Ponencia presentada en: XXXI Jornadas Científicas de la AME y el XI Encuentro Hispano Luso de Meteorología celebrado en Sevilla, del 1 al 3 de marzo de 2010.A primeira autora é financiada pela Bolsa da FCT SFRH/BD/44920/2008

Bortoli, Daniele

Domingues, Ana Filipa

Silva, Ana Maria

Portuguese

Agencia Estatal de Meteorología

MONITORIZAÇÃO DA QUANTIDADE TOTAL DE OZONO EM ÉVORA- PORTUGAL DURANTE 2007-2009  Ana Filipa Domingues (1), Daniele Bortoli (1), (3), Ana Maria Silva (1), (2) (1) Évora Geophysics Centre, University of Évora, Rua Romão Ramalho 59, 7000 Évora, Portugal, ana.filipa.domingues@ gmail.com (2) Department of Physics, University of Évora, Rua Romão Ramalho 59, 7000 Évora, Portugal, asilva@uevora.pt  (3)Institute of Atmospheric Sciences and Climate (ISAC-CNR), Via Gobetti 101, 40129 Bologna, Italy, dbortoli@uevora.pt   Nos anos 40, aquando da descoberta da poluição fotoquímica, os estudos da qualidade do ar apontaram o ozono e outros oxidantes fotoquímicos (p.e. peroxiacetil nitrato – PAN; peróxido de hidrogénio) como gases capazes de desencadear problemas de saúde e no ambiente. O ozono troposférico merece uma atenção particular uma vez que é o principal constituinte do smog e é um gás de efeito de estufa. Qualquer alteração no balanço das reacções químicas nas quais participa o O3 pode desencadear reacções que alteram o sistema climático global. Desde o século XIX que se tem verificado um aumento da quantidade de ozono troposférico presente na atmosfera. A causa mais provável para este incremento está associada ao aumento de emissões de NOx (NO+NO2) para a atmosfera cujo início é coincidente com o arranque da actividade industrial na época da Revolução Industrial. Nos grandes centros urbanos as emissões dos veículos motorizados e da indústria, por exemplo, emitem grandes quantidades de NOx para a atmosfera. Como consequência a taxa da formação do ozono troposférico é elevada uma vez que este deriva da fotólise do NOx que se traduz pela reacção 1 à qual se segue a reacção 2 que é catalizada por uma molécula presente na atmosfera .    ONOhNO nm + →+ < )4202λν  (1)  32 OOOM→+  (2)   Os NOx, juntamente com os compostos orgânicos voláteis (VOCs), levam não só à formação de O3 como a uma grande variedade de outras espécies oxidantes. Para que a formação de O3 aconteça é necessário que o quociente entre a quantidade de NOx e de VOC na atmosfera (Rxo= [NO2]/[VOC]) atinja um certo valor. Na maioria das vezes o valor de Rxo não é atingindo nos centros urbanos onde ocorrem as emissões destes poluentes possivelmente devido a: a) diferenças entre os tempos de vida do VOC e do NOx, logo o Rxo das massas de ar varia no tempo; b) a formação de grandes quantidades de ozono não é imediata, demorando por isso algumas horas ( Platt & Stutz 2008). Como consequência as grandes concentrações de O3 troposférico podem encontrar-se nas zonas circundantes da zona emissora de poluentes. Os efeitos potenciais do aumento global do O3 são muito abrangentes. Um acréscimo da quantidade de ozono troposférico provocará, numa primeira instância um grande impacto na vida das plantas, uma vez que é altamente tóxico para estas, e também na saúde pública. Para além disto o ozono é uma fonte do radical hidroxilo (OH) que reage rapidamente com a maioria dos gases poluentes e vestigiais que podem ser encontrados na atmosfera podendo levar, por exemplo, à variação do tempo de vida de outros compostos (ex. metano). Por outro lado uma diminuição da quantidade de O3 troposférico na atmosfera, à escala global ou regional, poderá ter efeitos no clima. A diminuição de O3 pode resultar, por exemplo, do controlo de emissões de NOx para a atmosfera resultantes da queima dos combustíveis fósseis. A diminuição destas emissões pode levar a um reforço no efeito de estufa devido à relação química que existe entre o CH4 e do O3, ambos gases de efeito de estufa.  