Taxa de absorção atmosférica sobre as cidades de Botucatu-SP e Rio de Janeiro-RJ

Atmospheric absorption ratio on the cities of Botucatu-SP and Rio de Janeiro-RJ

ARTIGOS

Taxa de absorção atmosférica sobre as cidades de Botucatu-SP e Rio de Janeiro-RJ

Atmospheric absorption ratio on the cities of Botucatu-SP and Rio de Janeiro-RJ

Nelson Veissid^I; João F. Escobedo^II; Marco Antonio Galdino^III

^IInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais Laboratório Associado de Sensores e Materiais (INPE/CTE), São José dos Campos, SP, Brasil. [e-mail]

^IIEstação de Radiometria Solar do Departamento de Recursos Naturais/Faculdade de Ciências Agronômicas (UNESP), Botucatu, SP, Brazil. [e-mail]

^IIIDepartamento de Tecnologias Especiais/Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (DTE/CEPEL/ELETROBRÁS), Rio de Janeiro, RJ, Brazil. [e-mail]

RESUMO

O segundo satélite da Missão Espacial Completa Brasileira (SCD2/MECB) foi colocado em órbita em 23 de Outubro de 1998 e carrega a bordo um experimento de células solares. Célula solar de silício é um dispositivo semicondutor, que pode medir a intensidade da radiação visível e parte da radiação infravermelha (400-1100 nm). O experimento permite medir simultaneamente a insolação direta e parte da radiação solar que é refletida pela Terra para o espaço. Os dados do experimento célula solar são transmitidos em tempo real pela telemetria do satélite e recebidos pela estação terrestre em Cuiabá, MT-Brasil (16°S; 56°W). Este fato limita a cobertura espacial para um círculo sobre a América do Sul. O albedo planetário é obtido dentro desta cobertura e seus valores podem ser agrupados em períodos temporais (anual, sazonal ou mensal), ou podem ser estudados para várias localizações (latitude e longitude) durante a vida do satélite.

O coeficiente de transmissão atmosférica ou índice de claridade (Kt), medido em estações meteorológicas na superfície da Terra, junto com o valor medido simultaneamente do albedo planetário, permite calcular o coeficiente de absorção atmosférica (Ka). O método desenvolvido neste trabalho para avaliar Ka considera que o albedo planetário é composto por duas partes: uma refletividade local e uma refletividade não local. Considerando este novo conceito, é definida uma taxa de absorção atmosférica (denominada Ra) que é a razão entre Ka e a potência de irradiância solar líquida, que não atravessou a atmosfera (100%-Kt). A taxa de absorção atmosférica assim definida é independente da cobertura de nuvens. O histograma de freqüência de Ra mostra os valores de 0,86±0,07 e 0,88±0,09 sobre as cidades de Botucatu-SP e do Rio de Janeiro-RJ, durante os anos de 1999 até 2006, respectivamente.

ABSTRACT

The second satellite of the Brazilian Complete Space Mission (SCD2/MECB) was launched on October 23, 1998 and it hosts on board a solar cell experiment. Silicon solar cell is a semiconductor device that senses visible and near infrared (400-1100 nm) radiations. The experiment permits the simultaneous inference of direct insolation and the insolation that is reflected outside of Earth. The data of the solar cell experiment are transmitted in real time by the satellite telemetry and are received by the ground station of Cuiabá, MT-Brazil (16°S, 56°W). This fact limits their spatial coverage to a circle on the South America. The planetary albedo is obtained inside this coverage area and the data can be grouped into periods of time (annual, seasonal or monthly) or studied for several places (latitude and longitude) during the life of the satellite.

