a

qual atribui elevadas concentrações de ozônio nesta camada à alta disponibilidade de radiação

de onda curta e densidade suficiente para permitir as colisões entre oxigênio molecular e

oxigênio atômico, processo crucial na formação de ozônio (Ayoade, 2012; Ibanez, 2013). Já as

menores concentrações de ozônio são observadas entre os níveis de 160 a 120hPa, estão em

torno de 1000 ppb.

Na Figura 8, apresentam-se os perfis médios sazonais de ozônio na estratosfera. Observa-

se que os valores máximos de ozônio estão aproximadamente no nível 30-40 hPa. Para o

trimestre dos meses de dezembro à fevereiro, os valores de ozônio atingem o patamar de 10400

ppb. No trimestre de julho à agosto os valores médios sazonais de ozônio estão em torno de

9400 ppb. Desta maneira, a distribuição da concentração de ozônio presente na estratosfera

tropical se caracteriza por pequenas variações durante as estações do ano (Kirchhoff, et al,

1991; Sahai et al, 2000). Baldwin et al., 2001, Ziemke e Chandra, 2012, mostram que na região

equatorial a variabilidade sazonal de ozônio estratosférico não é expressiva, e é modulada por

eventuais interações da circulação atmosférica tropical e extratropical.

49

Figura 8 – Ciclo sazonal médio de ozônio em ppb na estratosfera para área de estudo

Características da série temporal e anomalias de ozônio na Região Metropolitana

de Manaus.

É apresentada na Figura 9, a série temporal dos perfis troposférico de ozônio mensal para

o período de 2003 a 2014. Conforme discutido anteriormente, pode-se verificar que os valores

de ozônio aumentam com a altitude, assim como também se constata que os menores valores

são encontrados nos níveis de pressão atmosférica próxima à superfície. Além disso, as

concentrações de ozônio possuem uma variabilidade sazonal bem definida, com todos os anos

da série estudada apresentando comportamento semelhante entre si. Contudo, sobreposto ao

ciclo anual, variações interanuais podem ser notadas, como por exemplo no ano de 2010,

quando houve um aumento da concentração de ozônio troposférico, em relação aos demais

anos.

50

Figura 9 – Série temporal de ozônio mensal do perfil de ozônio na troposfera para o período

de 2003 a 2014.

Na Figura 10 é apresentada a série temporal dos perfis mensais de ozônio na

estratosfera. Menores valores de ozônio em torno de 1000 ppb são encontrados na tropopausa,

e atinge os valores de até 12000 ppb na alta estratosfera. Nesta região da atmosfera a

temperatura aumenta conforme perfil termodinâmico demonstrado na Figura 1. Do mesmo

modo que acontece para região da troposfera, sobreposta à variabilidade sazonal, flutuações de

ano para ano são notadas nessa figura.

51

Figura 10 – Série temporal de ozônio mensal do perfil de ozônio na estratosfera para o

período de 2003 a 2014.

A fim de se verificar as variabilidades não sazonais contidas nas séries de ozônio, as

anomalias em relação ao ciclo anual foram calculadas para todos os níveis atmosféricos. A

Figura 11 apresenta as anomalias de O3 sobre a RMM, para os níveis de pressão atmosférica

em 850 e 500 hPa. Observa-se inicialmente que as amplitudes dessas anomalias variam,

dependendo do nível analisado. Em 500 hPa os valores de anomalias de ozônio exibem maiores

amplitudes tanto para valores positivos quanto negativos, com anomalias positivas mais

intensas observadas no ano de 2010. Este resultado está consistente com (Dutra et al.,2012),

que utilizando dados estimados por satélite, para região Amazônica, também encontraram o ano

de 2010 como sendo o mais representativo para anomalias positivas de ozônio. Já os anos de

2003 e 2012 registraram anomalias negativas mais acentuadas que os demais anos da série. Os

resultados sugerem que variações interanuais, como por exemplo, as oscilações OQB e o

ENOS, podem ser modular as variações de ozônio troposférico.

52

Figura 11 – Série de anomalia de ozônio em ppb nos níveis de 850 e 500 hPa.

Na Figura 12, são apresenta as anomalias de ozônio para os níveis de pressão

atmosférica de 150 e 30 hPa respectivamente. Observa-se que o ciclo de anomalia de ozônio no

nível de 30 hPa difere do nível de 150 hPa. Nesse nível observa-se pequena amplitude entre os

valores positivos e negativos. Pode-se verificar também maior ocorrência de picos de anomalias

positivas na série de estudo, sendo que as anomalias mais intensas para esse nível ocorrem no

ano de 2010. Já para valores de anomalia negativa, o ano mais representativo foi verificado no

ano de 2005. Para o nível de 30 hPa, observa-se que as anomalias mais intensas também

ocorreram no ano de 2010, e os valores de anomalia negativa foram verificados no ano de 2012.

Em termos de magnitude são observados maiores valores de anomalia (positiva e negativa) de

ozônio de 30 hPa, isto é, devido à maior concentração de ozônio na estratosfera superior.

53

Figura 12 – Série de anomalia de ozônio nos níveis de 150 e 30 hPa.

