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As nuvens marcam as fronteiras dos ecossistemas (El País)

Padrões de nebulosidade desenham o mapa das paisagens bioclimáticas e a distribuição das espécies

MIGUEL ÁNGEL CRIADO

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O geógrafo Adam Wilson e o ecologista Walter Jetz observaram as nuvens para saber a vida que existe sob elas. Os dois cientistas usaram imagens de satélites tiradas duas vezes ao dia durante os últimos 15 anos para criar um atlas das nuvens e relacionaram esse mapa com a biodiversidade do planeta, desenhando desde os limites dos grandes biomas (paisagens bioclimáticas) até a distribuição geográfica das diferentes espécies.

Suspensas lá em cima, as nuvens são um elemento fundamental da climatologia. Sua presença anuncia umidade, chuvas, água para as plantas, bosques e florestas, explosão de vida… Por outro lado, sua ausência caracteriza paisagens mais secas e desoladas, seja nos desertos ou no interior da Antártida. Foi essa conexão entre clima e biodiversidade que levou Wilson, professor da Universidade de Buffalo, e Jetz, pesquisador de Yale (ambas nos EUA), a buscar uma forma de detectar os padrões e dinâmica globais das nuvens mais eficiente do que os sistemas atuais.

Encontraram a solução nas fotografias da Terra tiradas há anos pela NASA. Concretamente, eles usaram os dados acumulados pela missão MODIS, siglas do espectroradiômetro de imagens de resolução média, um instrumento científico que vai a bordo de dois satélites chamados Terra e Aqua. O primeiro foi colocado em órbita em 1999, o segundo, quatro anos depois. Os dois circundam o planeta em uma órbita de polo a polo tirando fotografias sincronizadas para que Terra sobrevoe o equador de manhã e Aqua o faça pela tarde em sentido oposto. A cada dois dias fotografam todo o planeta em alta resolução.

As regiões equatoriais são as de maior concentração anual de nuvens e menor variação mensal

Com esse alcance global e uma resolução de até menos de um quilômetro, os dois pesquisadores criaram seu atlas das nuvens. Em sua versão online é possível observar a frequência anual de nebulosidade, entendida como a porcentagem de dias com mais nuvens do que claros, em cada latitude. Também se observa a variação mensal, por estação e anual.

Em um primeiro olhar (ver fotografia), é possível observar uma correlação entre a latitude e padrões de nebulosidade. Dessa forma, a América equatorial, a bacia do rio Congo na África e o sudeste da Ásia são as regiões com mais nuvens do planeta, até 80% dos dias são nublados. Mesmo que as espécies que habitam esses grandes biomas possam ser diferentes, são ecossistemas que possuem diversas características em comum.

O mapa permite observar também a variação inter-anual. Enquanto as selvas equatoriais apresentam poucas variações que nunca superam 5% de um mês ao outro, os biomas monçônicos da Índia e o sahel africano são os que sofrem maiores diferenças entre os meses nublados e os claros, o que corresponde à temporada de chuvas e a temporada seca.

“Quando visualizamos os dados, destacou-se a claridade com a qual pudemos ver os muitos e diferentes biomas da Terra tendo por base a frequência e o momento dos dias nublados dos últimos 15 anos”, diz Wilson. “Quando passamos de um ecossistema a outro, essas transições mostram-se muito claramente e o melhor é que esses dados permitem observar diretamente esses padrões com uma resolução de um quilômetro”, acrescenta.

O mapa mostra a distribuição das nuvens desde 1999. Em negro as áreas com maior nebulosidade anual. As diferentes cores e sua intensidade mostram as variações mensais.

O mapa mostra a distribuição das nuvens desde 1999. Em negro as áreas com maior nebulosidade anual. As diferentes cores e sua intensidade mostram as variações mensais. Adam Wilson

Essa resolução é uma das maiores contribuições da pesquisa. Pode ser óbvio que a bacia do Congo tenha muitos dias com nuvens, mas com as imagens de satélites é possível observar as diferenças locais, entre a margem norte e sul de um rio e as encostas leste e oeste de uma montanha, por exemplo. Era possível conseguir esse grau de detalhamento nas áreas mais desenvolvidas do planeta, mas não nas menos, que são exatamente as que possuem maior riqueza biológica.

Até agora, os estudos sobre biodiversidade eram baseados na observação direta dos pesquisadores (e, portanto, muito parcial) e as extrapolações de outros sistemas de coleta de dados. Um dos maiores são as estações meteorológicas que, com seus dados de umidade, vento, precipitações, desenham a paisagem climática nas quais vivem as diferentes espécies. Mas a rede de estações também não é suficientemente compacta, de modo que os cientistas precisam interpolar a partir de dados às vezes muito locais e dispersos.

