Estimativa da Profundidade Óptica do Aerossol Profa. Marcia Yamasoe Meteorologia por Satélites.
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Estimativa da Profundidade Óptica do Aerossol
Profa. Marcia YamasoeMeteorologia por Satélites
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Revisão
• Aerossóis podem trazer danos à saúde da população por penetrar no sistema respiratório
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3Fonte: Guarieiro & Guarieiro, 2013 (http://dx.doi.org/10.5772/52513)
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Revisão
• As partículas de aerossol interagem direta e indiretamente com a radiação– Diretamente por absorção e espalhamento de radiação
solar. – Partículas da moda grossa, como poeira, podem
também espalhar, absorver e emitir radiação terrestre.– Indiretamente, por atuarem como núcleos de
condensação de nuvens, podendo alterar as propriedades microfísicas e ópticas das nuvens, como seu albedo
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Importância para a Meteorologia
• Absorção e espalhamento reduzem a quantidade de radiação incidente em superfície
• Portanto, menos energia disponível para aquecer a superfície e evaporar água
• Menos intensos são os fluxos de calor sensível e calor latente
• Atmosfera mais estável
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Forçante radiativa direta do aerossol emitido por queimadas em 24h (Rosário et al., 2013)
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A longo prazo
• O déficit de energia pode contribuir para o resfriamento do planeta
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8IPCC, 2013
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Transferência Radiativa
𝐼𝜆ሺ0,+μ,φሻ= 𝐼𝜆ሺ𝜏,+𝜇,𝜑ሻ𝑒−𝜏𝜇
+ 𝜇0𝜇0 +𝜇𝑆0𝜆𝜔𝜆4𝜋𝑝(λ,−𝜇0,𝜑0,+𝜇,𝜑)൜1−exp−𝜏൬1𝜇0 + 1𝜇൰൨ൠ +නඵ 𝐼𝜆4𝜋
0𝜏 ሺ𝜏′,𝜇′,𝜑′ሻ𝑝(λ,𝜇′,𝜑′,+𝜇,𝜑)𝜔𝜆4𝜋exp−1𝜇ሺ𝜏−𝜏′ሻ൨𝑑𝜇′𝑑𝜑′𝑑𝜏′
Profundidade óptica
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Técnicas de sensoriamento remoto da AOD
• AOD -> profundidade óptica do aerossol, do inglês, aerosol optical depth
• Fotometria a partir da superfície– Alta precisão e exatidão (referência)– Alta resolução temporal– Informação local
• Satélites– Informação regional– Depende da passagem do satélite
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AERONET (Holben et al., 1998)
(http://aeronet.gsfc.nasa.gov)
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Fotometria solar
Ioλ
Iλ
Lei de Beer:
Iλ = Ioλexp(-τλ.m)
Sinal medido provém apenas da atmosfera
TOA
superfície
τλ
z∞
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onde
τ = τRayleigh + τaerossol + τgás + τnuvem
• É possível determinar τRayleigh
• Adotam-se comprimentos de onda nos quais a absorção gasosa é mínima, em geral, no visível e infravermelho próximo
• Casos contaminados por nuvens são descartados
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Sensoriamento remoto via satélite
Measured signal comes from the atmosphere and the surface
http://aqua.nasa.gov/ & http://www.nc-climate.ncsu.edu/secc_edu/images/ubhigraph.gif
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Transferência Radiativa
𝐼𝜆ሺ0,+μ,φሻ= 𝐼𝜆ሺ𝜏,+𝜇,𝜑ሻ𝑒−𝜏𝜇
+ 𝜇0𝜇0 +𝜇𝑆0𝜆𝜔𝜆4𝜋𝑝(λ,−𝜇0,𝜑0,+𝜇,𝜑)൜1−exp−𝜏൬1𝜇0 + 1𝜇൰൨ൠ +නඵ 𝐼𝜆4𝜋
0𝜏 ሺ𝜏′,𝜇′,𝜑′ሻ𝑝(λ,𝜇′,𝜑′,+𝜇,𝜑)𝜔𝜆4𝜋exp−1𝜇ሺ𝜏−𝜏′ሻ൨𝑑𝜇′𝑑𝜑′𝑑𝜏′
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Transferência Radiativa
𝐼𝜆ሺ0,+μ,φሻ= 𝐼𝜆ሺ𝜏,+𝜇,𝜑ሻ𝑒−𝜏𝜇
+ 𝜇0𝜇0 +𝜇𝑆0𝜆𝜔𝜆4𝜋𝑝(λ,−𝜇0,𝜑0,+𝜇,𝜑)൜1−exp−𝜏൬1𝜇0 + 1𝜇൰൨ൠ +නඵ 𝐼𝜆4𝜋
0𝜏 ሺ𝜏′,𝜇′,𝜑′ሻ𝑝(λ,𝜇′,𝜑′,+𝜇,𝜑)𝜔𝜆4𝜋exp−1𝜇ሺ𝜏−𝜏′ሻ൨𝑑𝜇′𝑑𝜑′𝑑𝜏′
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Para derivar a AOD:
• É necessário efetuar correções devido à refletância da superfície
• Algumas hipóteses sobre os aerossóis são necessárias:– Distribuição de tamanho– Albedo simples– Função de fase, etc
=> Estimativa é indireta!!!
