Mecanismos de troca de massas de ar entre a estratosfera e a troposfera

A troca de ozono entre as diferentes camadas da atmosfera, nomeadamente entre a camada limite atmosférica, a troposfera livre e a baixa troposfera, constitui actualmente um tópico científico importante quando se trata de estimar o balanço de ozono troposférico. As trocas de massas de ar estratosféricas-troposféricas desempenham um papel importante na distribuição de outros constituintes atmosféricos (aerossóis e gases de efeito de estufa), e a taxa de transporte entre as duas camadas afecta o seu balanço químico. Em 1964, Danielsen (Johnson e Viezee, 1981) apresentou uma explicação possível para este transporte na qual a massa de ar estratosférico penetra inicialmente na troposfera numa região depressionária em altitude, que está normalmente associada à corrente de jacto (Figura 5.1). Por outro lado, este padrão em altitude pode estar relacionado com uma depressão à superfície, geralmente associada a uma frente fria que se estende para sul, deixando uma região de altas pressões a oeste.

Figura 5.1: Trajectórias conceptuais de ar estratosférico de Danielsen (Johnson e Viezee, 1981).

Johnson e Viezee (1981) sumariaram os mecanismos mais prováveis que controlam o transporte de ozono estratosférico na troposfera e que podem estar simultaneamente activos (Figura 5.2):

i. dissipação da intrusão por mistura e difusão na troposfera livre;

ii. persistência de intrusão até ao topo da camada limite atmosférica, onde a

turbulência e a convecção são os processos responsáveis pela mistura do ar estratosférico;

iii. intrusão próximo de superfícies frontais frias, onde a massa de ar rica em

ozono é transportada directamente para a superfície por movimentos verticais descendentes associados à actividade frontal;

iv. como no caso anterior, mas em que a entrada de ozono para a camada de

mistura se dá por convecção frontal e pré-frontal com transporte para a superfície associado à ocorrência de precipitação.

MISTURA LATERAL AL T URA CAMADA DE MISTURA Tipo (ii) Tipo (i)

Tipo (iii) Tipo (iv)

AL

T

U

RA

Figura 5.2: Mecanismos de transporte hipotéticos do ozono estratosférico na troposfera (Johnson e Viezee, 1981).

Contudo, Davies e Schuepbach (1994) nomeiam ainda outro possível mecanismo como sendo a mistura convectiva em depressões em altitude de maior dimensão. Estudos climatológicos indicam que são estes os processos extratropicais de transferência mais eficientes (Elbern et al., 1998) e que as suas ocorrências significativas se restringem às latitudes médias, sendo mais intensas no Hemisfério Norte.

As “dobras” na tropopausa observam-se quando se verificam valores anómalos de vorticidade potencial isentrópica, normalmente em forma de “língua”, em direcção ao equador, e que se formam através do transporte isentrópico em perturbações ciclónicas e anticiclónicas de larga escala (Figura 5.3 e Figura 5.4). Em certas circunstâncias, estas depressões da tropopausa têm a forma de “línguas” estreitas, formando filamentos alongados; noutras circunstâncias formam-se estruturas coerentes contendo massas de ar com valores elevados de vorticidade potencial - gotas frias (Holton et al., 1995). Holton et al. (1995) realçaram, ainda, a importância de se considerar todas as escalas envolvidas nas trocas estratosfera-troposfera, nomeadamente no Inverno do Hemisfério

Norte. Este facto é também confirmado por Elbern et al. (1998), que estimou a ocorrência à escala global de 11 000 “dobras” por ano, o que é significativo, considerando que as “dobras” são o processo mais importante de mistura de massas de ar estratosféricas e troposféricas.

Figura 5.3: Perturbações ciclónicas e anticiclónicas de larga escala (Brasseur et al., 1999).

a) b)

Figura 5.4: Diagrama conceptual de uma secção transversal da corrente de jacto associada a uma frente na troposfera alta; a) linhas finas = isentrópicas, linha grossa = tropopausa, sombreados correspondem à velocidade do vento, cinza claro ≥ 50 m.s-1_{; cinza médio ≥ 75 m.s}-1 _{e cinza escuro ≥ 100 m.s}-1_{; b) circulações}

dinâmicas transversais associadas à mesma frente (Stull, 2000).

Os eventos de intrusão de ar estratosférico de maior interesse são aqueles que conseguem atingir a superfície, pois alteram a composição química da troposfera através da mistura de

massas de ar com composição química diferente. Davies e Schuepbach (1994) indicam que as massas de ar estratosféricas podem ser detectadas à superfície, pois são caracterizadas por níveis de concentração elevados de ozono, índices de humidade baixa, níveis de concentração elevados de Berílio (Be), nos isótopos 7 e 10, por ser um gás gerado por raios cósmicos entre os 15 e 25 km, e pelo seu valor elevado de vorticidade potencial (Hov, 1998). Contudo, a ocorrência de eventos de grande intensidade que permitam a sua detecção é escassa.

