Caracterização fisico-química de aerossóis no experimento Goamazon2014/15: a interação entre emissões urbanas de Manaus com emissões naturais da floresta

Atmospheric aerosols play an important role in human-induced climate change because of their effects on solar insolation and cloud processes. The direct and indirect effects of aerosols on Amazonian climate have been studied in recent years. The Amazonian forest is linked to the mechanisms that control atmospheric concentration of critical trace gases and particles, changing the physical chemical and biological properties of this environment. The natural biogenic sources emitted by vegetation are linked to the mechanisms of cloud microphysics and precipitation production, to the atmospheric radiation balance and to nutrient cycling, which in turn may affect important processes in the ecosystem. However, the sharp population growth of large urban centers in the Central Amazon has interfered with these mechanisms in a still unknown way. The understanding of these natural processes that regulate the atmospheric composition in Amazonia is an essential step for the establishment of a sustainable development strategy in the region. Here, we show for the first time the impact of urban emissions of the Manaus on the chemical and physical composition of natural aerosols in the Central Amazon. Using emission ratios of inert chemical species and a simulated set of air masses back-trajectories over the experimental sites, the chemical signature of the pollution plume was determined and thus the effects generated on the physico-chemical properties of aerosols, downwind of the city. An increase corresponding to 8 to 10 and 2 to 4 multiplicative factors in the total particle concentration (CN), black carbon (BC) and ozone (O3) when compared to natural forest conditions. On the average it was observed that the Manaus urban plume emission affects areas downwind with particle number usually above 3000-4000 cm-3 and BC concentrations often above 1000 ngm-3. The SO2 concentrations are in the range of 0.20-0.30 ppbv during the wet season, but can reach up to 0.60 ppbv in the dry season, contributing greatly to the fine fraction and greater increase scattering. A significant increase of around 40% in the concentration of organic aerosols (OA) attributed to the formation of secondary organic aerosol during transportation 4-6h between experimental sites was found. Also, a clear evolution in the distribution of particle size of ~ 50-100nm (Aitken to accumulation mode), and up to 30% reduction in the total concentration of aerosols (CN) was found, attributed here, especially to the formation of secondary organic aerosols (SOA), condensation of inorganic materials and of organic oxidation products. In addition to the changes in the chemical composition of natural aerosol of the pristine forest, various optical properties have also been changing with potential effects on the ecosystem. Absorption and scattering coefficients increased by multiplicative factors 3.0 and 1.8 in respect to the pristine forest conditions, respectively. The SSA, that is a key parameter in determining the climatic effects of aerosols, is strongly altered and reduced by about 10-15% under the direct influence of the city's emissions. The observed changes in the characteristics of the population of aerosols downwind the city (size distribution, quantity and chemical composition) may be changing significantly important properties of clouds, such as albedo and precipitation, thus contributing to impacts on the hydrological cycle and changes in radiative transfer rates, with