Atmospheric transmission coefficient or clearness index (Kt), measured at meteorological stations around the Earth surface, together with simultaneous measured of the planetary albedo permits to calculate the atmospheric absorption coefficient (Ka). The developed method in this work for evaluating the Ka considers that the planetary albedo is composed by two parts: the local and the non local reflectivity. Considering this new concept, an atmospheric absorption ratio (called here Ra) is defined as the quotient between Ka and the net solar irradiance power that is not transmitted through the atmosphere (100%-Kt). The atmospheric absorption ratio defined by this way is not cloud cover dependent. The frequency histogram of Ra indicates the values of 0.86±0.07 and 0.88±0.09 on the cities of Botucatu-SP and Rio de Janeiro-RJ respectively, during the years of 1999 to 2006.

Keywords: planetary albedo, solar energy, atmospheric transmission, atmospheric absorption

1. INTRODUÇÃO

Os satélites de coleta de dados meteorológicos (SCD1 e SCD2), lançados em fevereiro de 1993 e outubro de 1998 respectivamente, atuam como receptores e transmissores dos parâmetros medidos em plataformas meteorológicas terrestres espalhadas ao longo do território Brasileiro. Desde 1980, o Laboratório Associado de Sensores e Materiais do INPE (LAS/CTE/INPE) desenvolve tecnologia para a fabricação de células solares para uso em satélite. Um dos marcos desta atividade foi o desenvolvimento de Experimentos de Células Solares para serem colocados em satélites. Os dois Experimentos, dos satélites SCD1 e SCD2, usam células solares de silício tipo convencional fabricadas no Brasil e qualificadas por testes para uso em satélite. Eles têm o objetivo de estudar a degradação de células solares com a irradiação por partículas ionizantes (elétrons e prótons de alta energia) encontradas na ionosfera. As células solares destes experimentos foram projetadas e fabricadas por pessoal do LAS/INPE usando a infra-estrutura do Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da USP em São Paulo (LME/EPUSP). Elas são homojunções tipo n+/p fabricadas a partir de substratos de silício monocristalino. Vários artigos foram publicados relatando os resultados obtidos nestes experimentos (Nubile et al., 1994 e Veissid et al., 1990; 1997; 1998; 1999; Veissid 2005a, 2005b e 2008). A conclusão principal desses artigos é que a degradação do desempenho das células solares, com o tempo de vida do satélite, está ocorrendo conforme o previsto para este dispositivo de acordo com manual de degradação de células solares para satélite (Tada et al. 1982).

O satélite SCD2 tem uma órbita circular equatorial com altitude de 750 km. Nestas condições o período de sua órbita é de 100 min, sendo 65 min iluminados pelo sol e 35 min no cone de sombra da Terra, que provoca ciclo térmico com variação de -30°C ate 45°C. O Experimento Célula Solar (ECS), colocado a bordo deste satélite, recebe em média três arquivos diários dos valores telemetrizados, e estes dados são transmitidos em tempo real para a estação receptora de Cuiabá (16ºS; 56ºW). A Figura 1 mostra várias trajetórias do satélite SCD2 no período de novembro de 1998 dentro da visada de Cuiabá.

A Figura 2 mostra como os sinais do canal de corrente de curto circuito da célula são recebidos pela telemetria do satélite. Nesta figura são mostrados os pontos de leitura que variam de um valor máximo, quando o ECS está orientado para o Sol até um valor mínimo. Estes pontos estão separados de meio segundo, pois a amostragem de leitura do computador de bordo do satélite tem uma taxa de duas leituras por segundo.

Os dados da telemetria do Experimento mostrados na Figura 2 permitem obter por ajuste, o valor da rotação do satélite, que em média é de 35rpm. A seguir, por uma transformada de variável de tempo (t) para ângulo de fase da rotação do satélite (θ), pode-se obter os valores experimentais dos picos associados às radiações refletida e solar. Após correções geométricas esféricas, estes valores convertem-se nas intensidades das radiações refletida e solar. O albedo é calculado pela razão entre estas duas intensidades. A Figura 3 mostra a curva dos dados da Figura 2 depois da transformada de variável de t para θ. Esta figura é ilustrativa porque ela mostra que os dois picos estão defasados de aproximadamente 180º, e isto acontece quando o satélite se encontra exatamente entre a Terra e o Sol.