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Alguns métodos
• Canal único sobre o oceano – AVHRR• Vegetação densa e escura – MODIS• Contraste térmico - Meteosat e AVHRR• Ângulos distintos – MISR• Polarização – POLDER• LIDAR – CALIOP
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Canal único sobre o oceano
• AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)
• Oceano apresenta baixa refletância na região espectral do visível, portanto, seu efeito sobre o sinal medido é pequeno
• Método com estimativas desde 1978• Permite análise climatológica da AOD
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Hipóteses
• O aerossol tem as mesmas características em todo o globo:– albedo simples unitário– Distribuição de tamanho monomodal,
concentrada na moda fina
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O método• Comparação da radiância medida com valores
tabelados• Tabelas (look-up tables) geradas com o auxílio de um
código de transferência radiativa utilizando diferentes geometrias e valores de profundidade óptica do aerossol (τ).
Se
Iλ(-μ0,φ0,+μ,φ)medido - Iλ(τ,-μ0,φ0,+μ,φ)tabelado< erro
=> τ = profundidade óptica do aerossol no instante da passagem do satélite
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Desvantagem
• Dados disponíveis somente sobre o oceano• Propriedades do aerossol (albedo simples,
tamanho) dependem das fontes emissoras• Principais fontes estão sobre o continente.
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Sobre os continentes
• Alta variabilidade dos tipos de superfície:– Desertos– Florestas– Áreas urbanas– Neve– Lagos e outros corpos aquáticos
=> Necessidade de minimizar efeito da refletância da superfície
• Como?
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Vegetação densa e escura
• Algoritmo operacional, sobre o continente, do sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo dos satélites Terra e Aqua
• Em geral, há dependência espectral da eficiência de espalhamento devido aos aerossóis
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Correlação entre a refletância de superfície no visível e infravermelho próximo
Símbolos abertos l = 0,66 mm
Símbolos fechados l = 0,49 mm
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Correlação entre a refletância de superfície no visível e infravermelho próximo – versão original
rsup(0,49mm) = 0,25 rsup (2,1mm)
rsup(0,66mm) = 0,5 rsup (2,1mm)
Sem efeito do aerossol em 2,1mm, isto é, aerossol é transparente nesse comprimento de onda
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0.47 µm 0.55 µm 0.66 µm 1.23 µm 1.65 µm 2.13 µm
Fumaça de queimadas na Australia – Dez. 25, 2001
Poeira Africa Ocidental – Jan. 7, 2002
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• Na versão atual, a radiância espectral medida no IVP contém informação sobre aerossol da moda grossa e refletância da superfície
• Correções devido aos efeitos da superfície, no visível, ainda são feitas a partir da refletância no IVP, mas se tornaram mais complexas, apresentando dependência com :– geometria de espalhamento (superfície pode não
ser lambertiana) e – tipo de superfície (urbana, vegetação densa ou
gramínea)
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Algoritmo é baseado em três modelos de aerossol da moda fina:
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O Método
• Seleção de pixels escuros a partir do canal de 2,1 μm
• Comparação das radiâncias espectrais medidas com valores tabelados
• Tabelas são geradas para diferentes geometrias, tipos de aerossol (das modas fina e grossa), AOD, refletâncias de superfície
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Valor médio mensal de τ550nm para o mês de setembro MODIS Terra (Rosário, 2011)
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AOD em 550 nm do MODIS em 01/09/2007 – transporte sobre São Paulo
Terra Aqua