Defesa

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  1. 1. Variação diurna do fluxo de CO2 na interface ar-mar do oceano AtlânticoOrientadora: Jacyra Soares equatorialGrupo de micrometeorologiaIAG-USP Fabio FonsecaFevereiro, 2012
  2. 2. SUMÁRIOSumário• Introdução – Objetivos – CO2 nos oceanos• Região de estudos e dados utilizados – Dados meteorológicos e oceanográficos• Estimativa dos fluxos turbulentos – Balanço de energia – Fluxos de calor e momento – Fluxo de CO2• Resultados e discussão – Fluxos de calor – Estimativa de pCO2 na atmosfera – Velocidade de transferência do CO2 – Fluxo de CO2 2
  3. 3. INTRODUÇÃOObjetivosInvestigar o ciclo diurno do fluxo turbulentode CO2 na interface ar-mar do oceanoAtlântico equatorial.• Especificamente: – Caracterizar o ciclo diurno das variáveis meteorológicas e oceanográficas; – Caracterizar o ciclo diurno do balanço de energia; – Determinar o ciclo diurno da concentração de CO2 no oceano e na atmosfera; – Utilizar um algoritmo de transferência de CO2 para determinar a velocidade de transferência do gás; – Investigar e comparar os valores obtidos para o Fluxo de CO2 com a bibliografia disponível. 3
  4. 4. INTRODUÇÃOCO2 na atmosferaContextualização• Níveis ascendentes de CO2 na atmosfera – CO2 sai do nível estacionário ao final do séc. XVIII • Atividades humanas: queima de combustíveis fósseis e desmatamento – Gás traço (em quantidade menor que o oxigênio / nitrogênio) – Na atmosfera, atua como gás do efeito estufa 4
  5. 5. INTRODUÇÃOCO2 sobre os oceanosNíveis de CO2 na camada limite planetáriasobre os oceanos Distribuição latitudinal e temporal das médias mensais da concentração de dióxido de carbono na camada limite planetária, sobre o oceano, em fração de mole para o ar seco. Fonte: www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends. 5
  6. 6. INTRODUÇÃOCO2 nos oceanosContextualização• Oceanos – Não atua como gás do efeito estufa – Representam maior reservatório do gás no ciclo global • 93% de todo CO2 do planeta se encontra nos oceanos – Oceano é sorvedouro líquido de CO2 atmosférico – Trocas na interface ar-mar ocorrem ‘rapidamente’ • Troca completa em 4 anos (Siegenthaler and Sarmiento, 1993) – Sorvedouros • Junto com a atmosfera, maior sorvedouro de CO2 de origem antropogênica • Somente 3% do CO2 total nos oceanos é de origem antropogênica • Não há medições diretas para determinar a origem do gás 6
  7. 7. INTRODUÇÃOFluxo de CO2 na interface ar-marContextualização• Fluxo de CO2 na interface ar-mar – Não há um método para medição direta do CO2 de origem antropogênica que adentra os oceanos: • Na prática, são feitas estimativas (medidas) do fluxo total (natural + antropogênico), utilizando o ΔpCO2 – Em escala global, há pouca informação disponível sobre o fluxo total de CO2 sobre os oceanos. – Para a região investigada, o oceano Atlântico equatorial, não foi encontrada caracterização dos fluxos totais.• O problema – ~93% de todo o CO2 existente no planeta se encontra nos oceanos, e eles são os maiores sorvedoures de CO2 atmosférico (Sabine and Feely, 2007), mas ainda não há caracterização dessas trocas em escala global. 7
  8. 8. INTRODUÇÃOCO2 nos oceanosEstimativa do fluxo de CO2 na interface ar-mar Média anual do fluxo líquido de CO2 na interface oceano atmosfera em moles CO2 m-2 ano-1 para o ano de 1995. Fontes oceânicas de CO2 são mostradas em vermelho e amarelo e sorvedouros em azul e roxo. Fonte: Takahashi et al. (2002). 8
