- O estudo investigou a variação diurna do fluxo de CO2 na interface oceano-atmosfera no oceano Atlântico equatorial. - Foram caracterizadas as variáveis meteorológicas e oceanográficas, bem como o balanço de energia e os fluxos de calor e CO2. - Os resultados mostraram ciclos diurnos nos fluxos de calor, com o oceano perdendo energia para a atmosfera durante o dia, e na estimativa de pCO2 na atmosfera e superfície do o

1. Variação diurna do
fluxo de CO2 na
interface ar-mar do
oceano Atlântico
Orientadora: Jacyra Soares equatorial
Grupo de micrometeorologia
IAG-USP Fabio Fonseca
Fevereiro, 2012

2. SUMÁRIO
Sumário
• 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. INTRODUÇÃO
Objetivos
Investigar o ciclo diurno do fluxo turbulento
de CO2 na interface ar-mar do oceano
Atlântico 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. INTRODUÇÃO
CO2 na atmosfera
Contextualização
• 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. INTRODUÇÃO
CO2 sobre os oceanos
Níveis de CO2 na camada limite planetária
sobre 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. INTRODUÇÃO
CO2 nos oceanos
Contextualização
• 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. INTRODUÇÃO
Fluxo de CO2 na interface ar-mar
Contextualização
• 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. INTRODUÇÃO
CO2 nos oceanos
Estimativa 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. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOS
Região de estudo e dados utilizados
Oceano 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. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOS
Região de estudo e dados utilizados
Dados 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. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOS
Dados do PIRATA
Ciclo diurno; média horária para os meses de agosto de 1999 até
2005
• (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. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOS
Dados de CO2 na superfície do
oceano (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. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOS
Dados de CO2 na superfície do
oceano (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. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOS
Dados de CO2 na superfície do
oceano (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. REGIÃO DE ESTUDO E DADOS UTILIZADOS
Dados de CO2 atmosférico
Agosto 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. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOS
Estimativa dos fluxos turbulentos
Balanço 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. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOS
Fluxos de calor
Fórmulas 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. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOS
Considerações
• 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. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOS
Fluxo de CO2
Fórmulas 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. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOS
Fluxo de CO2
Velocidade 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. ESTIMATIVA DOS FLUXOS TURBULENTOS
Considerações
• 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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Resultados e discussão
Fluxos 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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Estimativa de pCO2 na atmosfera
Lei 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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Estimativa de pCO2 na atmosfera
Conversão
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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Estimativa de pCO2 na atmosfera
Variação 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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Velocidade de transferência do CO2
Ciclo 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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
ΔpCO2
Diferença entre as pressões parciais do CO2 na superfície do
oceano 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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Fluxo de CO2
Variação 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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Fluxo de CO2
Considerações
• 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. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Fluxo de CO2
Comparações 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. Conclusão
Conclusões
• 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. Conclusão
Conclusões
• 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. Conclusão
Conclusões
• 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. SECTION HEADING
Slide 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. SECTION HEADING
Slide 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. SECTION HEADING
Slide 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. SECTION HEADING
Slide 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. SECTION HEADING
Slide Title. Arial Bold, 32pt
Chart Title
Q4 '07
Q1 '07
Q3 '07
Q2 '07
38

39. SECTION HEADING
Slide 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. SECTION HEADING
Slide Title. Arial Bold, 32pt
• First level bullet. Arial
Chart Title
bold, 22pt
10% – Second level bullet.
9% Arial, 20pt
8%
• Third level bullet.
7% Arial, 18pt
6% – Fourth level bullet.
5%
Arial, 16pt
4%
> Fifth level bullet.
Arial, 14pt
3%
2%
1%
0%
Q1 '07 Q2 '07 Q3 '07 Q4 '07
Item 1
40

41. SECTION HEADING
Slide Title. Arial Bold, 32pt
Column Title
Column Title Column Title Column Title
Arial Bd 15pt
Row Title
Data. Arial 13pt
Arial Bd 15pt
Row Title
Row Title
Row Title
Row Title
Row Title
41

42. SECTION HEADING
Slide Title. Arial Bold, 32pt
Column Title
Column Title Column Title Column Title
Arial Bd 13pt
Row Title
Data. Arial 11pt
Arial Bd 13pt
Row 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. SECTION HEADING
Slide Title. Arial Bold, 32pt
Column • First level bullet. Arial
Title Column
Arial Bd Title bold, 22pt
13pt
– Second level bullet.
Row Title
Arial Bd
Data. Arial Arial, 20pt
11pt
13pt • Third level bullet. Arial,
18pt
Row Title – Fourth level bullet.
Arial, 16pt
> Fifth level bullet.
Arial, 14pt
Row Title
Row Title
Row Title
43

44. SECTION HEADING
Slide 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. SECTION HEADING
Slide 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. SECTION HEADING
Slide 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. SECTION HEADING
Slide 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