consequences (indirect) still unknown for photosynthesis rates.Aerossóis atmosféricos desempeham um papel importante na mudança climática induzida pelo homem, alterando os processos de transferência radiativa e de formação de nuvens. Os efeitos diretos e indiretos dos aerossóis atmosféricos no clima da Amazonia têm sido estudados intensivamente nos últimos anos. A floresta Amazônica interage intrinsecamente com a atmosfera absorvendo e emitindo gases e partículas e, assim, controlando as características físico-químicas e biológicas naturais do ecossistema. As emissões de partículas biogênicas são fundamentais para os mecanismos de produção de nuvens, balanço de radiação solar e ciclagem de nutrientes. No entanto, o crescimento acentuado de grandes núcleos urbanos na Amazônia Central tem interferido nestes mecanismos de forma ainda desconhecida. Entender os processos naturais e antrópicos que regulam a composição natural da atmosfera é fundamental para que se possam desenvolver estratégias de desenvolvimento sustentável na região. Aqui, mostram-se pela primeira vez os impactos das emissões urbanas da cidade de Manaus na composição química e física dos aerossóis naturais de floresta da Amazônia Central. Utilizando razões entre espécies químicas inertes e um conjunto de retro trajetórias de massas de ar simuladas entre os sítios experimentais, foi possível determinar a assinatura química da pluma de poluição e, com isso, os efeitos gerados sobre as propriedades físico-químicas dos aerossóis, vento abaixo da cidade. Foi observado um aumento, respectivo, de 8-10 e de 2-4 fatores multiplicativos na concentração total das partículas (CN), black carbon (BC) e Ozônio (O3), em relação às condições naturais da floresta. As emissões de Manaus afetam áreas, vento abaixo, com número de partículas normalmente acima de 3000-4000 cm-3 e concentrações de BC frequentemente acima de 1000 ng/m³ (em média). As concentrações de SO 2 são da ordem de 0,20-0,30 ppbv durante a estação chuvosa, mas podem chegar até 0,60 ppbv na estação seca, contribuindo fortemente para a fração fina de partículas mais espalhadoras. Um aumento importante de 40% na concentração de aerossóis orgânicos (OA) foi observado e atribuído à formação de aerossóis orgânicos secundários durante o transporte de 4-6h entre os sítios experimentais. Encontrou-se clara evolução na distribuição de tamanho das partículas entre ~ 50-100nm (moda de Aitken para acumulação), e redução de até 30% na concentração total dos aerossóis (CN), atribuídos aqui, principalmente à formação de aerossóis orgânicos secundários (SOA), condensação de materiais inorgânicos e produtos de oxidação de compostos orgânicos. Além das alterações na composição química do aerossol natural da floresta, várias propriedades óticas foram também alteradas, com potenciais efeitos para o ecossistema. Os coeficientes de absorção e espalhamento aumentaram por fatores multiplicativos de 3 e 1,8 em relação às condições limpas de floresta, respectivamente. O SSA, um dos principais parâmetros na determinação dos efeitos climáticos dos aerossóis, é alterado fortemente e diminui cerca de 10-15% sob a direta influência das emissões da cidade. As alterações observadas nas características da população de aerossóis, vento abaixo da cidade (distribuição de tamanho, quantidade e composição química), podem está alterando significativamente importantes propriedades das nuvens, como albedo e precipitação, contribuindo dessa forma para impactos no ciclo hidrológico e alterações nas taxas de transferência radiativa, com consequências (indiretas) ainda desconhecidas para as taxas de fotossíntese