  9. 9. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOSRegião de estudo e dados utilizadosOceano Atlântico equatorial Oceano Atlântico equatorial. O retângulo branco tracejado representa a área escolhida para a localização dos dados de pressão parcial do CO2 na superfície do oceano (pCO2w), os círculos pretos representam o trajeto feito pelo navio coletor de pCO2w, o círculo vermelho representa a bóia do projeto PIRATA e a estrela amarela representa a localização da ilha Ascension (8°S, 14°W), onde os dados de concentração de CO2 atmosférico (xCO2) foram coletados. Figura adaptada de Bourlès et al. (2008). 9
  10. 10. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOSRegião de estudo e dados utilizadosDados do PIRATA Resolução de Altura do sensor Variável coleta dos (m) dados (min) Velocidade do vento 4,0 10 Onda curta incidente 3,5 2 Temperatura do ar 3,0 10 Umidade relativa 3,0 10 Temperatura da -1,0 10 superfície do mar Variáveis meteorológicas e oceanográficas utilizadas neste trabalho, medidas in situ pela bóia PIRATA fundeada em (0°S, 23°W). Período: meses de agosto de 1999 a 2005. 10
  11. 11. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOSDados do PIRATACiclo diurno; média horária para os meses de agosto de 1999 até2005 • (a) radiação de onda curta incidente na superfície do oceano (OC) • (b) temperatura do ar (Ta, linha tracejada) e temperatura da superfície do mar (TSM, linha contínua) • (c) vento horizontal total (V) • (d) umidade relativa 11
  12. 12. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOSDados de CO2 na superfície dooceano (pCO2W)Medidas in situ para o segundo semestre • Trajeto dos navios coletores de pressão parcial do CO2 na superfície do oceano (pCO2w) no Atlântico equatorial – Estes dados foram coletados no segundo semestre dos anos de 1970 a 2009 e estão presentes no banco de dados do LDEO. – No período disponível na base de dados, 50 anos, há 4053 medidas para a região. – Fonte: Banco de dados do LDEO (http://cdiac.ornl.gov/oceans/L DEO_Underway_Database/). 12
  13. 13. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOSDados de CO2 na superfície dooceano (pCO2W)Medidas in situ para os dias 05 e 06 de agosto de 2003 Média horária da série temporal de observações de pCO2w no oceano Atlântico equatorial, para os dias 05 e 06 de agosto de 2003. Fonte: Banco de dados do LDEO (http://cdiac.ornl.gov/oceans/LDEO_Underway_Database/). 13
  14. 14. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOSDados de CO2 na superfície dooceano (pCO2W)Média horária da série temporal de observações • Oceano Atlântico equatorial, para os dias 05 e 06 de agosto de 2003 – (a) TSM – (b) pressão barométrica no oceano – Fonte: Banco de dados do LDEO (http://cdiac.ornl.gov/oceans/L DEO_Underway_Database/). 14
  15. 15. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOSDados de CO2 atmosféricoAgosto de 2003 • Concentração de CO2 atmosférico observada na ilha Ascension – círculos representam os dados do mês de agosto de 2003 – valor médio mensal de 374,87 μmol mol-1 – Fonte: GLOBALVIEW-CO2 15
  16. 16. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOSEstimativa dos fluxos turbulentosBalanço de energia “Neste trabalho, o fluxo é considerado positivo quando o oceano ganha calor, momento e CO2 e negativo quando perde.” OC = OC↓ + OC↑ OL = OL↓ + OL↑ (Hastenrath and Lamb, 1978) onde Qnet é o calor armazenado no oceano; OC é o balanço de onda curta na superfície do oceano; OL é o balanço de onda longa na superfície do oceano; H e LE são, respectivamente, os fluxos turbulentos de calor sensível e latente na superfície do mar, 16
  17. 17. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOSFluxos de calorFórmulas tipo bulk (Fairall et al, 1996) • Calor sensível (H) • Calor latente (LE) onde Ch, Ce e Cd são os coeficientes de transferência para o calor sensível, latente e momento, respectivamente; Vh é a intensidade do vento horizontal total ( ) à altura z; cpa é o calor específico do ar e vale 1008 J kg-1 K-1; Le é o calor específico de vaporização da água do mar e vale 3895 J kg-1 K-1 e ρa é a densidade do ar 17