O atlas das nuvens indicou a distribuição geográfica da protea real (sua flor na imagem), um arbusto da faixa de clima mediterrâneo da África do Sul.

O atlas das nuvens indicou a distribuição geográfica da protea real (sua flor na imagem), um arbusto da faixa de clima mediterrâneo da África do Sul. Adam Wilson

“Compreender os padrões espaciais da biodiversidade é fundamental se queremos tomar decisões balizadas sobre como proteger as espécies e gerir a biodiversidade e seus muitos serviços para o futuro”, diz Jetz. Mas acrescenta: “para as regiões que possuem mais diversidade biológica, existe uma escassez real de dados dos locais”.

Esse estudo original, publicado na PLoS Biology, mostra também a íntima e frágil relação entre as nuvens e os chamados bosques nublados. É que essas selvas com a presença constante ou pelo menos regular de nuvens baixas como nevoeiro também não escapam à detecção dos satélites. Essas regiões são ricas em endemismos, de modo que a alteração dos padrões de nebulosidade pela ação humana e a mudança climática pode ter consequências catastróficas.

Os pesquisadores, que não pretendem substituir os modelos existentes, mas acrescentar mais uma camada de conhecimento, quiseram comprovar a validade de seu atlas das nuvens para indicar não só os limites de um determinado ecossistema, mas a distribuição geográfica de duas espécies. Uma é o pequeno trepatroncos montano, um pássaro das selvas montanhosas do norte da América do Sul. A outra é a protea real, um arbusto da região de clima mediterrâneo da África do Sul. Nos dois casos, o que viram nas nuvens foi mais preciso do que os dados oferecidos pelos modelos baseados em registros de precipitações e temperatura.

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Concluído primeiro recenseamento de nuvens do Brasil (Fapesp)

01 de dezembro de 2014

Por Karina Toledo

Agência FAPESP – Para conseguir prever com precisão eventos extremos, como tempestades, ou simular cenários de impactos das mudanças climáticas, é preciso avançar no conhecimento dos processos físicos que ocorrem no interior das nuvens e descobrir a variação de fatores como o tamanho das gotas de chuva, a proporção das camadas de água e de gelo e o funcionamento das descargas elétricas.

Com esse objetivo, uma série de campanhas para coleta de dados foi realizada entre 2010 e 2014 em seis cidades brasileiras – Alcântara (MA), Fortaleza (CE), Belém (PA), São José dos Campos (SP), Santa Maria (RS) e Manaus (AM) – no âmbito de um Projeto Temático FAPESP coordenado por Luiz Augusto Toledo Machado, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe). Essas campanhas contaram com a participação de pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) e de diversas faculdades de Meteorologia no Brasil, que sediaram os experimentos.

Os principais resultados da iniciativa, conhecida como “Projeto Chuva”, foram descritos em um artigo de capa do Bulletin of the American Meteorological Society, revista de grande impacto na área de meteorologia.

Segundo Machado, as regiões escolhidas para a pesquisa de campo representam os diferentes regimes de precipitação existentes no Brasil. “É importante fazer essa caracterização regional para que os modelos matemáticos possam fazer previsões em alta resolução, ou seja, em escala de poucos quilômetros”, disse o pesquisador.

Um conjunto comum de instrumentos – que inclui radares de nuvens de dupla polarização – foi usado nos diferentes sítios de forma que as medidas pudessem ser comparadas e parametrizadas para modelagem.

O radar de dupla polarização, em conjunto com outros instrumentos, envia ondas horizontais e verticais que, por reflexão, indicam o formato dos cristais de gelo e das gotas de chuva, ajudando a elucidar a composição das nuvens e os mecanismos de formação e intensificação das descargas elétricas durante as tempestades. Também foram coletados dados como temperatura, umidade e composição de aerossóis.

Além disso, experimentos adicionais distintos foram realizados em cada uma das seis cidades. No caso de Alcântara, onde a coleta de dados ocorreu em março de 2010, o experimento teve como foco o desenvolvimento de algoritmos de estimativa de precipitação para o satélite internacional Global Precipitation Measurement (GPM) – lançado em fevereiro de 2014 pela Nasa (a agência espacial americana) e pela Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial (Jaxa).

“Naquela região, o grande desafio é conseguir estimar a precipitação das chamadas nuvens quentes, que não têm cristais de gelo em seu interior. Elas são comuns na região do semiárido nordestino”, explicou Machado.