Apesar das previsíveis consequências climáticas provocadas pelo O3 troposférico este representa apenas 10% da coluna vertical de atmosfera enquanto que os restantes 90% correspondem ao O3 estratosférico. Também o O3 estratosférico sofre variações na sua concentração e também ele contribui para o sistema climático global. Há evidências que demonstram que a quantidade de ozono estratosférico tem vindo a sofrer diminuições ao longo do tempo. Uma diminuição da quantidade de deste gás levará, consequentemente, a uma maior incidência da radiação ultravioleta na superfície do planeta.  Existem múltiplos instrumentos a partir dos quais é possível fazer a monitorização do O3 na atmosfera, recorrendo a técnicas de detecção remota. Salientam-se os instrumentos a bordo de satélites, como por exemplo o GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) e o SCHIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY) com os quais se determina a quantidade de O3 troposférico e o OMI (Ozone Monitoring Instrument) que permite fazer a monitorização da quantidade de gás presente numa coluna de atmosfera. Existem também outros instrumentos, baseados na tecnologia de detecção remota que se encontram instalados à superfície “in situ” como por exemplo os Espectrofotómetros (Brewer) que têm como objectivo monitorar a quantidade de O3 presente na atmosfera. No Centro de Geofísica de Évora – Portugal encontra-se instalado um espectrofotómetro que opera na banda espectral UV-Vis (250 nm -900nm), desenvolvido pelo CGE em colaboração com o ISAC-CNR, Bolonha – SPATRAM (Spectrometer for Atmospheric TRacers Measurements). Este instrumento, ilustrado na figura 1, permite fazer a monitorização de alguns constituintes minoritários da atmosfera como por exemplo O3, NO2, BrO (Bortoli, 2005, 2009; Domingues, 2007).                           Fig. 1- Esquema representativo do SPATRAM adaptado de Bortoli, 2005.                      Fig. 2- Localização do SPATRAM no Centro de Geofísica de Évora (seta a vermelho), em Évora - Portugal adaptado de  http://europa.eu/abc/maps/members/port_pt.htm.  Conjugando as observações da radiação solar espectral dispersa na direcção zenital com a metodologia DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) podem calcular-se as quantidades colunares e os perfis verticais de gases vestigiais presentes na atmosfera ( p.e. NO2, O3, BrO, HCHO and SO2) devido à absorção da radiação solar característica de cada gás nas bandas espectrais do UV- Vis.. A metodologia DOAS é uma técnica espectroscópica baseada na Lei de Beer-Lambert. A explicação mais detalhada da metodologia DOAS pode ser encontrada na literatura (Platt & Stutz 2008). A identificação das espécies presentes na atmosfera é feita devido à absorção da radiação pelos gases ser selectiva, isto é, os gases vestigiais presentes ao longo do caminho óptico absorvem a radiação de comprimento de onda que é único para a sua estrutura molecular. Também é possível determinar a concentração dos gases em estudo, pois esta está relacionada com a intensidade de absorção da radiação por parte desses gases.  O SPATRAM permite obter a quantidade de O3 presente numa coluna de atmosfera, isto é, determina a quantidade de gás presente tanto na troposfera como na estratosfera. No entanto este instrumento é mais sensível ao O3 estratosférico que existe em maior concentração a cerca de 20- 25 km de altitude sendo que, na sua geometria e configuração actual – direcção zenital e modo passivo - consegue detectar o aumento da concentração colunar de gases poluentes (p.e. o O3 troposférico) que podem resultar de fontes emissoras longínquas, antropogénicas ou naturais e que são trazidos pela deslocação de massas de ar desses locais até Évora. Para obter as SCD do O3 os algoritmos das DOAS devem ser aplicados à banda espectral de 320-340 nm, que é a banda espectral em que o Ozono absorve preferencialmente na zona UV-Vis A observação da radiação dispersa é feita recorrendo a fibras ópticas instaladas no próprio instrumento. Este input conduz a radiação até ao principal componente do instrumento que é o monocromador que decompõe a radiação solar em todos os seus comprimentos de onda devido a uma rede de difracção com 1200 linhas/mm com