4.2.1 Análise de ondeleta das series diárias de Ozônio para diferentes níveis de pressão

A seguir são apresentados os resultados das análises de ondeleta para as séries diárias

de Ozônio mediadas sobre a região metropolitana de Manaus para diferentes níveis de pressão.

O espectro de potência da ondeleta (EPO) foi definido como o quadrado do valor absoluto do

coeficiente da transformada ondeleta e dá uma medida da variância da série temporal em cada

escala e tempo. A média temporal do EPO resulta em um espectro de potência global (EPG) da

ondeleta, o qual é usado para avaliar as mudanças da variância considerando todo o domínio da

série temporal. Serão apresentados os perfis verticais do EPG para diferentes bandas de

variabilidade (anual, semianual, bienal e interanual) e os perfis relacionados à porcentagem que

cada banda de variabilidade representa dentro da variabilidade total (banda de 2 dias a 11 anos).

O perfil vertical de variância total de Ozônio, correspondente à série diária reconstruída na

banda de 2 dias a 11 anos é apresentado na Figura 13. Uma vez que esses valores são

normalizados para máxima variância igual a 1, pode-se dizer que a série reconstruída representa

em torno de 92 a 95% da variância em todos os níveis.

54

Figura 13 – Perfil vertical da variância média para a série diária reconstruída na banda de 2

dias a 11 anos. Valores estão normalizados em unidades de variância (1/σ2).

A Figura 14, apresenta o diagrama tempo versus altitude da variância média para as

escalas anual e semianual. Máximas variâncias na escala anual são observadas nos níveis

troposférico por todo o período de estudo, com máximo valor no ano de 2010. As variâncias na

escala semianual apresentam sinais mais intensos na baixa troposfera, por todo período de

estudo e estratosfera em torno de 5-20 hPa durante o período de 2008 a 2102.

55

Figura 14 – Diagramas tempo versus altitude da variância média para a escala anual

(esquerda) e semianual (direita). A escala de valores é apresentada em unidades de

variância.

O perfil vertical de variância anual (Figura 15) apresenta valores em torno de 0,8 da

superfície até 50 hPA, o que corresponde a aproximadamente 80% da variância anual contida

na banda total. Níveis acima, as máximas variâncias são em torno de 0,2 o que corresponde a

20% da variância anual contida na banda total.

56

Figura 15 – Perfil vertical da variância média para a série diária reconstruída na banda anual

(esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de variância

anual contida na banda total (direita).

Para a banda semianual (Figura 16), máximo valores em torno de 0,1 ocorrem na baixa

troposfera em 800 hPa e entre 1-10 hPa, com um máximo em 3 hPa. Esses valores

correspondem a 10% da variabilidade semianual contida na banda total.

57


semianual (esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de

variância semianual contida na banda total (direita).

A Figura 17, apresenta o diagrama tempo versus altitude da variância média para as

escalas bienal e interanual. Máximas variâncias nas escalas bienal e interanual são observadas

nos níveis estratosféricos, acima de 30 hPa, com máximos valores no período de 2008 a 2012.

58

Figura 17 – Diagramas tempo versus altitude da variância média para a escala bienal

(esquerda) e interanual (direita). A escala de valores é apresentada em unidades de

variância.

O perfil vertical de variância bienal (Figura 18) apresenta valores próximos de zero na

troposfera, em tono de 0,05 e 0,04 em 20 hPa e 1 hPa, respectivamente, o que equivale a

aproximadamente 4 e 5% da variabilidade total do ozônio. Para a banda interanual (Figura 19),

máximo na troposfera ocorre em 500 hPa, e na estratosfera entre 20-30 hPa e em torno de 1

hPA. Na troposfera a porcentagem da variância total é em torno de 0,2 %, enquanto na

estratosfera os valores chegam a 1,5 % em 20-30 hPa e 1% entre 1-10 hPa.

59

Figura 18 – Perfil vertical da variância média para a série diária reconstruída na banda bienal

(esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de variância

bienal contida na banda total (direita).

60


interanual (esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem de

variância interanual contida na banda total (direita).

A Figura 20 mostra o diagrama tempo versus altitude da parte real dos coeficientes da

ondeleta médios para as escala anual (esquerda) e semianual (direita) durante o ano de 2010.

Uma característica típica nesse tipo de diagrama é a possibilidade de analisar a propagação

vertical do Ozônio. Considerando a variabilidade anual, é notada uma propagação vertical do

Ozônio na baixa troposfera a partir da superfície até aproximadamente 700 hPa. Por outro lado,

em aproximadamente 150 hPa, o transporte é no sentido da estratosfera para a troposfera. Na

escala semianual, a propagação vertical de Ozônio ocorre na baixa troposfera, porém diferente

do ciclo anual, a propagação de Ozônio da estratosfera para a troposfera superior não é notada.

61

Figura 20 – Diagramas tempo versus altitude das anomalias médias na escala anual (esquerda)

e semianual (direita) da parte real dos coeficientes da ondeleta durante o ano de 2010.

A escala é apresentada em unidades de desvio padrão.

O diagrama tempo versus altitude da parte real dos coeficientes da ondeleta médios para

a escala bienal (esquerda) e interanual (direita) para o período de 2003 a 2014 são apresentados

na Figura 21. Nota-se nessas figuras que as anomalias se estendem por todo o perfil vertical

com máximas amplitudes na estratosfera tanto para a escala bienal como interanual.