Estudos relacionados ao albedo planetário, vistos pelo Experimento Célula Solar do satélite SCD2, permitiram a publicação de artigos em revistas de Atmosfera Terrestre (Veissid, 2003) e de Geofísica (Veissid, 2003; Veissid e Pereira, 2000). Também, permitiram apresentação em congressos de trabalhos nas áreas de Meteorologia (Veissid, 2002), Sensoriamento Remoto (Veissid, 2005 e 2009) e Mudanças Climáticas Globais (Veissid, 2004 e 2007).

Simulação teórica do funcionamento do Experimento Célula Solar (Veissid, 2003), como sensor de albedo planetário, mostra que apesar das células solares terem uma visada de 180°, é possível estimar o albedo local no ponto Nadir do satélite. A Figura 4 ilustra este conceito, pois o disco central da visada do ECS é responsável por 80% do albedo medido. Devido a isto, pode-se dizer, que a resolução da visada do ECS é de aproximadamente ±2,5º em latitude e longitude, correspondente a uma área de ≈500km de diâmetro.

O albedo medido pelo ECS é determinado por uma relação que envolve o quociente da altura dos picos mostrados na Figura 3. O sinal do ECS é função da temperatura e da degradação que as células solares sofrem durante a vida do satélite (Veissid e Andrade, 1991 e Veissid et al., 1995). No entanto, estes dois efeitos não afetam o valor do albedo porque o quociente usado para calcular seu valor compensa estes dois fatores. Portanto, pode-se dizer que o Experimento usado como sensor de albedo é autocalibrável devido ao algoritmo matemático.

O índice de claridade consiste na razão entre a radiação global incidente em uma superfície horizontal na superfície da Terra, e a radiação extraterrestre incidente no topo da atmosfera (Kt=R_G/R₀). A Figura 5 mostra os diversos componentes da radiação. A taxa de absorção atmosférica é definida como a razão da radiação absorvida na atmosfera pela radiação que não foi absorvida na superfície do planeta ( Ka/(Ka+Kr) ).

2. MÉTODO

Foram selecionados todos os valores do albedo planetário medidos pelo ECS durante as passagens do satélite SCD2, nas coordenadas mais próximas de Botucatu (23°S; 48,5°W) e do Rio de Janeiro (23°S; 43°W), dentro de um círculo de 5° de diâmetro em latitude e longitude. Considerando os instantes destas medidas, com uma tolerância de um minuto, também, foram selecionadas as leituras dos piranômetros das estações meteorológicas destas duas cidades. As Figuras 6 e 7 mostram as medidas usadas para o desenvolvimento deste trabalho, nas cidades de Botucatu e do Rio de Janeiro, respectivamente.

Um tratamento elementar da óptica do sistema atmosférico pode ter início a partir da Equação 1, onde os coeficientes de transmissão, de absorção e de reflexão somam 100%.

Desta forma, considerando numa primeira tentativa, que o albedo planetário é o próprio Kr e que o coeficiente de absorção é constante, curvas do albedo versus o valor da diferença, 100%-Kt, iriam produzir uma reta com inclinação unitária e deslocada por um valor de Ka. A Figura 8 mostra que as curvas em períodos diferentes para as duas cidades estudadas não apresenta este resultado, pois a inclinação da curva não é unitária e nem está deslocada para a parte negativa de Kr. Portanto, a seguinte consideração foi adotada neste trabalho:

• A absorção atmosférica é proporcional à parcela de radiação solar que não foi absorvida na superfície do planeta, na forma:

onde: Ra é agora chamada de taxa de absorção atmosférica. Por exemplo, se numa determinada condição atmosférica de céu claro, tem-se Ra=0,8 e Kt=80%, então Ka=16%. Portanto, pela Equação 1 sobram 4% para Kr. Outro exemplo, para o mesmo valor Ra=0,8 e, agora, Kt=5% que corresponde a um céu nublado, então Ka=76% e, portanto, sobra 19% para Kr. Esta consideração estabelece que a curva esperada para a Figura 8 seria uma reta com inclinação inferior a unidade passando pela origem, dado por:

A Figura 8 mostra que os pontos em períodos diferentes para as duas cidades estudadas não geram retas médias que passam pela origem. Portanto, outra consideração deve ser adotada:

• O albedo planetário é composto pela soma de uma refletividade não local com uma refletividade local. A Figura 4 ilustra esta consideração, pois o círculo central corresponde a parte da atmosfera responsável pela refletividade local (Kr_LOCAL). Os anéis exteriores são os responsáveis pela refletividade não local (Kr_NLOCAL), e não representam a condição atmosférica local. Portanto, o albedo planetário pode ser expresso como:

Desta forma, a Equação 4 pode ser escrita pela Equação 5, com Kr_LOCAL dado pela Equação 3. Com esta nova consideração a Figura 8 fica entendida, pois o incremento em Albedo que esta acima da origem é o valor de Kr não local (Kr_NLOCAL). Agora, o problema matemático se resume em estimar os valores de refletividade não local e, através de uma equação obtida por ajuste, subtraí-lo dos valores do albedo planetário para se obter os valores de refletividade local.

A Figura 8 mostra que a refletividade não local para a região de Botucatu foi de 17,02%±1,37% e de 7,76%±1,54% para os períodos de 6 a 29 de janeiro de 2004 e de 6 a 31 de maio de 2002, respectivamente. Analogamente, a Figura 8 mostra que a refletividade não local para a região do Rio de Janeiro foi de 23,95%±2,24% e de 7,67%±1,34% para os períodos de 5 a 26 de janeiro de 2004 e de 13 de abril a 6 de maio de 2004, respectivamente.

3. RESULTADOS

O resultado mais importante neste trabalho são os valores das taxas de absorção atmosférica. Para seu calculo é necessário primeiro a determinação da refletividade não local e, em seguida, usando os valores de Kr_NLOCAL, determina-se a refletividade local e o coeficiente de absorção.

3.1 Refletividade não Local

Usando ajuste linear dos pontos de albedo planetário versus (100%-Kt), foi calculada a refletividade não local para todos os períodos de medida, para as cidades de Botucatu e do Rio de Janeiro. A Figura 9 mostra os valores de Kr_NLOCAL calculado para as duas cidades.

O ajuste de uma função seno dos valores dos coeficientes de reflexão não local da Figura 9 resultaram nas Equações 6 e 7, para Botucatu e para o Rio de Janeiro, respectivamente.

As Equações 6 e 7, mostram que os valores máximos de Kr_NLOCAL foram 23,56%±0,55% e 20,98%±0,73%, para Botucatu e para o Rio de Janeiro, respectivamente. O valor mínimo de Kr_NLOCAL foram 8,36%±0,55% e 7,48%±0,73%, para Botucatu e para o Rio de Janeiro, respectivamente. Estes valores estão de acordo com o esperado para a radiação difusa que é emitida para o espaço exterior, pois no solstício de verão estes valores são altos e no de inverno baixos.

3.2 Refletividade Local e o Coeficiente de Absorção

Usando a Equação 4 foi calculada a refletividade local para todos os períodos de medida de albedo planetário, mostrados nas Figuras 6 e 7. A refletividade não local foi calculada usando as Equações 6 e 7. A Figura 10 mostra os valores de Kr_LOCAL para as cidades de Botucatu e do Rio de Janeiro.

A refletividade local média nas duas cidades é menor do que 10% (Botucatu=7,8% e Rio de Janeiro=7,4%), conforme pode ser verificado na Figura 10. Nesta figura, os pontos com Kr_LOCAL menor do que zero são resultados de propagação de erros devido aos valores calculados da refletividade não local usando Equações 6 e 7. Diferenças entre os valores das curvas destas equações e os valores dos pontos experimentais, ver Figura 9, acarretam disparidades no valor de Kr. Outra coisa interessante, que deve ser destacada na Figura 10, é o fato que as maiores refletividades locais em Botucatu estão entre 45% e 50% e, no Rio de Janeiro entre 40% e 45%. Este fato se deve a diferença de altitude entre os dois locais (Rio de Janeiro - nível do mar e Botucatu - 800m). O efeito da altitude, também, é visto nas Figuras 6 e 7 onde o coeficiente de transmissão médio para céu claro é de 75% em Botucatu e 65% no Rio de Janeiro.