Relationship between respiratory diseases and environmental conditions: a time-series analysis in Eastern Amazon

This study examines the relationship between the time-series analysis of climate, deforestation, wildfire, Aerosol Optical Depth (AOD), and hospital admissions for respiratory diseases in the Eastern Amazon. Through a descriptive study with an ecological approach of an 18-year time-series analysis, we made a statistical analysis of two pre-established periods, namely, the rainy season and the dry season. On a decadal scale, analyzing the signals of climate indices [i.e., the Southern Oscillation Index (SOI) and the Atlantic Meridional Mode (AMM)], the city of Marabá presents correlations between hospital admissions, wildfire, and AOD. This is not observed with the same accuracy in Santarém. On a seasonal scale, our analysis demonstrated how both cities in this research presented an increase in the number of hospital admissions during the dry season: Marabá, 3%; Santarém, 5%. The same season also presented a higher number of fire outbreaks, AOD, and higher temperatures. The AOD monthly analysis showed that the atmosphere of Marabá may be under the influence of other types of aerosols, such as those from mining activities. There is a time lag of approximately 2 months in the records of wildfire in the city. Such lag is not found in Santarém. The linear regression analysis shows that there is a correlation above 64% (Marabá) and 50% (Santarém), which is statistically significant because it proves that the number of hospital admissions for respiratory diseases is dependable on the AOD value. From the cities in the study, Marabá presents the highest incidence of wildfire, with an average of 188.5— the average in Santarém is 68.7—, and therefore the highest AOD value, with an average of 0.66 (Santarém, 0.47), both during the dry season. It is evident that the climate component has a relevant contribution to the increase in the number of hospital admissions, especially during the rainy season, where there are few or no records of wildfires.Este estudo faz uma análise da inter-relação entre as séries temporais do clima, desmatamento, queimadas, profundidade óptica do aerossol (AOD) e internações hospitalares por doenças respiratórias na Amazônia oriental. Através de um estudo descritivo, com delineamento ecológico de séries temporais de 18 anos de dados, foram feitas análises estatísticas para dois períodos preestabelecidos: chuvoso e seco. Em escala decadal, mediante análise dos sinais dos índices climáticos, índice de oscilação sul (IOS) e o modo meridional do Atlântico (MMA), Marabá apresenta concordância entre internações, focos de queimadas e AOD, o que não se observa com a mesma exatidão para Santarém. Em escala sazonal, nossas análises mostram que os dois municípios estudados nesta pesquisa apresentaram um aumento no número de internações na estação seca, Marabá (3%) e Santarém (5%). A mesma estação também apresentou maior número de queimadas, AOD e alto valor de temperatura. A análise mensal do AOD mostrou que a atmosfera de Marabá pode estar sendo influenciada pela presença de outros tipos de aerossóis, como os emitidos pela atividade mineradora, logo há uma defasagem no tempo de aproximadamente 2 meses em relação às ocorrências de queimadas registradas dentro do município. Santarém não apresentou essa defasagem. A análise de regressão linear mostra que há correlação acima de 64% (Marabá) e 50% (Santarém), sendo estatisticamente significante e comprovando que a taxa de internação por doenças respiratórias depende do valor do AOD. Dos municípios investigados, Marabá é a localidade que apresenta o maior número de incêndios florestais com média de 188.5 (Santarém, 68,7) e, portanto, o maior valor de AOD, com média de 0,66 (Santarém, 0,47), ambos para a estação seca. Fica evidente que a componente climática tem relevante contribuição para o aumento das internações, principalmente na estação chuvosa, onde há pouco ou nenhum registro de focos de incêndio

A permanent Raman lidar station in the Amazon: description, characterization, and first results

A permanent UV Raman lidar station, designed to perform continuous measurements of aerosols and water vapor and aiming to study and monitor the atmosphere from weather to climatic time scales, became operational in the central Amazon in July 2011. the automated data acquisition and internet monitoring enabled extended hours of daily measurements when compared to a manually operated instrument. This paper gives a technical description of the system, presents its experimental characterization and the algorithms used for obtaining the aerosol optical properties and identifying the cloud layers. Data from one week of measurements during the dry season of 2011 were analyzed as a mean to assess the overall system capability and performance. Both Klett and Raman inversions were successfully applied. A comparison of the aerosol optical depth from the lidar and from a co-located Aerosol Robotic Network (AERONET) sun photometer showed a correlation coefficient of 0.86. By combining nighttime measurements of the aerosol lidar ratio (50-65 sr), back-trajectory calculations and fire spots observed from satellites, we showed that observed particles originated from biomass burning. Cirrus clouds were observed in 60% of our measurements. Most of the time they were distributed into three layers between 11.5 and 13.4 km a. g. l. the systematic and long-term measurements being made by this new scientific facility have the potential to significantly improve our understanding of the climatic implications of the anthropogenic changes in aerosol concentrations over the pristine Amazonia.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Instituto Nacional de Ciencia e Tecnologia (INCT) - Mudancas ClimaticasConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Univ São Paulo, Inst Fis, BR-05508090 São Paulo, BrazilInst Meteorol Cuba, Ctr Meteorol Camaguey, Matanzas, CubaUNIFESP, Dept Ciencias Exatas & Terra, Diadema, SP, BrazilInst Nacl de Pesquisas da Amazonia, Manaus, AM, BrazilUniv Estado Amazonas, Manaus, AM, BrazilInst Fed Educ Ciencia & Tecnol São Paulo, São Paulo, BrazilUNIFESP, Dept Ciencias Exatas & Terra, Diadema, SP, BrazilFAPESP: 2008/58100-1FAPESP: 2009/15235-8FAPESP: 2011/50170-4FAPESP: 2012/14437-9FAPESP: 2012/16100-1CNPq: 477575/2008-0CNPq: 475735/2012-9CNPq: 457843/2013-6Web of Scienc

