Forçante radiativa, propriedades ópticas e físicas das nuvens cirrus na Amazônia

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Gouveia, Diego Alves
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Amazon; Amazônia; Cirrus; Efeito radiativo; lidar; optical properties; Propriedades ópticas; radiative effect
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-08022019-141530/

As nuvens cirrus cobrem uma grande fração das latitudes tropicais e desempenham um papel importante no balanço de radiação da Terra. As propriedades ópticas, altitude, extensão vertical, e cobertura horizontal de nuvens controlam sua forçante radiativa. Além disso, nuvens cirrus tropicais podem influenciar a distribuição vertical do aquecimento radiativo na tropopausa tropical e pesquisas recentes também apontam para um aumento do vapor de água estratosférico ligado principalmente à ocorrência de nuvens cirrus na camada da tropopausa tropical (TTL). Apesar de sua importância, estudos relatando propriedades de nuvens cirrus sobre florestas tropicais como a Amazônia são ainda escassos. A maioria estão baseados em imagens de satélites de órbita polar que não fornecem informações sobre o ciclo diurno, nem sobre a estrutura vertical destas nuvens. Ao mesmo tempo, os estudos com lidar em solo são restritos a poucos estudos de caso, em geral associados a campanhas de campo de curta duração. Este panorama começou a mudar em 2011 com a instalação do sistema lidar do Laboratório de Física Atmosférica do IF-USP próximo à cidade de Manaus, Brasil. Neste trabalho, um conjunto de um ano de dados (de julho de 2011 a junho de 2012) foi utilizado para caracterizar as propriedades macro, microfísicas e ópticas das nuvens cirrus sobre a região amazônica e, posteriormente, calcular o papel que essas nuvens têm no balanço radiativo do planeta. Para tanto, foi desenvolvido um algoritmo automático para detectar as nuvens e para obter as propriedades ópticas, incluindo a correção de múltiplo-espalhamento. As forçantes radiativas foram estimadas com dois modelos diferentes, a partir dos perfis de extinção medido com o lidar e de uma parametrização para estimar o raio efetivo dos cristais de gelo. Nossos resultados mostraram que as nuvens cirrus na alta troposfera foram mais frequentes na Amazônia do que relatado previamente em outras regiões tropicais. A frequência de ocorrência foi de 88 % durante a estação chuvosa e não inferior a 50 % durante a estação seca. O ciclo diurno mostrou um mínimo ao redor do meio-dia local e máximo durante o final da tarde, associado ao ciclo diurno da precipitação. Os valores médios das alturas de topo e base, da espessura e da profundidade óptica da nuvem foram de 14,3 +- 1,9 (desv. pad.) km, 12,9 +- 2,2 km, 1,4 +- 1,1 km e 0,25 +- 0,46, respectivamente. As nuvens cirrus foram encontradas em temperaturas de até -90 degC, com 6 % ocorrendo acima da tropopausa. A distribuição vertical não se mostrou uniforme, e nuvens cirrus finas (0,03 < COD < 0,3) e subvisuais (COD < 0,03) ocorreram mais frequentemente nas proximidades da tropopausa. A razão lidar média foi de 23,3 +- 8,0 sr. Contudo, para as nuvens cirrus subvisuais foi encontrada uma distribuição bimodal com um pico secundário em torno de 44 sr, sugerindo uma composição mista dos cristais de gelo. Não foi encontrada uma dependência da razão lidar com a temperatura da nuvem (altitude), indicando que as nuvens estão verticalmente bem misturadas. A frequência de ocorrência relativa das camadas de nuvens cirrus classificadas como subvisuais foi de 41,6 %, enquanto que 37,8 % foram cirrus finos e 20,5 % de cirrus opacos (COD > 0,3), com uma superposição média de 1,41 +- 0,63 camadas por perfil. Assim, na Amazônia central não ocorre apenas uma alta frequência de nuvens cirrus, mas também uma grande fração de nuvens cirrus subvisuais, o que pode estar contaminando as medidas de fotômetros solares e sensores orbitais. As propriedades medidas foram utilizadas no cálculo da forçante radiativa das nuvens cirrus (CRF) e dos perfis da taxa de aquecimento da atmosfera, em detalhe pelo libRadtran e aproximadamente pelo modelo de Corti e Peter (modelo CP). Com tamanha frequência de ocorrência e residindo tão alto sobre a intocada floresta Amazônica (albedo ~ 0,12), essas nuvens produziram uma CRF líquida no topo da atmosfera e na superfície (TOA e BOA) de +15,3 +- 0,4 e -3,7 +- 0,2 W m-2, respectivamente, muito mais intenso do que o estimado sobre a Europa (0,9 a 1,7 W m-2 no TOA). Cirrus opticamente mais espessas, em geral, apresentaram CRF líquido maior, com CRF instantâneo atingindo valores máximos (mínimos) de 140 (-65) W m-2 para o período noturno (diurno) no TOA. Juntos, os perfis verticais com COD_Coluna > 0,3 foram responsáveis por cerca de 72 % (62 %) do CRF líquido no TOA (BOA), o que significa que uma importante fração do CRF é gerada por cirrus opticamente mais finos (COD_Coluna < 0,3), que são mais difíceis de serem detectados por radares e instrumentos passivos a bordo de satélites. O ciclo diurno da profundidade óptica das nuvens cirrus teve reflexo em sua forçante radiativa. Observamos um ciclo diurno do valor médio da CRF líquida no TOA (BOA), que vaiou entre 1,7 (-23) W m-2 à tarde e 47 (3,1) W m-2 durante a noite. As nuvens cirrus promovem um aquecimento aproximadamente constante de 1,2 K dia-1 no perfil vertical entre 8 e 18 km (dentro da nuvem), mas com valores instantâneos superiores a 10 K dia-1 para porções da nuvem com alto IWC. Acredita-se que esse perfil de aquecimento gerado pelas nuvens cirrus tenha um papel importante na circulação da alta troposfera/baixa estratosfera, gerando um fluxo ascendente médio de massa de ar entre 2 e 15 kg m-2 dia-1 para altitudes entre 13 e 16,5 km, contribuindo para a manutenção da camada de cirrus próximo da tropopausa tropical.