A Equação 1 permite calcular o coeficiente de absorção para cada ponto mostrado nas Figuras 6, 7 e 10. A Figura 11 mostra os valores de Ka para as duas cidades estudadas neste trabalho. A cidade de Botucatu tem um coeficiente de absorção médio para céu claro de 25% e a cidade do Rio de Janeiro o valor de Ka médio é de 35%. O valor de Ka é fortemente dependente da nebulosidade.

3.3 Taxa de Absorção Atmosférica

Os valores de Kt e Albedo Planetário são os dados experimentais deste trabalho mostrados nas Figuras 6 e 7. Os valores de Kr não local são dados pelas Equações 6 e 7. A taxa de absorção atmosférica (Ra), dada pela Equação 2, é obtida pelo ajuste linear de uma equação do tipo y=ax que passa pela origem, similar a Equação 2 onde y é o valor de Ka, x é o valor de 100%-Kt e o coeficiente linear a é a taxa de absorção Ra. Os valores de Ka são obtidos pela Equação 8, deduzida a partir das Equações 1 e 4.

A Figura 12 é um exemplo prático deste tratamento matemático e foi feito para o período de Janeiro de 2004 nas duas cidades consideradas neste trabalho. Esta figura mostra que a taxa de absorção atmosférica (Ra) em Botucatu foi 0,8399±0,141, e no Rio de Janeiro de 0,8793±0,157. Observando-se a distribuição dos pontos na Figura 12, pode-se notar que a taxa de absorção atmosférica não é função das condições de nebulosidade, pois alto valor de 100%-Kt indica coeficiente de transmissão muito baixo, que é típico de céu coberto por nuvens. Contrariamente, baixo valor de 100%-Kt indica coeficiente de transmissão muito alto, Kt=100%, que é típico de céu aberto sem nuvens. Portanto, pode-se concluir em primeira aproximação que a taxa de absorção não é função da nebulosidade.

As Figuras 13 e 14 são outros exemplos interessantes de taxa de absorção que devem ser destacados neste trabalho. Todas estas figuras (12, 13 e 14) mostram os valores de Ka nos mesmos períodos nas duas cidades. A Figura 13 corresponde a coletânea de pontos que tiveram o maior valor de Ra≈1, de todos os períodos estudados no trabalho. Por outro lado, a Figura 14 corresponde ao período que teve um dos menores valores de Ra≈0,7.

Todos os intervalos de tempo estudados neste trabalho mostraram taxas de absorção constante durante o período, mas com valores diferentes para períodos diferentes, conforme se pode ver nas Figuras 12-14. A Figura 15 mostra as taxas calculadas para todos os períodos e a data considerada para cada ponto da figura corresponde ao dia médio do período. Por exemplo, sobre a cidade de Botucatu, no período de 10 a 23 de fevereiro de 2005 (dias 41 a 54), foi medido Ra=1,032±0,011 e o dia 47,5. Os pontos da Figura 15, que tiveram fatores de correlação (R²) maior do que 0,90, são mostrados nas Tabelas 1 e 2 para as cidades de Botucatu e do Rio de Janeiro, respectivamente.

Os valores das taxas de absorção atmosférica mostrada nestas duas tabelas têm vários períodos em comum nas duas cidades. Nestes períodos em comum os valores de Ra do Rio de Janeiro são em média 6% maiores. Este fato, talvez, pode ser explicado pela diferença de altitude entre Botucatu e o Rio de Janeiro. Também, deve ser ressaltado que existem vários períodos consecutivos em Botucatu (22 e 23; 24 e 25; 26 e 27; 31 e 32) e no Rio de Janeiro (20 e 21) onde houve variação abrupta dos valores de Ra.