Long term measurements of aerosol optical properties at a primary forest site in Amazonia

A long term experiment was conducted in a primary forest area in Amazonia, with continuous in-situ measurements of aerosol optical properties between February 2008 and April 2011, comprising, to our knowledge, the longest database ever in the Amazon Basin. Two major classes of aerosol particles, with significantly different optical properties were identified: coarse mode predominant biogenic aerosols in the wet season (January-June), naturally released by the forest metabolism, and fine mode dominated biomass burning aerosols in the dry season (July-December), transported from regional fires. Dry particle median scattering coefficients at the wavelength of 550 nm increased from 6.3 Mm(-1) to 22 Mm(-1), whereas absorption at 637 nm increased from 0.5 Mm(-1) to 2.8 Mm(-1) from wet to dry season. Most of the scattering in the dry season was attributed to the predominance of fine mode (PM2) particles (40-80% of PM10 mass), while the enhanced absorption coefficients are attributed to the presence of light absorbing aerosols from biomass burning. As both scattering and absorption increased in the dry season, the single scattering albedo (SSA) did not show a significant seasonal variability, in average 0.86 +/- 0.08 at 637 nm for dry aerosols. Measured particle optical properties were used to estimate the aerosol forcing efficiency at the top of the atmosphere. Results indicate that in this primary forest site the radiative balance was dominated by the cloud cover, particularly in the wet season. Due to the high cloud fractions, the aerosol forcing efficiency absolute values were below -3.5 Wm(-2) in 70% of the wet season days and in 46% of the dry season days. Besides the seasonal variation, the influence of out-of-Basin aerosol sources was observed occasionally. Periods of influence of the Manaus urban plume were detected, characterized by a consistent increase on particle scattering (factor 2.5) and absorption coefficients (factor 5). Episodes of biomass burning and mineral dust particles advected from Africa were observed between January and April, characterized by enhanced concentrations of crustal elements (Al, Si, Ti, Fe) and potassium in the fine mode. During these episodes, median particle absorption coefficients increased by a factor of 2, whereas median SSA values decreased by 7 %, in comparison to wet season conditions.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)European Integrated FP6 project on Aerosol Cloud Climate and Air Quality Interactions (EUCAARI) under the scope of LBA experimentUniversidade Federal de São Paulo, Inst Environm Chem & Pharmaceut Sci, Dept Earth & Exact Sci, São Paulo, BrazilUniv São Paulo, Inst Phys, Dept Appl Phys, São Paulo, BrazilLeibniz Inst Tropospher Res, Leipzig, GermanyNatl Inst Amazonian Res INPA, Manaus, Amazonas, BrazilLund Univ, Inst Phys, Div Nucl Phys, Lund, SwedenHarvard Univ, Dept Earth & Planetary Sci, Div Engn & Appl Sci, Cambridge, MA 02138 USAUniv Helsinki, Div Atmospher Sci, Dept Phys Sci, Helsinki, FinlandUniversidade Federal de São Paulo, Inst Environm Chem & Pharmaceut Sci, Dept Earth & Exact Sci, São Paulo, BrazilFAPESP: AEROCLIMA 08/58100-2European Integrated FP6 project on Aerosol Cloud Climate and Air Quality Interactions (EUCAARI) under the scope of LBA experiment: 34684Web of Scienc

Os efeitos dos aerossóis e nuvens sobre o fluxo de CO2 na Amazônia Central e em Rondônia