  18. 18. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOSConsiderações• Fluxos de calor – Coeficientes de transferência são funções das escalas características de velocidade, temperatura e umidade – Algoritmo foi adaptado para levar em consideração a física da interface ar-mar • Idade das ondas, tempo de quebra • Cool-skin – As escalas características, estimadas pelo algoritmo de Fairall et al. (1996) é um aprimoramento do método de Liu- Katsaros-Businger (1974) • Baseadas na teoria de similaridade de Monin-Obukhov – funções das escalas características e da estabilidade térmica da camada limite superficial atmosférica 18
  19. 19. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOSFluxo de CO2Fórmulas tipo bulk (Hare et al, 2004) “Neste trabalho, o fluxo é considerado positivo quando o oceano ganha calor, momento e CO2 e negativo quando perde.” onde pCO2w e pCO2a são, respectivamente, a pressão parcial do CO2 medida na superfície do oceano e na atmosfera (interpretada como o potencial de troca do gás) e kco2 é a velocidade de transferência do gás (interpretada como a resistência às trocas do gás entre as camadas limite do oceano e da atmosfera) e o termo relativo à solubilidade do CO2 19
  20. 20. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOSFluxo de CO2Velocidade de transferência do CO2 Fairall et al (2000); Hare (2004) onde os subescritos a e w se referem, respectivamente, à atmosfera e a superfície do oceano; a velocidade característica da atmosfera (u*) é dada pela Equação (7); a densidade da água é considerada aqui uma constante dada por ρw = 1022 kg m-3; a densidade do ar (ρa) é dada pela 20
  21. 21. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOSConsiderações• Velocidade de transferência do CO2 – Algoritmo engloba o cálculo da solubilidade, segundo método de Weiss (1974) – Aprimoramento do algoritmo de Fairall et al. (2000) para transferência de CO2 – De maneira geral, é baseada na adição direta dos fluxos de CO2 na água e no ar, levando em consideração a camada molecular • Algoritmo é expresso tanto em termos turbulentos quanto moleculares – Baseado na teoria Surface Renewal (Soloviev and Schlüssel, 1994) • Pode ser utilizado em regimes de ventos fracos ou fortes – Fracos <= 5 m s-1 e fortes >= 5 m s-1 (Jeffery et al., 2007) • Física da troca de CO2 na interface ar-mar 21
  22. 22. RESULTADOS E DISCUSSÃOResultados e discussãoFluxos de calor • Variação diurna da intensidade – (a) Fluxo de calor latente – (b) Fluxo de calor sensível – (c) Calor armazenado no oceano • Considerações – H e LE representam fluxos de calor do oceano para a atmosfera durante a simulação; oceano perde energia e umidade para a atmosfera – Qnet : depende do ciclo diurno de OC – Estimados pelo algoritmo de Fairall et al. (1996) – Comparáveis aos obtidos por Skielka et al. (2010 e 2011) 22
  23. 23. RESULTADOS E DISCUSSÃOEstimativa de pCO2 na atmosferaLei de Dalton, lei dos gases ideais A lei dos gases diz que, mantendo o volume e a temperatura constantes, a pressão do gás é diretamente proporcional à sua quantidade, onde nco2 é a concentração do gás em moles e P é a pressão atmosférica, em hPa 23
  24. 24. RESULTADOS E DISCUSSÃOEstimativa de pCO2 na atmosferaConversão es é a pressão de vapor de saturação xCO2 é a concentração do gás em μmol mol-1 xCO2 foi obtido do projeto GLOBALVIEW-CO2 Metodologia sugerida por Takahashi et al. (2002) onde P é o valor da pressão atmosférica em hPa, es é a pressão de vapor de saturação ao nível do mar em hPa, es é a equação de Buck. 24