uma dispersão típica de 2,4 nm/mm a 300nm. A rede de difracção pode mover-se uma vez que se encontra instalada por cima de um pequeno motor que permite que todo o intervalo espectral seja varrido em janelas espectrais de 60 nm cada (Bortoli, 2005). O output da aplicação dos algoritmos da DOAS às observações da radiação solar espectral na direcção zenital é a SCD (Slant Column Density), isto é, a quantidade de gás presente numa coluna oblíqua de atmosfera traduzida em moléculas/ cm2. Uma vez que a SCD depende de vários factores, como por exemplo da  geometria da medição, é normalmente convertida em VCD (Vertical Column Density) isto é na quantidade de gás presente numa coluna vertical da atmosfera. Para o caso do Ozono os valores de VCD são apresentados em Unidades Dobson (DU). A conversão de SCD em VCD pode ser feita recorrendo à equação 3, sendo por isso necessário recorrer ao Factor de Massa de Ar (AMF).   ),(/),(),( λθλθλθ ggg VCDSCDAMF =  (3)  O AMF de cada gás, que depende do Ângulo Solar Zenital (SZA) (θ) e do comprimento de onda da radiação (λ) pode ser calculado através de um Modelo de Transferência Radiativa designado por Atmospheric Model for Enhancement Factor Computation (AMEFCO) (Petrioli, 2002).  Análise e tratamento dos dados  Esta análise foi feita para o período compreendido entre 1 de Janeiro de 2007 e 12 de Setembro de 2009 e tem como objectivo fazer uma análise da variação diurna e sazonal do O3 da atmosfera em termos da quantidade de gás presente numa coluna vertical de atmosfera (O3 VCD) em Évora, Portugal (38.5º N, 7.9º W, 300 m asl).  Os resultados obtidos com o SPATRAM compreendem todos os ângulos solares zenitais (SZA) entre aproximadamente 90º e 40º, aproximadamente, sendo que é para o SZA de 87º que se minimiza o valor do erro associado às medições efectuadas com o SPATRAM e o que deve ser escolhido quando se pretende analisar a variação sazonal do ozono. A figura 3 ilustra a variação diurna da quantidade de ozono obtida a partir do SPATRAM ao longo de um dia. 00.511.522.533.5430 40 50 60 70 80 90 100SZA (º)O3 SCD ( x1019 moléculas/cm2 )O3 AMO3 PM Fig.3.- Variação diurna do O3 obtida com o SPATRAM, em Évora no dia 30 de Setembro de 2008. Como se pode analisar a partir da figura 3 os valores da SCD de Ozono são bastante similares durante a manhã (AM) e durante a tarde (PM). Este facto está de acordo com a literatura (Bortoli, 2009) e também com actividade fotoquímica do O3. Para fazer o estudo da variação sazonal da quantidade de O3 na atmosfera foi necessário converter todos os valores de SCD para VCD de O3 utilizando a equação 1.  A figura 4 ilustra a variação sazonal do VCD do O3 ao longo dos anos 2007, 2008 e 2009. Adicionalmente comparam-se os valores obtidos com o SPTRAM com os valores de quantidade total de gás recolhidos com o instrumento OMI, para o mesmo período.  20025030035040045019-12-2006 07-07-2007 23-01-2008 10-08-2008 26-02-2009 14-09-2009Data ( dd-mm-aaaa)O3 VCD ( DU)SPATRAMOMI Fig.4.- Quantidade total de O3, em unidade Dobson, obtida com o instrumento SPATRAM em Évora- Portugal entre 1 de Janeiro de 2007 e 12 de Setembro de 2009 para um ângulo solar zenital de 87º e a quantidade total de ozono registada com o espectrómetro OMI. Verificou-se uma variação sazonal do O3, de acordo com o registado na literatura, registando-se um aumento da quantidade total de ozono na época da Primavera e valores mais baixos no Outono. Os valores mais elevados foram registados em Maio de 2007 (373 ± 26) DU, Abril de 2008 (336 ± 6) DU e Maio de 2009 (353±9) DU; os valores mais baixos foram registados em Outubro de 2007 (293 ± 12) DU, Janeiro de 2008 (242 ± 18) DU e em Setembro de 2009 (304±11) DU. O desvio médio relativamente aos valores correspondentes obtidos com o OMI é de cerca de 6%. A principal explicação para as diferenças registadas entre os resultados obtidos com o OMI e com o SPATRAM pode estar relacionada com o facto de se ter usado a média diária dos dados do OMI, resultados estes que correspondem a uma área de varrimento de cerca de 200 Km por parte do satélite Aura. y = 0.86x + 45.06R2 = 0.70240260280300320340360380240 260 280 300 320 340 360 380O3 VCD OMI (DU)O3 VCD SPATRAM (DU) Fig. 5.