62

Figura 21 – Diagramas tempo versus altitude das anomalias médias na escala bienal (esquerda)

e interanual (direita) da parte real dos coeficientes da ondeleta para o período de 2003

a 2014. A escala é apresentada em unidades de desvio padrão.

Para escala anual as máximas variâncias são observadas na troposfera em todo o período

de estudo, destaque para o ano de 2010, provavelmente associadas à quantidade de radiação

solar e a mudança das estações anuais. Nessa escala os sinais na estratosfera são considerados

sem relevância, com ciclo anual desconfigurado. Na escala semianual, pode-se verificar um

sinal bem definido, possivelmente relacionados às queimadas naturais ou antropogênicas que

ocorrem na região de estudo. Outro sinal verificado nessa escala está localizado em torno de 5

a 20 hPa durante o período de 2008 a 2012, que pode estar relacionado com a própria reversão

dos ventos na estratosfera. Sendo assim, aproximadamente 80% da variabilidade anual do

ozônio está contida na troposfera e cerca de 10% está inserida na variabilidade semianual.

Tanto na escala bienal e interanual, as máximas variações medias são encontradas em

níveis estratosféricos, acima de 30 hPa. Com valores significativos nos anos que vão de 2008 a

2012. Para o perfil de variância bienal, na troposfera os valores são próximos de zero, e entre 1

e 20 hPa essa variabilidade chega à 5% do total de ozônio. Na banda interanual, observa-se a

63

variância de 0,2% em 500 hPa, 1,5% entre 20 e 30 hPa e por fim de 1% no nível de 1 a 10 hPa.

Os resultados acima apresentados sugerem que em torno de 80% da variabilidade e ozônio na

atmosfera está associado à variações de alta frequência (anual e semianual) e os 20% restantes

estão correlacionados à oscilações de baixa frequência (OQB e ENOS).

4.2.2 Análise de ondeletas paras as series de anomalias mensais de ozônio

O perfil vertical de variância total de Ozônio, correspondente à série de anomalias

mensais reconstruída na banda de 2 meses a 11 anos é apresentado na Figura 22Figura 10. Uma

vez que esses valores são normalizados para máxima variância igual a 1, pode-se dizer que a

série reconstruída representa em torno de 88 a 89% da variância na troposfera e de 91-92 % na

estratosfera.


banda de 2 meses a 11 anos. Valores estão normalizados em unidades de variância

(1/σ2).

64

A Figura 23 apresenta o diagrama tempo versus altitude da variância média das séries

de anomalias mensais para as escalas anual (esquerda) e semianual (direita). Máximas

variâncias na escala anual estendendo por toda a coluna atmosférica são observadas no ano de

2010. A média temporal do perfil vertical de variância anual (Figura 24) apresenta máximos

valores em torno de 0,17 próximo a superfície, 0,1 em 200 hPa e 0,08 a patir de 100 hPa, o que

equivale a uma variância de aproximadamente 19, 12 e 8% da variabilidade anual contida na

variabilidade total. Na escala semianual, Figura 23 o pico de máxima variância mediada no

período de 2003-2014, é encontrado em torno de 100 hPa, correspondendo a aproximadamente

18% da variância semianual contida na banda total. Acima do nível de 30 hPa a variância

semianual do Ozônio fica em torno de 10%.


reconstruída para a escala anual (esquerda) e semianual (direita). A escala de valores

é apresentada em unidades de variância.

65


banda anual (esquerda). Perfil vertical da porcentagem de variância anual contida

na banda total (direita).

66

Figura 25 – Perfil vertical da variância média para a série de anomalias reconstruída na banda

semianual (esquerda). Perfil vertical da porcentagem de variância semianual

contida na banda total (direita).

O diagrama tempo versus altitude da variância média das séries de anomalias mensais

para as escalas bienal (esquerda) e interanual (direita), são apresentados na Figura 26. Para a

escala bienal, máximas variâncias na estratosfera ocorrem no período de 2008-2012, ao mesmo

tempo em que valores menos intensos atingem níveis troposférico. Máximas variâncias

interanuais também ocorrem nesse período de tempo, no entanto o sinal interanual na troposfera

é mais intenso em relação à escala bienal, e os máximas variâncias entre 200 – 50 hPa. Em

respostas à esses máximos, o perfis verticais mediados para todo o período de estudo (Figura

27 e 28) mostram máximas variâncias na escala bienal atingindo o valores em torno 15% (25%)

de variância bienal contida na variância total na baixa troposfera (acima de 30 hPa). Na escala

interanual, o pico máximo em torno de 5% de variabilidade interanual contida na banda total

ocorre em torno de 100 hPa.

67


reconstruída para a escala bienal (esquerda) e interanual (direita). A escala de valores

é apresentada em unidades de variância.

68


banda semianual (esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da porcentagem

de variância anual contida na banda total (direita).

69


banda interanual (esquerda) em unidades de variância. Perfil vertical da

porcentagem de variância anual contida na banda total (direita).