Por não abrigarem gelo, a chuva dessas nuvens passa despercebida pelos sensores de micro-ondas que equipam os satélites usados normalmente para medir a precipitação, resultando em dados imprecisos.

As medições de nuvens quentes feitas por radar em Alcântara, comparadas com as medições feitas por satélite, indicaram que os valores de volume de água estavam subestimados em mais de 50%.

Em Fortaleza, onde a coleta foi feita em abril de 2011, foi testado em parceria com a Defesa Civil um sistema de previsão de tempestades em tempo real e de acesso aberto chamado Sistema de Observação de Tempo Severo (SOS Chuva).

“Usamos os dados que estavam sendo coletados pelos radares e os colocamos em tempo real dentro de um sistema de informações geográficas. Dessa forma, é possível fazer previsões para as próximas duas horas. E saber onde chove forte no momento, onde tem relâmpago e como a situação vai se modificar em 20 ou 30 minutos. Também acrescentamos um mapa de alagamento, que permite prever as regiões que podem ficar alagadas caso a água suba um metro, por exemplo”, contou Machado.

A experiência foi tão bem-sucedida, contou o pesquisador, que a equipe decidiu repeti-la nas campanhas realizadas posteriormente. “O SOS Chuva contribui para diminuir a vulnerabilidade da população a eventos extremos do clima, pois oferece informações não apenas para os agentes da Defesa Civil como também para os cidadãos”, disse.

Em junho de 2011 foi realizada a campanha de coleta de dados em Belém, onde os pesquisadores usaram uma rede de instrumentos de GPS para estimar a quantidade de água na atmosfera. Os resultados devem ser publicados em breve. Também foram lançados balões meteorológicos capazes de voar durante 10 horas e coletar dados da atmosfera. “O objetivo era entender o fluxo de vapor d’água que vem do Oceano Atlântico que forma a chuva na Amazônia”, contou Machado.

Entre novembro de 2011 e março de 2012, foi realizada a campanha de São José dos Campos, cujo foco era estudar os relâmpagos e a eletricidade atmosférica. Para isso, foi utilizado um conjunto de redes de detecção de descargas elétricas em parceria com a Agência de Pesquisas Oceânicas e Atmosféricas (NOAA), dos Estados Unidos, e a Agência Europeia de Satélites Meteorológicos (Eumetsat).

“Foram coletados dados para desenvolver os algoritmos dos sensores de descarga elétrica dos satélites geoestacionários de terceira geração, que ainda serão lançados pela NOAA e pela Eumetsat nesta década. Outro objetivo era entender como a nuvem vai se modificando antes que ocorra a primeira descarga elétrica, de forma a prever a ocorrência de raios”, contou Machado.

Em Santa Maria, entre novembro e dezembro de 2012, foram testados, em parceria com pesquisadores argentinos, modelos matemáticos de previsão de eventos extremos. Segundo Machado, a região que abrange o sul do Brasil e o norte da Argentina que ocorrem as tempestades mais severas do mundo.

“Os resultados mostraram que os modelos ainda não são precisos o suficiente para prever com eficácia a ocorrência desses eventos extremos. Em 2017, faremos um novo experimento semelhante, chamado Relâmpago, no norte da Argentina”, contou Machado.

GOAmazon

As duas operações intensivas de coleta de dados realizadas em Manaus – a primeira entre fevereiro e março de 2014 e a segunda entre setembro e outubro do mesmo ano – ainda não haviam ocorrido quando o artigo foi submetido à publicação.

A campanha foi feita no âmbito do projeto Green Ocean Amazon e contou com dois aviões voando em diferentes alturas para acompanhar a pluma de poluição emitida pela região metropolitana de Manaus. O objetivo era avaliar a interação entre os poluentes e os compostos emitidos pela floresta, bem como seu impacto nas propriedades de nuvens (leia mais em http://agencia.fapesp.br/avioes_sobrevoam_a_amazonia_por_quase_200_horas_para_medir_impacto_da_poluicao/20150/). Os dados ainda estão em fase de análise.

Ao comentar as principais diferenças encontradas nas diversas regiões brasileiras, Machado destaca que as regiões Sul e Sudeste são as que apresentam gotas de chuva de tamanhos maiores e uma camada mista, na qual há água no estado líquido e sólido, mais desenvolvida. Essa é, segundo o pesquisador, a principal razão da maior incidência de descargas elétricas nesses locais.

Já as nuvens da Amazônia apresentam a camada de gelo no topo – acima de 20 quilômetros de altura – mais bem desenvolvida que a de outras regiões. As regiões litorâneas, como Alcântara e Fortaleza, apresentam em maior quantidade as chamadas nuvens quentes, nas quais quase não há descargas elétricas.

