Variabilidade no brilho solar e controle do clima

Pequenas mudanças na intensidade do brilho solar podem causar grandes impactos de médio e curto prazo no clima da Terra de acordo com novo estudo publicado na revista Scientific American, (2013). A observação científica tem

demonstrado que certos fenômenos climáticos como oceanos mais quentes, maior quantidade de chuvas tropicais, menor quantidade de nuvens subtropicais, circulação mais intensa de ventos, parecem estar relativamente associados a um ciclo de atividade solar de onze anos, resultando em variações na emissão total da radiação solar.

O climatologista Gerald Meehl et al, (2010), do Centro Nacional Americano de Pesquisa Atmosférica (NCAR) e seus colegas reproduziram todos os fenômenos climáticos cíclicos observados quando a luz solar variava seu brilho e concluíram que mesmo sendo pequena a variabilidade do brilho solar, em médias globais, regional ou localmente pode ser muito maior. Mudanças na radiação solar segundo Meehl pode fornecer condições que propiciem o surgimento do efeito La Niña, onde as águas da superfície do oceano são anormalmente mais baixas no Pacífico equatorial. Quando isso acontece, há chances de ocorrer um La Niña fraco.

2.7.1 O dióxido de carbono (CO2)

O aumento da concentração de alguns gases na atmosfera como o CO2

também podem contribuir para afetar a tendência temporal dos parâmetros atmosféricos e consequentemente obscurecer os efeitos solares. O dióxido de carbono é transparente aos comprimentos de ondas curtas de radiação, mas em relação às radiações de ondas longas, (infravermelhas), a radiação solar é absorvida por estes compostos e devolvida ao espaço, retornando parte dessa energia para o solo. Quanto maior a concentração de CO2 na atmosfera, menor a quantidade de

radiação emitida para o espaço (Yamasoe, 2006) assim, contribuindo para o aquecimento global.

As variações nas concentrações de gases de efeito estufa como o dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e o óxido nitroso (N2O), na atmosfera, advêm

principalmente do balanço entre as emissões originárias da queima de combustíveis fósseis e mudanças no uso do solo através das queimadas e a absorção pelos sistemas naturais.

Foram publicados em 2 de maio 2013, na Nature pelo Monastersky, (2013) que a concentração de CO2 na atmosfera havia superado pela primeira vez as 400

partes por milhão (ppm). Este índice coloca o planeta em zona perigosa segundo a encarregada das Nações Unidas para o Clima, Cristiana Figueres (2013) em um comunicado publicado em Bonn, Alemanha, de acordo com a Figura 2.21.

Figura 2.21 – Concentração Atmosférica de CO2 em parte por milhão (ppm),

medidas feitas no observatório de Mauna Loa, Havaí pela agência oceânica e atmosférica americana (NOAA)

Fonte: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/.

Os dados mostrados na figura 2.21 mostram que a concentração de CO2 na

atmosfera indica claramente que os sistemas naturais sorvedouros de carbono não estão sendo capazes de absorvê-lo na mesma taxa pela qual vinham sendo emitido Raupach (2008). Segundo o painel intergovernamental de mudanças climáticas da ONU, com densidades acima de 400 ppm de CO2 a temperatura média do planeta

2.7.2 O fenômeno El-Niño

O El Niño Oscilação Sul (ENSO – El Niño-Southern Oscillation) é um fenômeno de grande escala que provoca anomalias no padrão de temperatura da superfície do Oceano Pacífico Tropical. Este fenômeno ocorre na região equatorial do oceano Pacífico caracterizado por valores positivos maiores que 0,5 °C da temperatura superficial do mar (Sea SurfaceTemperature–SST), em relação aos valores médios de 1971 a 2000, e simultaneamente ocorre com anomalias no padrão de pressão atmosférica nas regiões de Darwin, norte da Austrália (12,4 °S; 130,9 °E) e Taiti, na Polinésia Francesa (17,5 °S; 149,6 °W). O fenômeno La Niña, fase fria, é caracterizado por valores negativos menores que -0,5 °C em relação aos valores médios, por três meses ou mais, na mesma região e a fase quente do ENOS é chamada de El Niño (Wyrtcki et al, 1976).