A Figura 29 apresenta os diagramas tempo versus altitude da parte real dos coeficientes

da ondeleta médios para a escala anual (esquerda) e semianual (direita) para o período de 2003

a 2014. Nota-se nessa figura que anomalias relativas ao ciclo anual ocorrem no ano de 2010 e

que as anomalias se estendem por todo o perfil vertical. Para a escala semianual maiores

anomalias no Ozônio troposférico ocorreram nos anos de 2004 e 2010. Na estratosfera, maiores

variações nesta escala temporal ocorreram nos anos de 2005, 2009 e 2011. Para as escalas bienal

e interanual (Figura 30), as anomalias de Ozônio na escala bienal (figura a esquerda) se

estendem por todo o perfil com máximos valores na estratosfera e no período de 2008-2010,

enquanto que máximas anomalias de Ozônio na escala interanual são notadas em torno de 120

hPa para todo o período analisado. Propagações verticais dessas anomalias parecem ocorrer em

direção tanto aos níveis troposféricos quanto estratosféricos.

70

Figura 29 – Diagramas tempo versus altitude das anomalias médias mensais na escala anual

(esquerda) e semianual (direita) da parte real dos coeficientes da ondeleta para o

período de 2003 a 2014. A escala é apresentada em unidades de desvio padrão.

71

Figura 30 – Diagramas tempo versus altitude das anomalias médias mensais na escala bienal

(esquerda) e interanual (direita) da parte real dos coeficientes da ondeleta para o

período de 2003 a 2014. A escala é apresentada em unidades de desvio padrão.

Aproximadamente 19% da variância da escala anual está contida na variabilidade total.

E cerca de 18% da variância da escala semianual é observada em torno de 100 hPa durante o

período de estudo. Na escala bienal, cerca de 25% da máxima variâncias são vistas na

estratosfera nos anos de 2008 a 2012, acima do nível de 35 hPa. Similarmente o mesmo sinal é

visto na troposfera, porém, com menor intensidade e em torno de 5% dessa variabilidade está

contida na banda total. Referente às variações interanuais, são vistas no mesmo período das

variações bienais, no entanto mais intensificado e as máximas variações estão entre os níveis

de 200 a 50 hPa, representando 5% da variabilidade interanual inserida na total.

72

Correlação entre a série de anomalia de ozônio em diferentes níveis de pressão

Nas Figura 31a e 31b, são apresentadas as correlações entre anomalias de ozônio

estratosférico e troposférico. Tais correlações foram mostradas para indicar relação entre o

ozônio presente em altos níveis e baixos níveis de pressão atmosférica (estratosfera/troposfera)

e assim verificar possíveis teleconexões entre níveis. As duas figuras citadas acima, apontam

correlação positiva, ou seja, uma variação positiva do ozônio na baixa troposfera é

acompanhada por uma variação positiva na estratosfera. Como forma de constatar a direção e

o grau de relacionamento linear entre os valores emparelhados de anomalia de O3 entre dois

níveis de pressão atmosférica, a Figura 31(a), temos o coeficiente de correlação de Pearson, de

aproximadamente 0,72. Similarmente isto também é verificado na Figura 31(b), a qual

apresenta um coeficiente de correlação em torno de 0,54 para as séries de anomalia de ozônio

correlacionadas entre o nível de 850 hPa e 30 hPa.

Nas Figura 32a e 32b, são mostradas as correlações entre séries de anomalias de ozônio

em 500 e 150 hPa e 500 e 30 hPa, respectivamente. Similarmente às Figura 31(a) e (b), essas

figuras apresentam correlação linear positiva para os dois casos. A Figura 32(a), possibilita

analisar a correlação das anomalias de ozônio encontradas em 500 hPa com as anomalias

observadas em 150 hPa. O coeficiente de correlação desta figura é de aproximadamente 0,79.

Já na Figura 32b, encontra-se um coeficiente de correlação linear de 0,63, para as anomalias de

ozônio entre os níveis de 500 e 30 hPa. Os resultados encontrados indicam que a variabilidade

do ozônio pode ser impulsionada por variações na circulação de grande escala, que por sua vez

está intimamente ligada à mudança no fluxo de massa (Zeng et al., 2010; Voulgarakis, et al.,

2011; Hess, e Zbinden, 2013).

73

Figura 31 – (a) Correlação linear da anomalia de O3 850 em hPa versus anomalia de O3 150hPa

e (b) Correlação linear da anomalia de O3 850 hPa versus anomalia de O3 30hPa

74

Figura 32 – (a) Correlação linear da anomalia de O3 em 500 hPa com nível de 150hPa. (b)

Correlação linear da anomalia de O3 em 500 hPa com nível de 30hPa.

75

Correlação entre os Índices de Variabilidade Climática e as séries de anomalias de

Ozônio.

Nas Figura 33a e 33b, são analisadas as correlações lineares entre os índices de

variabilidade climática ENOS e a anomalia de O3 nos níveis de pressão atmosférica

correspondente à troposfera (850 a 500 hPa). Ambas as figuras acima citadas, apresentam altas

indicações de correlação negativa, sendo a Figura 33a evidenciando um coeficiente de

correlação de Pearson de aproximadamente -0,45, para correlação do ENOS com anomalia de

ozônio em 850 hPa, e a Figura 33b com coeficiente de correlação em torno de -0,54 para

correlação entre as anomalias de O3 em 500 hPa e o ENOS. Esse resultado demonstra que uma

variável responde inversamente proporcional à outra, observa-se ainda que há uma anti-

correlação maior entre o ozônio presente na média troposfera (500 hPa) e o índice ENOS.

