Simulações numéricas da sensibilidade de detecção de aerossóis ultrafinos no topo da troposfera Amazônica pela técnica lidar

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Silva, Matheus Tolentino da
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Aerossóis; Amazon; Aerosols; Lidar; Detection limit; Numerical simulation; Amazônia; Lidar; Limite de detecção; Simulação numérica
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-04092023-111126/

A floresta Amazônica é a maior floresta tropical do mundo, contribuindo de maneira significativa para o ciclo hidrológico e balanço energético global. Por isso há um esforço internacional para compreender os ciclos de vida das nuvens e dos aerossóis na região. Recentemente, campanhas de aviões realizaram medidas in-situ do perfil vertical de aerossóis e gases, e encontraram altas concentrações numéricas de novas partículas orgânicas ultrafinas no topo da troposfera (UT), com concentrações decrescentes de partículas mais envelhecidas em direção à superfície. O atual entendimento científico é que estas partículas são formadas a partir do transporte de vapores orgânicos voláteis pelas nuvens. Elas são a fonte de núcleos de condensação de nuvens dentro da camada limite planetária (PBL) na Amazônia, sustentando a formação das nuvens do oceano verde. Porém, essas medidas com aviões são de curto prazo, enquanto existem sistemas lidar na Amazônia que poderiam, em princípio, realizar medidas automáticas, contínuas e a longo prazo desses aerossóis. Neste cenário, utilizamos simulações para estudar em que situações um sistema lidar de solo poderia detectar essas partículas na UT. Então, calculamos a probabilidade de detecção desta camada de aerossóis para diferentes hipóteses sobre a eficiência do sistema lidar e a concentração em massa dos aerossóis na UT. As simulações foram calibradas com a mesma intensidade e razão sinal-ruído (S/N) do lidar Raman UV do LFA IF-USP. Calculamos o perfil de propriedades ópticas dos aerossóis com o código Mie do libRadtran, assumindo distribuições de tamanho e perfis de concentração numérica estimados pelas medidas das aeronaves HALO e G-1, e índices de refração estimados pela AERONET. Consideramos um caso apenas com partículas da moda de Aitken na UT (AOD = 0,0008 até 0,013 em 355 nm), e outro com partículas da moda de acumulação na PBL (AOD = 0,04 em 355 nm). Por fim, utilizamos o método Klett-Fernald para obter o perfil de retroespalhamento e extinção dos aerossóis a partir do sinal simulado. Depois avaliamos três testes estatísticos para detectar a camada de aerossóis na UT. Também testamos o efeito de erros sistemáticos do lidar ratio usado na inversão do sinal, na estimativa da probabilidade de detecção. Nossos resultados indicam que é preciso uma razão sinal-ruído da ordem de 400 em 10 km para a detecção das partículas na UT. Para um lidar troposférico típico, seria necessário uma melhoria da ordem de 102 na sua razão S/N. Mostramos que isso pode ser atingido sem nenhuma modificação no sistema lidar, realizando uma média temporal e um acúmulo de bins de 1 h e 15 min (150 perfis de 30 s) e 495 metros (67 bins de 7,5 metros) respectivamente. A presença de aerossóis da moda de acumulação próximo da superfície não alterou significativamente a eficiência de detecção das partículas ultrafinas. O mesmo também foi observado para os erros sistemáticos no lidar ratio da inversão testados aqui. Este estudo permitiu entender as dificuldades para detectar essas partículas com um sistema lidar otimizado para a baixa troposfera, e ao mesmo tempo mostrar que a razão S/N necessária pode ser alcançada. Futuros estudos observacionais poderão explorar estes resultados e realizar medidas sistemáticas dessas partículas na UT, melhorando nosso conhecimento sobre elas e sua representação em modelos globais.