Em estudos sobre o comportamento da nebulosidade sobre a América do Sul do El Niño e La Niña e períodos neutros foi observado que em ano de La Niña nas regiões equatoriais, frequentemente é observada nebulosidade em 2/3 da latitude ou em toda ela. Já no ano de El Niño, esta frequência de nebulosidade é menor (Federova e Carvalho, 2006).

Segundo Chrity e Spencer (2004) as temperaturas médias globais aumentam com a ocorrência de El Niño e diminuem com a ocorrência de La Niña, o que pode provocar alterações do balanço radiativo da Terra.

No Brasil, a fase quente do ENSO (El Niño) provoca diminuição de precipitação no Norte e Nordeste e um aumento de chuvas intensas de maio a julho no Sul. Tal ocorrência pode influenciar no comportamento médio da radiação solar, diminuindo a quantidade de vapor d’água sobre uma determinada região. Uma menor quantidade de vapor de água na atmosfera torna-a mais transparente à radiação solar e à maior quantidade de radiação solar de onda curta chegando à superfície terrestre. Isto eleva ganho de energia, aumentando o saldo de radiação ou provocando o contrário, caso a nebulosidade seja maior com as intensas chuvas.

No Rio Grande do Sul ocorreram alterações no padrão de precipitação tanto em anos de El Niño como La Niña, na mesma época do ano, principalmente no final da primavera e no início do verão (Berlato e Fontana, 2003). O evento do El Niño está relacionado às precipitações acima da média normal e para os anos com La

Niña está associado aos valores abaixo da média normal. Segundo Streten, (1983), no estado do Rio Grande do Sul, ocorrem dois picos de influência, sendo o principal deles nos meses de outubro a dezembro e uma repetição nos meses de abril a maio.

Segundo o Australian Govermment Bureau of Meteorology, o índice de oscilação Sul ou SOI, fornece uma indicação do desenvolvimento e da intensidade do El Niño ou La Niña no Oceano Pacífico. O SOI é determinado usando as diferenças de pressão entre Taiti e Darwin (Austrália).

Valores negativos da SOI, abaixo de 8 (diferença de pressão entre Taiti e Darwin) indicam frequentemente episódios de El Niño. Estes valores negativos são geralmente acompanhados de aquecimento no centro e leste do Oceano Pacífico Tropical, uma diminuição das forças dos ventos alísios do Pacífico e uma redução das chuvas sobre grandes no inverno e na primavera no leste da Austrália.

Valores positivos do SOI, acima de 8, são típicos de um episódio de La Niña associado a fortes ventos do Pacífico e temperaturas mais quentes do mar ao norte da Austrália. Chuvas no centro e leste do Oceano Pacífico Tropical tornam mais fria a região durante este período favorecendo uma probabilidade maior de umidade em relação a normal no leste e norte da Austrália, Figura 2.22.

Figura 2.22 – Valores mensais do SOI

Resultados de levantamento de dados no estado do Rio Grande do Sul têm demonstrado que as médias climatológicas mensais de insolação variam de 134,9 h a 240,1 h. Assim, os fenômenos de El Niño e La Niña determinam anomalias negativas e positivas, respectivamente, de insolação relativa causando maior impacto no trimestre de outubro a novembro com maior ênfase a La Niña, o que demonstra uma tendência de maior insolação que em anos neutros. Neste trimestre, o mês de maior impacto dos ENOS tem sido novembro (Fonte: Custódio, M. S. et al. Insolação no Rio Grande do Sul: Climatologia e Impacto de El Niño e La Niña).

Dados diários de evaporação do Tanque Classe A, (mede a evaporação - em milímetros (mm·dia-1), numa superfície livre de água), demonstraram que a insolação é menor nos anos de El Niño e maior nos anos de La Niña. A umidade relativa média diária do ar foi maior em anos do El Niño e menor em anos de La Niña. A maior influência dos ENOS para umidade relativa média diária do ar ocorre de outubro a novembro e no mês de maio (Streck. N. 2008).