Tanto na Figura 33a quanto na Figura 33b, observa-se que para valores positivos do

ENOS, ou seja, em anos de ocorrência de El niño, valores de anomalia negativa de ozônio são

encontrados. O El niño é caracterizado por anomalias de TSM positivas nas águas do Oceano

Pacífico Central-Leste, que alteram o campo de pressão e modificam a configuração da

circulação de grande escala (Circulação de Walker), que passa à apresentar um ramo subsidente

sobre o leste da Amazônia, ocasionando menos convecção e consequentemente diminuição de

ozônio na Região. Por outro lado, também se observa em ambas as figuras que para anos de La

Niña, ou seja, para valores negativos do ENOS são mostrados valores de anomalias positivas

de ozônio.

Os resultados encontrados nessa análise, sugerem que possivelmente o aumento de

ozônio na área de estudo, correlaciona-se com anos de ocorrência de La Niña, quando a célula

de Walker fica mais alongada, e configura um ramo ascendente sobre a Amazônia,

proporcionado dessa forma aumento de convecção e precipitação acima da média para a Região.

Resultados semelhantes também foram encontrados para área tropical do hemisfério norte por

Neu et al., (2014). Eles observaram que durante o El Niño, a diminuição do ozônio troposférico

estava associada a diminuição da convecção sobre a região ocidental do oceano Pacífico, uma

vez que a mudança da circulação de grande escala transfere intensidade de movimentos

ascendentes para o centro/leste do Pacífico, verificaram também que o inverso acontecia em

anos de La Niña, relacionando as anomalias de ozônio com as mudanças na ressurgência

tropical.

76


entre anomalia de ozônio em 500 hPa e o ENOS.

77

Nas Figura 34a e 34b, são apresentadas as correlações lineares entre os índices de

variabilidade ENOS e os valores de anomalia de O3 nos níveis de 150 e 30 hPa. Na Figura 34a

o coeficiente de correlação entre o ENOS e as anomalias de ozônio presente no nível de 150

hPa é de -0,52. Já na correlação entre o ENOS e a anomalia de O3 encontrados no nível de 30

hPa (Figura 34b), este coeficiente é da ordem de -0,40. Os valores encontrados para o

coeficiente de Pearson para as duas figuras analisadas, mostram correlação negativa entre as

duas variáveis em questão, com destaque para anti-correlação maior entre as anomalias de

ozônio na alta estratosfera (30 hPa) e o índice de variabilidade climática ENOS. Tais resultados

estão de acordo com os valores encontrados nos níveis representativos para troposfera (850 e

500 hPa) citados nas figuras anteriores (Figura 33a e 33b).

78


entre anomalia de ozônio em 30 hPa e o ENOS.

79

Nas Figura 35a e 35b, são apresentadas correlações lineares entre as anomalias de O3 e

o índice de variabilidade climática OQB, para os níveis de 850 e 500 hPa respectivamente.

Observa-se que as duas figuras apresentam correlação linear positiva, com coeficiente de

Pearson entre OQB e as anomalias de O3 em 850 hPa, de aproximadamente 0,68. Similarmente

é observado coeficiente de correlação de 0,66 para anomalias de ozônio em 500 hPa e a OQB.

Os resultados observados demonstram que uma variável responde diretamente proporcional à

outra, pode-se observar ainda nestas figuras, que os coeficientes de correlação linear apresentam

valores próximos para os dois casos estudados, sugerindo assim uma continuidade de correlação

positiva entre a OQB e todo o perfil de anomalia de ozônio na troposfera.

Contata-se também que as Figura 35a e 35b apresentam um comportamento semelhante

entre si. Para valores positivos da Oscilação quasi-bianual, são encontradas anomalias positivas

de ozônio. Por outro lado, para valores negativos da OQB são observadas anomalias negativas

de ozônio.

80


anomalia de ozônio em 500 hPa e a OQB.

81

São apresentadas as correlações lineares entre os valores de anomalia de ozônio e o

índice de OQB para os níveis de 150 e 30 hPa (Figura 36a e Figura 36b). Observa-se ainda nas

duas figuras fortes indícios de correlação positiva entre ozônio e a OQB. A Figura 36a, mostra

um coeficiente de correlação de 0,59 para anomalias de ozônio em 150 hPa e o índice de

Oscilação quase-bienal. Na Figura 36b, pode-se verificar que esse coeficiente está em torno de

0,65 para anomalia de O3 em 30 hPa e a OQB. Para os dois níveis analisados, observa-se que

para valores positivos de OQB, valores de anomalia positiva de ozônio são verificados, e para

valores negativos da Oscilação, são encontrados valores negativos de anomalia de ozônio.

Valores positivos da Oscilação quase-bienal, o vento é predominantemente de Oeste, já para

ventos provenientes de Leste o valor da OQB é negativo. Esses períodos de alternância dos

ventos na estratosfera são comumente relatados na literatura como: fase Oeste, tipicamente

possui a duração de 13 a 16 meses e a fase Leste, que persiste geralmente por 12 a 15 meses,

da Oscilação quase-bienal (Baldwin et al., 2001; Lee, et al., 2010; Ziemke e Chandra, 2012).

