Conforme Ferreira (2011), o sensoriamento remoto é um termo usado para descrever a tecnologia que permite o estudo de algumas características de um objeto, sem necessariamente estabelecer contato com ele. Sua origem física está ligada às experiências realizadas por Newton, constatando que um raio luminoso (luz branca), ao atravessar um prisma, decompõe-se em um feixe colorido (espectro de cores). Partindo desse princípio, o sensoriamento remoto de aerossóis pode ser realizado em superfície ou por satélites.
Durante os anos de 1990, o interesse renovado e uma maior compreensão dos processos de aerossóis exigiram uma ênfase no monitoramento por essas duas abordagens (SMIRNOV et al., 2000). Para associar o impacto do aerossol à atividade humana, precisamos distinguir os aerossóis naturais dos antropogênicos. Ao medir separadamente partículas finas e grossas, os sensores remotos distinguem a emissão e o transporte de poeira (principalmente de fontes naturais) da poluição e de aerossóis de fumaça (principalmente antropogênicos) em todo o planeta (KAUFMAN; TANRÉ; BOUCHER, 2002). Sendo assim, o sensoriamento remoto dos aerossóis naturais e antropogênicos têm sua importância nesta pesquisa e foi subdividido, nesta seção, em Rede RIMA-AERONET, Satélites e Sistema LIDAR.
2.4.1 Rede RIMA-AERONET
A AERONET é uma federação de redes de sensoriamento remoto de aerossol baseada no solo, estabelecida pela National Aeronautics and Space Administration (NASA) e PHOtométrie pour le Traitement Opérationnel de Normalisation Satellitaire (PHOTONS) e é expandida por outras redes como a, Red Ibérica de Medida fotométrica de Aerosoles (RIMA) (TOLEDANO et al., 2011) e colaboradores de agências nacionais, institutos, universidades, cientistas individuais, entre outros.
O projeto AERONET começou na década de 1990 com o objetivo de monitorar as propriedades ópticas do aerossol a partir do solo, baseado em fotômetros solar CIMEL (HOLBEN et al., 1998; GUERRERO-RASCADO et al., 2013) bem como validar as recuperações por satélite de propriedades ópticas de aerossóis. A fundação da rede ocorreu, mais precisamente, em 1998 (TOLEDANO et al., 2011), passando a fornecer dados para a caracterização de aerossóis em escala global em sinergismo com outros tipos de medidas de aerossóis. Suas medidas também são utilizadas para desenvolvimento e assimilação de modelos de transporte de aerossóis (OMAR et al., 2013). Para este fim, ela impõe a padronização de instrumentos, calibração e processamento (HOLBEN et al., 1998; SMIRNOV et al., 2000; PERRONE et al., 2004).
A rede RIMA foi criada em 2004 com o objetivo de promover a colaboração entre as instituições parceiras, contudo, ela iniciou suas operações como parte da AERONET em 2006, após uma calibração conjunta de todos os novos instrumentos (fotômetros solares CIMEL) (TOLEDANO et al., 2011). Ademais, os sites da RIMA são muito apropriados para a validação de satélites em diferentes ambientes: litoral, urbano, mediterrâneo, rural etc. (BENNOUNA et al., 2011). É possível visualizar toda a abrangência da rede RIMA na Figura 5 com destaque para o site de Natal, única estação brasileira vinculada à rede RIMA.
Figura 5 - Abrangência da rede RIMA com destaque para Natal e os fotômetros ativos (cor amarela), dezembro de 2017.
Fonte: Adaptada de www.caelis.uva.es (2018).
2.4.2 Satélites
Os satélites artificiais são úteis para monitorar a atmosfera do planeta em tempo real, sendo um eficiente caminho para monitorar propriedades de aerossóis (AOD e α) em uma escala global (SINYUK et al., 2007) e contribuir para a modelagem atmosférica o que, nas últimas décadas, tem levado a comunidade científica a buscar a inclusão de efeitos de aerossóis sobre o clima em modelos numéricos atmosféricos para previsão de tempo, clima e qualidade do ar (CORREA, 2007). O satélite, sem dúvida, constitui a ferramenta mais apropriada para uma ampla cobertura temporal e espacial (BENNOUNA et al., 2011) e suas aplicações estão em diversas áreas: agricultura, meio ambiente, hidrosfera, atmosfera e aplicações socioeconômicas.