Diante das incertezas que o clima tem demonstrado principalmente na virada do século, tentar entendê-lo é de suma importância para as energias alternativas principalmente porque qualquer mudança na irradiância solar resultará em um decréscimo na potência gerada. Qualquer variação brusca climática, como o clima vem demonstrando ultimamente, também resulta em maiores precipitações e nebulosidades ou grandes estiagens em algumas regiões, afetando naturalmente a geração hidrelétrica da qual fazem parte o maior percentual de geração elétrica no Brasil e, consequentemente, também no Estado.

No próximo capítulo são tratados os métodos utilizados nas séries temporais para obter, entre outras analises, a previsão comportamental da sazonalidade, sua tendência e a detecção de ciclos na série.

Neste capítulo, tratam-se alguns conceitos básicos das séries temporais, da classe geral dos modelos ARIMA, X11 e X11-ARIMA no domínio do tempo, modelos estes utilizados para se obter, entre outras análises, a previsão do comportamento da sazonalidade e sua tendência. A metodologia para verificar possíveis quebras estruturais em série eólicas e a análise espectral no domínio da frequência pelo método de Fourier na detecção de ciclos na série, também são demonstradas. É explicada a metodologia estatística usada através do emprego de modelos para o preenchimento das lacunas em dados inexistentes no banco de dados meteorológicos e na estruturação do mesmo.

Também são apresentados alguns conceitos gerais e definições para um melhor entendimento dos termos utilizados em estatística.

Importante salientar que estes modelos estatísticos e matemáticos podem ser utilizados em série de dados em qualquer região do planeta em que se queira analisar as variáveis de insolações e/ou radiação, velocidades média ou máxima dos ventos, ou outra variável qualquer. Desde que se tenha um número considerável de informações de dados medidos ao longo do tempo do local a ser investigado.

3.1 Metodologia

Os estudos desenvolvidos por esta tese foram realizados no domínio do tempo, por meio das funções de autocorrelações, no caso dos estudos da sazonalidade e tendência, e no domínio da frequência, por meio de análise espectral com o intuito de verificar a existência de ciclos nas séries.

A interpolação temporal foi realizada seguindo a técnica Box & Jenkins. Esses modelos podem ser expressos por modelos Autorregressivos (AR) e modelos de Médias Móveis (MA) ou pela união desses modelos. A inclusão do modelo ARIMA no X11 foi utilizada para análise da sazonalidade da série. Este procedimento é

fundamental quando a estrutura sazonal se altera rapidamente e de forma aleatória como neste estudo tentando captar variações cíclicas.

As respostas serviram para sugerir e estimar tendências futuras do potencial solar e eólico do planeta Terra baseadas em dados obtidos para o estado do Rio Grande do Sul comparando-os com dados avaliados anteriormente.

A previsão das intensidades climáticas a que se chegou foi através de modelos matemáticos e estatísticos, produzindo previsões para futuros valores da série. Os modelos ARIMA (modelos autorregressivos integrados de média móvel), e a análise da intervenção por meio da metodologia Box & Jenkins, (Box & Jenkins, 1994) foram utilizados para fazer previsões de intensidades em função de valores passados descrevendo o comportamento da série no preenchimento das lacunas faltantes na estruturação do banco de dados. Assim como o modelo X11 ARIMA utilizado nos ajustes para interpretação do comportamento da sazonalidade das variáveis, insolação, radiação e velocidade média do vento. Também foram realizados estudos sobre a estabilidade da série dos dados eólicos e possíveis quebras estruturais com a finalidade de investigar instabilidades, e concluir sobre os fatores que desestabilizam a série.

Assim sendo, com base num estudo capaz de representar as situações mais próximas da realidade, esta tese pretende contribuir para a elaboração de projetos de geração de energia solar e eólica e servir de subsídio para estudos sobre as variações climáticas passíveis de influenciar a geração de energia elétrica.