This study examined the effects of changes in net radiation due to aerosols and clouds on the net ecosystem exchange (NEE) in primary forest ecosystems in Rondônia and central Amazonia. Nevertheless it is also evaluated some of the major environmental factors affecting the photosynthetic activity of plants, such as air temperature and relative humidity. A algorithm of clear-sky irradiance was developed and used to determine the relative irradiance (f) which was used to quantify the percentage of solar radiation absorbed and scattered due to aerosols and clouds. The aerosol optical Depth (AOD) measurements were performed with MODIS (onboard TERRA and AQUA satellites), previously validated with AOD measurements from the NASA/AERONET network of sun photometers. The carbon fluxes were measured through eddy-correlation techniques. Two sites were studied: the Biological Reserve of Jaru (located in the region of the arc of deforestation in Rondônia) and the Cuieiras Biological Reserve (located in a preserved region in central Amazonia). In the Jaru Biological Reserve, a 29% increase in carbon uptake (NEE) when the AOD ranged from 0.10 to 1.5 was observed. In the Cuieiras Biological Reserve, this effect is smaller, being ~ 26%. For higher aerosol loading in the atmosphere, with stronger reductions of solar radiation, the photosynthetic process is almost shut down, with NEE values close to zero for very high AOD or high cloud cover. The increase of 29 and 26% of NEE, is attributed to an increase of the diffusion fraction of the solar radiation. Major changes in air temperature and relative humidity explained by the interaction of solar radiation with high aerosol load were also observed at both sites. Considering the long range transport of aerosols, the change in carbon flux may occurs in large areas in Amazonia, changing the potential for forest ecosystems to absorb significant amounts of atmospheric CO2.Este trabalho estudou a influência de aerossóis e nuvens sobre a fixação líquida de carbono (Net Ecosystem Exchange - NEE) por ecossistemas de floresta primária de Rondônia e da Amazônia Central. Avaliou-se o impacto dos aerossóis sobre alguns dos principais fatores ambientais que afetam diretamente a atividade fotossintética dos vegetais, como a temperatura do ar e umidade relativa. Um algoritmo de irradiância de céu-claro foi desenvolvido e utilizado para determinar a irradiância relativa (f), utilizada para quantificar a radiação solar extinta (absorvida e espalhada) devido à presença de aerossóis e nuvens na atmosfera. As medidas de profundidade óptica de aerossóis foram realizadas com o sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) (a bordo dos satélites AQUA e TERRA), validadas previamente com medidas de fotômetros solares da rede NASA/AERONET (Aerosol Robotic Network). Os fluxos de carbono foram medidos por meio de técnicas de vórtices turbulentos (eddy-correlation). Dois ecossistemas de floresta constituíram os locais estudados, a Reserva Biológica do Jaru (localizada na região do arco do desflorestamento) e Reserva Biológica do Cuieiras (localizada na Amazônia central). Na Reserva Biológica do Jaru foi observado um aumento de 29% na fixação de carbono (NEE) quando o AOD variou de 0,1 para 1,5. Já na Amazônia Central, este efeito foi da ordem de 26% quando o AOD variou de 0,10 para 0,50. O aumento no NEE, em ambos os sítios, é atribuído ao aumento de até 50% da fração difusa da radiação solar em relação à fração direta desta radiação. Para reduções ainda maiores da radiação solar incidente (com ausência de luminosidade em quantidades suficientes requeridas ao processo de fotossíntese), associadas a altas concentrações de aerossóis na atmosfera e/ou devido à alta cobertura de nuvens, o NEE passa a sofrer reduções significativas até atingir valores próximos de zero. Alterações importantes na temperatura e na umidade relativa do ar pela interação da radiação solar com a alta carga de aerossóis emitidos em queimadas também foram estudadas em ambos os sítios. Tendo em vista o transporte de aerossol em larga escala durante as queimadas, alterações no fluxo de carbono podem estar ocorrendo em amplas áreas na Amazônia, com importantes mudanças no potencial para os ecossistemas florestais absorverem quantidades significativas de CO2 atmosférico