-  Gráfico que ilustra a correlação entre os dados obtidos com o instrumento OMI e o SPATRAM, para o período compreendido entre 1 de Janeiro de 2007 e 12 de Setembro de 2009.  A figura 5 ilustra o gráfico de dispersão dos resultados obtidos pelo OMI e SPATRAM.  Os resultados parecem indicar que os valores de ozono obtidos a partir do SPATRAM são inferiores aos correspondentes obtidos a partir do satélite, apesar de se observar uma correlação elevada entre eles como pode ser comprovado pelo coeficiente de correlação obtido (R2=0,7).   Conclusão  O principal objectivo deste estudo foi a determinação da quantidade de O3 em Évora nos anos de 2007, 2008 e 2009, utilizando o espectrómetro SPATRAM. Fez-se o estudo da variação diurna do gás em estudo e verificou-se que os resultados obtidos com o SPATRAM encontram-se de acordo com o esperado, ou seja a variação de O3 registada no período de manhã é aproximadamente igual à do período da tarde. Com os dados recolhidos pelo SPATRAM para o período de 2007-2009 analisou-se a variação sazonal do O3, que revela o comportamento esperado para as latitudes médias do Hemisfério Norte apresentando um máximo de O3 nos meses da Primavera e valores mínimos no Outono. Para fazer a validação dos dados obtidos em Évora fez-se a comparação com os correspondentes valores obtidos a partir do instrumento OMI a bordo do satélite Aura. A comparação da quantidade total de O3 obtida com os dois instrumentos revela que os dados obtidos com o SPATRAM mostram a mesma tendência sazonal dos obtidos com o OMI, mas com valores normalmente inferiores apresentando um desvio médio relativamente aos obtidos com o OMI de cerca de 6% .  Agradecimentos  A primeira autora é financiada pela Bolsa da FCT SFRH/BD/44920/2008.  Os autores agradecem à equipa do OMI pela recolha e aprovisionamento dos dados disponibilizados.  Bibliografia  Akimoto, H. (2003). Global Air Quality and Pollution. Sceince 302, 1716-1719.  Bortoli, D., “SPATRAM– Spectrometer for ATmospheric TRAcers Measurements, a Prototype Equipment for the monitoring of minor compounds of the atmosphere”, PhD dissertation, University of Évora, Évora-Portugal (2005).  Bortoli, D., Silva, A.M., Costa, M.J., Domingues, A.F. & Giovanelli, G. (2009). Monitoring of atmospheric ozone and nitrogen dioxide over the south of Portugal by ground-based and satellite observations. Opt. Express 17 (15), 12944-12959.  Domingues, A., “Caracterização do Espectrómetro SPATRAM e aplicação da metodologia DOAS para detecção de gases traçadores atmosféricos”, Master Thesis, University of Evora, Evora- Portugal (2007).  Finlayson-Pitts, B. J., Pitts Jr., J.N. 1997 .Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, and Particles Tropospheric Air Pollution: Ozone, Airborne Toxics, Science 276, 1045-1050.  Fiore, A. M., Jacob, D. J., Field, B. D.2002. Linking ozone pollution and climate change: The case for controlling methan .Geophys. Res. Lett. 29 (19), 25-1 – 25-4.  Petritoli A., Giovaneli, G., Kostadinov, I., Ravegnani, F., Bortoli, D., Bonasoni, P., Evangelisti, F., Bonafè, U., Calzolari, F., “Tropospheric and statopheric NO2 amount deduced by slant column measurements at Mt. Cimone Station”, Adv. Space Res., 11, 1691-1695 (2002).  Platt, U. & Stutz, J. (2008). Differential Optical Absorption Spectroscopy Principles an Applications. Springer, 21-27.  Wilson, S.R., Solomon, Solomon , K.R., Tang, X. (2006). Changes in tropospheric composition and air quality due to stratospheric ozone depletion and climate change. In The Environmental Effects Assessment Panel Report for 2006, 165- 183.                

Monitorizaçao da quantidade total de ozono em Évora-Portugal durante 2007-2009

https://repositorio.aemet.es/bitstream/20.500.11765/5397/1/2_Domingues.pdf

Monitorizaçao da quantidade total de ozono em Évora-Portugal durante 2007-2009

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Agencia Estatal de Meteorología