  25. 25. RESULTADOS E DISCUSSÃOEstimativa de pCO2 na atmosferaVariação diurna do pCO2a • Estimada a partir da média mensal da concentração do gás no ar observada na ilha Ascension (8°S, 14°W) – Dados de xCO2 de agosto de 2003 – Estimada a partir da média mensal do xCO2 • 374,87 μmol mol-1 – Desvio padrão da média mensal de ~1% – Frequência dados de xCO2 na ilha é de 3 dias 25
  26. 26. RESULTADOS E DISCUSSÃOVelocidade de transferência do CO2Ciclo diurno estimado A mistura turbulenta na camada de mistura oceânica devido à transferência de momento pelo vento em superfície é, durante toda a simulação, o mecanismo mais importante para o transporte turbulento de CO2 na interface. – (a) Velocidade de transferência do CO2 • Valores comparáveis com literatura (Hare et al, 2004; Pacífico; Jeffery et al, 2007; Atlântico equatorial) – Intensidade do vento entre 5 e 6 m s-1 – (b) Incremento de Kco2 devido ao empuxo • Empuxo incrementa em 2% o valor total do Kco2 • Não possui papel relevante na transferência 26
  27. 27. RESULTADOS E DISCUSSÃOΔpCO2Diferença entre as pressões parciais do CO2 na superfície dooceano e na atmosfera “The net air-sea flux is driven by the difference of partial pressures of CO2 “ Siegenthaler and Sarmiento (1993) – ΔpCO2 • É o potencial para a troca de CO2 entre o oceano e a atmosfera • Sentido do fluxo é dado pelo seu sinal – Variação diurna do ΔpCO2 • Variação é dominada pelo valor de pCO2 na superfície do oceano 27
  28. 28. RESULTADOS E DISCUSSÃOFluxo de CO2Variação diurna do Fco2 ,representativa do mês de agosto – Fco2 • Picos de ~0,85 mol CO2 m-2 ano-1 – ocorrem às 6 h e 16 h • Mínimo de 0,71 mol CO2 m-2 ano-1 – ocorre às 11 h • Fluxo é do oceano para a atmosfera; Região investigada é uma fonte de CO2 • ΔpCO2 dita o ciclo diurno do fluxo 28
  29. 29. RESULTADOS E DISCUSSÃOFluxo de CO2Considerações • Ciclo – FCO2 possui dependência forte com o pCO2w (ΔpCO2) – Kco2 possui dependência forte com o vento em superfície – Período noturno: ↓ TSM = ↑ solubilidade = ↑ Fluxo – Período diurno: Efeitos locais? 29
  30. 30. RESULTADOS E DISCUSSÃOFluxo de CO2Comparações com a bibliografia (oceanos equatoriais) • Fco2 – McGillis et al. (2004) (medição in-situ no Pacífico equatorial) • Valores encontrados para Fco2 ~ 5x menores • Período noturno, qualitativamente, também apresenta incremento nos níveis de CO2 • Período diurno, discrepante – Takahashi et al. (2002 e 2009) • Resultados das simulações são comparáveis: ~ 1 mol CO2 ano-1 30
  31. 31. ConclusãoConclusões• Fluxos de calor latente e sensível – Juntos, respondem por cerca de 15% do calor armazenado no oceano – Valores comparáveis aos de Skielka et al. (2010 e 2011) – Ocorrem do oceano para a atmosfera• Calor armazenado no oceano – Segue o balanço de radiação – Oceano está recebendo energia durante o dia e perdendo durante a noite 31
  32. 32. ConclusãoConclusões• Concentração de CO2 na atmosfera – Estimativas efetuadas segundo metodologia de Takahashi et al. (2002) • Estimada a partir dos dados de xCO2 de agosto de 2003 na ilha Ascension • Variação diurna de ~ 1%• Concentração de CO2 na superfíce do oceano – Medida in-situ, em 5 e 6 de agosto de 2003• ΔpCO2 – Ciclo diurno dominado pela pCO2W 32
  33. 33. ConclusãoConclusões• Velocidade de transferência do CO2 (Kco2) – Valores estimados comparáveis aos da literatura para a faixa de velocidade do vento total obtida – Efeitos térmicos na camada de mistura oceânica não se mostraram relevantes• Fluxo de CO2 (FCO2) – Ciclo diurno acompanha a variação de ΔpCO2 – Resfriamento da coluna oceânica durante a noite incrementa a transferência – Região investigada é fonte de CO2 para a atmosfera – Estimativas qualitativamente comparáveis à literatura – Metodologia apresentada pode ser reproduzida para qualquer outra região 33