As estações de monitorização de montanha têm uma probabilidade maior de registar

eventos de intrusão. Estudos estatísticos baseados em registos de 7Be, ozono e humidade

relativa, para uma década, elaborados por Elbern et al. (1997), adquiridos em duas estações dos Alpes alemães – Zugspitze (2962 m) e Wank (1776 m) - mostram que os eventos de intrusão afectam Zugspitze durante 5 % do tempo e Wank menos de 2,5 %, aplicando o

critério de o valor de 7Be registado ser superior a duas vezes o valor do desvio padrão em

comparação com a média móvel mensal. Trabalhos referidos por Zanis et al. (2003) apontam uma influência de 8,8 % por aplicação de um filtro com base nas concentrações de ozono aos dados de Zugspitze. Estas duas referências ilustram que a frequência absoluta de intrusões estratosféricas profundas depende muito dos valores limite especificados

como critério para o 7Be, ozono e humidade relativa.

Em Borrego et al. (2005b) descrevem-se, com detalhe, as abordagens na identificação de episódios de ozono com possibilidade de mistura de ar estratosférico em Portugal. Este trabalho decorreu na sequência da análise dos dados de ozono medidos em toda a Rede Nacional da Qualidade do Ar desde 1988 até 2002. Em primeiro lugar, as séries de dados foram validadas de acordo com a metodologia proposta pela Organização Meteorológica Mundial - OMM (WMO, 1994), seguida de análise estatística e pela identificação dos episódios com interesse para o projecto. Para a identificação dos episódios de ozono de interesse filtraram-se as séries originais de dados de acordo com os seguintes critérios (Barros et al., 2004):

• Método de avaliação dos dados de ozono adoptado pela OMM (WMO, 1994); • Data da ocorrência (episódios de Inverno detectados entre Novembro e Fevereiro); • Hora da ocorrência (episódios registados durante a noite, entre as 21H00 UTC e as

7H00 UTC);

• Número de estações em que o episódio de ozono ocorreu simultaneamente (três ou mais estações);

• Número das regiões com ocorrência simultânea de episódios de ozono (duas ou mais).

Para a detecção de casos de estudo com eventual contribuição de ozono estratosférico considerou-se um episódio de ozono aquele em que o limiar de alerta à população de

180 µg.m-3 _{foi ultrapassado. Para além deste limite, filtraram-se ainda situações em que as}

concentrações de ozono ultrapassassem os 100 µg.m-3_{. Este valor resulta de um incremento}

modelação da qualidade do ar, como concentração de fundo de ozono imposta de

80 µg.m-3_.

Com esta metodologia obteve-se um conjunto de 165 episódios de ozono, ou seja, um número demasiado elevado para que a análise subjectiva das condições meteorológicas associadas a cada um deles possa ser descrita em tempo útil. Neste sentido, definiu-se a duração do episódio meteorológico associado, sendo que episódios de ozono registados em dias consecutivos, ou com um dia de intervalo, fazem parte do mesmo episódio meteorológico (Moreira et al., 2005). Um episódio meteorológico assumiu-se, então, como tendo o seu início 10 dias antes do registo de concentrações elevadas de ozono e terminando dois dias após essa ocorrência.

Os critérios subsequentes de filtragem dizem respeito à existência de dados para a descrição das condições meteorológicas, nomeadamente existência de imagens de satélite de vapor de água, mas também a isolamento de episódios de ozono em superfície com maior probabilidade de origem estratosférica. Assim, apenas se consideraram aqueles cujos episódios meteorológicos não se sobrepusessem. Para o estudo detalhado destes episódios definiu-se, em torno dos dias de concentração elevada de ozono à superfície, um intervalo de tempo (episódio meteorológico) durante o qual se caracterizaram as condições meteorológicas à escala sinóptica e o comportamento da tropopausa sobre o Atlântico Norte e Europa (Borrego et al., 2005b e Moreira et al., 2005). Para este efeito utilizaram-se os campos meteorológicos provenientes das re-análises ERA-40 (ECMWF Re-Analysis, seguido do número de anos) do modelo numérico de previsão do European Centre for Medium-Range Weather Forecasting (ECMWF). Esta base de dados tem disponíveis campos de variáveis meteorológicas relevantes para o presente estudo, incluindo a vorticidade potencial e o mapa da tropopausa dinâmica (referida apenas como mapa da tropopausa). Estes campos estão disponíveis às 0, 6, 12 e 18 UTC, tendo uma resolução espacial de 2,5º. Também se utilizaram as imagens dos satélites Meteosat, disponíveis na base de dados do Instituto de Meteorologia (IM). Pretendeu-se identificar regiões com dobras da tropopausa, visto estas constituírem zonas de entrada de ar estratosférico na troposfera, de acordo com os processos já caracterizados por Danielson em 1968 (Johnson e Viezze, 1981). O mapa da tropopausa (por ex., Hoskins et al., 1985) é especialmente importante por permitir identificar afundamentos de tropopausa. Uma variante deste mapa permite a sobreposição de isóbaras, que possibilita a identificação de dobras na tropopausa e, eventualmente, a detecção de “bolhas” de ar estratosférico na troposfera (Morgan e Nielson-Gammom, 1998).