Os resultados obtidos sugerem que existe uma quantidade substancial de evidências para

influências da OQB na variabilidade do ozônio na estratosfera tropical (Dunkerton e Baldwin.,

1991; Randel e Wu, 1996; Baldwin et al., 2001). A correlação positiva entre a OQB e as

anomalias de ozônio, tanto na troposfera quanto na estratosfera, indicam que a fase Oeste

(valores positivos de OQB), está associada a um padrão de circulação vertical que produz

movimento descendente nos trópicos, que consequentemente enfraquece a circulação

meridional (Brewer–Dobson), assim o transporte do ar fica mais lento, gerando saldo de

anomalia positiva de ozônio nessa Região. Em contrapartida, na fase Leste (valores negativos

OQB), o padrão de circulação gera movimentos ascendentes nos trópicos, que por sua vez

acelera a Circulação Brewer–Dobson e a produção de ozônio tem menos tempo para acontecer,

resultando em anomalia negativa de ozônio na Região Tropical (Baldwin et al., 2001; Randel

et al., 2009; Hess, e Zbinden, 2013; Neu et al., 2014).

82


anomalia de ozônio em 30 hPa e a OQB.

83

Estudo de caso.

Esta seção tem por objetivo selecionar e a analisar o perfil vertical de ozônio, com

anomalias positivas de suas concentrações superiores à 2 desvios padrões da série de ozônio,

para as estações seca e chuvosa no período de 2003 a 2014. Neste intuito, são analisados de

qual maneira o estado da atmosfera e os mecanismos atuantes nestes dias selecionados, tais

como: nebulosidade, queimadas e CO, influenciam na variabilidade diária da concentração de

ozônio presente na troposfera sobre a Região Metropolitana de Manaus.

4.5.1 Estação Seca

Na estação seca foi avaliada qualitativamente a concentração de ozônio nos dias 09, 10

e 11 de outubro do ano de 2010, com os dados de queimadas, nebulosidade e os perfis verticais

de monóxido de carbono, a fim de compreender como tais variáveis estão associadas à

variabilidade do comportamento do perfil vertical médio climatológico do ozônio.

Neste sentido, são apresentados na Figura 37 os perfis verticais médios de ozônio para

outubro de 2010, o perfil vertical climatológico para outubro (2003-2014) e os perfis verticais

individuais para os dias 09, 10 e 11 do mesmo mês. Esses três dias foram selecionados para

estudos de caso da estação seca, pois apresentaram perfil vertical com valores de ozônio acima

do perfil vertical médio de outubro de 2010, assim como mostram valores superiores ao perfil

vertical climatológico, sendo o dia 11 o mais acentuado, com concentrações de O3 entre 38 ppb

próximos à superfície e 76 ppb na média troposfera.

84

Figura 37 – Perfil vertical de O3 troposférico dos dias 09,10 e 11 de outubro de 2010, perfil

médio de outubro de 2010 e perfil médio de outubro (2003-2014).

Na Figura 38, são apresentados os perfis de CO correspondentes aos mesmos dias e

médias daqueles da Figura 37. Observa-se nessa figura que os perfis verticais de CO dos dias

09, 10 e 11 apresentam valores de concentração maiores tanto em relação ao perfil médio do

mês de outubro, o qual varia de 130-165 ppb, quanto do perfil vertical climatológico que está

em torno de 120 a 135 ppb, sendo o dia 09 o mais acentuado, atingindo o patamar de 120 a 230

ppb. Já para os demais dias, os valores de CO variam entre 145 a 220 ppb para o perfil do dia

10 e de 150 a 225 ppb para dia 11.

Segundo dados de números de focos de queimada, extraídos do site do Instituto

Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), sobre a região de estudo, no dia 09 de outubro de 2010

foram registrados 127 focos de queimadas e nos dias 10 e 11, foram observados

aproximadamente 30 focos de queimada. Esses valores indicam que valores máximos no perfil

de CO, principalmente no dia 09/10/2010, podem estar associados às ocorrências de focos de

queimadas. Sendo assim, sugere-se que variações nas concentrações de CO resultam em parte

da queima de biomassa na Amazônia. Os resultados observados são consistentes com os de

Dutra, et al. ,(2012), e Artaxo et al. (2013). Ainda, ao analisar a variabilidade do perfil de CO

85

e O3 para os três dias selecionados, observou-se que qualitativamente que o aumento de ozônio

na troposfera pode estar ligado ao aumento das concentrações de CO na atmosfera como

discutido em trabalhos anteriores como os de Kirchhoff (1996) e Longo et al. (1999).

Figura 38 – Perfil vertical de CO na troposfera dos dias 09, 10 e 11 de outubro de 2010, perfil

médio de 2010 e perfil médio de outubro (2003-2014).

4.5.2 Estação chuvosa

Na Figura 39, são apresentados os perfis verticais de O3 médio do mês de dezembro de

2010 e o perfil vertical climatológico dezembro, levando-se em consideração o período

estudado (2003-2014). São apresentados ainda os perfis verticais dos dias 07, 09 e 25 no mês e

ano acima citados. Observa-se no perfil vertical climatológico que os valores de ozônio variam

de 22 a 52 ppb. Esses valores são similares aos observados no perfil médio de dezembro de

2010, que apontam as concentrações de ozônio variando de 23 a 56 ppb, aproximadamente.