Desde abril de 1960, os satélites meteorológicos estão em órbita do planeta Terra, obtendo excelentes dados observacionais (FERREIRA, 2011), com a observação de nuvens sendo uma das primeiras tarefas incorporadas à carga de satélites artificiais (CEBALLOS, 2007). Contudo, foi a partir da convenção de Estocolmo em 1972 que houve um estímulo à criação de um programa internacional denominado Earth Observing System (EOS) liderado pela NASA para o estudo de processos de mudanças climáticas, em 1980, (SOARES; BATISTA; SHIMABUKURO, 2007) e, pela primeira vez, um programa espacial definiu os sensores dos satélites nas exigências dos especialistas das áreas de Ciência da Terra.
Um desses sensores é o MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), que faz parte de uma nova geração de sensores espaciais. O lançamento deste sensor ocorreu no fim de 1999 e suas medições de radiância são realizadas em 36 canais, abrangendo uma faixa de 0,44 a 15 μm, com uma variação de resolução espacial de 250 m (bandas 1 e 2), 500 m (bandas 3 a 7) e 1 km (bandas 8 a 36) (BENNOUNA et al., 2011). Este sensor possui dois satélites, o Terra desde 2000 e o Aqua desde 2002 (KAUFMAN et al., 2005b; TOMASI et al., 2015) que estão em órbita polar3.
Além do sensor MODIS, existem outros como o Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) a bordo do satélite Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO) que foi lançado em 28 de abril de 2006 cujo uso do laser ocorreu em 7 de junho de 2006 (WINKER; HUNT; MCGILL, 2007). Com os algoritmos do CALIOP, este satélite consegue identificar as camadas da atmosfera, de aerossóis e de nuvens (OMAR et al., 2013). A Figura 6 ilustra os satélites CALIPSO e Aqua em uma mesma órbita espacial junto com outros quatro satélites.
Figura 6 - Órbita realizada pelos satélites Aqua, CloudSat, CALIPSO, PARASOL e Aura. Destaque (quadrado vermelho) para o sensor MODIS abordo do satélite Aqua. O satélite OCO caiu em 24 de
fevereiro de 2009 e atualmente está em órbita o OCO-2. O tempo (em min e seg) representa a passagem de cada satélite após a passagem do anterior.
Fonte: Adaptada de www.pt.wikipedia.org (2018).
Conforme Correia et al. (2007) e Olmo et al. (2008), os resultados obtidos a partir de sensores em satélites precisam ser “validados”, isto é, comparados com instrumentos de reconhecida eficiência e robustez pela comunidade internacional, para que possam ser
3 Esta órbita passa pelos polos do planeta com uma inclinação próxima a 90 graus em relação ao
utilizados com finalidades científicas, portanto os produtos de propriedades ópticas do aerossol do sensor MODIS, por exemplo, podem ser validados pela comparação com os produtos obtidos da AERONET.
2.4.3 Sistema LIDAR
O LIDAR é uma técnica de sensoriamento remoto ativo que possui um sistema de transmissão composto por um laser, apontando para o céu em um ângulo de 90º, e um sistema de aquisição, composto por um telescópio e equipamentos de detecção do sinal recebido (KOVALEV; EICHINGER, 2004; ARGALL; SIGA, 2013) - Figura 7. A técnica consiste no envio de pulsos de luz (TOMASI et al., 2015) em direção ao objeto de estudo que espalha parte da luz de volta e o telescópio recebe parte do sinal de retorno (ARGALL; SIGA, 2013), por isto, é dito ativo, ao passo que um radiômetro é chamado passivo, pois apenas recebe a radiação devida à atenuação da luz solar.
Figura 7 - Sistema Duster LIDAR da Cidade de Natal: 1 - laser para a emissão monocromática, 2 - espelho para direcionar o laser, 3 - telescópio para receber o sinal e 4 - unidade de controle para a
comunicação entre o operador e o instrumento.
Este instrumento é capaz de fornecer um perfil vertical da atmosfera até uma certa altura o que possibilita a identificação de camadas (aerossol ou nuvem) durante o intervalo de tempo de medição. A identificação destas camadas só é possível graças às partículas esféricas, que não despolarizam a luz e as partículas não esféricas, que normalmente o fazem. Ele pode identificar a estrutura e estratificação de camadas locais de aerossol (MONTILLA-ROSERO et al., 2016) na faixa de altitude em que a imagem do laser está completamente dentro do campo de visão do telescópio (TOMASI et al., 2015).
O LIDAR também fornece a Razão LIDAR, razão entre os coeficientes de retroespalhamento e de extinção dos aerossóis. A obtenção desses parâmetros se dá em sinergia com as medições de um fotômetro solar com os valores de AOD dos aerossóis (LOPES, 2011), portanto, de acordo com Tomasi et al. (2015), esses instrumentos ópticos (LIDAR e fotômetros solares) medem as características do campo de luz atmosférico (interno, refletido ou transmitido).