Com o intuito de relacionar a ocorrência de episódios de ozono com afundamentos e dobras na tropopausa estudou-se a massa de ar que dá origem ao episódio de ozono à superfície recorrendo a um modelo de trajectórias desenvolvido pelo Serviço Meteorológico Holandês (KNMI). Este modelo está disponível no ECMWF e necessita como dados de entrada dos dados de re-análise ERA-40 do ECMWF. Para além da metodologia acima descrita, foram também desenvolvidas no IM aplicações informáticas específicas de forma a obter, processar e visualizar campos meteorológicos, imagens de satélite e trajectórias (Moreira, 2004).

A possibilidade de intrusão de ozono estratosférico foi posteriormente investigada recorrendo ao sistema de modelação numérica MM5-CAMx. O modelo MM5 tem sido aplicado a estudos da dinâmica de intrusões estratosféricas seguindo diferentes abordagens, pelo que se justifica a sua aplicação através da descrição sumária de alguns trabalhos em que se fez uso dessa ferramenta numérica.

A partir da análise de 10 anos de medições de humidade relativa, ozono e 7Be em duas

estações de monitorização no Norte dos Alpes, Zugspitze e Wank, Elbern et al. (1997),

previamente referida, seleccionaram três eventos de elevadas concentrações de 7_{Be nestas}

estações de forma a diagnosticar, através de modelação, a que fenómenos da dinâmica da atmosfera se pudessem atribuir a introdução de massa de ar estratosférica na troposfera. O modelo MM5 foi aplicado na sua forma hidrostática, ainda nas suas primeiras versões, e as parametrizações escolhidas podem ser consultadas em Elbern et al. (1997). A partir das simulações com o MM5 e da análise conjunta de retrotrajectórias foi possível concluir que em dois dos eventos, um ocorrido no Verão (15-16 de Julho de 1986) e o outro na Primavera (16 de Março de 1991), a intrusão foi induzida por dobras na tropopausa. O outro evento, registado no Outono (26-28 Outubro de 1993), esteve associado a uma gota fria, e dobra correspondente. Estes 3 casos indicam que a entrada de ar estratosférico registada na estação de monitorização é um processo não local, induzido a mais de 2000 km. O transporte de ar a estas distâncias faz-se em cerca de 2-4 dias. Os estudos feitos ao longo das trajectórias através da tropopausa mostram que as parcelas de ar descem por subducção desde a ponta da intrusão, aos 400-500 hPa, até aos 700 hPa, atingindo a estação de monitorização de Zugspitze.

Num outro estudo, Elbern et al. (1998), com o intuito de testar e melhorar um algoritmo que identificasse objectivamente eventos de dobras de tropopausa a partir de dados do ECMWF, simulou alguns dos eventos seleccionados pela metodologia sugerida com o modelo MM5. Para casos de estudo particulares, comparou os resultados do modelo com a representação obtida directamente das variáveis do ECMWF. Um dos eventos seleccionados ocorreu a Oeste da Península Ibérica a 15 de Outubro de 1993. O modelo MM5 representa a dobra da tropopausa dinâmica e a inclinação das isentrópicas de forma mais abrupta que os dados originais do ECMWF. É possível verificar uma bolha de ar estratosférico centrada nos 800 hPa (neste trabalho considerou-se como valor de vorticidade potencial isentrópica que separa ar estratosférico de ar troposférico de 1,6 UPV, valor indicado pela OMM (Figura 5.5)).

Para estimar fluxos de massas de ar através da tropopausa sobre as latitudes médias, Kowol-Santen et al. (2000) usaram o MM5 como ferramenta de cálculo para aplicação do método de Wei na estimativa destes fluxos através da superfície de 1,6 UPV. Os resultados derivados pelo modelo MM5 são comparáveis aos fluxos calculados com base na análise de trajectórias.

Este tipo de eventos, e estudos com eles relacionados, têm sido simulados por outros modelos, apresentando-se os modelos meteorológicos como uma ferramenta indispensável na compreensão desta dinâmica. Veja-se para tal os trabalhos sobre a Europa efectuados

por Stohl et al. (2000), Schuepbach et al. (1999), Tulet et al. (2002) e Morgenstern e Craver (2001).

Figura 5.5: Vorticidade potencial isentrópica a 400 hPa em unidades UPV, no dia 15 de Outubro 1993, às 00H00 UTC e temperatura potencial nas secções verticais dos cortes AB. a) Dados do ECMWF; b) resultados do MM5 (Elbern et al., 1998).