Durante este mês foi observado que os dias 07, 09 e 25 apresentaram valores de ozônio

superiores, tanto aos valores encontrados no perfil vertical climatológico, quanto do perfil do

86

mês de dezembro. Com destaque para o perfil de ozônio do dia 07, o qual foi identificado uma

variação de 28 a 64 ppb, seguido do dia 09 com valores de ozônio em torno de 26 a 60 ppb e,

por fim, o dia 25 que registrou de 26 a 56 ppb.

Figura 39 – Perfil vertical de O3 troposférico dos dias 07, 09 e 25 de dezembro de 2010, perfil

médio de 2010 e perfil médio de dezembro (2003-2014).

No intuito de analisar o aumento pronunciado de ozônio para esses três dias específicos

do mês de dezembro, avaliou-se inicialmente o perfil de CO para os dias selecionados. Na

Figura 40 são mostrados os perfis verticais de CO, médios para dezembro de 2010, o perfil

vertical climatológico para dezembro, e os perfis de CO dos dias 07, 09 e 25 do referido mês.

Observa-se no perfil vertical de CO médio de dezembro que as concentrações diminuem com

a altura e atingem os valores da ordem de 85 ppb em 200 hPa e 120 ppb em superfície. Valores

semelhantes nesses níveis também foram observados no perfil vertical climatológico, porém na

média troposfera os valores climatológicos superam os valores médios de dezembro de 2010

em torno de 10 a 15 ppb. Ao analisar o perfil de CO dos dias 07, 09 e 25, é visível uma

diminuição dos valores de concentração de CO nos níveis inferiores a 700 hPa. Acima desse

87

nível, exceto no dia 9, os valores de CO ultrapassam o valor médio do mês, no entanto ficam

abaixo do valor médio climatológico.

Com base nesses perfis, diferente do que acontece na estação seca, não é possível, obter

uma relação entre o aumento de CO, devido às queimadas e o aumento de ozônio. Para estes os

dias 07 e 25 não foram registrados focos de queimadas sobre a região do estudo. Por outro lado,

foi verificado qualitativamente baseando-se em imagens de Satélite (APENDICE G e H), um

aumento de nebulosidade na área de estudo. Sugerindo assim que as taxas de ozônio acima da

média para os dias 07 e 25, possivelmente estejam associadas à dinâmica de trocas convectivas

que ocorrem dentro da troposfera. Estes resultados estão em concordância com diversos estudos

realizados na Região Equatorial (Betts et al., 2002; Gerken et al.,2016).

Figura 40 – Perfil vertical de CO na troposfera dos dias 07, 09 e 25 de dezembro de 2010,

perfil médio de 2010 e perfil médio de dezembro (2003-2014).

88

5 CONCLUSÃO

O presente trabalho teve como objetivo principal compreender melhor as variações

temporais do perfil vertical de Ozônio e suas relações com as variabilidades climáticas de

grande escala e de em escala local sobre a RMM no período de 2003 a 2014. Para isso, foram

utilizados os perfis estimados pelo sensor AIRS, a bordo do satélite AQUA, os dados de índice

climático ENOS e OQB e por fim dados de nebulosidade e focos de queimadas para a região

de estudo.

Primeiramente foi realizado um estudo do comportamento médio do ozônio na RMM,

a fim de caracterizar os ciclos mensais e sazonais do ozônio tanto na troposfera quanto na

estratosfera. Com relação à variabilidade do perfil vertical médio mensal de O3 presente na

baixa atmosfera, foi possível observar que os menores valores na concentração desse gás são

apresentados no mês de maio, assim como as maiores concentrações médias são verificadas no

mês de outubro. Analisando o perfil médio de ozônio na estratosfera, os resultados mostram

que os menores valores são observados no mês de julho e os maiores são vistos nos meses de

março e setembro.

Os resultados também mostram que os valores de ozônio na troposfera, atingem ao

patamar de 65 ppb, enquanto que na estratosfera as concentrações podem chegar à 12000 ppb.

Isso indica que de forma geral, a concentração de ozônio na estratosfera pode ser de até 200

vezes maior que os valores observados em baixos níveis, consistente com valores encontrados

na literatura. Tal amplitude está fortemente associada à maior disponibilidade de radiação solar

na estratosfera, quando se compara o índice de radiação de ondas curtas que chegam à

superfície.

Ao se analisar o ciclo sazonal do O3 troposférico, encontrou-se valores mínimos na

estação chuvosa e máximos na estação seca, sugerindo que esse ciclo possivelmente está

condicionado às condições atmosféricas, pois nos meses chuvosos com o aumento da

nebulosidade, há uma diminui a entrada de radiação solar, que é chave crucial na formação do

ozônio em superfície. O contrário foi observado para os meses considerados secos na RMM.

Nesse período a nebulosidade é diminuída, logo aumenta a inserção de radiação solar, tornando

as condições atmosféricas favoráveis para potencializar as reações químicas para formação de

ozônio me baixos níveis da atmosfera. Referente ao ciclo sazonal do ozônio na estratosfera, foi

89

possível observar que sua variabilidade não é expressiva e a amplitude nas concentrações de

ozônio é pequena quando se compara uma estação com a outra.