Os pontos da Figura 15 permitem montar um histograma da freqüência de contagem dos valores da taxa de absorção atmosférica. A Figura 16 mostra os histogramas sobre as duas cidades estudadas neste trabalho.

Os histogramas da Figura 16 permitem calcular as taxas de absorção média que são 0,859±0,070 (R²=0,78 e qui-quadrado reduzido de 3,759) e 0,882±0,088 (R²=0,61 e qui-quadrado reduzido de 3,714) para as cidades de Botucatu e do Rio de Janeiro, respectivamente. As incertezas destes dois valores correspondem ao desvio padrão das Gaussianas ajustadas nestes histogramas. O desvio padrão é conseqüência de dois diferentes tipos de erros associados às medidas. Primeiro, ele é devido à incerteza inerente da medida experimental (erro dos equipamentos de medidas e desvios resultantes da falta de simultaneidade exata das medidas do radiômetro e da incerteza do albedo planetário visto pelo experimento célula solar) e segundo, o desvio padrão reflete as diferentes condições atmosféricas (massa de ar, umidade relativa do ar, pressão barométrica e temperatura média diária) que atuavam durante as medidas.

4. CONCLUSÃO E PERSPECTIVAS

O objetivo principal do trabalho é o de apresentar resultados derivados de medidas experimentais, do ECS e das estações radiométricas do Rio de janeiro e de Botucatu. Os parâmetros estabelecidos para este estudo possuem conexão intrínseca com parâmetros específicos da física da atmosfera, mas os autores escolheram não se estender nesta parte, porque o trabalho seria muito extenso e poderia mascarar o objetivo principal. De qualquer forma, o trabalho assim apresentado é uma fonte de dados experimentais para simulações e estudo da física atmosférica, principalmente sob as cidades do Rio de Janeiro e de Botucatu.

Este trabalho mostra de maneira inédita uma metodologia para a determinação experimental da absorção da radiação solar pela atmosfera. O conceito de taxa de absorção (Ra), apresentado neste trabalho, que é diferente do conceito de absorção atmosférica (Ka), está relacionado com a radiação liquida que não atravessou a atmosfera (100%-Kt) e, aparentemente, não é função da cobertura de nuvens.

A próxima publicação, continuação deste trabalho, pretende relacionar esta taxa com as condições atmosféricas e verificar a influência natural (frentes frias, por exemplo) e humana (queimadas, por exemplo) nos valores de Ka. Outro detalhe que será estudado é o fato que a taxa de absorção atmosférica mostra variações bruscas em alguns períodos consecutivos. Por exemplo, o que aconteceu com a atmosfera no meio do mês de Agosto de 2003, quando o valor de Ra=0,745 subiu para Ra=0,925. Talvez, as queimadas em plantações de cana de açúcar, que acontecem nesta região e nesta época do ano, possam explicar este comportamento anômalo.

O albedo planetário visto pelo Experimento Célula Solar cobre uma vasta área sobre a América do Sul. Todas as estações radiométricas dentro desta área são passiveis, após seus dados de radiação global serem convertidos em coeficientes de transmissão (Kt), de estudo análogo ao deste trabalho. Desta forma, o estudo da taxa de absorção atmosférica permitirá mostrar as características de cada região (Pantanal, Amazônica, Semi-Árido e outras).

O Experimento Célula Solar continua operante e os dados dos anos seguintes (2007, 2008, 2009 e outros) permitirão formalizar a teoria apresentada neste trabalho. Talvez, nestes anos seguintes sob a influência de um efeito El-Niño forte, o formalismo simplificado da física da atmosfera apresentado neste trabalho, possa permitir uma maior compreensão do sistema atmosférico e de suas mudanças decorrentes das mudanças globais antropogênicas.

5. BIBLIOGRAFIA

Recebido Setembro 2009

Aceito Abril 2010

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  15 Mar 2011
• Data do Fascículo
  Dez 2010

Histórico

• Recebido
  Set 2009
• Aceito
  Abr 2010