  34. 34. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt• First level bullet. Arial • First level bullet. Arial bold, 22pt bold, 22pt – Second level bullet. – Second level bullet. Arial, 20pt Arial, 20pt • Third level bullet. • Third level bullet. Arial, Arial, 18pt 18pt – Fourth level bullet. – Fourth level bullet. Arial, 16pt Arial, 16pt > Fifth level bullet. > Fifth level bullet. Arial, 14pt Arial, 14pt 34
  35. 35. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt • First level bullet. Arial bold, 22pt – Second level bullet. Arial, 20pt • Third level bullet. Arial, 18pt – Fourth level bullet. Arial, 16pt > Fifth level bullet. Arial, 14pt 35
  36. 36. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt Chart Title 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% Q1 07 Q2 07 Q3 07 Q4 07 Item 1 Item 2 Item 3 Item 4 Item 5 Item 6 36
  37. 37. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt Chart Title 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% Q1 07 Q2 07 Q3 07 Q4 07 Item 1 Item 2 Item 3 Item 4 Item 5 Item 6 37
  38. 38. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt Chart Title Q4 07 Q1 07 Q3 07 Q2 07 38
  39. 39. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt• First level bullet. Arial Chart Title bold, 22pt – Second level bullet. 10% Arial, 20pt 9% • Third level bullet. 8% Arial, 18pt 7% – Fourth level bullet. 6% Arial, 16pt 5% > Fifth level bullet. 4% Arial, 14pt 3% 2% 1% 0% Q1 07 Q2 07 Q3 07 Q4 07 Item 1 39
  40. 40. SECTION HEADING Slide Title. Arial Bold, 32pt • First level bullet. Arial Chart Title bold, 22pt10% – Second level bullet.9% Arial, 20pt8% • Third level bullet.7% Arial, 18pt6% – Fourth level bullet.5% Arial, 16pt4% > Fifth level bullet. Arial, 14pt3%2%1%0% Q1 07 Q2 07 Q3 07 Q4 07 Item 1 40
  41. 41. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt Column Title Column Title Column Title Column Title Arial Bd 15ptRow Title Data. Arial 13ptArial Bd 15ptRow TitleRow TitleRow TitleRow TitleRow Title 41
  42. 42. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt Column Title Column Title Column Title Column Title Arial Bd 13ptRow Title Data. Arial 11ptArial Bd 13ptRow Title• First level bullet. Arial bold, 22pt – Second level bullet. Arial, 20pt • Third level bullet. Arial, 18pt – Fourth level bullet. Arial, 16pt > Fifth level bullet. Arial, 14pt 42
  43. 43. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt Column • First level bullet. Arial Title Column Arial Bd Title bold, 22pt 13pt – Second level bullet.Row TitleArial Bd Data. Arial Arial, 20pt 11pt13pt • Third level bullet. Arial, 18ptRow Title – Fourth level bullet. Arial, 16pt > Fifth level bullet. Arial, 14ptRow TitleRow TitleRow Title 43
  44. 44. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt• First level bullet. Arial bold, 22pt – Second level bullet. Arial, 20pt • Third level bullet. Arial, 18pt – Fourth level bullet. Arial, 16pt > Fifth level bullet. Arial, 14pt 44
  45. 45. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt • First level bullet. Arial bold, 22pt – Second level bullet. Arial, 20pt • Third level bullet. Arial, 18pt – Fourth level bullet. Arial, 16pt > Fifth level bullet. Arial, 14pt 45
  46. 46. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt• First level bullet. Arial bold, 22pt – Second level bullet. Arial, 20pt • Third level bullet. Arial, 18pt – Fourth level bullet. Arial, 16pt > Fifth level bullet. Arial, 14pt 46
  47. 47. SECTION HEADINGSlide Title. Arial Bold, 32pt• First level bullet. Arial bold, 22pt – Second level bullet. Arial, 20pt • Third level bullet. Arial, 18pt – Fourth level bullet. Arial, 16pt > Fifth level bullet. Arial, 14pt 47

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