Posteriormente foi analisado as oscilações naturais que ocorrem nas séries diárias e

mensais de Ozônio para o período de 2003 a 2014, tanto na estratosfera como na troposfera

sobre a RMM. As oscilações naturais foram analisadas para as escalas anual, semianual, quase-

bienal e interanual. As variações sazonais do ozônio, na escala anual são dominantes na

troposfera, enquanto que a variação semianual surge na baixa troposfera e na estratosfera. Em

relação às escalas, quase bienal e interanual, estas são presentes na média estratosfera e na baixa

estratosfera, respectivamente e com menos intensidade na média troposfera. Os resultados

apresentados neste trabalho, sugerem que aproximadamente 80% da variabilidade e ozônio na

atmosfera está associado às variações anuais e semianuais, que provavelmente estão

correlacionadas à alta disponibilidade de radiação solar e à troca de estação do ano. E os 20%

restantes estão correlacionados às oscilações de baixa frequência (OQB e ENOS). A reversão

do vento zonal na estratosfera acelera/intensifica a circulação meridional, o que provoca

anomalia negativa/positiva de ozônio na região Equatorial. Com relação ao ENOS, a associação

se dá pelo aumento/diminuição de convecção. Na área de estudo, anos de El Niño gera mais

convecção, logo anomalias negativas são vistas e em anos de La Niña a convecção aumenta e

consequentemente aumento nas concentrações de Ozônio. Quando se retira o ciclo anual,

verifica-se que as anomalias de ozônio ocorrem no ano de 2010 e que as anomalias se

prolongam por todo o perfil vertical. Para escala semianual, 18% da variância ocorre próximo

a superfície e aproximadamente 10% acima de 30 hPa. Na escala bienal cerca de 15% da

variância contida na variância total é observada na baixa troposfera e 25% é vista na estratosfera

acima de 30hPa e analisando a escala interanual cerca de 5% da variabilidade está contida na

banda total e é mais expressiva no nível de 120 hPa.

A relação entre a variabilidade do ozônio presente na estratosfera e na troposfera foi

avaliada considerando níveis padrões atmosféricos, sendo os níveis de 850 e 500 hPa,

representativo para troposfera e os níveis de 150 e 30 hPa representando a estratosfera. Os

resultados apontam um índice de correlação linear de Pearson positivo, ou seja, para variações

positiva do ozônio na troposfera é acompanhada por variações positivas na estratosfera.

Referente as análises de correlação do ozônio com os índices de variabilidade climática, esse

estudo obteve valores para o Índice de Correlação de Pearson em torno de -0,40 e -0,54 entre a

anomalia de O3 e o ENOS, indicando anti-correlação entre as duas variáveis. Em anos de

90

ocorrência de El Niño, foi observado diminuição nos valores de ozônio e em anos de La Niña

é verificado aumento nos níveis de ozônio na área de estudo. Já para as análises de correlações

com os índices da OQB e o ozônio troposférico e estratosférico, os valores do Coeficiente de

Pearson são positivos, variando de 0,59 a 0,68, significando que para valores

positivos/negativos da OQB, foi verificado valores positivos/negativos de ozônio nas duas

camadas estudadas.

Por fim em relação ao estudo de caso, foi verificado que variabilidade do perfil de

ozônio para os três dias estudados da estação seca, se observou o aumento de ozônio na

troposfera pode estar ligado ao aumento das concentrações de CO na atmosfera

predominantemente resultante da queima de biomassa na Região Amazônica. Já durante a

estação chuvosa, o perfil de ozônio pode ser influenciado pela dinâmica de trocas convectivas

que ocorrem dentro da troposfera na área de estudo. Tais conclusões, reforçam a importância

das condições atmosféricas na variabilidade do perfil de ozônio em baixos níveis.

Para trabalhos futuros sugere-se realizar estudo sobre para compreender melhor os

processos físicos e químicos que interferem na variabilidade anual e semianual do ozônio, assim

como também investigar a correlações as anomalias positivas e negativas do ozônio na Região

Metropolitana de Manaus, com os índices de variabilidade climática da OQB, ENOS e Umidade

Relativa.

91

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98

7 APÊNDICE

APÊNDICE A – Índice de ENOS para os anos de 2003 – 2014, Adaptado NOAA (2016)

99

APÊNDICE B – Índice de OQB para os anos de 2003 – 2014, Adaptado NOAA (2016)

100

APÊNDICE C – Desvio padrão de Ozonio para a série de estudo para os meses de dezembro,

janeiro e fevereiro.

101

APÊNDICE D – Desvio padrão de Ozonio para a série de estudo para os meses de março, abril

e maio.

102

APÊNDICE E – Desvio padrão de Ozonio para a série de estudo para os meses de junho, julho

e agosto.

103

APÊNDICE F – Desvio padrão de Ozonio para a série de estudo para os meses de setembro,

outubro, novembro.

104

APÊNDICE G – Campos diários de precipitação (mm/dia) estimados por satélite para os dias

09 (a), 10 (b) e 11 (c) de outubro de 2010.

(a)

(b)

(c)

105

APÊNDICE H – Campos diários de precipitação (mm/dia) estimados por satélite para os dias

07 (a), 09 (b) e 25 (c) de dezembro de 2010.

(a)

(b)

(c)

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