“Foi o primeiro recenseamento de nuvens feito no Brasil. Essas informações servirão de base para testar e desenvolver modelos capazes de descrever em detalhes a formação de nuvens, com alta resolução espacial e temporal”, concluiu o pesquisador.

‘Superglue’ for the atmosphere: How sulfuric acid increases cloud formation (Science Daily)

Date: October 8, 2014

Source: Goethe-Universität Frankfurt am Main

Summary: It has been known for several years that sulfuric acid contributes to the formation of tiny aerosol particles, which play an important role in the formation of clouds. A new study shows that dimethylamine can tremendously enhance new particle formation. The formation of neutral (i.e. uncharged) nucleating clusters of sulfuric acid and dimethylamine was observed for the first time.

Clouds. Credit: Copyright Michele Hogan

It has been known for several years that sulfuric acid contributes to the formation of tiny aerosol particles, which play an important role in the formation of clouds. The new study by Kürten et al. shows that dimethylamine can tremendously enhance new particle formation. The formation of neutral (i.e. uncharged) nucleating clusters of sulfuric acid and dimethylamine was observed for the first time.

Previously, it was only possible to detect neutral clusters containing up to two sulfuric acid molecules. However, in the present study molecular clusters containing up to 14 sulfuric acid and 16 dimethylamine molecules were detected and their growth by attachment of individual molecules was observed in real-time starting from just one molecule. Moreover, these measurements were made at concentrations of sulfuric acid and dimethylamine corresponding to atmospheric levels (less than 1 molecule of sulfuric acid per 1 x 1013 molecules of air).

The capability of sulfuric acid molecules together with water and ammonia to form clusters and particles has been recognized for several years. However, clusters which form in this manner can vaporize under the conditions which exist in the atmosphere. In contrast, the system of sulfuric acid and dimethylamine forms particles much more efficiently because even the smallest clusters are essentially stable against evaporation. In this respect dimethylamine can act as “superglue” because when interacting with sulfuric acid every collision between a cluster and a sulfuric acid molecule bonds them together irreversibly. Sulphuric acid as well as amines in the present day atmosphere have mainly anthropogenic sources.

Sulphuric acid is derived mainly from the oxidation of sulphur dioxide while amines stem, for example, from animal husbandry. The method used to measure the neutral clusters utilizes a combination of a mass spectrometer and a chemical ionization source, which was developed by the University of Frankfurt and the University of Helsinki. The measurements were made by an international collaboration at the CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) chamber at CERN (European Organization for Nuclear Research).

The results allow for very detailed insight into a chemical system which could be relevant for atmospheric particle formation. Aerosol particles influence Earth’s climate through cloud formation: Clouds can only form if so-called cloud condensation nuclei (CCN) are present, which act as seeds for condensing water molecules. Globally about half the CCN originate from a secondary process which involves the formation of small clusters and particles in the very first step followed by growth to sizes of at least 50 nanometers.

The observed process of particle formation from sulfuric acid and dimethylamine could also be relevant for the formation of CCN. A high concentration of CCN generally leads to the formation of clouds with a high concentration of small droplets; whereas fewer CCN lead to clouds with few large droplets. Earth’s radiation budget, climate as well as precipitation patterns can be influenced in this manner. The deployed method will also open a new window for future measurements of particle formation in other chemical systems.


Journal Reference:

  1. A. Kurten, T. Jokinen, M. Simon, M. Sipila, N. Sarnela, H. Junninen, A. Adamov, J. Almeida, A. Amorim, F. Bianchi, M. Breitenlechner, J. Dommen, N. M. Donahue, J. Duplissy, S. Ehrhart, R. C. Flagan, A. Franchin, J. Hakala, A. Hansel, M. Heinritzi, M. Hutterli, J. Kangasluoma, J. Kirkby, A. Laaksonen, K. Lehtipalo, M. Leiminger, V. Makhmutov, S. Mathot, A. Onnela, T. Petaja, A. P. Praplan, F. Riccobono, M. P. Rissanen, L. Rondo, S. Schobesberger, J. H. Seinfeld, G. Steiner, A. Tome, J. Trostl, P. M. Winkler, C. Williamson, D. Wimmer, P. Ye, U. Baltensperger, K. S. Carslaw, M. Kulmala, D. R. Worsnop, J. Curtius. Neutral molecular cluster formation of sulfuric acid-dimethylamine observed in real time under atmospheric conditions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; DOI: 10.1073/pnas.1404853111